Общая и аналитическая химия. Лабораторный практикум

Образец в растворе

Предварительные наблюдения и испытания

(цвет, окрашивание пламени, выделение газа под действием к-т и щелочей)

+BaCl2

1) Обнаружение «бариевой» группы анионов

(SO42-, CO32-, PO43-, CrO42-, Cr2O72-, C2O42-)

+AgNO3+HNO3

2) Обнаружение «серебряной» группы анионов

(Cl-, Br-, I-)

3) Обнаружение «растворимой» группы анионов

(NO3-, CH3COO-)

Рис. 2.3. Схема определения анионов

81

Лабораторная работа № II.3

КИСЛОТНО-ОСНОВНОЕ ТИТРОВАНИЕ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ РАСТВОРАМИ КИСЛОТЫ И ОСНОВАНИЯ

Большинство химических реакций, которые применяют в количественном анализе с использованием как химических, так и физико-химических методов анализа, протекают в растворах (в подавляющем большинстве водных). Важнейшим среди них по технике выполнения является титриметрический метод или, как его нередко называют, титриметрия.

Этот метод анализа основан на измерении объема раствора специального химического реагента с точно известной концен- трацией (титранта), пошедшего на реакцию с определенным объемом раствора, содержащего анализируемое вещество (титранда). Процесс дозированного введения раствора титран- та к раствору титранда называется титрованием.

По идее процесс титрования должен проводиться до дости- жения точки эквивалентности, в которой число молей экви- валента титранта равно числу молей эквивалента титранда (за- кон эквивалентных соотношений). Этот закон выражается фор- мулой

82

количество эквивалента титранта, моль.

Точку эквивалентности в процессе титрования можно опре- делить одним из следующих способов:

По изменению окраски растворов в случае использования окрашенных веществ (титранта или титранда). Например, в пер- мангонатометрии ее достижение регистрируется по появлению розовой окраски титруемого раствора за счет избытка титранта (KMnO4). Такой способ установления точки эквивалентности называется безиндикаторным.

С использованием специальных веществ – индикаторов, резко реагирующих на изменение концентрации определяемого вещества или титранта вблизи точки эквивалентности и изме- няющих в связи с этим свою окраску.

С применением физико-химических методов исследова- ния, позволяющих регистрировать тот или иной количествен- ный параметр аналитической системы, меняющийся в процессе титрования (равновесный электродный потенциал, оптическая плотность и т.п.).

Наиболее часто используемым приемом определения точки эквивалентности при титровании является второй из перечис- ленных выше.

Момент, когда индикатор меняет свою окраску (и соответ- ственно заканчивается титрование), называется конечной точ- кой титрования. Она должна быть как можно ближе к точке эквивалентности. Если же объемы титранта, соответствующие каждой из этих двух точек, заметно различаются друг от друга, имеет место систематическая погрешность, иногда называемая

83

индикаторной погрешностью.

Существует ряд разновидностей титрования, основываю- щихся на различных типах химических процессов. Наиболее простым из них является кислотно-основное титрование в

водном растворе, основанное на взаимодействии ионов гидро- ксония и ионов гидроксида в соответствии с общей схемой:

В качестве титранта здесь могут быть использованы раство- ры как сильных кислот (НСl, НClO4 и др.), так и сильных осно- ваний (NaOH, KOH и т.д.). Соответственно, в первом случае титрандом является основание, во втором – кислота; эти вариан- ты титрования имеют названия ацидиметрия и алкалиметрия соответственно. Оба этих метода являются методами прямого титрования. С их помощью определяют содержание раствори- мых в воде сильных и слабых кислот и оснований, в том числе солей, образованных сильными и слабыми кислотами, напри- мер, Na2СО3, NaНСО3 и др.

Цель работы: приобретение навыков титрования и опре- деление содержания гидроксида натрия в растворе с использо- ванием ацидиметрии.

Оборудование и реактивы

1.Бюретка объемом 25 мл – 1 шт.

2.Колбы конические объемом 250 мл – 3 шт.

3.0,1 M водный раствор хлороводородной кислоты.

4.Водный раствор едкого натра с концентрацией 0.1 М.

5.Водный раствор кислотно-основного индикатора – мети- лового оранжевого.

84

Методика выполнения работы

Выполнение данной работы в методологическом отношении сводится к постепенному прибавлению из бюретки (по каплям) раствора хлороводородной кислоты к раствору едкого натра в эквивалентном количестве в соответствии с уравнением:

NaOH + НСl → NaCl + Н2O. (3.3)

Точка эквивалентности здесь фиксируется с помощью како- го-либо из кислотно-основных индикаторов, изменяющих окра- ску в области скачка титрования (рН от 4 до 10). Наиболее часто на практике используют раствор метилового оранжевого, кото- рый изменяет свою окраску с желтой на розово-красную при пе- реходе из щелочной среды в кислую. Заканчивают титрование, когда раствор титранда с указанным индикатором приобретет оранжевую окраску.

II.3.1. Ацидиметрическое титрование

Промойте бюретку дистиллированной водой и дважды – раствором титранта (раствором хлороводородной кислоты), по- сле чего заполните ее титрантом (включая и стеклянный нако- нечник), не допуская появления в нем пузырьков воздуха.

Установите уровень жидкости в бюретке по нижней границе мениска на нулевом делении шкалы.

В три чистые конические колбы для титрования, предвари- тельно ополоснутые дистиллированной водой, налейте из бю- ретки соответственно 10; 12 и 14 мл раствора NaOH с неизвест- ной концентрацией. После этого добавьте в каждую из этих колб по 2-3 капли раствора метилового оранжевого и титруйте рас- твором 0,1 М НСl до момента перехода окраски из желтой в оранжевую. Внимание! До окончания титрования колбу из-

85

под бюретки не убирайте!). Для каждого из этих объемов тит- ранда должно быть проведено не менее чем три титрования.

Измерьте объем 0,1 М раствора хлороводородной кислоты, пошедший на титрование каждого из указанных выше объемов раствора гидроксида натрия и занесите эти данные в табл. 3.1.

Для каждого из указанных выше объемов титранда рассчи- тайте соотношения между объемом раствора хлороводородной кислоты, пошедшего на титрование, и объемом титранда (значе- ния величины соотношения не должны отличаться друг от друга более чем на 0,03). Из трех полученных для каждого из объемов соотношений V(HCl)/V(NaOH) рассчитайте среднее арифмети- ческое значение и также занесите его в табл. 3.1.

Таблица 3.1. Результаты титрования

Рассчитайте молярную концентрацию раствора гидроксида натрия в растворе, используя для этого формулу

86

Лабораторная работа № II.4

КИСЛОТНО-ОСНОВНОЕ ТИТРОВАНИЕ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ СЛАБЫХ КИСЛОТ

Как уже указывалось в работе II.3, в качестве титранта в рамках кислотно-основного титрования могут быть использова- ны как сильные кислоты (ацидиметрия), так и сильные основа- ния (алкалиметрия). В этой предыдущей работе использовался вариант ацидиметрии. Более часто, однако, в практике исполь- зуется второй возможный вариант кислотно-основного титрова- ния – алкалиметрия, который применяется для определения со- держания в растворе различных слабых кислот – как неоргани- ческих, так и органических.

Выполнению данной работы должна предшествовать оценка возможности количественного определения данной слабой ки-

слоты посредством алкалиметрии. Это осуществляется путем сопоставления значения константы кислотной диссоциации сла- бой кислоты рКа с величиной рКw. На основании теоретических соображений принято считать, что количественное определение слабой кислоты алкалиметрическим методом возможно, если имеет место соотношение:

то есть рКа ≥ 7. В том случае, если кислота многопротонная, оценивают также возможность ступенчатого титрования, кото- рое практически может быть осуществлено, если между величи-

87

нами констант ступенчатой диссоциации по первой (Ка1) и по второй (Ка2) ступеням существует взаимосвязь, описываемая не- равенством

При титровании одноосновной слабой кислоты сильным основанием для pH в точке эквивалентности имеет место выра- жение

Если же кислота двухосновная, имеют место две точки эк- вивалентности, соответствующие образованию амфолита HA- и основания A2- соответственно; значения pH в них рассчитыва- ются по формулам

Цель работы: оценка возможности титрования слабой ки- слоты и (в случае наличия таковой) определение ее содержания в водном растворе методом алкалиметрии.

Оборудование и реактивы

1.Бюретка объемом 25 мл – 1 шт.

2.Колба мерная объемом 200–250 мл – 1 шт.

3.Пипетка емкостью 20–25 мл – 1 шт.

4.Колбы конические объемом 250 мл – 3 шт.

5.Нагревательные приборы (горелки, электроплитки).

6.Титрованный 0,1 М раствор гидроксида натрия.

7.Водный раствор кислотно-основного индикатора (фенол- фталеина).

Методика выполнения работы

Как и в работе II.3, для определения слабой кислоты ис- пользуется метод прямого титрования, в рамках которого посте-

88

пенно прибавляют из бюретки (по каплям) раствор титранта (гидроксида натрия) к раствору титранда (слабой кислоты) в близком к эквивалентному количестве в соответствии с общим уравнением:

II.4.1. Алкалиметрическое титрование

В мерную колбу объемом VК = 200 мл или 250 мл получите у преподавателя определенное (первоначально неизвестное вам) количество раствора слабой (щавелевой) кислоты (H2C2O4). До- ведите этот раствор дистиллированной водой до соответствую- щей метки на колбе и тщательно перемешайте.

Промойте бюретку дистиллированной водой и дважды рас- твором титранта (гидроксида натрия), после чего заполните ее титрантом (включая и стеклянный наконечник), не допуская по- явления в нем пузырьков воздуха.

Отберите в колбу для титрования пипеткой 20 или 25 мл аликвоту получившегося в результате предшествующего раз- бавления раствора щавелевой кислоты (Va) и добавьте в нее 2-3 капли индикатора (фенолфталеина). Оттитруйте ее стандартизо- ванным раствором гидроксида натрия до появления неисчезаю- щей бледно-розовой окраски индикатора.

С целью предотвращения оттитровывания определяемой ва- ми щавелевой кислоты совместно с угольной кислотой, обра- зующейся в растворе в результате растворения углекислого газа, вблизи точки эквивалентности нагрейте раствор в колбе при-

89

мерно до 80° С и в горячем состоянии дотитруйте его тем же раствором NaOH в присутствии фенолфталеина до розовой ок- раски, устойчивой в течение 20 с. Зафиксируйте суммарный объем раствора гидроксида натрия, пошедшего на титрование анализируемого раствора кислоты на обеих стадиях V(NaOH) (подобное двухстадийное титрование следует провести 3-5 раз).

Запишите протекающее в процессе титрования уравнение химической реакции, рассчитайте молярную массу эквивалента щавелевой кислоты и вычислите ее количество в анализируемом растворе в граммах с использованием формулы

кислоты [г/моль], C(NaOH) – концентрация гидроксида натрия в растворе титранта [моль/л]. Внесите полученные вами экспери- ментальные данные в таблицу 4.1.

Таблица 4.1. Экспериментальные данные

Зная концентрацию раствора щавелевой кислоты, получен- ного вами от преподавателя, определите, исходя из найденной вами величины mср(H2C2O4), его объем Vср. в мл по формуле: