Лабораторная работа № 5. Кислотно-основное титрование. Метод нейтрализации (насыщения)

Ц е л ь р а б о т ы. Изучить метод нейтрализации, научиться готовить растворы установочных веществ (тетрабората и карбоната натрия), растворы вторичных стандартов (соляной кислоты и едкого натра), а также на практике провести прямое (карбоната натрия) и обратное (аммиака) кислотно-основное титрование.

О б щ е т е о р е т и ч е с к а я ч а с т ь. К методу кислотно-основного титрования относятся титриметрические определения, в основе которых лежит равновесие:

Н⁺ + ОН^-  Н₂О.

Данным методом определяется содержание кислот, щелочей и солей, образующих в результате ионизации или гидролиза ионы водорода или гидроксила.

Э т а п 1

Приготовление раствора установочного вещества тетрабората натрия (или карбоната натрия)

П р и б о р ы и м а т е р и а л ы. Тетраборат натрия (или карбонат натрия), дистиллированная вода, аналитические весы, мерные колбы на 100 мл, стеклянные стаканы на 100 мл, стеклянные палочки.

Т е о р е т и ч е с к а я ч а с т ь. Применение тетрабората натрия (техническое название – бура) в методе нейтрализации основано на том, что соль слабой борной кислоты H₃BO₃ (К1 = 6×10 ^–10) и сильного основания NaOH в водных растворах подвержена гидролизу по аниону:

В₄О₇ ^2- + 7НОН = 4Н₃ВО₃ + 2ОН^-.

Образующиеся при гидролизе гидроксильные ионы вступают в реакцию

с ионами водорода прибавляемой кислоты.

Тетраборат натрия (как и карбонат натрия) удовлетворяет требованиям, предъявленным к установочным веществам, поэтому его раствор можно приготовить растворением точной навески в определённом объёме воды.

Масса навески, необходимая для приготовления требуемого объема V (взять объем 100 мл) раствора тетрабората натрия (карбоната натрия) заданной концентрации C_Ny (взять 0,1 н) находится по формуле:

m_y = 10^-3 f_y × M_y × C_Ny × V,

где f_y, M_y, C_Ny, V - соответственно фактор эквивалентности, молекулярная масса, нормальность и объем раствора тетрабората натрия (или карбоната натрия).

Х о д р а б о т ы. Рассчитанную навеску отвешивают на аналитических весах с точностью до 0,0002 г в стаканчике и растворяют в 50 мл горячей дистиллированной воды (тетраборат плохо растворяется в холодной воде), помешивая содержимое стеклянной палочкой. Затем раствор переливают в мерную колбу (на 100 мл) и доводят водой до метки, охлаждают потоком водопроводной воды до комнатной температуры, колбу закрывают пробкой и хорошо перемешивают.

Э т а п 2

Приготовление рабочего раствора примерно 0,1 н соляной кислоты

П р и б о р ы и м а т е р и а л ы. Концентрированный раствор соляной кислоты, ареометры, цилиндр на 250 мл, мерная колба на 1 л, растворы тетрабората натрия или карбоната натрия, полученные на этапе 1.

Т е о р е т и ч е с к а я ч а с т ь. Соляная кислота не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к исходным веществам, поэтому сначала готовят примерно 0,1 н раствор из концентрированной кислоты. Процентное содержание хлористого водорода C, %, в концентрированной кислоте находят по значению плотности , г/мл, в справочнике. Плотность предварительно измеряют ареометром по нанесенной на нем шкале: осторожно опускают его в цилиндр

с концентрированной кислотой, следя за тем, чтобы ареометр свободно плавал и не касался стенок цилиндра. Затем рассчитывают необходимый объем концентрированной кислоты V_k, мл для приготовления указанного преподавателем объёма примерно 0,1 н раствора.

V_k = 0,1f_x M_x × C_NX × V_x/(C % × ),

где V_x- объём приготовляемого раствора кислоты, мл,

C_NX - его нормальность; моль-экв/л,

M_x- молекулярная масса соляной кислоты, г/моль.

Х о д р а б о т ы. Для приготовления раствора необходимо отмерить мерным цилиндром рассчитанный объём концентрированной кислоты и разбавить его водой до требуемого количества V_x. Полученный примерно 0,1 н раствор хорошо перемешать, а затем определить его точную концентрацию по раствору установочного вещества - тетрабората натрия (или карбоната натрия) - известной концентрации, полученному на этапе 1.

Э т а п 3

Установление нормальности рабочего раствора соляной кислоты

по раствору тетрабората натрия (или карбоната натрия)

П р и б о р ы и м а т е р и а л ы. Метилрот (или метилоранж), раствор тетрабората натрия (или карбоната натрия), полученный на этапе 1, колбы

на 250 мл, дистиллированная вода, раствор соляной кислоты, полученный

на этапе 2.

Т е о р е т и ч е с к а я ч а с т ь. Реакция протекает согласно уравнению:

Na₂B₄O₇ + 2HCl + 5H₂O =2NaCl + 4H₃BO₃.

В точке эквивалентности раствор содержит только хлорид натрия и борную кислоту, которая обуславливает его слабокислую реакцию.

Величину рН раствора в точке эквивалентности можно рассчитать как для раствора слабой кислоты. Концентрация ионов водорода в растворе равна

[H⁺] =

или рН = 1/2рК_а - 1/2×lgC_H3BO3.

Концентрация борной кислоты в точке эквивалентности будет порядка

10^-1 н, тогда:

рН = 1/2 × 9,2 - 1/2 × lg10^-1 = 5,1.

Следовательно, титрование нужно вести с метилротом, показатель титрования рТ которого равен 5.

Можно титровать и с метиловым оранжевым (рТ = 4), однако при этом затрачивается некоторый избыток кислоты, т.к. точка эквивалентности наступит при рТ = 5, а индикатор изменит окраску при рТ = 4. Титрование

в этом случае следует вести до перехода желтой окраски в оранжевую (а не

в красную!). Избыточную кислоту можно учесть постановкой холостого опыта. Для облегчения наблюдения за изменением окраски можно титровать со «свидетелем».

Х о д р а б о т ы

Приготовление «свидетеля». В коническую колбу наливают 10-15 мл раствора тетрабората и доводят его объём водой примерно до 50 мл. Индикатора добавляют столько же, сколько будет налито при титровании, при этом раствор окрашивается в жёлтый цвет.

По сравнению со «свидетелем» легко заметить появление жёлтой окраски при следующем титровании испытуемого раствора.

Выполнение титрования. В три колбы ёмкостью 100-250 мл пипеткой наливают по 20 или 25 мл приготовленного раствора тетрабората натрия и прибавляют по 2 капли метилоранжа (наблюдается жёлтое окрашивание). Затем из бюретки приливают небольшими порциями (при постоянном помешивании круговыми движениями) раствор соляной кислоты до перехода окраски из желтой в розовую. Первое титрование считают ориентировочным; его проводят только для приблизительного определения объёма кислоты, расходуемого на титрование. При этом можно приливать кислоту порциями по 1 мл.

Предположим, что после приливания 23 мл кислоты индикатор имеет ещё жёлтую окраску, а после прибавления 24 мл цвет становится розовым. Следовательно, эквивалентная точка лежит в пределах объёма кислоты 23-24 мл. Затем титрование повторяют ещё дважды. Теперь до 23 мл кислоту можно прибавлять быстро, а затем медленно, до появления слабо-розовой окраски (сравнение со «свидетелем»). Отсчёт объёма кислоты производят с точностью до сотых долей миллилитров (на глаз). Нормальность кислоты можно считать установленной правильно, если результаты двух титрований расходятся не более 0,05 - 0,10 мл. В противном случае титрование повторяют до сходящихся результатов. Затем проводят холостой опыт.

Проведение холостого опыта. Вычисление объема одной капли. Из бюретки выливают 50-100 капель раствора, отмечают объём и делят его на число капель. В колбу наливают объём воды, примерно равный объёму раствора после титрования, добавляют 2 капли индикатора и из бюретки приливают по каплям соляную кислоту до той окраски, какую имеет раствор в колбе после титрования тетрабората. На проведение холостого опыта должно пойти не более

1-2 капель кислоты. Затем из объёма кислоты, пошедшей на титрование тетрабората натрия, вычитают объём кислоты, израсходованной на холостой опыт. Так, если на титрование затрачено 23,55 мл кислоты, а на холостой опыт – 2 капли, и объём одной капли равен 0,03 мл, то для расчёта нормальности соляной кислоты берут объём

V = 23,55 – 2 × 0,03 = 23,49 мл.

Вычисления: для определения нормальности соляной кислоты берут среднее арифметическое из результатов титрования с учётом холостого опыта. Расчет ведут по уравнению:

= C_Nтб × Vтб/ V_HCl,

где V_HCl и – объём, мл, и нормальность, моль-экв/л, раствора соляной кислоты,

Vтб и C_Nтб – объём, мл, и нормальность, моль-экв/л, раствора тетрабората натрия.

При титровании с метилротом поправка на холостой опыт не требуется.

Э т а п 4