Лабораторная работа № 4 «Определение содержания железа (III)в исследуемом растворе на фотометре кфк-3-01 (контрольная задача)»

Цели:

1. Изучить методы определения содержания компонентов в растворах на примере железа (III)

2. Приобрести навыки определения содержания железа в растворах с помощью фотометра;

3. Научиться находить концентрацию исследуемого раствора по градуировочным графикам;

4. Закрепить умения работы фотометра КФК-3-01.

Общие сведения

Сущность метода. Определение содержания железа в растворах основано на получении окрашенного комплексного соединения тиоцианата железа (III), интенсивность окраски которого находится в прямой зависимости от концентрации железа (III). Катион железа Fe³⁺ (III) с тиоцианат-ионами SCN¯ в зависимости от концентрации SCN¯- ионов^- образует ряд комплексов кроваво-красного цвета, обусловливающих различную интенсивность окрашенного раствора, например:

Fe³⁺ + 3SCN^¯↔ [Fe(SCN)₃]

При выполнении анализа необходимо создавать в растворах постоянный избыток SCN^¯ионов. В настоящей методике проведения определения Fe³⁺ этот избыток (оставляет 0,13 моль/дм³) Образующаяся кроваво-красная окраска раствора неустойчива. Раствор быстро бледнеет вследствие восстановления катионов железа (III) в железо (II) тиоцианат-ионами, особенно в присутствии некоторых катализаторов. Поэтому фотометрировать раствор необходимо сразу же после приготовления и обязательно в присутствии окислителя HNO₃.

Построение градуировочного графика. При большом количестве фотоэлектроколориметрических определений не сравнивают каждый раз светопоглощение исследуемых растворов со светопоглощением стандартных растворов, а предварительно строят градуировочный график и по нему находят концентрацию исследуемого раствора. Для построения графика пользуются серией стандартных растворов различных концентраций С_(ст), охватывающих область возможных изменений концентрации определяемого компонента в исследуемом растворе. Концентрация стандартных и исследуемых растворов должна быть такой, чтобы при измерении абсорбционность находилась в пределах 0,02 - 1 единиц. При указанных значениях абсорбционности относительная ошибка определения концентрации будет минимальной (доказано экспериментально).

Аппаратура и реактивы

роданид аммония NH₄SCN или роданид калия KSCN

железоаммонийные квасцы NH₄Fe(SO₄)₂

дистиллированная вода

серная кислота

азотная кислота

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

Приготовление серии стандартных растворов: сначала готовят эталонный (исходный) раствор, затем из него готовят 5—8 стандартных растворов. «Эталонный» раствор соли железа.(III) готовят из химически чистых железоаммонийных квасцов NH₄Fe(SO₄)₂· 12H₂O. Экспериментально установлено, что наилучшие результаты определений получаются при содержании в 1 дм³ эталонного раствора 0,1 г катиона железа Fe³⁺.

Расчет навески железоаммонийных квасцов для приготовления эталонного раствора ведут следующим образом.

Составляют пропорцию:

в 482,19 г NH₄Fe (SO₄)₂· 12H₂O содержится 55,85 г Fe²⁺ в х г NH₄Fe (SO₄)₂· 12H₂O содержится 0,1г Fe²⁺

m[NH₄Fe (SO₄)₂· 12H₂O] =0,8634 г.

Точную навеску железоаммонийных квасцов массой 0,8634 г растворяют в воде, подкисленной 5,0 см³ концентрированной серной кислотой H₂SO₄ (ρ = 1,84 г/см³), переносят количественно в мерную колбу и доводят объем раствора дистиллированной водой до 1000 см³ (1дм³), тщательно перемешивают. Приготовленный таким образом раствор содержит 0,1 г железа Fe³⁺ в 1000 см³ эталонного раствора. Титр эталонного раствора составит:

Т= 0,100 мг/см³

Затем в одной и той же мерной колбе объемом 50 см³ готовят серию стандартных растворов. Сначала готовят стандартный раствор максимальной концентрации. Для этого в мерную колбу отмеряют бюреткой 5,00 см³ эталонного раствора, добавляют 1 см³ разбавленной азотной кислотой (1:1) HNО₃ и 5 см³ 10%-го раствора роданида аммония NH₄SCN или роданид калия KSCN (по указанию преподавателя). Вследствие сравнительно быстрого разрушения окраски [Fe(SCN)₃] фотометрируемого раствора тиоцианатом аммония NH₄SCN, его следует приливать в колбу непосредственно перед измерением абсорбционности. Объем раствора доводят до метки дистиллированной водой, тщательно перемешивают и переливают в стакан или коническую колбу. По этому раствору подбирают условия измерения (длину волны и кювету). 3атем готовят в той же мерной колбе остальные стандартные растворы, отмеривая бюреткой соответственно 0,5; 2,0; 3,0; 4,0 см³ эталонного раствора и те же объемы азотной кислоты HNO₃ и роданида аммония NH₄SCN или роданида калия KSCN. Для каждого раствора измеряют абсорбционность 3 раза при выбранной длине волны в предварительно подобранной кювете. Вычисляют среднее арифметическое значение абсорбционности А_ср для каждого раствора и по ним строят градуировочный график зависимости абсорбционности растворов от их концентрации. Поскольку градуировочный график чаще всего строят в координатах А—С (абсорбционность — концентрация), А—Т (абсорбционность — титр), вычисляют титр или молярную концентрацию стандартных растворов по формулам:

Т_ст = Т_этал·V_этал/ V_{(мерной колбы)} (1),

С_ст= Т_ст·1000/ M(Fe) /1000 (2),

где M(Fe) • 1000 — молярная масса железа Fe, мг/моль. г/моль

Сократив в формуле (2) числитель и знаменатель на 1000, получим формулу

С_ст= Т_ст·/ M(Fe) (3).

Например, найдем титр стандартного раствора минимальной концентрации из формулы (3)

Т_ст= С_ст·М(Fe)

Т_ст =0,1·0,5/50= 0,001мг/см³,

где 0,1 см³—титр эталонного раствора;

0,5 см³ — объем эталонного раствора;

50 см³ — объем мерной колбы.

Соответственно титры второго, третьего, четвертого, пятого, шестого стандартных растворов будут равны: 0,002; 0,004; 0,006; 0,008; 0,01 мг/см³.

Зная титры стандартных растворов и среднее арифметическое значение абсорбционности для каждого раствора, строят градуировочный график (Рис.1).

Рис.6 Вид градуировочного графика

По оси абсцисс откладывают титр всех стандартных растворов, а по оси ординат — значения их абсорбционности. Затем из точек, найденных на осях, восстанавливают перпендикуляры, и точки их пересечения соединяют градуировочной прямой. Имея такой график, при определении содержания компонентов в исследуемом растворе достаточно измерить его абсорбционность (светопоглощение) и по графику найти титр, соответствующий измеренной абсорбционности. Результаты измерения абсорбционности записывают в виде табл.5

Таблица 5. Построение градуировочного графика зависимости абсорбционности раствора от его концентрации

№ раствора	Тэтал мг/ см3	V см3	С мг/50 см3	С мг/см3	Оптическая плотность (абсорбционность)
					А1	А2	А3	Аср
1
2
3
4
5
6
Исследуемый раствор

Подготовка исследуемого (контрольного) раствора для фотометрирования.

Исследуемый раствор должен быть по концентрации близкий к стандартному, поэтому его готовят (разбавляют) из расчета, чтобы в мерной колбе объемом 50 см³ содержалось, как и в стандартных растворах, 0,05—0,50 мг железа Fe³⁺. Для этого в мерную колбу отбирают пипеткой аликвотную часть исследуемого раствора, подкисляют его 1 см³ разбавленного раствора HNO₃ (1:1), прибавляют 5 см³ 10%-ного раствора NH₄SCN или KSCN, доводят объем раствора до метки дистиллированной водой, тщательно перемешивают и измеряют абсорбционность в условиях, соответствующих измерению абсорбционности стандартных растворов. Если полученное значение абсорбционности превышает значение абсорбционности стандартного раствора максимальной концентрации, тогда аликвотную часть исследуемого раствора разбавляют, например 1:1, и готовят по методике приведенной выше. Полученный таким образом исследуемый раствор фотометрируют 4—5 раз, вычисляют среднее арифметическое значение абсорбционности и по градуировочному графику находят титр исследуемого раствора (Fe³⁺). Для этого на оси ординат графика находят точку, соответствующую данному значению абсорбционности исследуемого раствора. Из этой точки проводят линию, параллельную оси абсцисс до пересечения ее с градуировочной прямой. Из точки их пересечения опускают перпендикуляр на ось абсцисс и находят титр исследуемого раствора по железу. Зная титр раствора, можно вычислить молярную концентрацию

См=Т•1000/М(Fe) (4),

или массовую долю w (%), если известна масса (m) навески образца, из которого готовили исследуемый раствор

w (%) = Т•Vк•100/ Va•m

Vк – объем колбы, см³,

Va – объем аликвоты, см³.

Результаты определения записывают в таблицу 5.

По результатам работы делают выводы о содержании железа в исследуемом растворе.

Лабораторная работа № 5

«Рефрактометрическое определение солей.

Изучение устройства рефрактометра, порядок работы,

измерение показателя преломления»

Цели:

1.Изучить устройство рефрактометра

2. Изучить порядок работы рефрактометра

3.Измерить показатели преломления дистиллированной воды, стандартных растворов и задачи.

4. Определить концентрацию вещества в растворе с помощью градуировочного графика, по таблицам показателей преломления и по рефрактометрическому фактору.

Общие сведения

Рефрактометрия — это совокупность методов физико-химического исследования жидкостей, минералов и растворов, основанных на измерении их показателей преломления. Основными достоинствами рефрактометрии являются быстрота измерений, малый расход вещества и высокая точность (около 0,01%).

При пересечении лучом света границы раздела двух прозрачных сред направление луча изменяется, луч преломляется. Это явление носит название рефракции, т. е. преломления света. Угол α, образованный направлением падающего луча света с нормалью, называется углом падения, а угол β, образованный направлением преломленного луча с продолжением этой нормали,— углом преломления. Согласно закону преломления света, для оптически однородных сред отношение синусов углов падения и преломления есть величина постоянная и называется показатель преломления n. Показатель преломления зависит от природы вещества, его плотности, концентрации, длины волны падающего света, давления среды, температуры.

При прочих постоянных условиях n пропорционален только концентрации вещества.

Приборы, служащие для измерения показателя преломления, называются рефрактометрами. В основе их работы лежит принцип измерения предельного угла преломления.

Если угол падения луча равен 90⁰, то луч света, преломляясь в другую среду, образует предельный угол преломления.

При этом существует зависимость:

n_{1 =} n₂·sin β

Если для одной среды известен показатель преломления n₂ , то показатель второй среды легко определить, измерив предельный угол преломления β предельный угол определяют по границе света и тени, наблюдаемой в рефрактометре.

В качестве одной среды используют стекло (стеклянные призмы) с известными значением n₂ , второй средой служит раствор, показатель преломления которого необходимо измерить.

Перед производством измерений показания рефрактометра проверяют по дистиллированной воде ( ).

Все измерения проводят при постоянной температуре, т.к. зависит от нее. Показатель преломления обозначают с индексами t и Д. Индекс t обозначает температуру, при которой производят измерения. Индекс Д обозначает желтую линию Д в спектре Na , т.к. в лабораториях рефрактометрическим источником света обычно служит натриевая лампа, испускающая желтый свет.