Химия [РТФ, Ваганова, 1 семестр] / Методички / #2 Сборник лабораторных работ по химии

2.3. Экспериментальная часть

Опыт 2.1. Определение общей жесткости воды

Общую жесткость воды (Ж0) определяют комплексонометрическим методом. Этот метод основан на способности двухзамещенной натриевой соли этилендиаминтетрауксусной кислоты (комплексона Ш или трилона Б):

Для определения общей жесткости воду титруют раствором три­ лона Б в присутствии индикатора (кислотный хромтемносиний или эриохромчерный). В точке эквивалентности при титровании инди­ катор изменяет окраску розовую (в присутствии ионов жесткости - Са2+ и Mg2+) на синюю (в отсутствии этих ионов).

Комплексообразование ионов кальция и магния с трилоном Б происходит в щелочной среде (рН ~ 10), поэтому при выполнении работы используют буферный раствор.

Буферными называют растворы, содержащие слабую кислоту и ее соль (СН3СООН + NaCH3COO) или слабое основание и его соль (NH4OH + NH4Cl). Такие растворы сохраняют постоянную концен­ трацию ионов водорода, или рН раствора, как при разбавлении, так и при добавлении небольших количеств сильных кислот и или ще­ лочей, т.е. оказывают буферное действие.

В две конические колбы влейте по 100 мл жесткой (или водопро­ водной) воды, отмеренной с помощью мерной колбы.

30

Результаты определения общей жесткости воды

Опыт 2.2. Определение карбонатной и некарбонатной жест­ кости воды

Карбонатную жесткость воды (Жк) определяют титрованием исследуемой воды раствором соляной кислоты. При этом раство­ ренные в воде гидрокарбонаты количественно реагируют с соляной кислотой по уравнению:

31

Таблица 5 Экспериментальные данные определения различных видов жест­

кости воды

Опыт 2.3. Реагентное умягчение воды

По заданию преподавателя проведите умягчение воды с помо­ щью карбоната натрия или фосфата натрия. Количество вещества соды или фосфата натрия берется в избытке против эквивалентного по жесткости на 1 ммоль/л. Поэтому количество реагента, необхо­ димого для умягчения 100 мл воды, рассчитывается таким образом:

Для проведения эксперимента используется раствор солей с мо­ лярной концентрацией эквивалента, равной 0,03 моль/л, следова­ тельно, объем раствора соли, необходимый для умягчения иссле­ дуемой пробы воды, будет равен:

К 100 мл исследуемой воды прилейте рассчитанный объем рас­ твора карбоната натрия, нагрейте на электроплитке с асбестированной сеткой до 40-50 °С. Затем раствор охладите и отфильтруйте. Фильтр предварительно трижды промойте дистиллированной водой над раковиной. Пробу отфильтруйте в коническую колбу. Фильтр промойте один раз дистиллированной водой и присоедините эту воду к фильтрату. Затем определите общую жесткость, как это опи­ сано в опыте 2.1.

При умягчении воды фосфатом натрия произведите те же дейст­ вия, что и с карбонатом натрия, но без нагревания. Результаты опы­ та внесите в таблицу 6.

33

Опыт 2.4. Умягчение воды методом катионирования

Из трубки с катеонитом слейте избыток воды. При этом следите за тем, чтобы уровень воды в трубке был выше слоя катионита во избежание появления воздушных пузырьков внутри катионита. За­ лейте катионит исследуемой водой, жесткость которой необходимо определить. Медленно пропускайте воду через слой катионита так, чтобы быть виден отрыв капель, и следите за уровнем воды в труб­ ке. Первые 20-30 мл фильтрата отбросьте. Затем отмерьте 100 мл воды, пропущенной через слой катоинита, перенесите пробу в ко­ ническую колбу для титрования и определите общую жесткость во­ ды по методике, приведенной в опыте 2.1. Сравните жесткость во­ ды до умягчения и жесткость воды после умягчения. А также ре­ зультаты, полученные при умягчении воды реагентным и ионооб­ менным методами. Сделайте соответствующие выводы. Результаты опыта сведите в таблицу 7.

34

Опыт 2.5. Устранение карбонатной жесткости воды

Налейте в пробирку 1-2 мл раствора гидроксида кальция и через этот раствор из аппарата Киппа пропустите СO2 до появления осад­ ка. При дальнейшем пропускании газа осадок начнет растворяться. Составьте уравнения протекающих реакций.

Полученный раствор разделите на две части. К одной части при­ лейте равный объем раствора гидроксида кальция. Вторую пробир­ ку нагрейте до кипения. Что наблюдается? Составьте уравнения ре­ акций.

Опыт 2.6. Устранение некарбонатной жесткости воды

В две пробирки налейте по 0,5-1 мл раствора хлорида кальция. В одну пробирку добавьте небольшой объем раствора карбоната на­ трия (соды), во вторую пробирку - небольшой объем раствора фос­ фата натрия. Что наблюдается? Составьте уравнения реакций.

Аналогичные опыты проделайте с раствором сульфата магния и составьте уравнения протекающих реакций.

2.4.Контрольные вопросы и задачи

1.Что называют жесткостью воды?

2.Почему жесткость воды следует устранять?

3.Каким образом в природе может образовываться жесткая вода?

4.Какие виды жесткой воды различают?

5.Чем обуславливается временная и постоянная жесткость воды?

6.Какие способы устранения жесткости воды могут использо­ ваться?

7.Какой метод умягчения воды называют термическим? Какие химические реакции протекают при умягчении воды этим ме­ тодом?

8.В чем суть реагентного метода умягчения воды? Какие реаген­ ты при этом могут быть использованы? Какие реакции проте­ кают?

9.Можно ли умягчать воду с помощью ионного обмена? Каким образом?

10.Почему жесткость, обусловленная присутствием в воде гидро­ карбонатов кальция и магния, называется временной? Какие реакции будут происходить: а) при кипячении воды, содержа-

35

щей гидрокарбонат кальция; б) при добавлении к ней соды; в) при добавлении к ней гидроксида натрия?

11.Как определяют общую, карбонатную и некарбонатную жест­ кость воды?

12.В 10 л воды содержится 136 мг сульфата кальция и 190 мг хло­ рида магния. Чему равна жесткость этой воды?

13.Чему равна жесткость раствора хлорида кальция с молярной концентрацией эквивалента 0,1 моль/л?

14.В 100 л воды содержится 2 г сульфата кальция, 1,5 г сульфата магния и 4,6 г гидрокарбоната магния. Какова общая, времен­ ная и постоянная жесткость воды?

15.При определении общей жесткости воды на титрование 100 мл воды пошло 8 мл раствора трилона Б с молярной концентраци­ ей эквивалента 0,05 моль/л. Вычислите общую жесткость воды.

16.Жесткость воды равна 3,5 ммоль/л. Какую массу воды необходимо добавить к 2 м воды, чтобы устранить эту жесткость?

17.Чему равна жесткость раствора сульфата магния с массовой долей раствора 1 %? Плотность раствора можно считать равной единице.

18.КЗ м3 воды для устранения жесткости добавили 477 г карбона­ та натрия. Какова жесткость данной воды?

19.Жесткость воды равна 4,2 ммоль/л. Какую массу фосфата натрия необходимо добавить к 1 м воды, чтобы устранить эту жесткость?

20.Временная жесткость воды равна 5 ммоль/л. Вычислите, какая масса гидрокарбоната кальция содержится в 10 л этой воды?

21.Для определения временной жесткости воды к 250 мл ее было прилито 40 мл раствора соляной кислоты с молярной концен­ трацией 0,01 моль/л до полной нейтрализации. Чему равна же­ сткость воды?

22.Какую массу гашеной извести надо прибавить к 3 м воды, что­

23.Для устранения временной жесткости воды к 200 л ее было до­ бавлено 8 г гидроксида натрия. Чему равна жесткость воды?

24.Для устранения жесткости воды объемом 2 м3 добавлено 2 кг золы, содержащей 20 % поташа (К2СО3). Чему равна жесткость данной воды?

36

Список литературы

1.Глинка Н.Л. Общая химия.- Л.: Химия, 1987. - с. 596-599.

2.Курс общей химии / Под ред. Н.В. Коровина. - М.: Высшая шко­ ла, 1990.-с. 5-7.

3.Глинка Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии.- Л.: Химия,1985.- с. 343-351.

4.Романцева Л.М., Лещинская З.Л., Суханова В.А. Сборник задач

иупражнений по общей химии. М.: Высшая школа, 1991. - с. 146-150.

5.Основные понятия и законы химии. Растворы. Методические указания по химии для индивидуальной и самостоятельной ра­ боты студентов всех специальностей и форм обучения /Сост. Е.Н. Калюкова, В.Д. Бычков. - Ульяновск: УлПИ, 1991. - 44с.

6.Задания для самостоятельной работы по курсу химии: Основные понятия и некоторые законы химии. Часть I. Методические указания по химии для студентов всех специальностей. /Сост. Е.Н. Калюкова. - Ульяновск: УлГТУ, 1998. - 56с.

4. Лабораторная работа № 3.

Окислительно-восстановительные процессы

Цель работы. Экспериментальное изучение окислительновосстановительных свойств некоторых веществ и соединений; ос­ воение методики составления электронных уравнений и расста­ новки коэффициентов; определение окислителя и восстановителя, процесса окисления и восстановления.

В процессе протекания химических реакций может происходить смещение или полный переход электронов от одних атомов или ио­ нов к другим. В результате этого происходит изменение степени окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ.

Окислительно-восстановительными называют реакции, ко­ торые протекают с изменением степени окисления атомов, вхо­ дящих в состав реагирующих веществ.

Рассмотрим несколько примеров реакций:

37

В реакциях 1 и 4 степень окисления каждого из атомов до и по­ сле реакции осталась без изменения. В остальных реакциях про­ изошло изменение степени окисления атомов реагирующих ве­ ществ, поэтому реакции 2, 3 и 5 относятся к окислительновосстановительным реакциям.

Степень окисления определяют как заряд атома элемента в соединении, который возник бы на данном атоме, если предполо­ жить, что все связи в соединении ионные.

Поэтому степень окисления представляет собой величину услов­ ную, формальную. При определении степени окисления необходи­ мо знать следующее:

1. Любая молекула электронейтральна, поэтому сумма всех сте­ пеней окисления атомов, входящих в состав молекулы, равна нулю.

2.В простых веществах степень окисления атомов равна нулю. Mg°, 02 °,Fe°, H2°,S°...

3.Все элементы делятся на элементы с постоянной и перемен­ ной степенями окисления. Это зависит от электронного строе­ ния атомов и от положения элемента в периодической таблице. При определении степени окисления исходят из того, что во­ дород в соединениях имеет, как правило, степень окисления (+1). Исключением являются гидриды активных металлов (LiH, СаН2), в которых водород имеет степень окисления (-1). Кислород, как правило, имеет степень окисления (—2). Кроме пероксидов (Н2O2, ВаO2), содержащих группу -О-О- , где сте­ пень окисления кислорода равна (-1). Во фториде кислорода (OF2) степень окисления кислорода равна (+2) . К элементам с постоянной степенью окисления, равной номеру группы, отно­ сятся элементы I - III групп главных подгрупп. Степень окис-

38

ления других элементов определяют исходя из того, что алгеб­ раическая сумма степеней окисления элементов в молекуле, должна быть равна нулю.

Степень окисления обозначают арабской цифрой со знаком «+» или «-» перед цифрой. Заряд реальных ионов обозначают так же, но знак ставят после цифры.

Пример 1. Определите степень окисления серы в соединениях: H2S , K2SO3, H2SO4, Na2S2O7.

Решение. Учитывая, что степень окисления водорода, калия и на­ трия равна (+1), а кислорода - (-2), составим алгебраические урав­ нения с учетом числа частиц в молекуле, обозначив степень окис­ ления серы, равной «X».

Основные положения теории окислительно-восстановительных реакций:

1. Процесс окисления - процесс отдачи электронов атомом, мо­ лекулой или ионом. При окислении степень окисления элемента повышается.

2.Процесс восстановления - процесс присоединения электронов атомом, молекулой или ионом. При окислении степень окисления элемента понижается.

3.Вещества, атомы (молекулы или ионы) которых отдают элек­

троны, называются восстановителями. Восстановитель (Mg, S"2) электроны отдает, степень окисления его повышается, а сам он при этом окисляется.

4.Вещества, атомы (молекулы или ионы) которых присоединяют

электроны, называются окислителями. Окислитель (Fe , 02) электроны принимает, степень окисления его понижается, а сам он при этом восстанавливается.

39