32 Лабораторная работа №5 Установление формулы кристаллогидрата
Цель работы: на опыте познакомиться с кристаллогидратами и их свойствами; овладеть методикой установления молекулярной формулы вещества по данным анализа.
Оборудование и реактивы: аналитические весы, мерная колба на 100 или 250 мл, мерная гашетка на 10 мл, конические колбы на 100-250 мл, штатив с бюреткой, фарфоровый тигель или чашка, фарфоровый треугольник, спиртовка, эксикатор, кристаллогидрат карбоната натрия, индикатор метиловый оранжевый, 0,1 н титрованный раствор HCI.
Теоретические пояснения
При растворении многих веществ их молекулы (или ионы) связываются с молекулами растворителя, образуя соединения, называемые сольватами (от латинского solver - растворять). Этот процесс называется сольватацией. В частном случае, когда растворителем является вода, эти соединения называются гидратами, а процесс их образования - гидратацией.
В зависимости от природы растворенного вещества, сольваты могут образовываться различными путями. Так, при растворении веществ с ионной структурой молекулы растворителя удерживаются около иона силами электростатического притяжения. В этом случае говорят об ион-дипольном взаимодействии. Кроме того, может иметь место донорно-акцепторное взаимодействии. Ионы растворенного вещества обычно выступают в качестве акцепторов, а молекулы растворителя - в качестве доноров электронных пар.
Очевидно, что в таком взаимодействии могут участвовать растворители, молекулы которых обладают неподеленными электронными парами, например, вода, аммиак. Гидраты, образующиеся в результате донорно-акцепторного взаимодействия, представляют собой частный случай комплексных соединений - аквакомплексы.
При растворении веществ с молекулярной структурой сольваты образуются вследствие диполь-дипольного взаимодействия.
Кристаллогидраты солей различаются и по количеству кристаллизационной воды, и по характеру связи молекул воды с другими частицами, составляющими кристалл. Чаще встречаются кристаллогидраты с четным числом молекул воды, преимущественно 2,4,6. Нередко соединение образует несколько кристаллогидратов с различным содержанием воды. При этом кристаллогидрат с наибольшим ее содержанием устойчив при относительно более низких температурах. С повышением температуры он становится неустойчивым и разлагается с образованием менее гидратированного продукта. Так, СаС12 образует четыре кристаллогидрата. Наиболее богатый водой гексагидрат СаС12•6Н2О устойчив до 30 °С. При этой температуре он плавится в своей кристаллизационной воде. Начиная с этой температуры до 45 °С устойчив тетрагидрат СаС12•4Н2О, а далее до 175,5 °С – дигидрат СаС12•2Н2О. Выше этой температуры устойчив моногидрат СаС12•Н2О, который полностью обезвоживается лишь при 250 °С и выше, претерпевая при этом частичное гидролитическое разложение с образованием СаО и НС1.
Прозрачные кристаллы соды (Na2CO3•10H2O) легко "выветриваются", теряя кристаллизационную воду, становятся тусклыми и постепенно рассыпаются в порошок при температуре выше 112,5 °С.
Сине-голубые кристаллы CuSO4•5H2O теряют кристаллизационную воду при 250 °С и выше. При этом образуются бесцветные ромбические кристаллы безводного сульфата меди (II). Такое характерное изменение окраски кристаллов в химическом практикуме используют для обнаружения следов воды в различных жидкостях. Кроме вышеупомянутого, для этой цели могут быть использованы и голубые кристаллы ацидокомплексов тетрахлорокобальтата (П), которые при добавлении воды приобретают розовую окраску в результате гидратации катиона кобальта (П):
[СоС14]2- + 4H2O = [Со(Н20)4]2+ + 4СI-
голубой розовый
В настоящей работе предлагается установить молекулярную формулу кристаллогидрата карбоната натрия. При этом возможны две независимые методики эксперимента.
1. Титриметрический метод основан на результатах титрования растворенного кристаллогидрата раствором соляной кислоты в присутствии индикатора метилового оранжевого (при переходе окраски индикатора от желтой к красной рН изменяется в интервале от 4,4 до 3,1). При этом протекает реакция:
Na2CO3 + 2 HCI = 2 NaCI + СО2 + Н2О
Титрование - это количественное определение содержания вещества в растворе, путем постепенного прибавления к нему раствора реагента точно известной концентрации в количестве, химически эквивалентном содержанию определяемого вещества в анализируемом растворе.
Момент титрования, когда количество добавленного реагента химически эквивалентно количеству титруемого вещества, называется точкой эквивалентности. Точка эквивалентности может быть установлена визуально по изменению окраски индикатора, прибавляемого в титруемый раствор.
Расчеты в этом методе основаны на законе эквивалентов. В точке эквивалентности, количества вещества эквивалентов титруемого компонента и титранта равны. Если СН - молярная концентрация эквивалента или нормальность раствора, а V - объем раствора, то в точке эквивалентности справедливо выражение:
Иными словами, в точке эквивалентности произведения нормальностей реагирующих растворов на их объемы равны между собой. Зная объем анализируемого раствора и объем титранта точно известной нормальности, пошедший на титрование, можно вычислить нормальную концентрацию титруемого раствора.
2. Весовой (гравиметрический) метод основан на том, что кристаллогидраты при нагревании теряют кристаллизационную воду, переходя в безводные соли. Пользуясь этим, можно определить процентное содержание воды в кристаллогидрате, а отсюда, зная формулу безводной соли, рассчитать число молекул кристаллизационной воды, присоединяющихся к одной молекуле безводной соли.