Н.В. Климова
Химические методы количественного анализа
Методические указания
по выполнению лабораторных работ
Дисциплина – «Аналитическая химия и физико-химические
методы анализа»
Специальности – 260202, 260303, 260501, 260504, 260101, 260201,
260100.62
Орел 2007
Автор к.х.н., доцент кафедры Химия Н.В. Климова
Рецензент д.т.н., профессор, зав. кафедрой Химия С.А. Куценко
Методические указания содержат пять лабораторных работ по титриметрическому и три лабораторные работы по гравиметрическому методу анализа. В каждой лабораторной работе кратко излагается основной теоретический материал по соответствующей теме и приводятся все необходимые формулы для расчетов концентраций определяемых веществ. Методические указания предназначены для всех специальностей, где изучается курс аналитической химии.
Методические указания Химические методы количественного анализа
рассмотрены и одобрены
на заседании кафедры Химия____ «__» _________., протокол № 3,
зав. кафедрой, д.т.н., профессор _________________Куценко С.А.;
подпись
на заседании УМС факультета Биотехнологий и товароведения«___»
_________________ г., протокол № _
председатель УМС, к.э.н., доцент _____________ Зомитева Г.М.
подпись
СОДЕРЖАНИЕ
§§ стр
1 Титриметрические методы анализа 4
1.1 ВВЕДЕНИЕ 4
1.2 ТЕХНИКА РАБОТЫ6
1.3 Титриметрические методы анализа,
основанные на реакциях нейтрализации 12
1.3.1 Лабораторная работа №1
Алкалиметрическое титрование 12
1.3.2 Лабораторная работа №2
АЦИДИМЕТРИЧЕСКОЕ ТИТРОВАНИЕ 14
1.4 ТИТРИМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫАНАЛИЗА,
ОСНОВАННЫЕ НА РЕАКЦИЯХ
ОКИСЛЕНИЯ-ВОССТАНОВЛЕНИЯ (РЕДОКСИМЕТРИЯ) 19
1.4.1 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.
ПЕРМАНГАНАТОМЕТРИЧЕСКОЕ ТИТРОВАНИЕ
(пермангонатометрия) 20
1.4.2 ЛаБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4
ИОДОМЕТРИЧЕСКОЕ ТИТРОВАНИЕ (ИОДОМЕТРИЯ) 23
1.5 МЕТОДЫТИТРИМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА,
ОСНОВАННЫЕ НА РЕАКЦИЯХ
КОМПЛЕКСООБРАЗОВАНИЯ. 30
1.5.1 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5
КОМПЛЕКСОНОМЕТРИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ОБЩЕЙ ЖЕСТКОСТИ ВОДЫ31
2 ГРАВИМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ36
2.1 Введение 36
2.2 ТЕХНИКА РАБОТЫ38
2.3 Практические работы 47
2.3.1 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6.
Определение серы в растворимых
сульфатах (например, в смеси NaCI + Na2S04) 47
2.3.2 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕ РЖАНИЯ БАРИЯ В BACL2•2H20.
ПРИНЦИП ОПРЕДЕЛЕНИЯ. 50
2.3.3 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ
КРИСТАЛЛИЗАЦИОННОЙ ВОДЫВ BaCl2•2H20 53
ТИТРИМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫАНАЛИЗА
ВВЕДЕНИЕ
В титриметрическом анализе количество химических веществ определяют чаще всего путем точного измерения объемов растворов двух веществ, вступающих между собой в определенную реакцию. Реагент берут в количестве, эквивалентном определяемому веществу. Методы титриметрического анализа можно классифицировать, например, по характеру химической реакции, лежащей в основе определения веществ. Эти реакции относятся к различным типам- реакциям соединения ионов и реакциям окисления-восстановления. В соответствии с этим титриметрические определения подразделяют на следующие основные методы: метод кислотно-основного титрирования, методы комплексонометрического и окислительно-восстановительного титрования.
Вещества реагируют между собой в эквивалентных количествах
(n1=n2). Эквивалент – условная или реальная частица, которая может присоединять, высвобождать, замещать один ион водорода в кислотно-основных реакциях или быть эквивалентна одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях. Если определяемое вещество А реагирует с титрантом В по уравнению:
aA+bB→продукты реакции
то из этого уравнения следует, что одна частица А эквивалентна b/a частицам вещества В. Отношение b/a называют фактором эквивалентности и обозначают ƒэкв.
Например, для кислотно-основной реакции
Н3РО4+NaOH=NaH2РО4+Н2О
ƒэкв (Н3РО4)=1,
а для реакции
Н3РО4+2 NaОН=Na2НРО4+ 2Н2О
ƒэкв (Н3РО4)=1/2.
В окислительно-восстановительной полуреакции
MnO4-+8H++5e=Mn2++4H2O
ƒэкв (KMnO4) =1/5,
но в полуреакции
MnO4-+ 4Н++3е=MnO(OH)2+H2O
ƒэкв. (KMnO4) =1/3.
Молярной массой эквивалента вещества называют массу одного моля эквивалента этого вещества, которая равна произведению фактора эквивалентности на молярную массу вещества. Так как число эквивалентов веществ, вступающих в реакцию. Равно n = cV·10-3 (где с – молярная концентрация эквивалента, V – объем), то для двух стехиометрически реагирующих веществ справедливо равенство:
cнV1 = снV2.
Если молярная концентрация одного вещества известна, то, измеряя объемы реагирующих веществ, можно рассчитать неизвестную концентрацию второго вещества.
Молярная концентрация с – отношение числа молей растворенного вещества к объему. Например, с(1/2H2SO4) = 0,1 моль·л-1 или с(1/2 H2SO4) = 0,1 М; это означает, что в 1 л раствора содержится 6,02·10-23·0,1 условных частиц ½ H2SO4 или в 1 л растворено 4,9 г H2SO4.
Например, раствор Ва(ОН)2 стандартизовали по 0,1280 М раствору НСl. Для титрования 46,25 мл раствора кислоты потребовалось 31,76 мл раствора основания. Следовательно,
с(1/2Ва(ОН)2) = (46,25·0,1280)/31,76 = 0,1864 М
и
m = cMƒэкв = 0,1864·171,34·1/2 = 15,97 г/л.
В реакциях комплексообразования для вещества довольно трудно определить понятие молярная масса эквивалента. В данном случае обычно базируются на стехиометрии реакции. Например, в комплексонометрии независимо от заряда катиона реакциии протекают по уравнению:
Мn+ + H2Y2- = MY(n-4)+ + 2H+
Концентрацию раствора принято выражать через их титр (Т) или молярную концентрацию эквивалента (нормальную концентрацию).
Титром (Т) раствора называется масса вещества, содержащегося в одном см3 (или 1 мл) раствора (г/см3).
Процесс постепенного приливания раствора-титранта к раствору анализируемого вещества называют титрованием.
Молярная концентрация эквивалента – число молей-эквивалентов вещества, содержащееся в 1 л раствора (моль/л).
Объемы реагирующих растворов обратно пропорциональны их нормальным концентрациям. Эта зависимость выражается формулой:
Cн1·V1 = Cн2·V2 (1.1)
Отсюда, зная молярную концентрацию эквивалента раствора, можно вычислить весовое содержание вещества в литре раствора и его титр по формуле:
, г/см3 (1.2)
где Т – титр раствора;
M(Э) – молярная масса эквивалента растворенного вещества;
Сн – молярная концентрация эквивалента.
Исходя из этой формулы можно вычислить концентрацию раствора, если известен его титр
(моль/л) (1.3)
Титрованные растворы (титранты), называются рабочими растворами.
При проведении анализа рабочий раствор наливают в бюретку, а затем приливают его к исследуемому раствору, находящемуся в конической колбе до тех пор, пока не будет достигнута эквивалентность между количествами раствором реактива и определяемого вещества. Точка эквивалентности устанавливается с помощью индикаторов (веществ, изменяющих свою окраску при наступлении момента эквивалентности).
Измерив по шкале бюретки пошедший на титрование объем рабочего раствора и зная концентрацию его (Сн или титр), а затем взятый объем исследуемого вещества, вычисляют молярную концентрацию эквивалента последнего.
Преимуществом титриметрических методов анализа по сравнению с весовыми методами является скорость их выполнения. Точность титриметрических определений меньше точности весовых определений, но она вполне достаточна.
Выбор реакций, пригодных для использования в титриметрическом анализе ограничен рядом требований: реакция должна протекать в стехиометрических отношениях между ее участниками, идти с большей скоростью; течение реакции не должно сопровождаться побочными процессами; необходимо точное фиксирование наступления момента эквивалентности при титровании.
В зависимости от характера химической реакции, лежащей в основе определения, титриметрический анализ подразделяется на следующие методы:
-метод нейтрализации,
-метод окисления-восстановления,
-метод осаждения,
-метод комплексообразования.
ТЕХНИКА РАБОТЫ
Мерные колбы. Мерные колбы служат для приготовления стандартных растворов и для разбавления исследуемых растворов до определенного объема. Это плоскодонные колбы с длинным узким горлом, на котором нанесена круговая метка (рис.1.1). Колбы калибруют на содержание в них определенного объема жидкости (на вливание). Объем, указанный на стенке колбы, соответствует объему жидкости (при температуре калибрования), если колба наполнена так, что нижняя часть мениска жидкости касается метки, причем доведения объема жидкости до метки должно осуществляться так, чтобы глаза наблюдателя и метка находились на одном уровне (метка сливается в прямую линию). На горле колбы над меткой не должно быть капель жидкости, внутренние стенки колбы должны быть чистыми, и жидкость должна смачивать их ровным слоем. Закрывает колбы специальными притертыми пробками.
Нагревать мерные колбы нельзя, иначе может произойти деформация стекла, что повлечет за собой изменение их вместимости. Мерные колбы различаются по вместимости: 25, 50, 100, 200, 250, 500, 1000 мл. Единицей является литр (л) –объем, занимаемый 1 кг воды при 3,980С и нормальном атмосферном давлении, тысячная доля литра-миллилитр (мл).
Рис. 1.1 – Мерные колбы.
Бюретки. Бюретки позволяют отмерять нужные объемы жидкости и калиброваны на выливание. В зависимости от назначения бюретки бывают разных размеров и разных конструкций. Обычные лабораторные макробюретки представляют собой градуированные цилиндрические трубки с суженным концом, который снабжен специальным краном, или соединен резиновой трубкой с оттянутой стеклянной трубочкой (рис 1.2). В резиновую трубку вставляют маленький стеклянный шарик; если слегка нажимать резинку в том месте, где помещен шарик, то между ней и шариком образуются узкие каналы, по которым жидкость вытекает из бюретки. По вместимости эти бюретки бывают разные (обычно от 10 до 100 мл). Их калибруют в миллилитрах и их десятых долях (т. е. каждое маленькое деление бюретки соответствует 0,01 мл). Нулевое деление находится в верхней части бюретки.
Перед работой бюретки следует тщательно вымыть моющими смесями и водой так, чтобы жидкость стекала с внутренних стенок ровным слоем, не оставляя капель. Перед работой бюретку нужно 3 раза ополоснуть раствором, который будет в нее налит, этим раствором должна быть промыта вся внутренняя поверхность, чтобы при последующем заполнении бюретки раствором он не менял свою концентрацию за счет разбавления водой, смачивающей стенки бюретки. После ополаскивания бюретки ее закрепляют строго вертикально в штативе и заполняют раствором до уровня, превышающего нулевую отметку на 2, 3 см. Нужно проследить, чтобы вся бюретка целиком до самого кончика была заполнена раствором. В бюретке не должно быть пузырьков воздуха, особенно часто они возникают в суженной ее части. Для удаления пузырьков воздуха из бюреток (рис 1.2 а) обычно дают вытечь части раствора сильной струей, для бюреток (рис 1.2 б) отгибают кверху стеклянную трубочку и выпускают некоторую часть жидкости. После этого вновь наливают раствор выше нулевой метки и устанавливают исходный нулевой уровень раствора.
| 1- Бюретка с титровальным раствором кислоты, 2- коническая колба с анализируемым раствором щелочи, 3- лист белой бумаги, 4- штатив. |
| Рис. 1-2 - Бюретка |
Поместив уровень нулевой отметки на уровень глаз, выпускают жидкость из бюретки до тех пор, пока край ее нижнего мениска не коснется отметки 0,00 мл. Если не соблюдать это правило, то неизбежна ошибка от параллакса (рис 1.3).
|
| Рис. 1-3 – Отсчет на бюретке |
Для правильного установления мениска и при заполнении бюретки, и при последующих отсчетах объемов жидкости, израсходованных на титрование, удобно поместить сзади бюретки экран, который делают из плотной белой бумаги или картона (5×5 см), оклеенного белой бумагой и закрашенного наполовину черной тушью. Есть бюретки со специальным оптическим устройством, облегчающим отсчет показаний (рис.1.3).
В процессе титрования выливать жидкость из бюретки нужно не очень быстро; после окончания титрования нужно подождать 30 с, прежде чем производить отсчет объема раствора, вылитого из бюретки. Это делается для того, чтобы жидкость, оставшаяся на стенках бюретки, успела стечь. Отсчет по бюретке проводят всегда с точностью до 0,01 мл. перед каждым титрованием уровень раствора нужно доводить до нулевого положения, т.е. пользоваться всегда одной и той же частью бюретки. Важен объем жидкости, идущей на титрование. Он должен быть и не слишком мал, и не слишком велик. Он не должен превышать вместимость бюретки и должен составлять примерно от 1/3 по 2/3 ее вместимости.
Пипетки применяются для точного отмеривания определенного объема раствора и перенесения его из одного сосуда в другой. Они бывают двух типов: градуированные и мерные, последние, как правило, и применяются в титриметрии. Мерные пипетки представляют собой узкие трубки с расширением в середине. В верхней узкой части находится круговая метка. Пипетки бывают разной вместимости, обычно 10, 15, 20, 25 и 50 мл. Пипетки калиброваны на выливание: если заполнить пипетку до метки и вылить жидкость, ее объем будет соответствовать вместимости, указанной на пипетке, но при этом нужно строго соблюдать нижеследующие правила обращения с пипеткой.
Пипетку моют тщательно моющими смесями, заполняя ими пипетку с помощью специального приспособления (пипетатора), затем ее многократно ополаскивают сначала водопроводной, потом дистиллированной водой. Убедившись в том, что вода смачивает внутренние стенки ровным слоем, не оставляя капель (в противном случае мытье пипетки повторяют), всю внутреннюю поверхность пипетки ополаскивают 2 – 3 раза тем раствором, который предполагается отбирать пипеткой. Для этого раствор наливают в сухой чистый стакан и используют его исключительно для промывания пипетки. Нельзя погружать непромытую пипетку в колбу с исследуемым или стандартным раствором. Ополаскивая пипетку раствором, заполняют ее каждый раз примерно на треть объема, горизонтально вращая, смачивают раствором всю внутреннюю поверхность пипетки. Затем берут большим и средним пальцами правой руки, вытирают ее внешнюю часть кусочком фильтровальной бумаги и, погружая ее нижний конец глубоко в раствор, наполняют ее раствором так, чтобы уровень жидкости в ней оказался выше метки примерно на 2 см. После этого быстро зажимают верхнее отверстие пипетки указательным пальцем и, подняв пипетку, удаляют капли раствора с внешней стороны пипетки кусочком фильтровальной бумаги. Затем слегка приоткрывают отверстие, чтобы стекла лишняя жидкость, и нижний край мениска коснулся метки. Вновь плотно закрывают отверстие и переносят пипетку в заранее приготовленный сосуд. Держа пипетку вертикально, отнимают от ее отверстия палец и дают жидкости свободно вытекать; когда вся жидкость вытечет, прикасаются кончиком пипетки к стенке сосуда и ждут 20 секунд. Затем вынимают пипетку и не обращают внимания на небольшое количество раствора, оставшееся в ее носике: калибрование пипетки рассчитано на такой способ выливания. Чтобы объем вытекающей из пипетки жидкости был постоянным, нужно выливать раствор из пипетки всегда в одинаковых условиях. Выдувание оставшихся в пипетке каплей раствора недопустимо, т.к. в этом случае невозможно добиться совпадения результатов измерения объемов.
Определение объема капли бюретки. Чистую бюретку наполняют дистиллированной водой до нулевой отметки. Выпускают из бюретки 100 капель (вода должна капать равномерно со скоростью 2 – 3 капли/с) и замечают на бюретке объем, отсчет которого производят не ранее чем через 30 с после выливания воды. Полученный объем делят на 100. операцию повторяют не менее трех раз, каждый раз вычисляя объем капли с точностью до 0,01 мл. Расхождение между тремя измерениями не должно превышать 0,01 мл.
Растворы, применяемые в титриметрии
В титриметрии применяют растворы реагентов с известной концентрацией. Эти растворы называются стандартными (или титрованными). Различают первичные и вторичные стандартные растворы. Первичные стандартные растворы получают растворением точной навески реагента и разбавлением раствора до определенного объема, т.е. получают раствор с точно известной концентрацией. Для приготовления таких растворов могут быть использованы только стандартные вещества, которые должны удовлетворять ряду требований:
1) быть химически чистыми;
2) строго отвечать химической формуле;
3) быть устойчивыми как в твердом виде, так и в растворе.