3.2. Лабораторная работа № 2 Приготовление и стандартизация растворов гидроксида натрия и калия щавелевой кислотой

Для определения содержания различных кислот, как сильных, так и слабых, методом кислотно-основного титрования используют титрованные растворы гидроксидов натрия и калия. Титр этих растворов может быть установлен либо по титрованному раствору HCl, либо по раствору стандартного веществ, в качестве которых применяют щавелевую кислоту – H₂C₂O₄∙2H₂O, бензойную кислоту – C₆H₅COOH, бииодат калия – KH(IO₃)₂, бифталат калия – HOOCC₆H₄COOK и другие. Последний метод не имеет недостатка, присущего первому методу: погрешности отдельных определений не суммируются.

1 Средства измерений

Бюретка вместимостью 25 см³.

Весы лабораторные аналитические.

Весы лабораторные технические.

Колбы мерные вместимостью 250 и 1000 см³.

Мензурка вместимостью 10 см³.

Пипетки вместимостью 5 и 25 см³.

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

Цилиндр мерный 250 и 1000 см³.

2 Вспомогательные устройства

Бюкс для взвешивания.

Воронка диаметром 5–8 см.

Колбы конические для титрования вместимостью 100 см³.

Пинцет.

Склянки для хранения приготовленных растворов вместимостью 250 и 1000 см³.

Стекло часовое.

3 Материалы, реактивы и растворы

Бария хлорид (BaCl₂), раствор – 2 моль экв/дм³.

Кислота серная (H₂SO₄), раствор – 10%.

Кислота щавелевая (H₂C₂O₄∙2H₂O), ч.д.а.

Натрия или калия гидроксид (NaOH или KOH) кристаллический, ч.д.а.

Фенолфталеин, этанольный раствор – 1% (мас.): 1 г фенолфталеина растворяют в 70 см³ этанола [60–70% (мас.)] и добавляют 30 см³ дистиллированной воды.

4 Порядок выполнения работы

4.1 Приготовление раствора щавелевой кислоты

В мерной колбе вместимостью 250 см³ готовят раствор кислоты концентрации 0,1 моль экв/дм³ точно известного титра. Метод приготовления стандартного раствора щавелевой кислоты аналогичен методу приготовления титрованного раствора тетрабората натрия – см. п. 3.1.

При расчете навески исходят из того, что состав кислоты строго соответствует формуле H₂C₂O₄∙2H₂O, т.е. кислота двухосновная, но так как K₁ : K₂ < 10⁴, то нельзя титровать каждый H⁺ в отдельности, f_экв = ½.

Щавелевая кислота сравнительно слабая, поэтому ее титруют с фенолфталеином. Индикатор весьма чувствителен к угольной кислоте, поэтому при растворении навески необходимо пользоваться водой, из которой удален CO₂. Приготовив раствор его тщательно перемешивают.

4.2 Приготовление растворов гидроксида натрия или калия

Приготовление этих растворов рассмотрим на примере приготовления гидроксида натрия. Гидроксид натрия вследствие расплывания и поглощения CO₂ из воздуха всегда содержит примесь Na₂CO₃ и H₂O. Известно, что в присутствии карбонат-иона при титровании щелочью одних и тех же растворов кислот с метиловым оранжевым и фенолфталеином будут получаться различные результаты. Поэтому примеси карбонат-иона нужно удалить, если предполагается проводить титрование с фенолфталеином, т.е. если будут определять содержание слабых кислот. Удобнее всего удалять примеси карбонат-иона, осаждая их раствором BaCl₂:

Для приготовления раствора NaOH пинцетом помещают кусочки NaOH в стакан или на часовое стекло и быстро взвешивают на технических весах. Для приготовления 1 дм³ раствора концентрацией 0,1 моль экв/дм³ нужно взять 4 г NaOH, однако едкий натр содержит Na₂CO₃, а поэтому его следует взять немного больше – около 4,5 г (при приготовлении раствора KOH – масса навески реактива составляет 5,8–6,0 г).

После взвешивания NaOH растворяют в объеме дистиллированной воды равному объему приготавливаемого раствора. Необходимое количество воды отмеряют мерным цилиндром.

К полученному раствору прибавляют предварительно рассчитанное количество (см³) раствора BaCl₂.

Как правило NaOH содержит 3–5 % Na₂CO₃, поэтому для полного осаждения карбонат-ионов необходимо взять около 5 % избытка раствора BaCl₂.

После того, как осадок хорошо отстоится, проверяют полноту осаждения. Для этого к 1–2 см³ прозрачного раствора добавляют раствор H₂SO₄. Образование осадка (мути) BaSO₄ указывает на избыток Ba²⁺ в растворе и, следовательно, на полноту осаждения карбонат-ионов. Прозрачную жидкость осторожно сливают с осадка сифоном в другой сосуд.

4.3 Титрование

Бюретку ополаскивают 2 раза небольшим количеством приготовленного раствора NaOH (KOH). После этого бюретку наполняют почти доверху раствором щелочи и после этого устанавливают ее уровень в бюретке на нуле.

В коническую колбу помещают пипеткой 25 см³ приготовленного титрованного раствора щавелевой кислоты. К раствору щавелевой кислоты прибавляют 8–10 капель раствора фенолфталеина.

Колбу с раствором щавелевой кислоты ставят под бюретку на лист белой бумаги и понемногу приливают из бюретки раствор NaOH.

Появляющаяся при титровании розовая окраска раствора сначала быстро исчезает при перемешивании. Когда вся кислота оттитрована, получается более устойчивая розовая окраска, постепенно исчезающая вследствие поглощения раствором двуокиси углерода из воздуха.

Титрование заканчивают, когда в перемешанном после прибавления последней капли NaOH (KOH) растворе окраска сохраняется около 30 сек. Первое титрование проводят ориентировочно, с точностью до 1 см³, после чего 3 раза оттитровывают раствор точно. Из полученных отсчетов (которые должны различаться не более чем на 0,1 см³) берут среднее.

5 Обработка и вычисление результатов

5.1 Вычисление концентрации раствора щавелевой кислоты

Титр раствора щавелевой кислоты (T, г/см³) находят по формуле:

,

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

Нормальную концентрацию раствора щавелевой кислоты (C_н, моль экв/дм³) вычисляют по формуле:

,

где T – рассчитанный титр раствора щавелевой кислоты, г/см³; 1000 – коэффициент пересчета на 1 дм³ раствора; M_экв. – молярная масса эквивалента щавелевой кислоты (63,03 г).

Результаты вычислений округляют до пятого знака после запятой.

5.2 Вычисление концентрации растворов гидроксида натрия или калия

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

где V_{н(NaOH, KOH)} – объем раствора щелочи, израсходованный на титрование стандартного раствора щавелевой кислоты, см³; C_н(T) – нормальная концентрация титрованного раствора щавелевой кислоты, рассчитанная по п. 5.1, моль экв/дм³; V_н(T) – объем раствора щавелевой кислоты, взятый для титрования (25 см³);

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

,

где C_н – нормальная концентрация раствора щелочи, моль экв/дм³; M_экв. – молярная масса эквивалента щелочи; 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/дм³ стандартного раствора щавелевой кислоты. Рассчитать точные значения его титра и нормальной концентрации;

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

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

4) Приготовить 1000 см³ 0,1 моль экв/дм³ стандартный раствор гидроксида калия (натрия) из фиксанала.