1. Химические методы анализа

Работа 1.1. Определение соотношения объемов растворов гидроксида натрия и хлороводородной кислоты

Цель работы:Определение соотношения объемов реагентов с показателем повторяемости 3% при надежности данных Р = 0.95. Приобретение навыков титрования.

Оборудование:

1. Бюретка 25.0 мл 2 шт.

2. Коническая колба для титрования 200 мл.

Реактивы:

1. Раствор NaOH. 2. Раствор HCl.

3. Дистиллированная вода. 4. Индикатор метиловый оранжевый.

Теория:

Уравнение реакции:

HCl + NaOH = NaCl + H₂O

Титрование – процесс контролируемого сливания реагентов с регистрацией объема титранта в точке эквивалентности. Точка эквивалентности – это момент при титровании когда в реакторе присутствует только продукт реакции (в данной работе NaCl).

Методика:

1. Подготовка к титрованию. В бюретку для титрования заполняется раствор HCl. В другую бюретку (обычно через сифон связанную с бутылью с раствором реагента) заполняется раствор NaOH.

2. Титрование.Для определения соотношения объемов между растворами реагентов в колбу наливают из бюретки заданный объем раствораNaOH(см. табл. 1.1.1), добавляют 1 - 2 капли индикатора и титруют растворомHClдо перехода окраски реакционного раствора из желтой в оранжевую (объем титранта представлен в табл. 1.1.1). Титрование проводят не менее трех раз.

3. Обработка данных. По программе СТ5 с использованием данных таблицы 1.1.1 (V_HCl/V_NaOH, n = 3, Р = 0.95, при этом коэффициент Стьюдента выбирается автоматически) проводится расчет среднего и абсолютного и относительного доверительного интервала (см. раздел заключение).

Эксперимент:

Таблица 1.1.1. Определение соотношения объемов реагентов

VNaOH, мл	VHCl, мл	VHCl/VNaOH
6.00	3.95	0.658
7.00	4.60	0.658
8.00	5.30	0.662

Заключение: V_HCl/V_NaOH.=0.659  0.006 (1%). Результаты работы оцениваются на отлично, поскольку доверительный интервал результата измерения не больше показателя повторяемости, систематическая погрешность незначима и отсутствуют промахи.

Работа 1.2. Стандартизация раствора хлороводородной кислоты

Цель работы: Измерение концентрации хлороводородной кислоты методом пипетирования с показателем повторяемости 3%.

Оборудование:

1. Аналитические весы (цена деления 0.0001 г).

2. Бюретка 20.0 мл.

3. Пробирка с пробкой.

4. Химический стакан емкостью50 – 100 мл.

5. Мерная колба 200.0 мл (V_K).

6. Воронка.

7. Пипетка 20.0 мл (V_A).

Реактивы:

1. Раствор HCl (концентрация приблизительно 0.1 моль/л).

2. Na₂CO₃ марки «xч» (установочное вещество).

3. Фенолфталеин.

4. Метиловый оранжевый.

5. Дистиллированная вода.

Теория:

Na₂CO₃+HCl=NaHCO₃+NaCl, NaHCO₃+HCl=H₂CO₃+NaCl

m(Na₂CO₃)=C(HCl)_*V(HCl)_*M(1/2_*Na₂CO₃)_*10^-3_*V_K/V_A,

Концентрацию HCl рассчитывают, используя уравнение:

С(HCl)=m(Na₂CO₃)_*1000_*V_А/V(HCl)_*M(1/2_*Na₂CO₃)_*V_K

Методика:

1. Взятие навески проводят методом взвешивания по разности исходной массы пробирки с установочным веществом и его же после отсыпания установочного вещества в стакан.

2. Растворение навески Na₂CO₃. Из стакана с помощью воронки навеску количественно переносят в мерную колбу, доводят до метки дистиллированной водой и с помощью пипетки отбирают аликвотную часть раствора в колбу для титрования. В колбу добавляют 1-2 капли индикатора и титруют раствором HCl.

3. Титрование раствора Na₂CO₃ ведут до совпадения окраски титруемого раствора с окраской "свидетеля". Данные заносят в таблицу 1.2.1. Проводят пять титрований.

4. Обработка данных. При помощи программы СТ 5 на основе данных таблицы 1.2.1 проводят метрологическую обработку данных.

Эксперимент: Таблица 1.2.1. Стандартизация раствора HCl.

VNa2CO3, МЛ	VHCl, МЛ	C(HCl),моль/л
20.00	13.00	0.1374
20.00	12.95	0.1379
20.00	13.05	0.1369
20.00	13.10	0.1364
20.00	13.00	0.1374

Заключение: С(HCl)=0.1372±0.0007(0.5%), моль/л. Работа оценивается на неудовлетворительно (достоверное значение С(HCl)=0.116 моль/л).

Приложение к лабораторной работе 1.2.

Tеория: Во избежание погрешности за счет взвешивания малых навесок применяют метод пипетирования. Так как HCl непосредственно взаимодействует с Na₂CO_3, используют прием прямого титрования. При титровании Na₂CO₃ раствором HCl наблюдаются две стадии реакции (им соответствуют два скачка рН). Первая точка эквивалентности фиксируется с помощью индикатора фенолфталеина (ΔpH = 8.00-9.36; pT = 9). Вторая точка эквивалентности по метиловому оранжевому (ΔpH = 3.1-4.4; pT = 4). Для стандартизации обычно используется второй скачок, поскольку он сопровождается более резким изменением окраски.

Соответственно уравнению M(1/Z_*X) = 1/Z_*M(X) рассчитывают молярную массу эквивалента Na₂CO₃:

M(1/2_*Na₂CO₃)=1/2_*M(Na₂CO₃)=1/2_*106.0=53.0 г/моль.

При использовании бюретки на 20.0 мл рассчитывают пределы, в которых можно взять массу навески исходя из того, что максимальный объем равен 20.0 мл, а минимальный – 10.0 мл, по уравнению:

m_min=0.1_*10_*53.0 _*10^-3_*200/20=0.53 г.

m_max=0.1_*20_*53.0 _*10^-3_*200/20=1.06 г.

Mетодика: Выбор способа стандартизации. Готовят приблизительно 0.1 н раствор HCl, а затем его концентрацию точно определяют по первичному стандартному веществу. В качестве первичного стандартного вещества берут безводный Na₂CO₃ (марки «хч»).

Для взятия навески необходимо: 1.Взвесить пробирку с Na₂CO₃ на аналитических весах. 2. Отсыпать в химический стакан Na₂CO₃ в количестве 0.53 - 1.06 г. Рассчитать навеску Na₂CO₃ по разности между массой пробирки до отсыпания и после. Например масса пробирки до отсыпания: m(Na₂CO₃)1 = 12.0918 г, а после отсыпания: m(Na₂CO₃)2 = 11.1450 г.m(Na₂CO₃) = 12.0918-11.1450 = 0.9468 г.

Растворение навески Na₂CO₃ проводят в химическом стакане. C помощью воронки количественно переносят раствор в мерную колбу на 200.0 мл. Доводят до метки дистиллированной водой, закрывают колбу пробкой и раствор перемешивают. Далее с помощью пипетки отбирают аликвотные части раствора в чистые конические колбы. Пипетку предварительно ополаскивают этим же раствором (Na₂CO₃). В каждую колбу добавляют 1-2 капли метилового оранжевого и титруют раствором HCl до перехода окраски из желтой в оранжевую. Для получения правильных результатов необходимо приготовить "свидетель", т.е. раствор, имеющий переходную окраску индикатора. Для этого в отдельную колбу наливают 10.0 мл дистиллированной воды, 1-2 капли HCl.

Заключение: Работа оценивается на неудовлетворительно, из-за наличия систематической погрешности (достоверное значение

С(HCl )=0.116 моль/л). Хотя результаты определений повторяемы, при взвешивании допущена серьезная ошибка, вследствие неопытности студента. Поэтому рекомендуется использовать в студенческом практикуме метод отдельных навесок. (см. работу 6)

Работа 1.3. Стандартизация раствора хлороводородной кислоты

Цель работы: Измерение концентрации хлороводородной кислоты методом отдельных навесок с показателем повторяемости 3%.

Оборудование:

1. Аналитические весы (цена деления 0.0001 г).

2. Бюретка 20.0 мл.

3. Пробирка с пробкой.

Реактивы:

1. Раствор HCl (концентрация приблизительно 0.1 моль/л).

2. Na₂CO₃ марки «xч» (установочное вещество).

3. Метиловый оранжевый.

Теория: См. работу 5.

При использовании бюретки на 20.0 мл рассчитывают пределы, в которых можно взять массу навески исходя из того, что максимальный объем равен 20.0 мл, а минимальный – 10.0 мл, по уравнению: m_min=0.1_*10_*53.0 _*10^-3=0.053 г, m_max = 0.1_*20_*53.0 10^-3= 0.106 г. Максимальная относительная погрешность за счет взвешивания составляет: 0.0001_*100/0.053 = 0.2%, что незначимо по сравнению с относительной нормой погрешности.

Методика:

1. Взятие навески проводят методом взвешивания по разности исходной массы пробирки с установочным веществом и его же после отсыпания установочного вещества в колбу для титрования.

2. Подготовка к титрованию. Далее в колбу с навеской установочного вещества добавляется 20 – 40 мл дистиллята и 2 – 4 капли индикатора.

3. Титрование раствора Na₂CO₃ ведут до совпадения окраски титруемого раствора с окраской "свидетеля". Данные заносят в таблицу 1.3.1. После титрования содержимое колбы выливается и споласкивается дистиллятом. Далее работа проводится по п. 1 (всего пять раз).

4. Обработка данных. При помощи программы СТ 5 на основе данных таблицы 1.3.1 проводят метрологическую обработку данных.

Эксперимент:

Таблица 1.3.1. Стандартизация раствора HCl.

mNa2CO3, г	VHCl, МЛ	C(HCl),моль/л
0.0735		0.117
0.0941		0.137 (промах)
0.0689		0.115
0.1013		0.116
0.7570		0.113

Заключение:

С(HCl)=0.115±0.003(2.4%), моль/л. Работа оценивается на хорошо из-за наличия одного промаха.

Работа 1.4. Определение содержания слабых оснований

Цель работы: измерение содержания аммиака с показателем повторяемости 3%.

Оборудование:

1. Мерная колба 200.0мл.

2. Бюретка 20.0 мл.

3. Пипетка 20.0 мл (V_A)

4. Коническая колба (V_К).

Реактивы:

1. Стандартный раствор HCl С_HCl=.0.115 моль/л.

2. Метиловый оранжевый.

3. Дистиллированная вода.

Теория:

Водный раствор аммиака - слабое основание (К_ВОН=1.76_*10^-5). В тех случаях, когда К_ВОН10^-7, возможно прямое титрование:

NH_3*H₂O+HCl=NH₄Cl+H₂O

Скачок титрования находится в области pH=4.00-6.25. Согласно уравнению реакции, молярная масса эквивалента аммиака равна: M(1NH_3*H₂O)=M(NH_3*H₂O)=35.5 г/моль.

Содержание аммиака рассчитывают по уравнению:

m(NH_3*H₂O)=C_HCl*V_HCl*M(1/Z_*NH_3*H₂O)_*10^-3_*V_K/V_A (1.4.1)_.

Методика:

1. Подготовка к титрованию. Полученный в мерной колбе для анализа раствор аммиака доводят до метки дистиллированной водой. Пипеткой отбирают аликвоту (20.0 мл) в коническую колбу и добавляют 1-2 капли индикатора.

2. Титрование. Титрование раствором хлороводородной кислоты ведут до изменения окраски индикатора с желтого на оранжевый. Проводят три параллельных титрования.

3. Обработка данных. При помощи программы СТ5, используя данные таблицы 1.4.1 производится расчёт среднего, абсолютного и относительного доверительного интервала.

Эксперимент:

Таблица 1.4.1. Объем титранта в точке эквивалентности и рассчитанное по уравнению 1.4.1 содержание NH_3*H₂O

VHCl, мл	mNH3*H2O, г
27,0	0,998
26,5	0,980
25,5	0,943

Заключение: m(NH₃)=0.974±0.071(7.3%), г

Оценка выставлена неудовлетворительно, так как относительный доверительный интервал превышает показатель повторяемости 7.3%>3% (данная оценка является следствием малого количества определений, что привело к невозможности анализа на наличие промахов).

Работа 1.5. Определение содержания меди(II)

Цель работы: измерение содержания меди(II) в анализируемом образце с показателем повторяемости 5%.

Оборудование:

1. Мерная колба 200.0 мл (V_K).

2. Пипетка 20.0 мл (V_П).

Реактивы:

1. Стандартный раствор N₂S₂О₃ С_N2S2О3 = 0.0893 моль/л.

2. Раствор KJ 15%.

3. Раствор крахмала 5%.

Теория:

Используется прием титрования по заместителю заключающийся в получении эквивалентного количества по отношению к анализируемому веществу (Cu(II), M_Cu=63,55) соединения I₂ согласно уравнения:

2Сu²⁺ + 4I^– =2CuI+I₂, m(Cu)=С_N2S2О3*V_N2S2О3*M_Cu*10^-3*V_K/V_П (1.5.1).

Методика:

1. Подготовка к титрованию. Полученный в мерной колбе для анализа раствор Cu(II) доводят до метки дистиллированной водой. Пипеткой отбирают аликвоту (20.0 мл) в колбу для титрования и добавляют 3 мл KJ. Для завершения реакции полученный раствор помещают в темное место примерно на 5 минут.

2. Титрование. Титрование раствором N₂S₂О₃ ведут до светло-желтой окраски (добавляется не более 2 мл титранта). Прерывают титрование и добавляют 1 – 2 мл крахмала. Далее продолжают титрование до исчезновения синего цвета и сохранения цвета слоновой кости у раствора в течение не менее 30 с.

3. Обработка данных. При помощи программы СТ5, используя данные таблицы 1.5.1, производится расчёт среднего, абсолютного и относительного доверительного интервала.

Эксперимент:

Таблица 1.5.1. Объем титранта и рассчитанное по уравнению 1.5.1 содержание Cu(II)

VN2S2О3, мл	mCu(II), г
3,2	0,182
3,3	0,187
3,5	0,199

Заключение:

m(Cu) 0.189±0.022(12%), г. Оценка выставлена неудовлетворительно, так как относительный доверительный интервал превышает показатель повторяемости (данная оценка является следствием малого расхода объема титранта и малого количества определений, что привело к невозможности анализа на наличие промахов).

Приложение к работе 1.5.1.

Теория: Судя по значениям стандартных окислительно-восстановительных потенциалов E_0(Cu2+/Cu+)=0,15 В; E0J2/2J-=0,54 В реакция должна протекать в обратном направлении. Однако выпадение в осадок иодида меди(I) смещает равновесие реакции, что делает возможным прямое направление реакции. J₂, выделившийся в количестве, эквивалентном количеству Cu(II), оттитровывают раствором тиосульфата натрия: J₂+2S₂O₃^2–=2J^–+S₄O₆^2-.

Работа 1.6. Определение общей жесткости воды

Цель работы: измерение общей жесткости воды при надежности Р=0.95 c показателем повторяемости 5%.

Оборудование:

1. Бюретка 20.0 мл.

2. Набор пипеток 10.0, 20.0., 50.0 (V_П).

3. Лопаточка.

Реактивы:

1. Аммиачный буферный раствор.

2. Индикатор ЭХЧТ.

3. Стандартный раствор ЭДТА C_1/2ЭДТА=.0.0281 моль/л.

Теория:

Карбонатную жесткость воды определяют гидрокарбонаты и карбонаты магния и кальция, обладающие значительной растворимостью, а постоянную жесткость – хлориды и сульфаты кальция и магния. Сумма карбонатной и постоянной жесткости составляет общую жесткость. Определение общей жесткости проводят путем титрования воды стандартным раствором ЭДТА.

Mg₂₊(Ca₂₊)+H₂Y₂-=MgY^2-+2H⁺

Применяется прямое титрование в среде аммиачного буферного раствора. Рассчитывают общую жесткость воды по формуле:

О.Ж.= C _1/2ЭДТА*V_ЭДТА*1000/V_П

Методика:

1. Подготовка к титрованию. Пипеткой отбирают 10.0 мл исследуемой воды, разбавляют дистиллированной водой примерно до 50.0 мл. Затем добавляют 3.0 - 4.0 мл аммиачного раствора, половину лопаточки ЭХЧТ.

2 Титрование. Титруют раствором ЭДТА до перехода окраски из винно-красной в синюю (без фиолетового оттенка). Значение V_ЭДТА представлено в таблице 1.6.1. При расходе титранта менее 5 мл необходимо для отбора пробы воды применить пипетку большего объема, а результат анализа аннулировать и провести работу по п.1. методики.

3.Обработка данных. При помощи программы СТ5 на основе данных таблицы 1.6.1 проводят метрологическую обработку данных.

Эксперимент: Таблица 1.6.1. Общая жесткость воды

VЭДТА, МЛ	О.Ж.
1.37	1.92
1.41	1.96
1.49	2.09

Заключение: О.Ж.=1.99±0.22(11%), ммоль/л

Оценка выставлена неудовлетворительно, так как относительный доверительный интервал превышает показатель повторяемости (данная оценка является следствием неправильного выбора объема пипетки и малого количества определений, что привело также к невозможности анализа на наличие промахов).

Приложение к работе 1.6.1.

Теория:

Жесткость выражается в миллимолях эквивалентов Ca²⁺ и Mg²⁺(по водороду 1/Z=1/2) на 1 литр воды (ГОСТ 6066-51). По величине жесткости различают следующие типы вод: мягкие - до 4,0; средне-жесткие-4,0-8,0; жесткие-8,0-12,0; очень жесткие - свыше 12,0 ммоль/л. Жесткость питьевой воды не должна превышать 14,0 ммоль /л. Молярная масса эквивалентов по водороду равна:

M_{(1/2ЭДТА)}=1/2M_(ЭДТА)=1/2*392,2=186,1 г/моль. M_(1/2Me2+)=1/2M_(Me2+)

Работа 1.7. Измерение карбонатной жесткости воды

Цель работы: измерение карбонатной жесткости воды кислотно-основным титрованием c показателем повторяемости 3% при заданной надежности Р=0.95

Оборудование:

1. Пипетка 50.0 мл (V_П).

2. Бюретка 20.0 мл.

Реактивы:

1. Индикатор метиловый оранжевый.

2. Стандартный раствор HCl, С_HCl=0.116 моль/л.

Теория: При определении карбонатной жесткости воды в качестве титранта используют стандартный раствор HCl.

Уравнение реакции:

Mg(HCO₃)₂+2HCl=MgCl₂+H₂CO₃

Прием титрования - прямое титрование.

Карбонатная жесткость воды вычисляется по формуле:

К.Ж.=C_HCl*V_HCl*1000/V_П (1.7.1).

Методика работы:

1. Подготовка к титрованию. В колбу для титрования с помощью пипетки отбирают 50.0 мл исследуемой воды, затем добавляют 1 - 2 капли индикатора.

2. Титрование. Титруют стандартным раствором HCl до перехода окраски из желтой в оранжевую. Объем титранта (V_HCl) представлен в таблице 1.7.1.

3. Обработка данных. При помощи программы СТ 5 проводится метрологическая обработка данных, используя данные таблицы 1.7.1, производится расчёт среднего, абсолютного и относительного доверительного интервала.

Эксперимент:

Таблица 1.7.1. Объем титранта в точке эквивалентности и рассчитанное по уравнению 1.7.1 карбонатная жесткость воды

V(HCl), мл	К.Ж., ммоль/л
0.79	1.83
0.81	1.88
0.86	2.00

Заключение:

Тип воды - мягкий. К.Ж.=0.190±0.022(11%), ммоль/л.

Оценка выставлена неудовлетворительно, так как относительный доверительный интервал превышает норму погрешности (данная оценка является следствием неправильного выбора концентрации титранта и малого количества определений, что привело также к невозможности анализа на наличие промахов).