3.1. Лабораторная работа № 1 Приготовление и стандартизация раствора хлороводородной кислоты тетраборатом натрия

Раствор хлороводородной (соляной) кислоты чаще всего используют в количественном анализе по методу кислотно-основного титрования. Однако методики получения растворов этой кислоты по точной навеске довольно сложны, поэтому, в лабораторной практике пользуются рабочими растворами соляной кислоты, титр которых устанавливают по растворам стандартных веществ. В качества таковых для определения титра кислот используют тетраборат натрия (бура) – Na₂B₄O₇ ∙ 10H₂O, безводный карбонат натрия (сода) – Na₂CO₃, окись ртути, иодат калия – KIO₃ и др.

Наиболее удобен для указанных целей тетраборат натрия, так как путем перекристаллизации при 60°С и высушивании на воздухе эту соль легко получить химически чистой, точно соответствующей формуле Na₂B₄O₇ ∙ 10H₂O. Тетраборат натрия удовлетворяет и другим требованиям, предъявляемым к стандартным веществам, – это вещество достаточно устойчиво в широких пределах влажности воздуха и его молярная масса эквивалента имеет большую величину (190,7 г). При растворении тетрабората в воде происходят следующие реакции:

Суммарно титрование тетрабората соляной кислотой можно представить уравнением:

Следовательно, в этой реакции для тетрабората натрия f_экв = .

Так как раствор в точке эквивалентности представляет собой смесь хлорида натрия со свободной борной кислотой, величина pH раствора определяется присутствием H₃BO₃. Пренебрегая изменением объема при титровании 0,1 моль экв/дм³ раствора тетрабората и учитывая, что pK борной кислоты равен 9,24, находим pH в точке эквивалентности:

Следовательно, для титрования лучше всего подойдет метиловый красный с pT = 5,5. Однако можно титровать тетраборат и с метиловым оранжевым, так как его показатель титрования (pT = 4) не выходит за пределы скачка pH на кривой титрования (pH = 4,0–6,2).

1 Средства измерений

Бюретка вместимостью 25 см³.

Весы лабораторные аналитические.

Весы лабораторные технические.

Колбы мерные вместимостью 250 см³.

Пипетка вместимостью 25 см³.

Термометр с диапазоном измерения от 0 до 500ºС, с ценой деления 1ºС.

Цилиндр мерный вместимостью 50 см³.

2 Вспомогательные устройства

Бюкс для взвешивания.

Воронка диаметром 5–8 см.

Колбы конические для титрования вместимостью 100 см³.

Склянки для хранения приготовленных растворов вместимостью 250 см³.

Стекло часовое.

3 Материалы, реактивы и растворы

Кислота хлороводородная концентрированная (HCl) , ч.д.а.

Метиловый оранжевый, водный раствор – 1% (мас.).

Натрия тетраборат, бура (Na₂B₄O₇ ∙ 10H₂O), ч.д.а.

4 Порядок выполнения работы

4.1 Приготовление раствора тетрабората натрия

Рассчитывают величину навески, необходимой для приготовления раствора концентрацией 0,1 моль экв/дм³ в мерной колбе вместимостью 250 см³.

Так как 1 моль (381,4 г) Na₂B₄O₇ ∙ 10H₂O реагирует с 2 моль HCl, т.е. с 2 г-ион водорода, 1 г-экв его равен 381,4 : 2 = 190,7 г. Для получения 1 дм³ раствора концентрацией 0,1 моль экв/дм³ потребуется 19,07 г, а для 250 см³ 19,07 : 4, т.е. 4,7875 г. тетрабората натрия.

Поместив в бюкс (или на часовое стекло) предварительно отвешенное на технических весах количество тетрабората натрия (4–5 г), точно взвешивают бюкс с веществом на аналитических весах. Далее осторожно пересыпают тетраборат натрия через сухую воронку в тщательно вымытую мерную колбу. Бюкс с оставшимися в нем крупинками тетрабората натрия снова точно взвешивают и по разности находят массу тетрабората натрия, насыпанного в колбу. Струей горячей воды из промывалки (в холодной воде тетраборат натрия растворяется плохо) хорошо смывают тетраборат натрия из воронки в колбу. Добавляют еще столько горячей воды в колбу, чтобы она была заполнена на объема, вынимают воронку и, перемешивая содержимое колбы плавными движениями, растворяют тетраборат натрия. После этого раствор охлаждают до комнатной температуры и разбавляют до метки дистиллированной водой. В конце воду добавляют по каплям до тех пор, пока нижний край мениска не окажется на уровне метки. Приготовленный раствор тщательно перемешивают, многократно перевертывая колбу, предварительно закрыв ее пробкой. Рассчитывают титр раствора (см. п. 5.1).

4.2 Приготовление раствора хлороводородной кислоты

Рассчитывают количество (см³) концентрированной соляной кислоты (ρ = 1,19 г/см³), необходимое для приготовления 250 см³ ее раствора концентрацией 0,1 моль экв/дм³. Для расчета пользуются таблицей плотностей растворов сильных кислот [22].

Для приготовления раствора в мерную колбу на 250 см³ наливают воды приблизительно на ⅓. Затем отмерив мерным цилиндром рассчитанный объем концентрированной HCl добавляют его в колбу и доводят раствор до метки водой. Полученный раствор тщательно перемешивают.

4.3 Титрование

Бюретку ополаскивают 2 раза небольшим количеством приготовленного раствора HCl. После этого бюретку наполняют почти доверху раствором HCl.

В коническую колбу переносят пипеткой 25 см³ приготовленного титрованного раствора тетрабората натрия. К раствору тетрабората натрия прибавляют одну или самое большое две капли раствора метилового оранжевого.

В другой такой же колбе готовят свидетель. Для этого цилиндром отмеряют 50 см³ дистиллированной воды. Добавляют 1–2 капли метилового оранжевого и 1 каплю кислоты HCl из бюретки так, чтобы появилось слабо-розовое окрашивание раствора. После этого устанавливают уровень раствора HCl в бюретке на нуле.

Колбу с раствором тетрабората натрия ставят под бюретку на лист белой бумаги и понемногу приливают из бюретки раствор HCl, непрерывно помешивая жидкость плавным круговым движением колбы. Нужно уловить момент, когда от одной капли соляной кислоты первоначально чисто желтый раствор приобретет чуть розовый оттенок – как раз такой, как у приготовленного свидетеля.

Точно уловить этот момент при первом титровании трудно. Поэтому сначала устанавливают нужный объем кислоты приблизительно с точностью до 1 см³. Затем проводят точное титрование, при котором раствор меняет окраску от одной капли соляной кислоты, делают отсчет по бюретке и записывают значение объема.

Точное титрование повторяют не менее трех раз, каждый раз беря новую порцию раствора и устанавливая уровень жидкости в бюретке до нуля. Разница между измеренными значениями объемов не должна превышать 0,1 см³. Если наблюдаются большие расхождения, титрование повторяют до получения трех сходящихся в пределах одной капли результатов, из которых берут среднее.

5 Обработка и вычисление результатов

5.1 Вычисление концентрации раствора тетрабората натрия

Титр раствора тетрабората натрия (T, г/см³) находят по формуле:

,

где m – масса навески тетрабората натрия, помещенной в мерную колбу, г; V – объем приготовленного раствора тетрабората натрия (250 см³).

Нормальную концентрацию раствора тетрабората натрия (C_н, моль экв/дм³) вычисляют по формуле:

,

где T – рассчитанный титр раствора тетрабората натрия, г/см³; 1000 – коэффициент пересчета на 1 дм³ раствора; M_экв. – молярная масса эквивалента тетрабората натрия (190,7 г).

Результаты вычислений округляют до пятого знака после запятой.

5.2 Вычисление концентрации раствора хлороводородной кислоты

Нормальную концентрацию раствора хлороводородной кислоты (C_н(HCl), моль экв/дм³) находят из соотношения:

где V_н(HCl) – объем раствора хлороводородной кислоты, израсходованный на титрование стандартного раствора тетрабората натрия, см³; C_н(T) – нормальная концентрация титрованного раствора тетрабората натрия, рассчитанная по п. 5.1, моль экв/дм³; V_н(T) – объем раствора тетрабората натрия, взятый для титрования (25 см³).

Титр раствора хлороводородной кислоты (T, г/см³) вычисляют по формуле:

,

где C_н – нормальная концентрация раствора соляной кислоты, моль экв/дм³; M_экв. – молярная масса эквивалента хлороводородной кислоты (36,46 г); 1000 – коэффициент пересчета на 1 дм³ раствора.

Результаты вычислений округляют до пятого знака после запятой.

Индивидуальное задание:

1) Приготовить 250 см³ 0,1 моль экв/дм³стандартного раствора тетрабората натрия. Рассчитать точные значения его титра и нормальной концентрации;

2) Приготовить 250 см³ 0,1 моль экв/дм³ стандартного раствора хлороводородной кислоты. Определить методом титрования точные значения его нормальной концентрации и титра.