Аналитическая химия качественный и количественный анализ. Учебное пособие

пробирки разделите на две части. Испытайте растворение осадка ВаSO4

вразбавленных соляной и азотной кислотах. Растворяется ли осадок

вданных кислотах?

Опыт 4. Обнаружение нитрат-иона NO3 .

Нитрат-ион NO3 – анион сильной одноосновной азотной кислоты HNO3 , в водных растворах бесцветен.

Все нитраты металлов хорошо растворимы в воде.

Реакция с сульфатом железа(II) и концентрированной серной кислотой. Нитрат-ион при нагревании с FeSO4 в среде концентриро-

ванной H2SO4 восстанавливается до оксида азота(II) NО, который с избытком FeSO4 образует комплексное соединение сульфата нитрозилжелеза(II) [Fe(NО)]SO4 бурого цвета

FeSO4 + Н2SO4 + NаNО3 Fe2 (SO4 )3 + NO + H2O + Na2SO4 ,

FeSO4(избыток) + NО = [Fe(NО)]SO4(т) .

Методика выполнения. На сухую поверхность предметного стекла поместите каплю раствора соли NаNО3 и внесите в нее кристаллик

FeSO4 , а затем прибавьте каплю концентрированной серной кислоты.

Около кристалла образуется бурое или буро-коричневое пятно.

В отчете для реакции cоставьте ионно-электронные уравнения, укажите окислитель и восстановитель, расставьте коэффициенты.

Опыт 5. Идентификация неизвестных ионов в растворе.

5.1. Предварительные испытания. Отметьте цвет и запах рас-

твора. По запаху можно обнаружить летучие вещества, например NH3, СН3СООН.

По окраске раствора можно сделать предварительное заключение о наличии или отсутствии некоторых ионов. Так, зеленый цвет раствора

указывает на присутствие ионов Cr3+ или Ni2+ , зеленоватый – Fe2+ , желтый – Fe3+ , голубой – Сu2+ , розовый – Со2+ .

21

Если в растворе присутствует несколько окрашенных ионов, то по окраске нельзя установить присутствие конкретного иона.

5.2.Определение рН раствора. Значение рН раствора определяют

спомощью универсальной индикаторной бумаги. Нейтральная среда (рН = 7) указывает, что в растворе отсутствуют соли, подвергающиеся гидролизу, или присутствуют соли слабых кислот и слабых оснований,

подобных NН4СН3СОО. Кислая среда (рН 7) указывает, что в рас-

творе могут присутствовать кислоты, кислые соли или соли сильных кислот и слабых оснований, подвергающиеся гидролизу; если среда ще-

лочная (рН 7), то в растворе могут присутствовать соли сильных оснований и слабых кислот, подвергающиеся гидролизу.

5.3. Действиегрупповыхреагентов. ПослеопределениярНраствора проводят испытание на действие групповых реагентов. Для этого в от-

дельные пробирки с исследуемым раствором добавляют НСl, Н2SO4 , NаОН, NН4ОН. По цвету выпавшего осадка и способности его раство-

ряться в избытке реактива делают предположение о возможном присут-

ствии в растворе катионов соответствующих аналитических групп.

Например, если при добавлении к исследуемому раствору НСl (группового реагента II аналитической группы) осадок не образуется, можно сделатьвывод, что«раствор-задача» несодержиткатионовэтойгруппы.

После установления присутствующих в растворе катионов проводят обнаружениеанионованалитическихгруппдействиемсоответствующих групповых реагентов.

5.4. Открытие катионов и анионов дробными реакциями.

Определив, к каким аналитическим группам принадлежат ионы, проведите в отдельных пробах качественные реакции на предполагаемые катионы и анионы.

В отчёте для опытов 1–4:

1)напишите уравнения реакций обнаружения ионов в молекулярном и ионно-молекулярном виде;

2)отметьте качественный признак реакции;

3)укажите номер аналитической группы аниона и групповой реа-

гент.

22

КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ

Основной задачей количественного химического анализа является определение точного содержания отдельных химических элементов и их соединений в исследуемом веществе (образце или пробе), а также определение количественных соотношений компонентов (атомов, молекул, изотопов, функциональных групп и т. п.) в анализируемом образце. Различают химические и инструментальные (физические и физико-химические) методы анализа. Инструментальные методы анализа основаны на использовании зависимости между измеряемыми физическими свойствами веществ и их качественным и количественным составом.

К классическим химическим методам количественного анализа относятся:

–гравиметрия – гравиметрический анализ, основанный на точном измерении массы определяемого вещества;

–титриметрия – объёмный анализ, основанный на точном измерении объёма раствора реагента, израсходованного на реакцию с анализируемым веществом (частный случай, газовый объёмный анализ основан на точном измерении объёма анализируемых газообразных продуктов).

2. ГРАВИМЕТРИЧЕСКИЙ (ВЕСОВОЙ) АНАЛИЗ

Гравиметрия (от лат. gravis – тяжелый и греч. metreo – измеряю) – метод количественного анализа основан на измерении массы (гравиметрическая форма) определяемого компонента, выделенного из анализируемойпробылибовсвободномсостоянии, либоввидесоединения известного состава. Аналитическим сигналом в гравиметрии является масса вещества стехиометрического состава.

Гравиметрический метод основан на законах постоянства состава, сохранения массы вещества при химических превращениях и законе эквивалентов. В основе гравиметрического метода анализа

23

лежат различные химические реакции – обмена, замещения, разложения, комплексообразования.

Основное достоинство данного метода − высокая точность результатов определений, отсутствие стандартизаций или градуировок по стандартным образцам, необходимых почти в любом другом методе анализа. Недостатки гравиметрического метода – это длительность (от нескольких часов до нескольких суток), трудоемкость (необходимость выполнения многих операций), низкая чувствительность (трудно определять малые количества вещества).

Вгравиметрическом анализе используют методы отгонки (прямой

икосвенной), выделения, термогравиметрии, электрогравиметрии, осаждения. Методы отгонки могут быть прямые и косвенные. В методе прямой отгонки определяемый компонент выделяют из пробы в виде газообразного продукта, улавливают и затем определяют его массу. В методах косвенной отгонки массу газообразного продукта определяют по разности масс анализируемого компонента до и после термической обработки. Методы выделения основаны на выделении определяемого вещества в твердую фазу в элементарном виде. Термогравиметрический анализ основан на изменении массы вещества в процессе нагревания, что позволяет судить о происходящих превращениях и установить состав образующихся промежуточных продуктов. Электрогравиметрический анализ основан на электролитическом выделении металлов и взвешивании полученного на электроде осадка. Основным условием электpoлитичecкoгo разделения металлов является определенное напряжение, при котором осаждаются одни и не выделяются другие металлы.

Ваналитической практике наиболее широкое применение находит гравиметрическийметодосаждения– определяемыйкомпонентвыделяют в осадок в виде очень мало растворимого соединения (осаждаемая форма), произведение которого не превышает 10–8–10–10 . Осадок отделяют, промывают, высушивают, прокаливают (принеобходимости)

ивзвешивают. По найденной массе прокаленного осадка вычисляют содержание определяемого компонента.

Требования к осаждаемой форме:

– малая растворимость (растворимость не превышает 10–5 моль/л;

– постоянно химического состава;

24

–структура осадка должна отвечать условиям фильтрования и позволятьотмывкуосадковсдостаточнойскоростью(желательнополучать крупнокристаллические осадки);

–минимальная склонность к загрязнению (не увлекать посторонние примеси из раствора);

–осаждаемая форма должна легко переходить в весовую форму

ибыть химически инертна.

Требования к весовой форме: химическая устойчивость и точное соответствие ее состава химической формуле.

Условия осаждения:

–выбор осадителя: желательно, чтобы осадитель был специфичным (осаждал только данный ион) и летучим веществом (если какая-то часть осадителя останется не отмытой из осадка, то тогда она легко удалится при прокаливании);

–количество осадителя: для более полного осаждения осадителя требуется в 1,5 раза больше, чем вычислено по уравнению реакции;

–влияние температуры: осаждение проводят, как правило, из горячих растворов;

–кислотность раствора: полнота осаждения осадков зависит от величины рН раствора.

Работа № 4. Определение массовой доли

кристаллизационной воды в кристаллогидрате хлорида бария

Цель работы: освоение методики определения кристаллизационной водыгравиметрическимметодомнапримерекристаллогидратахлорида бария.

Сущность метода. Кристаллизационная вода в кристаллогидратах определяется методом отгонки. Температура удаления воды для разных кристаллогидратов различается и зависит от прочности связи, координации и положения молекул в кристаллической решетке. Определение массовой доли кристаллизационной воды в BaCl2∙2H2O прово- дятпритемпературе120-125 ºС, таккакприболее высокойтемпературе BaCl2 разлагается, а при более низкой – будет не полностью удалена

25

кристаллизационная вода. Содержание кристаллизационной воды в веществе находят по разнице масс до и после высушивания кристаллогидрата хлорида бария.

Оборудование и реактивы: сушильный шкаф, технические весы, аналитические весы, тигельные щипцы, эксикатор, стеклянный бюкс,

реактив BaCl2∙2H2O.

Методика выполнения. В сушильный шкаф, предварительно прогретый до 120-125 ºС, поместите на 20…30 минут чистый сухой бюкс с крышкой. По истечении этого времени тигельными щипцами перенесите бюкс с крышкой в эксикатор, охладите в течение 20 минут и взвесьте на аналитических весах. При высушивании и охлаждении бюкс должен быть открыт, а при взвешивании закрыт крышкой!

Повторите проведенные операции при тех же условиях. Вновь охладите бюкс с крышкой в эксикаторе и взвесьте. Если масса бюкса изменяется не более чем на 0,0002 г, высушивание считается законченным.

Поместите бюкс на чашу аналитических весов и аккуратно внесите

внего около 1,5 г BaCl2∙2H2O. Закройте бюкс крышкой и взвесьте. Затем поместите открытый бюкс и крышку в сушильный шкаф на два часа при температуре 120-125 ºС. После чего охладите бюкс с крышкой

вэксикаторе и взвесьте. Повторите высушивание при тех же условиях в течение 30 минут, снова охладите и взвесьте. Данные операции повто-

ряйте до получения постоянной массы бюкса с BaCl2 (± 0,0002 г). Результаты всех взвешиваний запишите в таблицу.

Вотчёте:

1) приведите результаты взвешиваний:

Масса объекта в граммах

Масса бюкса после первого высушивания

Масса бюкса после второго высушивания

Окончательная масса бюкса

Масса бюкса с навеской BaCl2∙2H2O

Масса навески BaCl2∙2H2O

Масса бюкса с навеской после первого высушивания

Масса бюкса с навеской после второго высушивания

26

Окончание таблицы

Масса бюкса с навеской после третьего высушивания

(при необходимости)

Окончательная масса бюкса с BaCl2

Масса BaCl2

Масса кристаллизационной воды

2) рассчитайте массу и массовую долю (в %) кристаллизационной воды в BaCl2∙2H2O.

МассуимассовуюдолюкристаллизационнойводывBaCl2∙2H2O вычисляют по формулам:

Работа № 5. Определение массовой доли бария

в кристаллогидрате хлорида бария

Цельработы: определениемассовойдолибариявкристаллогидрате хлорида бария методом осаждения.

Выполнение анализа гравиметрическим методом осаждения складывается из следующих операций: расчет навески и взятие ее на аналитических весах; растворение навески; осаждение искомого компонента (иона); отделение осадка от маточного раствора и отмывание его от адсорбционных примесей; высушивание и прокаливание осадка; взвешивание осадка; расчет содержания искомого компонента (иона).

Сущностьметода. Гравиметрическоеопределениебарияврастворе методомосажденияоснованонаосажденииионовВа2+ сульфат-ионами. В качестве осадителя используют серную кислоту. При осаждении протекает реакция

27

Оборудованиеиреактивы: муфельнаяпечь, аналитическиевесы, тигельные щипцы, эксикатор, мерные цилиндры ёмкостью 10 и 50 мл, химические стаканы ёмкостью 100 и 250 мл, воронка, стеклянная палочка, фарфоровый тигель, фильтр «синяя лента»;

реактивы: BaCl2∙2H2O, 2 н. H2SO4, 2 М HCl.

Методика выполнения.

1) Приготовление анализируемого раствора

Рассчитайте навеску кристаллогидрата хлорида бария BaCl2∙2H2O, учитывая, что оптимальная масса осадка BaSO4 равна 0,5 г. Взвесьте на аналитических весах навеску, близкую к расчётной, и количественно перенесите в химический стакан ёмкостью 250 мл. Добавьте в стакан 100 мл дистиллированной воды и 3 мл 2 М HCl.

Анализируемый раствор и раствор осадителя нагрейте на плитке, не допуская кипения. Затем медленно при постоянном перемешивании стеклянной палочкой, не касаясь стенок и дна стакана, приливайте по каплям раствор осадителя в анализируемый раствор. Осаждение из горячего раствора и постепенное охлаждение на бане способствует образованию более крупных кристаллов. Палочку из раствора не выни-

майте до конца анализа!

Небольшую порцию раствора осадителя оставьте для последующей проверки полноты осаждения Ba2+.

Стакан с осадком поставьте на водяную баню (Т = 80-90 ºС) и дайте смеси отстояться. Когда раствор над осадком станет прозрачным, сделайте пробу на полноту осаждения, для чего по стенке стакана прилейте несколько капель оставленного ранее раствора осадителя. Катионы бария считаются полностью осажденными, если не происходит помутнение раствора над осадком. В противном случае проведите доосаждение по описанной ранее схеме.

4) Фильтрование и промывание осадка

Для отделения осадка от раствора используйте плотный беззольный фильтр «синяя лента». Беззольные фильтры сгорают почти полностью –

28

масса золы составляет 0,00003–0,00007 г и, обычно, ею пренебрегают. Фильтр вставьте в воронку и смочите дистиллированной водой.

Прозрачную жидкость небольшими порциями декантируйте с осадка на фильтр по стеклянной палочке, направляя ее в центр во-

ронки. (После каждой порции палочку погружайте в стакан!).

Осадок не взмучивать и не переносить.

Не перенося осадок на фильтр, промойте его в стакане горячей дистиллированной водой декантацией порциями по 15-20 мл. Затем небольшими порциями воды количественно перенести осадок на фильтр.

Примечание: при необходимости, следы осадка со стеклянной палочки и внутренних стенок стакана многократно смойте малыми порциями горячей воды и перенесите их на фильтр. Внутренние стенки стакана и стеклянную палочкуоботритенебольшимкусочкомфильтровальнойбумагиипоместитеэтот кусочек в воронку с осадком.

При промывании контролируйте полноту отмывания хлорид-ионов действиемрастворанитратасеребранасвежуюпорциюфильтрата. Промывание следует закончить, когда свежая порция фильтрата перестанет давать муть хлорида серебра.

5) Прокаливание тигля до постоянной массы

Чистый сухой фарфоровый тигель прокалите в муфельной печи при температуре 800 ºС в течение 30 мин. Перенесите тигель тигельными щипцами в эксикатор, охладите до комнатной температуры и взвесьте на аналитических весах. Повторите прокаливание в течение 30 мин, затем охладите тигель в эксикаторе и снова взвесьте. Если результат второго взвешивания отличается от первого не более чем на 0,0002 г, можно считать, что постоянная масса достигнута. В противном случае прокаливание и взвешивание повторите еще раз. Результаты взвешиваний запишите в таблицу.

6) Высушивание и прокаливание осадка

Сверните фильтр с осадком, поместите в фарфоровый тигель, прокаленный до постоянной массы, и поставьте в холодную муфельную печь. При открытой дверце нагревайте муфельную печь до 400-500 ºС. После обугливания фильтра и прекращения выделения дыма, закройте дверцу муфельной печи, доведите температуру до 800 °С и прокалите осадоквтечениечаса. Поистеченииэтоговременитигельнымищипцами перенесите тигель в эксикатор, охладите до комнатной температуры

29

и взвесьте на аналитических весах. Результаты взвешивания занесите втаблицу. Прокаливаниеосадка, охлаждениеивзвешиваниеповторяйте до тех пор, пока расхождение между последним и предыдущим взвешиваниями не будет превышать 0,0002 г.

В отчёте:

1)напишите уравнение реакции взаимодействия хлорида бария

исерной кислоты в молекулярной и ионно-молекулярной форме;

2)приведите результаты взвешиваний:

Масса объекта в граммах

Масса хлорида бария, BaCl2∙2H2O

Масса пустого тигля после первого прокаливания

Масса пустого тигля после второго прокаливания

Масса пустого тигля после третьего прокаливания

Масса пустого тигля окончательная

Масса тигля с осадком после первого прокаливания

Масса тигля с осадком после второго прокаливания

Масса тигля с осадком после третьего прокаливания

Масса тигля с осадком окончательная

Масса осадка сульфата бария, BaSO4

3) рассчитайте массу и массовую долю (в %) бария в BaCl2∙2H2O. Массу и массовую долю бария в хлориде бария вычисляют по фор-

мулам:

где F – гравиметрический фактор; МBa – молярная масса бария, г/моль; M BaSO4 – молярная масса сульфата бария, г/моль.

30