Методы и средства аналитического контроля материалов. Химические и физико-химические методы аналитического контроля. Лабораторный практикум

Лабораторная работа 3

Определение гидроксида натрия в растворе методом кислотно-основного титрования

1 Цель и задача работы

Освоение метода кислотно-основного титрования. Определение гидроксида натрия в растворе.

2 Теоретическое введение

Метод кислотно-основного титрования основан на реакции нейтрализации:

H+ + OH– = H2O.

Этим методом можно определять кислоты и щелочи, а также соли, растворы которых в результате гидролиза имеют щелочную или кислую реакцию.

Основными рабочими растворами являются растворы сильных кислот (обычно НС1 или H2SO4) и щелочей (обычно NaOH или KОН). Рабочий раствор точно известной концентрации называют титрантом (стандартным раствором). Процесс установления точной концентрации растворов титрантов называется стандартизацией растворов.

Различают приготовленные растворы титрантов, полученные путем растворения точной навески первичного стандарта вещества. Первичные стандарты веществ должны удовлетворять следующим требованиям:

-вступать в реакцию в строго эквивалентных количествах;

-иметь постоянные составы, соответствующие химической формуле;

-быть негигроскопичными;

-иметь большую молекулярную массу для уменьшения погрешности взвешивания;

-иметь высокую степень чистоты.

Поскольку немного химических соединений отвечают данным требованиям, часто в качестве титрантов используют растворы вторичных стандартов, точную концентрацию которых устанавливают путем титрования раствором первичного стандарта вещества.

31

Вметоде кислотно-основного титрования используют pH- индикаторы для фиксирования момента эквивалентности, когда вещества прореагируют в эквивалентных количествах.

Окраска pH-индикаторов зависит от рН раствора. В методе кислотно-основного титрования используют следующие pH-индикаторы: фенолфталеин, метиловый оранжевый (метилоранж), лакмус и др.

Воснове определения гидроксида натрия (NaOH) в растворе методом кислотно-основного титрования лежит реакция

NaOH + НС1 = NaCl + Н2O.

В данной лабораторной работе в качестве индикатора для установления момента эквивалентности в процессе титрования (момента окончания титрования) используют раствор рН-индикатора метиловый оранжевый.

3 Реагенты, растворы и посуда

В лабораторной работе используются следующие реагенты, растворы и посуда:

- стандартный раствор, раствор соляной кислоты НС1 точно известной концентрации (г-экв/л), установленной в процессе титрования приготовленным раствором первичного стандарта вещества ;

-индикатор метиловый оранжевый, 0,25 % раствор;

-вода дистиллированная;

-колбы конические стеклянные для титрования, вместимостью

100 см3;

-пипетка на 5 см3 и бюретка на 10 см3, стеклянные, не ниже 2- го класса точности.

4 Выполнение определения гидроксида натрия в растворе

Подготовка пробы к анализу

Полученную от преподавателя контрольную задачу – раствор гидроксида натрия NaOH в мерной колбе вместимостью 100 см3 – разбавляют до метки дистиллированной водой, закрывают пробкой и тщательно перемешивают.

_________

Первичным стандартом вещества в данном случае является натриевая соль борной кислоты Na2B4O7 10H2O (тетраборат натрия) или безводный карбонат натрия

Na2CO3 (сода).

32

Ополаскивают приготовленным раствором пипетку, которой отбирают аликвотную часть раствора (5 см3). Переносят аликвоту в коническую колбу для титрования (вместимостью 100 см3), касаясь кончиком пипетки стенки колбы. Вносят 1–2 капли индикатора метилового оранжевого. Перемешивают раствор в течение одной минуты. Цвет подготовленной к титрованию пробы анализируемого раствора гидроксида натрия – желтый (щелочная среда).

Подготовка бюретки к титрованию

Бюретку ополаскивают небольшим количеством раствора титранта – титрованным раствором соляной кислоты НС1. Заполняют бюретку титрантом до нулевой отметки, не допуская наличия пузырьков в носике бюретки.

Проведение титрования

К пробе анализируемого раствора гидроксида натрия из бюретки по каплям добавляют раствор титранта – соляную кислоту (при постоянном перемешивании раствора в колбе круговыми вращательными движениями) до тех пор, пока раствор не приобретет оранжевую окраску. В этот момент титрование прекращают. Считывают с бюретки значение объема титранта, пошедшего на титрование пробы раствора гидроксида натрия, и записывают результат титрования в лабораторный журнал. Если цвет титруемого раствора

розовый (кислая среда), то раствор считается перетитрованным

(излишнее добавление титранта) и титрование следует повторить. Титрование проводят минимум три раза (три параллельных

определения) до получения не менее трех сходимых результатов титрования (± 0,05 см3), из которых рассчитывают среднее арифметическое значение объема титранта (Vср) и используют его для расчета нормальности раствора гидроксида натрия (NNaOH).

Расчет количества (содержания) гидроксида натрия в растворе

Расчет нормальности раствора гидроксида натрия проводят по формуле

NNaOH = VHCl NHCl ,

VNaOH

33

где N NaOH – нормальность раствора NaOH, г-экв/л;

V HCl = Vср – средний объем титранта пошедшего на титрование, см3;

NHCl – нормальность титрованного раствора HCl (титранта),

г-экв/л;

VNaOH – объем аликвотной части анализируемого раствора

NaOH, VNaOH = 5 см3.

Расчет содержания гидроксида натрия в анализируемом растворе проводят по формуле

q = NNaOH ЭNaOHVобщ ,

1000

где q – содержание NaOH в анализируемом растворе, г; ЭNaOH – эквивалент NaOH, г, ЭNaOH = 40 г;

Vобщ – общий объем анализируемого раствора, см3, Vобщ =

= 100 см3.

Контрольные вопросы

1 С какой целью проводят в титриметрии стандартизацию растворов?

2 Какие требования в титриметрии предъявляются к первичным стандартам, из которых получают приготовленные (стандартизованные) растворы?

3 Почему соляная кислота не отвечает требованиям, предъявляемым к первичным стандартам веществ?

4На чем основано действие кислотно-основных индикаторов?

5Как выбирают индикатор для установления момента эквивалентности в титриметрии?

6Какие характеристики имеют кислотно-основные индикаторы?

34

Лабораторная работа 4

Определение жесткости воды методом комплексонометрического титрования

1 Цель и задача работы

Освоение метода комплексонометрического титрования. Определение жесткости образцов воды.

2 Теоретическое введение

Природная вода, содержащая свободный диоксид углерода, обладает повышенной растворяющей способностью по отношению к некоторым минералам и поэтому содержит ионы металлов.

Наличие растворенных солей кальция и магния обусловливает свойство воды, определяемое понятием «жесткость». Жесткость воды для производственных и бытовых целей строго регламентирована. Поэтому определение жесткости имеет большое практическое значение как для технической, так как для питьевой воды.

Жесткость воды зависит от присутствия в ней растворимых солей кальция и магния. По способу устранения можно выделить устранимую (или карбонатную) и постоянную жесткость. Карбонатная жесткость обусловлена присутствием в растворе гидрокарбонатов кальция Ca(HCO3)2 и магния Mg(HCO3)2.

Если воду с указанными солями кипятить, то они разлагаются с образованием осадка средних солей и жесткость устраняется, например, в соответствии со следующей реакцией:

Ca(HCO3)2 = CaCO3↓+ H2O + CO2.

Постоянная жесткость обусловлена присутствием в воде других растворимых солей кальция и магния (обычно сульфатов). В отличие от карбонатной жесткости постоянная жесткость при кипячении не устраняется.

Согласно ГОСТ 31865–2012. Вода. Единица жесткости

единицей жесткости воды является градус жесткости (°Ж), который соответствует концентрации щелочноземельного элемента, численно равной 1/2 его моля, выраженной в мг/дм3 (г/м3). Один градус жесткости соответствует 1 мг-экв/л (1 °Ж = 1 мг-экв/л).

35

Определение жесткости воды комплексонометрическим методом проводят титрованием анализируемой пробы рабочим раствором комплексона III (трилона Б) в присутствии металлоиндикатора эриохром черный Т (ЭХЧ-Т) в щелочной среде, создаваемой аммонийной буферной смесью, в соответствии с ГОСТ 31954–2012.

Вода питьевая. Методы определения жесткости.

Метод основан на образовании комплексных соединений трилона Б с ионами щелочноземельных элементов.

ЭХЧ-Т образует с ионами кальция Сa2+ и ионами магния Mg2+ в присутствии аммонийной буферной смеси растворимые комплексные соединения винно-красного цвета. Эти комплексы менее устойчивы,

При титровании анализируемых проб раствором трилона Б комплексные соединения ионов Сa2+ и Mg2+ с индикатором ЭХЧ-Т разрушаются, анионы индикатора переходят в раствор, образуются более устойчивые бесцветные комплексы этих ионов металлов с трилоном Б. Раствор приобретает окраску свободных анионов металлоиндикатора.

В точке эквивалентности винно-красная окраска раствора анализируемой пробы изменяется на синюю из-за накопления в растворе анионов индикатора ЭХЧ-Т.

3 Реагенты, растворы и посуда

В лабораторной работе используются следующие реагенты, растворы и посуда:

-комплексон III (трилон Б), стандартный раствор;

-аммонийная буферная смесь (NH4OH + NH4Cl), раствор;

-смесь индикатора: эриохром черный Т (ЭХЧ-Т), металлоиндикатор, порошок, смешанный с порошком NaCl в соотношении 1:1;

-вода дистиллированная;

-колбы конические стеклянные для титрования, вместимостью

100 см3;

-мерный цилиндр на 10 см3.

-пипетка на 25 см3 (пипетка Мора) и бюретка на 10 см3, стеклянные, не ниже 2-го класса.

36

4 Выполнение определения жесткости воды (Ж)

Подготовка пробы к анализу

Ополаскивают исследуемой водой пипетку Мора, которой отбирают от образца воды аликвотную часть, равную 25 см3. Переносят аликвоту в коническую колбу для титрования, касаясь кончиком пипетки стенки колбы. Добавляют 5 см3 аммонийной буферной смеси, используя мерный цилиндр. Затем вносят стеклянной лопаточкой небольшое количество смеси индикатора (~ 20–30 мг). Перемешивают раствор до полного растворения этой индикаторной смеси. Цвет подготовленной к титрованию пробы воды – красный.

Подготовка бюретки к титрованию

Бюретку ополаскивают небольшим количеством раствора титранта – титрованным раствором трилона Б. Заполняют бюретку титрантом до нулевой отметки, не допуская наличия пузырьков в носике бюретки.

Проведение титрования

К пробе воды в колбе для титрования из бюретки по каплям добавляют раствор титранта (трилон Б) при постоянном перемешивании раствора в колбе круговыми вращательными движениями до тех пор, пока раствор не приобретет сине-голубую окраску. В этот момент титрование прекращают. Считывают с бюретки значение объема титранта, пошедшего на титрование анализируемой пробы воды, и записывают результат титрования в лабораторный журнал.

Титрование проводят минимум три раза (три параллельных определения) до получения не менее трех сходимых результатов титрования (±0,05 см3), из которых рассчитывают среднее арифметическое значение объема титранта (Vср) и используют его для расчета жесткости воды (Ж).

Расчет жесткости воды

Расчет жесткости анализируемой воды проводят по формуле

37

где Ж – жесткость воды, °Ж;

Vср – средний объем титранта – трилона Б, пошедшего на титрование 25 см3 исследуемого образца воды, см3;

N – нормальность титрованного раствора трилона Б, г-экв/л;

Va – объем аликвотной части исследуемой воды, см3, Va =

= 25 см3.

Контрольные вопросы

1Что называют жесткостью воды?

2Присутствием каких солей обусловлена карбонатная жесткость воды?

3В каких единицах выражается жесткость воды?

4Каким методом определяют жесткость воды?

5На чем основан метод комплексонометрического титрования?

6В какой среде проводится определение жесткости воды?

7Что такое комплексоны?

8Чем отличается рН-индикатор от рМ-индикатора?

9Какие требования предъявляют к металлоиндикаторам?

10Что считается окончанием титрования при определении жесткости воды?

38

Лабораторная работа 5

Определение ванадия в растворе его соли методом феррометрического титрования

1 Цель и задача работы

Освоение метода феррометрического титрования. Определение ванадия методом феррометрического титрования.

2 Теоретическое введение

Метод феррометрического титрования основан на реакциях восстановления окислителей солями железа (II). При этом ион Fe2+, теряя один электрон, окисляется до иона Fe3+:

В качестве рабочего раствора (титранта) используют раствор соли Мора (NH4)2 · Fe(SO4)2 · 6H2O, эквивалент (Э) которой равен молекулярной массе (М):

Э(NH4 )2 Fe(SO4 )2 6H2O = М(NH4 )2 Fe(SO4 )2 6H2O = 392,14 г.

Титрованный раствор соли Мора нельзя приготовить путем растворения ее точной навески, потому что соль Мора не отвечает требованиям стандартного (исходного) вещества. Поэтому точную концентрацию раствора соли Мора чаще всего определяют по раствору первичного стандарта вещества.

Сначала готовят раствор соли Мора приблизительной концентрации (~0,01 н) путем растворения ее точной навески в дистиллированной воде, подкисленной серной кислотой для предотвращения гидролиза ионов железа (II), и оставляют на 12–14 дней.

Затем проводят стандартизацию приготовленного раствора соли Мора. Точную концентрацию раствора соли Мора можно установить и по стандартному веществу – бихромату калия K2Cr2O7, и по титрованному раствору перманганата калия KMnO4:

39

6Fe2+ + Cr2O72–+ 14Н+ → 6Fe3+ + 2Cr3+ + 7Н2O;

5Fe2+ + MnО4– + 8Н+ → 5Fe3+ + Mn2+ + 4Н2O.

В растворе соль Мора постепенно окисляется кислородом воздуха, поэтому ее концентрацию проверяют непосредственно перед титрованием.

Определение феррометрическим методом проводят в присутствии

окислительно-восстановительных индикаторов, так как визуальное безиндикаторное титрование солями железа (II) невозможно.

Определение ванадия феррометрическим методом основано на восстановлении ванадат-ионов (VO3–) раствором соли Мора в диванадил-ионов (V2O24+) в процессе титрования:

2VO3– + 2Fe2+ + 8Н+ ↔ V2O24+ + 2Fe3+ + 4Н2O.

Эквивалент ванадия равен его атомной массе: ЭV = АV = 50,94 г. Стандартный потенциал системы «ванадат–диванадил»

( Е0VO 3 /V2O24+ = + 1,00 В) определяется полуреакцией

2VO3–+ 2ē +8Н+ ↔ V2O24+ + 4Н2O .

Участие в реакции ионов Н+ свидетельствует о том, что окислительная способность ванадат–иона усиливается с увеличением кислотности среды: в растворе H2SO4 высокой концентрации (8 М) потенциал системы достигает значения +1,30 В.

Способность фосфорной кислоты связывать ионы Fe3+ в прочный комплекс [Fe(PO4)2]3– используется для уменьшения потенциала пары Fe3+/Fe2+, тем самым увеличивается разность потенциалов взаимодействующих пар. Это способствует более полному протеканию реакции титрования (2VO3– + 2Fe2+ + 8Н+ ↔ ↔ V2O24++ 2Fe3+ + 4Н2O) слева направо. Поэтому определение ванадия проводят в присутствии смеси серной и фосфорной кислот.

Использование смеси кислот (H2SO4 и H3PO4) приводит к увеличению скачка на кривой титрования и обеспечивает попадание в интервал скачка области перехода окраски индикатора – фенилантраниловой кислоты (1,02–1,14 В).

В точке эквивалентности окраска титруемого раствора резко переходит из малиново-красной в зеленую.

3 Реагенты, растворы и посуда

В лабораторной работе используются следующие реагенты, растворы и посуда:

40