Методы контроля и анализа веществ потенциометрический метод аналитического контроля. Лабораторный практикум
.pdfМежду измерениями электрод хранят в дистиллированной воде. При перерыве в работе более двух часов электрод хранят в насыщенном растворе хлорида калия.
Ионоселективный электрод «ЭКОМ-NO3» выдерживают в растворе KNO3 с молярной концентрацией 0,1 моль/дм3. Перед каждым измерением в анализируемом растворе электрод промывают дистиллированной водой, выдерживают в ней 5–10 мин и просушивают фильтровальной бумагой. Между измерениями электрод хранят в дистиллированной воде. При перерыве в работе более двух часов электрод хранят в 0,001 М растворе KNO3. При длительном хранении (более двух часов) электрод должен быть сухим.
4 Построение градуировочного графика
Последовательно измеряют потенциал электродной системы (Е) в градуировочных растворах в порядке возрастания молярной концентрации нитрат-ионов следующим образом.
В стакан вместимостью 50 см3 отмеряют мерным цилиндром 20 см3 градуировочного раствора. Погружают в раствор электрод «ЭКОМ-NO3» и электрод сравнения, измеряют с помощью иономера потенциал электродной системы (Е) и записывают результат в лабораторный журнал. После каждого измерения электроды промывают дистиллированной водой и просушивают фильтровальной бумагой.
По полученным данным строят градуировочный график зависимости потенциала электродной системы (Е) от отрицательного логарифма молярной концентрации нитрат-ионов (рCNO3) в градуировочных растворах. При использовании иономера «ЭКСПЕРТ-001» градуировочный график строится им автоматически на основе введенных в него значений (Е) электродной системы и соответствующих им значений рCNO3 при калибровке иономера в градуировочных растворах (п. 5).
5 Порядок работы на приборе «ЭКСПЕРТ-001»
Порядок работы на приборе «ЭКСПЕРТ-001» описан в лабораторной работе 1, при этом калибровку прибора проводят по результатам измерений не менее чем в четырех растворах.
31
6 Выполнение определения нитрат-ионов
врастворах
Встакан вместимостью 50 см3 вносят мерным цилиндром 20 см3 анализируемого раствора. Погружают в раствор электрод «ЭКОМ-NO3»
иэлектрод сравнения и измеряют потенциал электродной системы (Е) с помощью иономера. После каждого измерения электроды промывают дистиллированной водой и просушивают фильтровальной бумагой. Выполняют два параллельных измерения.
Для каждого результата измерений (за результат измерений принимают среднее арифметическое значений двух параллельных
измерений) по градуировочному графику определяют pCm и рассчитывают молярную концентрацию нитрат-ионов Cm, моль/дм3, по формуле
Cm = 10–рCm. |
(7) |
Массовую концентрацию нитрат-ионов (С), мг/дм3, рассчитывают по формуле
С = Cm · MNO3 ·1000, |
(8) |
где MNO3 = 62,005.
Измеренный с помощью иономера «ЭКСПЕРТ-001» потенциал электродной системы (Е) в анализируемом растворе автоматически переводится прибором в соответствии с градуировочным графиком в единицы рCNO3, моль/л или мг/л, которые отображаются на дисплее прибора.
Контрольные вопросы
1 Объясните принцип действия нитрат-селективного электрода.
2 Как проводят градуировку электродной системы при определении нитрат-ионов?
3 Каковы причины увеличения содержания нитрат-ионов в воде, почве, продуктах питания?
4 В чем заключается принцип ионометрического метода анализа?
5 Приведите примеры ионометрических методик определения компонентов в растворах.
32
Лабораторная работа 5
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВАНАДИЯ В РАСТВОРЕ ВАНАДАТА АММОНИЯ МЕТОДОМ ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКОГО ТИТРОВАНИЯ
1 Цель и задача работы
Изучение методики потенциометрического некомпенсационного титрования.
Определение ванадия в растворе ванадата аммония, выданном преподавателем.
2 Теоретическое введение
Основным потребителем ванадия является черная металлургия (до 95 % всего производимого металла). Ванадий входит в состав быстрорежущей стали, малолегированных инструментальных и конструкционных сталей. При введении 0,15–0,25 % ванадия резко повышаются прочность, вязкость, сопротивление усталости и износоустойчивость стали. Ванадий, введенный в сталь, является одновременно раскисляющим и карбидообразующим элементом. Карбиды ванадия, распределяясь в виде дисперсных включений, препятствуют росту зерна при нагреве стали. Применяют ванадий и для легирования чугуна. Некоторые титановые сплавы содержат до 13 % ванадия. В авиационной, ракетной и других областях техники применяют сплавы на основе ниобия, хрома и тантала, содержащие присадки ванадия.
Соединения ванадия применяют в химической промышленности как катализаторы, в сельском хозяйстве и медицине, в текстильной, лакокрасочной, резиновой, керамической, стекольной, фото- и кинопромышленности.
С кислородом ванадий образует оксиды: VO, V2O3, V3O5, VO2, V2O5. Соединения ванадия в степенях окисления +2 и +3 – сильные восстановители, в степени окисления +5 проявляют свойства окислителей. Оксид ванадия V2O5 служит эффективным катализатором, например, при окислении сернистого газа SO2 до серного газа SO3 при производстве серной кислоты.
Ванадий определяют методом потенциометрического титрования при анализе сплавов, минералов, руд. Требуемую точность измерения разности потенциалов индикаторного электрода и электрода сравнения
33
можно обеспечить даже при использовании некомпенсационного метода измерения с использованием вольтметра.
Определение ванадия основано на потенциометрическом титровании раствора ванадата аммония (NH4VO3) раствором соли закисного железа (раствором соли Мора) в кислой среде в соответствии с уравнениями реакций:
2VO− + 2Fe2+ + 8H+ |
V O |
4+ |
+ 2Fe3+ + 4H |
2 |
O; |
(9) |
||
3 |
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|
2VO− + 8H+ |
V O |
4+ |
+ 4H |
2 |
O. |
|
|
(10) |
3 |
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|
Стандартный потенциал системы «ванадат – диванадил»
( VO3− /V2O24+) Е0 = +1,00 В.
Определение ванадия проводят в присутствии смеси серной и фосфорной кислот. Участие в реакции ионов Н+ свидетельствует о том, что окислительная способность ванадия усиливается с увеличением кислотности среды: в 8 М растворе H2SO4 потенциал системы достигает значения +1,30 В. Фосфорная кислота связывает ионы Fe3+ в прочный комплекс [Fe(PO4)2]3–, уменьшая потенциал окислительно-восстановительной пары Fe3+/Fe2+.
Увеличение разности потенциалов взаимодействующих окислительно-восстановительных пар VO3− /V2O24+ и Fe3+/Fe2+
способствует увеличению интервала скачка на кривой титрования. Таким образом, обе кислоты способствуют более полному протеканию реакции восстановления ванадат-ионов в диванадил ионы раствором соли Мора в сторону образования V2O24+ и Fe3+.
Конец реакции восстановления ванадат-ионов в диванадил-ионы раствором соли Мора соответствует наибольшему (резкому) отклонению стрелки прибора.
3 Реагенты, растворы и аппаратура
В лабораторной работе используют:
-универсальный иономер ЭВ-74;
-индикаторный электрод, платиновый, марки ЭПВ-1;
-электрод сравнения, хлорсеребряный, марки ЭВЛ-1М3.1;
-магнитная мешалка для перемешивания раствора, марки ПЭ-6100;
34
-титрованный раствор соли Мора FeSO4(NH4)2SO4 · 6H2O концентрации, установленной инженером лаборатории;
-смесь серной и фосфорной кислот (H2SO4 + H3PO4): к 800 см3
H2Oдист осторожно при перемешивании приливают 100 см3 H2SO4 конц
изатем 100 см3 H3PO4 конц;
-вода дистиллированная;
-стаканы стеклянные лабораторные, вместимостью 100 см3.
-цилиндры мерные стеклянные лабораторные, вместимостью не менее 10 см3;
-пипетки на 5 см3 и бюретки на 10 см3 не ниже 2-го класса точности.
4 Порядок включения иономера ЭВ-74
Для включения прибора выполнить следующие действия.
1Установить режим работы прибора: а) род работы – mV;
б) диапазон измерений 4–9.
2Включить прибор в сеть.
3Дать прибору прогреться в течение 15–20 мин.
5 Выполнение определения ванадия в растворе
Полученный от преподавателя раствор ванадата аммония NH4VO3 в мерной колбе (100 см3) разбавляют дистиллированной водой до метки и тщательно перемешивают. Пипеткой, ополоснутой приготовленным раствором, отбирают аликвотную часть, равную 5 см3, переносят в стакан вместимостью 100 см3, добавляют 8–10 см3 смеси кислот (H2SO4 + H3PO4) и 45–55 см3 дистиллированной воды. В стакан помещают магнит для перемешивания раствора. Устанавливают стакан на магнитную мешалку.
Вподготовленный таким образом раствор погружают платиновый (индикаторный) и хлорсеребряный (электрод сравнения) электроды, присоединенные к соответствующим клеммам прибора.
Включают магнитную мешалку и титруют приготовленный раствор раствором соли Мора, наблюдая за отклонением стрелки прибора в процессе титрования.
Вначале титрования стрелка прибора может очень медленно перемещаться по шкале, незначительно отклоняясь от первоначального положения.
35
Резкое отклонение стрелки при добавлении 1–2 капель раствора соли Мора указывает на момент эквивалентности.
Титрование заканчивают и записывают результат (объем раствора соли Мора, расходуемый на титрование) в лабораторный журнал.
Титрование следует проводить до получения не менее трех сходимых результатов, из которых берут среднее значение и используют для расчета содержания ванадия.
Содержание ванадия рассчитывают по формуле с учетом разбавления:
|
|
QV = TFeSO4 /V VFeSO4 K, |
(11) |
где QV – содержание ванадия, г; |
|
||
T |
/V |
– титр раствора соли Мора по ванадию, г/см3; |
|
FeSO4 |
|
|
|
VFeSO4 – объем раствора соли Мора, расходуемый на титрование
аликвотной части раствора ванадата аммония, см3; K – фактор разбавления, равный Vобщ/Vал;
Vобщ – объем мерной колбы, в котором содержится анализируемый раствор, см3;
Vал – объем аликвотной части анализируемого раствора, см3.
Учитывая, что для определения ванадия взяли аликвотную часть, равную 5 см3, а общий объем анализируемого раствора составляет 100 см3, содержание ванадия рассчитывают по следующей формуле:
QV = TFeSO4 /V VFeSO4 20. |
(12) |
Контрольные вопросы
1На чем основано потенциометрическое титрование?
2В чем преимущество потенциометрического титрования по сравнению с химическим титрованием?
3Какие электроды используют в методе потенциометрического титрования? Приведите примеры.
4Что означает «титр раствора соли Мора по ванадию»?
5С какой целью для определения ванадия используют смесь серной и фосфорной кислот?
36
Лабораторная работа 6
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХРОМА В РАСТВОРЕ БИХРОМАТА КАЛИЯ МЕТОДОМ ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКОГО ТИТРОВАНИЯ
1 Цель и задача работы
Изучение методики потенциометрического некомпенсационного титрования.
Определение хрома в растворе бихромата калия, выданном преподавателем.
2 Теоретическое введение
Хром – один из самых твердых металлов. Обладает высокой химической стойкостью. Хромит (хромовая руда) применяют преимущественно в трех отраслях промышленности: металлургии, химии и производстве огнеупоров, причем металлургия потребляет примерно две трети всего хромита.
Сталь (хромаль, хромель, хромансиль), легированная хромом, обладает повышенной прочностью, стойкостью против коррозии в агрессивных и окислительных средах.
Хром применяют для производства сплавов хром-30 и хром-90, незаменимых для производства сопел мощных плазмотронов и в авиакосмической промышленности.
Хром используют в качестве износоустойчивых и декоративных гальванических покрытий (хромирование). Несмотря на то что толщина наносимых пленок часто не превышает 0,005 мм, хромированные изделия становятся устойчивыми к внешним воздействиям (влаге, воздуху) и не ржавеют.
Для хрома характерны степени окисления +2, +3 и +6. Практически все соединения хрома окрашены. Соединения хрома в степени окисления +2 – очень сильные восстановители, в степени окисления +6 – сильнейшие окислители. Степени окисления +3 соответствует амфотерный оксид Cr2O3 и гидроксид Cr(OH)3 (оба – зеленого цвета). Это – наиболее устойчивая степень окисления
37
хрома. Соединения хрома в этой степени окисления (растворы) имеют цвет от серо-лилового до зеленого.
Определение хрома методом потенциометрического титрования применяют при анализе сплавов (черных и цветных), руд и прочих технически важных материалов.
Требуемую точность определения хрома нередко можно обеспечить даже при использовании потенциометрического некомпенсационного метода титрования.
Определение хрома основано на потенциометрическом титровании раствора бихромата калия раствором соли закисного железа (раствором соли Мора) в кислой среде в соответствии с уравнениями реакций:
Cr O2− + 6Fe2+ +14H+ |
2Cr3+ + 6Fe3+ + 7H |
2 |
O; |
(13) |
||||
2 |
7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Cr O2− +14H+ |
2Cr3+ + 7H |
2 |
O. |
|
|
(14) |
|
|
2 |
7 |
|
|
|
|
|
|
Стандартный потенциал Е0 системы Cr2O72–/Cr3+ равен +1,33 В, т.е. бихромат калия в кислой среде является сильным окислителем и поэтому восстанавливается многими веществами.
Фосфорная кислота связывает ионы Fe3+ в прочный комплекс [Fe(PO4)2]3–, уменьшая потенциал окислительно-восстановительной пары Fe3+/Fe2+. Увеличение разности потенциалов взаимодействующих окислительно-восстановительных пар Cr2O72–/Cr3+ и Fe3+/Fe2+ приводит к увеличению интервала скачка на кривой титрования, что
способствуют более полному протеканию реакции (13) в сторону образования Cr3+ и Fe3+.
Конец реакции восстановления бихромат-ионов до ионов Cr3+ раствором соли Мора соответствует наибольшему отклонению стрелки прибора.
3 Реагенты, растворы и аппаратура
В лабораторной работе используют:
-иономер универсальный ЭВ-74;
-индикаторный электрод, платиновый, марки ЭПВ-4;
-электрод сравнения, хлорсеребряный, марки ЭВЛ-1М3.1;
-магнитная мешалка для перемешивания раствора, марки ПЭ-6100;
38
-титрованный раствор соли Мора FeSO4(NH4)2 SO4 · 6H2O концентрации, установленной инженером лаборатории;
-смесь серной и фосфорной кислот (H2SO4 + H3PO4): к 800 см3
H2Oдист осторожно при перемешивании приливают 100 см3 H2SO4 конц
изатем 100 см3 H3PO4 конц;
-цилиндры мерные стеклянные лабораторные, вместимостью
не менее 10 см3;
-стаканы стеклянные лабораторные, вместимостью 100 см3;
-пипетки на 5 см3 и бюретки на 10 см3 не ниже 2-го класса точности.
4 Порядок включения иономера ЭВ-74
Для включения прибора выполнить следующие действия.
1Установить режим работы прибора: а) род работы – mV;
б) диапазон измерений 4–9.
2Включить прибор в сеть.
3Дать прибору прогреться в течение 15–20 мин.
5 Выполнение определения хрома в растворе
Полученный от преподавателя раствор бихромата калия K2Cr2O7 в мерной колбе объемом 100 см3 разбавляют до метки дистиллированной водой и тщательно перемешивают. Пипеткой, ополоснутой приготовленным раствором, отбирают аликвотную часть, равную 5 см3, переносят в стакан вместимостью 50 см3, добавляют 8–10 см3 смеси кислот (H2SO4 + H3PO4) и 20–25 см3 дистиллированной воды. В стакан помещают магнит для перемешивания раствора. Устанавливают стакан на магнитную мешалку.
Вподготовленный таким образом раствор погружают платиновый (индикаторный) и хлорсеребряный (электрод сравнения) электроды, присоединенные к соответствующим клеммам прибора.
Включают магнитную мешалку и титруют раствором соли Мора, наблюдая за отклонением стрелки прибора в процессе титрования.
Вначале титрования стрелка прибора может очень медленно перемещаться по шкале, незначительно отклоняясь от первоначального положения.
Резкое отклонение стрелки при прибавлении 1–2 капель раствора соли Мора указывает на момент эквивалентности.
39
Титрование заканчивают и записывают результат (объем раствора соли Мора, расходуемый на титрование) в лабораторный журнал.
Титрование следует проводить до получения не менее трех сходимых результатов, из которых берут среднее значение и используют для расчета содержания хрома.
Содержание хрома рассчитывают по формуле с учетом разбавления:
|
|
QCr = TFeSO4 /Cr VFeSO4 K, |
(15) |
где QCr – содержание хрома, г; |
|
||
T |
/Cr |
– титр раствора соли Мора по хрому, г/см3; |
|
FeSO4 |
|
|
|
VFeSO4 – объем раствора соли Мора, расходуемый на
титрование аликвотной части раствора бихромата калия, см3; K – фактор разбавления, равный Vобщ/Vал;
Vобщ – объем мерной колбы, в котором содержится анализируемый раствор, см3;
Vал – объем аликвотной части анализируемого раствора, см3.
Учитывая, что для определения хрома взяли аликвотную часть, равную 5 см3, а общий объем анализируемого раствора составляет 100 см3, содержание хрома рассчитывают по следующей формуле:
QCr = TFeSO4 /Cr VFeSO4 20. |
(16) |
Контрольные вопросы
1 |
Какие |
типы |
химических реакций используют |
при |
|
потенциометрическом титровании? |
|
|
|||
2 |
В |
каких |
координатных |
системах |
строят |
потенциометрические кривые титрования?
3 Какие индикаторные электроды используют в методе потенциометрического титрования? Приведите примеры.
4 Что означает «титр раствора соли Мора по хрому»?
5 Почему потенциометрический метод анализа широко используют при аналитическом контроле металлургического производства?
40