Химия воды. Методические указания

Министерство образования и науки Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

Факультет инженерной экологии и городского хозяйства

Кафедра водопользования и экологии

ХИМИЯ ВОДЫ

Методические указания

Санкт-Петербург

2016

1

Классическим определением эквивалента является следующая формулировка: эквивалентом вещества называется его масса, вступающая в реакцию с одной атомной единицей массы водорода или с восьмью атомными единицами массы кислорода.

Способы расчетов эквивалентов простых и сложных веществ

1.Эквивалент простого вещества, а. е. м., равен атомной массе, деленной на валентность:

Э= AB .

2.Эквиваленты сложных веществ:

1) эквивалент кислоты равен молекулярной массе (М) кислоты, деленной на число ионов водорода (на основность).

Например, эквивалент фосфорной кислоты Н3РО4

Э = М(Н3РО4 ) = 98 = 32,7 а. е. м. 3 3

2) эквивалент основания равен молекулярной массе (М) основания, деленной на число гидроксильных групп (на валентность металла, образующего основание).

Например, эквивалент гидроокиси кальция Са(ОН)2

Э = М(Ca(OH)2 ) = 74 = 37 а. е. м. 2 2

3) эквивалент соли равен молекулярной массе (М) соли, деленной на произведение заряда иона и число его ионов в молекуле соли (заряд иона металла и число ионов металла).

Например, эквивалент Fe2(SO4)3

3. Эквивалент иона равен массе (m) иона, деленной на модуль заряда иона.

Например, эквивалент Са2+

Э = зарядmиона = 402 = 20,0 а. е. м.

4

Грамм-эквивалентом вещества называется масса вещества, выраженная в граммах, численно равная массе его эквивалента.

Миллиграмм-эквивалентом вещества называется масса вещества, выраженная в миллиграммах, численно равная массе его эквивалента.

Число грамм-эквивалентов (миллиграмм-эквивалентов), содержащихся в массе вещества, г-экв (мг-экв),

ni = mi ,

Эi

где ni – число грамм-эквивалентов (миллиграмм-эквивалентов) i-го вещества; mi – масса i-го вещества, г (мг); Эi – масса граммэквивалента (миллиграмм-эквивалента) i-го вещества.

Вторая формулировка закона эквивалентов

Числа эквивалентов (грамм-эквивалентов или миллиграммэквивалентов) вещества, вступающих в реакцию, равны:

n1 = n2 ,

где n1 – число эквивалентов одного вещества; n2 – число эквивалентов второго вещества.

Третья формулировка закона эквивалентов

Концентрация, которая показывает число грамм-эквивалентов растворенного вещества, содержащихся в 1 л раствора, называется нормальной, или нормальностью раствора.

Нормальность раствора численно равна количеству милли- грамм-эквивалентов, содержащихся в 1 мл этого раствора.

Количество грамм-эквивалентов (миллиграмм-эквивалентов), содержащихся в некотором объеме,

ni = нi Vi ,

где ni – число грамм-эквивалентов (миллиграмм-эквивалентов), содержащихся в объеме Vi; нi – нормальность раствора; Vi – объем раствора, л (мл).

5

Число грамм-эквивалентов растворенных веществ, вступающих в реакцию, равно:

н1 V1 = н2 V2 ,

где н1 – нормальность первого раствора, г-экв/л; V1 – объем первого раствора, л (мл); н2 – нормальность второго раствора, г-экв/л; V2 – объем второго раствора, л (мл).

Сущность объемного анализа – экспериментально определить объемы растворов, вступающих в реакцию; если нормальность одного из них известна, тогда можно рассчитать нормальность другого раствора.

н1 = н2V1V2 .

Следовательно, для применения объемного анализа необходимо предварительно приготовить раствор заданной или известной концентрации.

6

нконц = mHCl ,

ЭHCl

где нконц – нормальность раствора НСl, г-экв/л; mНСI – масса НСl, г/л; ЭНСl – эквивалент растворенного вещества НСl, г-экв/л.

5. Рассчитать объем исходной концентрированной кислоты, необходимый для приготовления заданного разбавленного раствора.

Рассчитывается объем исходной концентрированной кислоты по закону эквивалентов:

нразб Vразб = нконц Vконц,

где нразб – нормальность заданного разбавленного раствора НСl, г-экв/л; Vразб – заданный объем разбавленного раствора, мл; нконц – нормальность концентрированной исходной кислоты НСl, г-экв/л; Vконц – объем концентрированной кислоты, мл, который нужно взять для приготовления заданного разбавленного раствора.

Рассчитанный объем концентрированной кислоты отмерьте мерным цилиндром, перелейте в мерную колбу, доведите до метки дистиллированной водой и тщательно перемешайте.

1.2. Определение нормальности приготовленного раствора НСl

Концентрацию приготовленного раствора кислоты определяют объемным методом.

Процесс непрерывно контролируемого постепенного смешения измеренного объема исследуемого раствора с эквивалентным количеством реагента известной концентрации (стандартным раствором) называют титрованием.

Наступающий в процессе титрования момент, когда количество стандартного раствора эквивалентно количеству определяемого раствора, называют точкой эквивалентности. Определяют точку эквивалентности в реакциях с помощью индикаторов.

Объемные методы анализа подразделяются, в зависимости от типа химической реакции, которая происходит при титровании, на следующие методы:

•нейтрализации;

•комплексонометрический;

8

•оксидиметрический;

•осаждения.

Реакция взаимодействия кислоты и основания называется реакцией нейтрализации, при этом происходит изменение рН. Методом нейтрализации называют метод объемного анализа, при котором анализируемое вещество вступает в реакцию нейтрализации. Метод нейтрализации предназначен для определения концентраций кислот, оснований и гидролизующих солей.

Точку эквивалентности в реакциях нейтрализации определяют

спомощью кислотно-основных индикаторов, изменяющих окраску

взависимости от рН раствора.

Для точного измерения объемов растворов в объемном анализе применяют бюретки и пипетки.

Бюретка представляет собой трубку, в нижнем конце которой имеется кран или резиновая трубочка с зажимом. Бюретка градуирована наобъемысверхувниз от0 до25 или50 млсделениями 0,1 мл, она укрепляется вертикально в лапке штатива.

Пипетка представляет собой трубку с расширением в средней части. Выше расширения на трубке нанесена метка, соответствующая объему раствора, вытекающему из пипетки. Объем анализируемого раствора, взятый пипеткой, называется аликвотной частью.

Ход выполнения работы

1.Наполнить бюретку приготовленным раствором кислоты до нулевого деления. Нижний кончик бюретки тоже должен быть заполнен этим раствором, в нем не должно быть пузырьков воздуха. Наполняют бюретку раствором выше нулевого деления, затем открывают зажим и медленно сливают избыток раствора до нулевого деления.

Отсчет уровня жидкости в бюретке делается по нижнему мениску. Во время отсчета глаз наблюдателя должен быть на высоте уровня жидкости.

2.Измерить пипеткой определенный (в зависимости от емкости пипетки) объем раствора карбоната натрия (в нашем случае –

10 мл).

Опустить нижний конец пипетки в раствор карбоната натрия

иотсасывать воздух из верхнего конца пипетки. Когда раствор

9

поднимется в пипетке выше метки, зажать верхний конец пипетки пальцем, а затем, слегка ослабляя нажим, постепенно сливать понемногу раствор из пипетки, до тех пор пока уровень ее (нижний мениск) не совпадет с меткой, после чего вновь крепко зажать верхний конец пальцем.

3.Пипетку с набранным объемом жидкости нужно перенести

иопустить нижний ее конец в коническую колбу, приготовленную для титрования, затем открыть верхний конец, и тогда жидкость выльется из пипетки в колбу для титрования. В нижнем конце пипетки останется капля жидкости, так как вода смачивает стекло

ипипетка отградуирована на вытекание жидкости из пипетки под действием атмосферного давления (самопроизвольно).

4.Добавить в колбу для титрования индикатор – две-три капли раствора метилового оранжевого. При этом раствор окрашивается в желтый цвет.

5.Провести титрование, т. е. точно определить, какой объем раствора кислоты эквивалентен взятому объему раствора карбоната натрия, по переходу окраски индикатора в точке эквивалентности из желтой в оранжевую.

Первое титрование является ориентировочным, с допустимой погрешностью 0,1–1 мл.

В колбу с карбонатом натрия и раствором индикатора приливать из бюретки кислоту порциями, всякий раз перемешивать раствор в колбе. Приливать раствор кислоты до перехода окраски раствора в колбе из желтой в оранжевую.

Раствор из колбы вылить, вымыть колбу и вновь повторить титрование (не менее трех раз).

Объемы раствора кислоты, израсходованные на каждое титрование раствора карбоната натрия, не должны отличаться друг от друга больше чем на 0,2 мл. При резком расхождении результатов титрование повторяют и результаты параллельных определений, отклоняющиеся более чем на 0,2 мл, отбрасывают.

6.Полученные результаты записать в табл. 1.

7.Вычислить среднее арифметическое объемов кислоты, израсходованных на титрование. Нормальность раствора кислоты н1 вычисляют по закону эквивалентов:

н1 = н2 V2 ,

Vср

10