Определение сульфат – ионов в водопроводной воде

Теоретическая часть.

I. Сущность метода

Скорость химической реакции есть изменение концентрации вещества в единицу времени.

D + B = P (1)

Для реакции (1) уравнение скорости реакции будет выглядеть следующим образом:

dP/dt = k∙[D]∙[B] (2)

Если процесс далек от завершения, то текущие концентрации реагирующих веществ мало отличаются от исходных, значит [D]=CDи [B]=CB. После разделения переменных и интегрирования (2) получаем выражение:

[P] = k∙CD∙CB∙t (3)

В кинетических методах анализа обычно измеряют изменение [P] или пропорционального ей свойства раствора (оптическая плотность, мутность, сила тока, потенциал и т.д.) в зависимости от времени протекания реакции. При этом задают постоянной концентрацию одного из реагирующих веществ, например, CD. Если продукт реакции Р поглощает свет, то это поглощение подчиняется закону Бугера – Ламберта – Бера:

А = ε∙ ℓ∙[P] (4)

Подставляя уравнение (3) в уравнение (4), получим уравнение зависимости изменения оптической плотности от времени:

А = ε∙ℓ∙k∙CD∙CB∙t = const∙CB∙t (5)

Исходя из уравнения (5), на практике можно найти неизвестную концентрацию CB. Используют три варианта кинетического метода (рис.1): метод тангенсов, метод фиксированного времени и метод фиксированного свойства. Для метода тангенсов строят зависимость тангенса угла наклона крутого участка кривой от концентрации определяемого вещества. В методах фиксированного времени и фиксированного свойства выстраивают зависимость 1/t от концентрации и, в нашем случае, оптической плотности от концентрации.

Рис.1. Три варианта кинетического метода

Реальные кинетические кривые сложнее, чем это показано на графике, но все они обладают общими принципами и закономерностями, дающими возможность использовать кинетический метод анализа. Для анализа важна средняя круто восходящая прямолинейная часть графика, показывающая интенсивное протекание реакции. Верхняя пологая часть означает, что реакция движется к своему завершению. Наличие нижнего пологого участка свидетельствует о протекании медленной стадии, предшествующей реакции, используемой в анализе.

II. Реактивы и оборудование

1. Стандартный раствор CaSO4, 0,005М.

2. BaCl2, 1% раствор в 0,1 М соляной кислоте.

3. Фотоэлектроколориметр КФК-2.

4. Секундомер.

5. Колбы мерные емкостью 50 мл, 4 шт.

Цель работы: Определение сульфат – ионов в водопроводной воде хронотурбидиметрическим методом, сравнение трех вариантов кинетического метода анализа.

Практическая часть.

1. Сравнение трех вариантов определения сульфат – иона хронотурбидиметрическим методом.

В четыре мерные колбы емкостью 50 мл внесли соответственно 1, 2, 3 и 4 мл стандартного раствора CaSO4 и разбавили дистиллированной водой до метки. Налили полученный раствор в фотоколориметрическую кювету, с толщиной поглощающего слоя 50 мм, до метки и поместили ее в кюветное отделение фотоколориметра. Внесли в кювету 1 мл осадителя (BaCl2), одновременно включив секундомер. Закрыли крышку кюветного отделения и измеряли оптическую плотность раствора с интервалом 5 секунд в течении 2-5 минут (пока кинетическая кривая не вышла на пологий участок) относительно дистиллированной воды при выбранном синем светофильтре.

t,с	A1	A2	A3	A4
	0,15	0,18	0,194	0,239
	0,15	0,198	0,226	0,286
	0,132	0,226	0,268	0,324
	0,135	0,245	0,292	0,378
	0,142	0,265	0,325	0,425
	0,146	0,313	0,355	0,456
	0,148	0,337	0,368	0,475
	0,149	0,356	0,392	0,504
	0,153	0,377	0,415	0,52
	0,155	0,398	0,437	0,535
	0,16	0,415	0,458	0,552
	0,165	0,425	0,479	0,567
	0,168	0,432	0,491	0,577
	0,172	0,442	0,503	0,582
	0,178	0,444	0,515	0,599
	0,182	0,452	0,524	0,606
	0,184	0,46	0,533	0,615
	0,189	0,475	0,541	0,622
	0,189	0,479	0,553	0,627
	0,193	0,483	0,556	0,632
	0,196	0,485	0,562	0,635
	0,202	0,491	0,567	0,638
	0,203	0,497	0,569	0,64
	0,205	0,5	0,571	0,649
	0,207	0,502	0,573	0,652
	0,209	0,509	0,57	0,653
	0,217	0,52	0,579	0,654
	0,218	0,522	0,579	0,656
	0,219	0,524	0,58	0,657
	0,224	0,524	0,58	0,657
	0,225	0,525	0,58	0,657
	0,226	0,525	0,584	0,657
	0,232	0,526	0,585	0,657
	0,233	0,528	0,587
	0,234	0,531	0,587
	0,236	0,531	0,587
	0,238	0,531	0,587
	0,239	0,531	0,587
	0,242	0,531	0,587
	0,244	0,53
	0,247	0,53
	0,248
	0,251

Построили график зависимости А от t для всех четырех растворов:

После построения графика, определили угловые коэффициенты (тангенсы углов наклона) прямолинейных участков:

tg A₁ = 0,061/85 = 0,00072

tg A₂ = 0,087/15 = 0,0058

tg A₃ = 0,129/20 = 0,00645

tg A₄ = 0,217/25 = 0,00868

C (A₁) = V_a*C/V_k = 4*0,005/50 = 0,0004 М

C (A₂) = 3*0,005/50 = 0,0003 М

C (A₃) = 2*0,005/50 = 0,0002 М

C (A₄) = 1*0,005/50 = 0,0001 М

Построили зависимость тангенса от концентрации сульфат – иона. Получился график по методу тангенсов:

Построили график зависимости 1/t от концентрации сульфат – иона:

1) 1/t = 0,2

2) 1/t = 0,067

3) 1/t = 0,05

4) 1/t = 0,005

Аналогично провели прямую параллельную оси оптических плотностей (t”) и построили график зависимости А от концентрации сульфат – иона, таким образом получился градуировочный график по методу фиксированного времени:

А1= 0,28

А2 = 0,25

А3 = 0,2

А4 = 0,15

Определение сульфат – ионов в водопроводной воде

Выполнили определение сульфат – ионов в водопроводной воде в трех параллелях:

t, с	A1	A2	A3
	0,392	0,381	0,382
	0,452	0,485	0,437
	0,535	0,491	0,521
	0,65	0,752	0,532
	0,654	0,792	0,574
	0,685	0,825	0,584
	0,712	0,851	0,707
	0,741	0,875	0,719
	0,762	0,892	0,737
	0,779	0,901	0,757
	0,791	0,902	0,772
	0,802	0,91	0,779
	0,806	0,913	0,785
	0,807	0,92	0,801
	0,812	0,925	0,807
	0,82	0,93	0,815
	0,821	0,941	0,825
	0,826	0,951	0,829
	0,826	0,954	0,834
	0,826	0,954	0,837
	0,826	0,957	0,843
	0,826	0,957	0,847
	0,826	0,957	0,847
	0,826	0,961	0,851
	0,826	0,961	0,851
	0,826		0,852
			0,852
			0,852

 

Построили кинетическую кривую зависимости А от t и нашли концентрацию сульфат – иона каждым из трех методов:

Метод тангенсов:

tg (A₁) = 0,2/15 = 0,013

tg (A₂) = 0,25/10 = 0,025

tg (A₃) = 0,3/30 = 0,010

По графику tgA от С нашли концентрацию:

С₁ = (0,013−0,001):2,235 = 0,0054 (моль/л)

C₂ = (0,025-0,001):2,235 = 0,011 (моль/л)

C₃ = (0,01-0,001):2,235 = 0,004 (моль/л)