Лабораторная работа № 8 «Определение уксусной кислоты»

Цели:

1. Закрепить навыки потенциометрического титрования.

2.Снять кривые титрования раствора СН₃СООН раствором NaOH

3. Графическим способом найти т.е., рассчитать граммовое содержание уксусной кислоты в растворе,

В основе работы лежит реакция

СН_зСООН + NaOH = CH₃COONa + H₂0.

В КТТ рН должно быть больше 7 вследствие гидролиза ацетата натрия. Вблизи эквивалентной точки происходит скачок рН

Реагенты и аппаратура

рН - метр типа рН - 340 или рН - 121;

установка для титрования с мешалкой;

электродная пара: стеклянный электрод - вспомогательный электрод, контрольный раствор уксусной кислоты, получаемый у преподавателя, рабочий раствор КОН или NaOH (свежеприготовленный) установленной концентрации;

пипетки на 5 и 10 см³; стакан на 50 или 100 см³

Требования техники безопасности. Перед выполнением лабораторной работы студенты должны получить инструктаж у преподавателя по технике безопасности при проведении химических анализов. Каждый студент должен расписаться в журнале по технике безопасности.

Ход выполнения работы.

Полученный контрольный раствор в мерной колбе разбавляют дистиллированной водой до метки. Для анализа отбирают пипеткой аликвотную часть (10 см³), переносят в стакан для титрования. В стакане исследуемый раствор разбавляют небольшим количеством дистиллированной воды так, чтобы электроды были погружены в раствор на 1,5 - 2 см. При постоянном перемешивании раствора (магнитной мешалкой) измеряют начальную величину рН. Далее измеряют рН после прибавления очередной порции раствора щелочи. Так проводят ориентировочное титрование, прибавляя раствор титранта порциями по 1 см³. По резкому изменению рН на шкале рН - метра обнаруживают скачок рН, отвечающий области КТТ.

Затем выполняют точное титрование с новой аликвотной частью исследуемого раствора в тех же условиях, прибавляя в области точки эквивалентности титрант порциями по 2 капли и включая соответствующие пределы измерения рН на рН - метре.

По результатам титрования строят график в координатах: рН - \/_NaOH, cм³. На оси абсцисс откладывают объем щелочи в cм³ (масштаб 1 cм³ - 1 см), на оси координат рН (единица рН - 1 см).

Граммовое содержание уксусной кислоты в исследуемом растворе вычисляют по формуле:

g = ( N ·V _NaOH ·М 1/f·V_м.к./. 1000 V_ал), .где

N – молярная концентрация эквивалента титранта моль_./.дм³,

V_i(NaOH) - объем NaOH в КТТ, найденный из графика,см³;

M - молярная масса кислоты, г;

f·- фактор эквивалентности;

V_м.к- объем мерной колбы, см³;

Vал. - объем аликвоты, см³.

Лабораторная работа № 9 «Количественное определение солей с применением ионообменной хроматографии»

Цели работы:

1. Научится готовить ионообменные колонки.

2. Изучить тему «Ионообменная хроматография»

3. Повторить тему «Титриметрический метод анализа».

4. Оттитровать анализируемый раствор и рассчитать содержание соли.

Общие сведения

Открытое более 100 лет назад явление ионного обмена - обратимый процесс стехиометрического обмена между двумя контактирующими фазами - раствором электролита (соли) и ионитом (сорбентом). Большое значение ионный обмен имеет в агрохимии, процессах жизнедеятельности и химическом анализе. Метод ионообменной сорбции применяют для умягчения или обессоливания воды (например, для опреснения морской воды), удаления солей из сахарных сиропов, молока, вин, растворов фруктозы, дубильных веществ, продуктов гидролиза сельскохозяйственного сырья, растворов лекарственных препаратов (антибиотиков, витаминов, алкалоидов), для удаления ионов кальция из плазмы крови перед ее консервацией, для очистки от минеральных ионов растворов органических реагентов, для очистки сточных вод от фенола и тяжелых металлов, а также для извлечения (концентрирования) ценных ионов, находящихся в микродозах в растворе (например, редкоземельных элементов (РЭЗ). Ионный обмен широко применяют в гидрометаллургии - для извлечения благородных, цветных и редких металлов из сбросных растворов (например, ионов из стоков гальванических цехов), для улавливания и концентрирования радиоактивных ионов и ионов меди из стоков медноаммиачного производства искусственного шелка.

Одной из наиболее важных областей применения ионного обмена является ионообменная хроматография (ИОХ)- разделение сложной смеси электролитов в разбавленном растворе. Хроматографическую колонку заполняют ионитами - ионообменными сорбентами минерального происхождения (силикаты, алюмосиликаты) или синтетическими полимерными органическими сорбентами (полистирольными, фенолформальдегидными катионитами или аминоформальдегидными и полиаминовыми анионитами). Наиболее распространенным является взгляд на механизм ионного обмена как гетерогенную химическую реакцию двойного обмена:

2RH + CaC1₂ =2RH+Ca²⁺ + 2С1^- =R₂Ca + 2 НС1

ионит электролит

Как видно из этого уравнения, неорганические или органические ионы поглощаются ионитом, но если потом промыть колонку раствором кислоты

(правая часть уравнения), реакция пойдет в другую сторону (справа налево). В результате удерживаемые ионитом ионы снова перейдут в раствор. Этот процесс сорбции и последующего вытеснения ионов и является собственно хроматографическим разделением в ИОХ. Иными словами, процесс разделения в ИОХ состоит в том, что в колонку вводят небольшое количество анализируемого раствора (смесей ионов) и промывают ее специально подобранным растворителем. Разделенные ионы перемещаются вдоль хроматографической колонки с различными скоростями в зависимости от их сродства к иониту, и на выходе из колонки детектируются, например, с помощью УФ-детектора.

Используемые ранее естественные ионообменники (различные алюмосиликаты и другие соединения) не обладали достаточной воспроизводимостью свойств, не были химически устойчивыми и т. д. и поэтому существенного практического значения не имели. Применяемые в настоящее время синтетические ионообменники лишены многих недостатков, присущих естественным ионообменникам, и обладают рядом важных достоинств; они имеют высокую обменную емкость и воспроизводимые ионообменные и другие свойства, устойчивы к действию кислот и оснований, не разрушаются в присутствии многих окислителей и восстановителей и т. д. Обычно синтетический ионообменник представляет собой высокополимер, например поперечно-сшитый полистирол, содержащий различные функциональные группы, которые и определяют наиболее характерные свойства смол. Органические ионообменные смолы имеют широкое практические применение.

В зависимости от знака разряда функциональных групп ионообменные смолы являются катионитами или анионитами. Катиониты содержат кислотные функциональные группы [—SОз^-], [—СОО^-];[ —РОз]^- поэтому каркас катионита, несущий фиксированные отрицательные заряды, заряжен отрицательно. Отрицательные заряды каркаса компенсируются положительными зарядами противоионов, так что в целом катионит остается электронейтральным. Однако противоионы, в данном случае катионы, в отличие от функциональных групп каркаса обладают подвижностью и могут переходить в раствор в обмен на эквивалентное количество ионов из раствора. Этот обмен приводит к установлению подвижного равновесия между ионами, находящимися в фазе смолы, и ионами в растворителе. Наиболее распространенными катионитами являются отечественные смолы КУ-2, СDВ-3. они характеризуются высокой химической стойкостью и механической прочностью, большой скоростью установления ионообменного равновесия. Функциональными группами каркаса анионитов являются четвертичные -NR₃⁺, третичные -NR₂H⁺ или первичные -NH₃⁺ аммониевые, пиридиновые или другие основания, а в качестве подвижных противоионов выступают анионы. Анионообменные смолы получаются также путем проведения реакций полимеризации или поликонденсации с использованием различных аминосоединений (фенилендиамина, полиэтиленполиамина и т. п.), формальдегида и др. Так были получены аниониты АН-1, АН-2Ф.

Важной характеристикой ионообменника является его обменная емкость, определяемая в первом приближении числом функциональных групп каркаса и степенью их ионизации при данном рН раствора. Обменную емкость ионита численно можно выразить количеством молей эквивалента противоиона на единицу массы или объема смолы. В аналитической химии емкость ионита обычно выражают количеством молей эквивалента обменивающегося иона на 1 г сухой смолы в Н⁺-форме для катионита и С1^- - или ОН^--форме для анионита. Оговорка относительно сухой смолы необходима, так как в контакте с водой смола набухает в 1,5—2 раза, а некоторые виды смол - в 5 раз и более. Величина обменной емкости характеризуется несколькими (3-5 до 10) моль эквивалента противоиона на 1 г смолы.

Емкость, найденную в статических условиях, когда навеску смолы помещают в раствор насыщающего иона достаточной концентрации и выдерживают при встряхивании до полного насыщения, называют статической обменной емкостью (СОЕ).

Величину емкости, полученную в динамических условиях при пропускании насыщающего раствора через колонку с ионитом, называют динамической обменной емкостью (ДОЕ). Эта емкость ионита, определяемая по первому появлению насыщающего иона в вытекающем растворе. Полная обменная емкость (ПДОЕ) находится по полному насыщению ионита данным ионом.

Аппаратура и реактивы

Бюретка вместимостью 25 см³.

Химический стакан вместимостью 50 см³↑.

Мерная колба вместимостью 100 см³.

Коническая колба вместимостью 100 см³↑.

Воронка диаметром 5 см.

Пипетка вместимостью 10 см3.

Катионит КУ-2, 5 г.

Стандартный раствор NaOH, 0,1 М (точную концентрацию устанавливают путем титрования стандартного раствора НС1).

Стандартный раствор НС1, 0,1 М, приготовленный из фиксанала.

Раствор НС1, 3%-ный

Раствор фенолфталеина.

Раствор метилового оранжевого.

Стеклянная вата.

Исследуемые соли: Сульфат натрия десятиводный, M1/2Na₂S0₄·10 H₂0 = 161,10 г/моль; CH₃COONa·3H₂O,ацетат натрия трехводный, сульфат магния семиводный, сульфат цинка семиводный

М↓ (CH₃COONa)·3H₂O = 136,09 г/моль; MgSO₄·7H₂O,

M (MgSO₄·7H₂O) = 123,30 г/моль; ZnSO₄·7H₂O, M ZnSO₄·7H₂O = 143,80 г/моль.

Требования техники безопасности. Перед выполнением лабораторной работы студенты должны получить инструктаж у преподавателя по технике безопасности при проведении химических анализов. Каждый студент должен расписаться в журнале по технике безопасности.

Ход выполнение работы.

1. Подготовка катионита КУ-2 и хроматографической колонки.

Промывают дистиллированной водой зерна КУ-2 для удаления мелких частиц и заливают дистиллированной водой. Оставляют для набухания на 4—5 ч.

В штативе вертикально укрепляют бюретку, на дно ее помещают рыхлый, но достаточно плотный комок стеклянной ваты, направляя и уплотняя его стеклянной палочкой так, чтобы заполнить все сечение в нижней суженной части бюретки. Стеклянным шпателем (через воронку) переносят набухшие зерна катионита в бюретку, наполненную до половины объема дистиллированной водой. Зерна, задержавшиеся в стакане и воронке, смывают в бюретку дистиллированной водой. Наполнение бюретки водой препятствует образованию пузырьков воздуха между зернами катионита. Бюретку заполняют катионитом на две трети ее объема. Следует помнить, что над зернами катионита постоянно должен находиться слой жидкости не менее 2 см.

Катионит КУ-2 перед каждым анализом переводят в Н-форму. Для этого через хроматографическую колонку пропускают 40 см³ раствора НС1 [3%(масс.)], одновременно сливают жидкость из колонки через носик бюретки. Сливание прекращают, когда уровень кислоты станет на 2 см выше зерен катионита в колонке. Оставляют жидкость на 30 мин в колонке, затем постепенно промывают колонку дистиллированной водой до нейтральной реакции по метиловому оранжевому.

Таким же способом регенерируют катионит.

2. Количественный анализ солей. Отвешивают по 0,5—1 г соответствующей соли на аналитических весах в бюксах. Навеску растворяют в мерной колбе вместимостью 100 см³. Доводят до метки дистиллированной водой и перемешивают. Количественно переносят 10 см³ раствора в колонку. Скорость прохождения анализируемого раствора соли через колонку регулируют зажимом. Скорость прохождения раствора – 2-3 капли в 1 с. Жидкость в колонке поддерживают на одном уровне, подливая дистиллированную воду. Фильтрат собирают в коническую колбу вместимостью 100 см³. Промывание продолжают до исчезновения кислой реакции по метиловому оранжевому. Собранный фильтрат содержит образовавшуюся свободную кислоту, количество которой эквивалентно количеству поглощенных колонкой катионов анализируемой соли. Кислоту оттитровывают раствором гидроксида натрия. Концентрацию раствора гидроксида натрия предварительно устанавливают по 0,1 М раствору НС1, приготовленному из фиксанала.

По объему затраченного на титрование раствора щелочи вычисляют титр соли Т_х и массовую долю чистой соли в навеске по формулам:

Тх = C_NaOH V_{NaOH ·}М(1/fсоли)/ Vк/1000 [1]

C%,х= Тх Vк 100/ m [2]

где C_NaOH—молярная концентрация раствора NaOH;

V_NaOH - объем раствора NaOH, израсходованного на титрование,см³;

V_п — вместимость пипетки (10 см³);

Vк — вместимость мерной колбы (100 см³);

m — навеска соли, г, растворенная в мерной колбе, вместимостью 100 см³;

М(1/fсоли)_х — молярная масса эквивалента соли;

Тх –титр соли;

С%х – массовая доля чистой соли.