Учебная практика (бакалавры). Учебное пособие

и температуры). С увеличением температуры растворимость твердых веществ и жидкостей увеличивается, а газов ‒ падает.

Насыщенный раствор – неустойчивое состояние системы. При изменении хотя бы одного параметра (давления, температуры или концентрации) растворенное вещество выпадает в осадок.

Приблизительные растворы

Процентная концентрация по массе (Массовая доля) Wm

выражает число граммов растворенного вещества (mi) , содержащегося в 100 г раствора (% мас.):

Процентная концентрация по объему (Объемная доля) Wv

выражает число мл растворенного вещества (Vi), содержащегося в 100 мл раствора (% об.):

Точные растворы

Молярная концентрация (Молярность) – количество моль растворенного вещества в 1 дм 3 (литре) раствора ( 1моль/л=1М):

где n – количество растворенного вещества , моль; m – масса растворенного вещества , г; V – объем раствора; M – молярная масса вещества г/моль.

Растворы, для которых концентрация определяется через молярность, называют называют молярными растворами, в соответствии с системой СИ их условно обозначают буквой М или моль/дм3.

Моляльная концентрация (Моляльность) C М – количество

растворенного вещества , г; m – масса раствора; M – молярная масса вещества г/моль.

51

Нормальная концентрация (нормальность) – число грамм-

эквивалентов вещества, растворенного в 1 дм3 (литре) раствора

(1г-экв/л = 1Н):

где nЕ – количество грамм-эквивалентов растворенного вещества, грамм-экв.; m – масса растворенного вещества , г; V – объем раствора; Е – грамм-эквивалент.

Грамм-эквивалент – такое количество вещества в граммах,

где, e – количество электронов, участвующих в окислительновосстановительных реакциях.

При определении грамм-эквивалента вещества следует исходить из того, что он не является постоянной величиной, а изменяется в

зависимости от реакции взаимодействия с другим веществом.

Поэтому, для того чтобы определить грамм-эквивалент вещества, необходимо знать уравнение его реакции в данном конкретном анализе.

Если концентрация раствора выражается в г-экв/л, то раствор называют нормальным, в системе СИ он обозначается буквой Н.

Нормальные растворы реагируют один с другим в одинаковых объемах

Растворы точно известной концентрации называют

титрованными.

52

Титр – содержание вещества в граммах в 1 см3 (мл) раствора (г/см 3)

где N – нормальность раствора; E – грамм-эквивалент растворенного вещества.

5.2.1. Техника приготовления растоворов

Общие правила приготовления растворов:

1.Для приготовления растворов используют только химически чистые компоненты. Если в качестве растворителя используют воду, то берут дистиллят, для особо точных работ ‒ би- и тридистиллят.

2.Используют только чистую посуду. Если раствор действует на материал посуды, то ее нельзя применять.

3.Для приготовления точных растворов расчеты ведут с

максимальной точностью, округление производят до знака с

наименьшим количеством значащих цифр. Навеску вещества взвешивают на аналитических весах с точностью до 0,1 мг. Навеску вещества можно взять двумя способами (см. Взвешивание на аналитических весах). Если вещество берут по объему, то для этого используют градуированную бюретку. Погрешность измерения не должна превышать 1 %. Точные растворы готовят только в мерных

колбах.

4.Для приготовления приблизительных растворов навеску вещества взвешивают на техно-химических весах с точность 0,01 г. Объем жидкости отмеривают цилиндром. Раствор готовят в бутыли, на которой заранее нанесена отметка необходимого объема полученного раствора. Растворы кислот и щелочей готовят в фарфоровом стакане, так как их растворение в воде сопровождается выделением тепла.

5.Твердые вещества для приготовления растворов берут по массе, агрессивные жидкости ‒ по объему с учетом плотности.

6.Навеску вещества помещают в емкость для приготовления раствора. Если навеску берут первым способом (см. Взвешивание на аналитических весах), то вещество из бюкса необходимо удалить полностью. Для этого остатки вещества из бюкса (стаканчика, цилиндра) несколько раз смывают небольшими порциями растворителя в емкость для приготовления раствора.

53

7.В емкости для приготовления раствора навеску вещества растворяют в небольшом объеме растворителя. После того как

вещество полностью растворилось, доливают растворитель до нужного объема!

8.Для приготовления любого раствора необходимо применять две емкости: в одной раствор готовят, в другой его хранят. При

приготовлении раствора возможно выпадения осадка, поэтому приготовленный раствор в емкость для хранения переливают не до конца, аккуратно не взмучивая осадок, или отфильтровывают.

9.После приготовления раствора определяют его

концентрацию:

•по плотности – для приблизительных растворов;

•титрованием – для точных растворов.

10.Если концентрация полученного раствора не соответствует заданной раствор поправляют ‒ вводят дополнительно растворитель

ирастворенное вещество. В исправленном растворе необходимо еще раз определить концентрацию.

11.Хранят растворы в бутылях с плотно притертыми пробками. Для растворов, разлагающихся под действием света, используют бутыли из темного стекла или обертывают в черную бумагу. Растворы щелочей, трилона Б хранят в полиэтиленовых или запарафинированных стеклянных сосудах.

12.Бутыли, в которых хранят растворы, должны быть снабжены надписью, указывающей название раствора, его концентрацию, дату.

Растворение твердого вещества

1. Скорость растворения твердого вещества зависит от размера частиц, поэтому твердые негигроскопичные вещества перед растворением необходимо размельчить. Гигроскопичные вещества берут большими кусками, для предотвращения поглощения влаги взвешивание производят быстро на техно-химических весах, даже для точных расторов (после приготовления такой раствор поправляют).

2. Твердые вещества в емкость для приготовления раствора засыпают через сухую воронку. Гигроскопичные вещества (щелочи) растворяют небольшими порциями, осторожно перемешивая, чтобы не образовалась сцементированная, труднорастворимая масса.

54

3.Твердые щелочи для приготовления растворов берут щипцами, и при работе пользуются защитными очками. При расчете концентрации следует учитывать, что в твердой щелочи содержится от

2 ‒ 20 % влаги!

4.Если используются водные соли ‒ кристаллогидраты, то

при расчете необходимо учитывать массу кристаллизационной воды.

Растворение жидкостей

Для жидкостей возможны 3 случая:

•жидкости, не растворяющиеся друг в друге;

•жидкости ограниченно растворимые (например вода и эфир);

•жидкости неограниченно растворимые.

При приготовлении растворов жидкостей следует учитывать: Кислоты для приготовления растворов берут по объему с

учетом концентрации и плотности. Работу ведут под тягой, используя индивидуальные средства защиты. Серную кислоту приливают к

воде!

Объем полученного раствора никогда не будет равен сумме объемов двух жидкостей

Растворение газов

Почти все газы растворяются в воде или органических растворителях. Растворимость газов зависит от их парциального давления: чем выше парциальное давление, тем больше растворимость газов. Зависимость от температуры обратная: с повышением температуры растворимость газов падает.

Приготовление приблизительных растворов по «правилу креста»

В тех случаях, когда особая точность не требуется, для приготовления растворов требуемой концентрации (% мас.) можно использовать правило креста, т.е. метод смешивания двух растворов известной концентрации в определенных пропорциях. Требуемое значение концентрации пишут в месте пересечения двух линий, а значение концентрации заданных растворов ‒ у концов обеих линий слева. Затем из большего числа, проставленного на каждой линии,

55

вычитают меньшее, находящееся на той же линии, и разность записывают у правого конца линии (по стрелке). Полученные числа (справа) показывают сколько массовых частей каждого раствора следует взять, чтобы получить раствор требуемой концентрации.

Пример: Для получения 60 % раствора из 85 % и 40 % следует взять на 20 мас. частей 85 % раствора 25 мас. частей 40 % раствора (схема а).

При разбавлении раствора до требуемой концентрации (% мас) прибавлением растворителя поступают так же, как и в первом случае, только концентрацию растворителя выражают через 0.

Пример: Для того чтобы разбавить 35 % раствор водой до 25 %, на 25 мас. частей исходного раствора требуется 10 мас. частей воды (схема б).

Приготовление точных растворов из фиксаналов

Для быстрого приготовления титрованных растворов применяют специальные вещества фиксаналы. Фиксанал (стандартный титр) представляет собой запаянную стеклянную ампулу, содержащую точно определенное количество вещества в сухом виде или в виде раствора. Чаще всего в ампулах содержится такое количество вещества, которое необходимо для приготовления 1 дм3 0,1 н или 0,01 н раствора.

Обычно ампулы одного наименования упаковываются в картонную коробку по 10 шт. В каждую коробку вкладывается инструкция с описанием правил пользования.

Для приготовления заданного титрованного раствора из фиксанала ампулу (предварительно вымытую снаружи) разбивают над специальной или обычной воронкой, снабженной пробивным устройством, содержимое ее количественно переносят в мерную колбу и доводят объем водой до метки.

56

5.3. Титриметрический анализ

Определение концентрации растворенного вещества осуществляется титриметрическим анализом (титрованием).

В основе анализа лежит химическое взаимодействие (реакции обмена или окислительно-восстановительные реакции).

Для количественного анализа методом титриметрии могут быть использованы химические реакции, удовлетворяющие определенным требованиям:

•реакция должна быть практически необратимой;

•протекать с высокой скоростью;

•точка эквивалентности должна легко фиксироваться.

Копределенному объему раствора, концентрацию которого необходимо определить, постепенно добавляют раствор реагента известной концентрации до тех пор, пока взаимодействующие вещества не прореагируют полностью. Так как вещества реагируют между собой в эквивалентных количествах, момент окончания реакции называют точкой эквивалентности.

Постепенное добавление раствора известной концентрации (титранта) до достижения точки эквивалентности называется титрованием. По объему раствора (титранта), израсходованного на титрование, рассчитывают содержание анализируемого вещества:

где C1 , V1 – нормальная концентрация и объем титранта; C2, V2 – нормальная концентрация и объем анализируемого вещества.

Для определения точки эквивалентности применяют соединения, изменяющие внешний вид раствора: окраску, прозрачность, вызывающие образование осадка. Такие вещества называют индикаторами.

В зависимости от характера используемых реакций различают следующие методы титриметрического анализа:

Метод нейтрализации (кислотно-основное титрование) – в

основе метода лежит реакция между кислотой и щелочью: Н+ + ОН--= Н2О.

57

Момент эквивалентности характеризуется определенным значением рН раствора, соответствующим определенной концентрации ионов Н+ в растворе, и устанавливается с помощью

индикаторов или рН-индикаторов, меняющих окраску при изменении рН раствора. Такие индикаторы представляют собой органические соединения, обладающие кислыми и основными свойствами.

Интервал перехода окраски у различных индикаторов находится при разных концентрациях ионов водорода. Область значения рН раствора, в которой происходит заметное изменение окраски индикатора, называется областью перехода индикатора. Значение рН, при котором происходит наиболее резкое изменение окраски индикатора, называется показателем титрования.

Для каждого определения необходимо правильно выбрать индикатор, чтобы его показатель титрования был как можно ближе к рН точки эквивалентности

Индикаторы кислотно-основного титрования

Метод оксидиметрии основан на реакциях окисления и восстановления. Титрование ведется растворами окислителей и восстановителей. В зависимости от применяемого реактива различают:

перманганатометрию (окислитель перманганат калия) – реакцию окисления перманганатом калия;

58

иодометрию – реакцию окисления элементарным иодом и восстановление иодид-ионами:

I2 + 2e 2I-.

Элементарный иод образует с крахмалом абсорбционное соединение, окрашенное в синий цвет. При титровании иода раствором тиосульфата натрия синяя окраска исчезает:

2Na2S2O3 + I2 = 2NaI + Na2S4O6.

Метод осаждения основан на осаждении определенного иона в форме малорастворимого соединения. В зависимости от применяемых реагентов существует несколько методов осадительного титрования. Применение этих методов для количественного анализа возможно только в том случае, если выделяющиеся осадки практически нерастворимы, реакция протекает быстро и не сопровождается побочными явлениями осаждения. Принципиальное отличие титриметрического анализа методом осаждения от гравиметрического анализа состоит в том, что о количестве вещества судят по объему раствора, израсходованного на титрование, а образующийся осадок не анализируется.

Комплексонометрическое титрование основано на реакции комлексообразования катионов металла с комплексонами, т.е. связывания ионов металлов в малодиссоциированный комплекс. Индикаторы, применяемые в комлексонометрии, реагируют на изменение концентрации определяемых ионов металла.

Техника проведения титрования

1.В коническую колбу для титрования помещают точно измеренный с помощью пипетки объем анализируемого вещества.

2.Добавляют две-три капли индикатора.

3.Бюретку для титрования наполняют раствором титранта немного выше верхнего деления бюретки. Открывают кран, удаляют пузырьки воздуха. Затем доводят уровень раствора в бюретке до нулевой отметки.

4.Раствор из бюретки при титровании должен вытекать медленно. Не допускать разбрызгивания по стенкам колбы. В

59

процессе титрования необходимо постоянно перемешивать анализируемый раствор в конической колбе, покачивая колбу.

5.Приближаясь к конечной точке титрования перемешивание следует проводить после каждой добавленной капли следя при этом за изменением цвета индикатора.

6.При достижении точки эквивалентности необходимо записать объем титранта, пошедший на титрование, и продолжить титрование. В случае более интенсивного окрашивания жидкости, чем до прибаления последней капли титрованного раствора, титрование считают законченным. Если последняя капля не увеличивает интенсивность окраски, то продолжают титровать до резкого изменения цвета титруемого раствора.

7.Для четкого определения конца титрования рекомендуется применение раствора-свидетеля. Этот раствор должен иметь

примерно такой же объем и состав, что и анализируемый раствор в конце титрования. Количество индикатора должно быть также одинаковым. По сравнению окрасок титруемого раствора с растворомсвидетелем можно более точно определить конец титрования.

8. Титрование проводят несколько раз до достижения требуемого значения допустимого отклонения.

Титрометрия в анализе нефтепродуктов

Во всех нефтепродуктах содержится некоторое количество веществ, обладающих кислыми свойствами. Эти вещества могут быть разнообразными по характеру и содержаться в празличных количествах.

В составе нефти и нефтепродуктов содержатся алифатические и циклические карбоновые кислоты, фенолы и другие кислородсодержащие соединения кислотного характера. Все кислые вещества, выделяемые из нефти растворами щелочей, объединяют термином «нефтяные кислоты». Содержание нефтяных кислот в нефтях – от следов до 1% (по массе) и более. В наибольших количествах нефтяные кислоты содержатся в нефтях нафтенового типа, в наименьших – в высокопарафиновых.

Обычно с повышением температуры выкипания нефтяной фракции содержание кислот в ней увеличивается. Максимальное количество кислот содержится в средних фракциях. Нефтяные кислоты обладают большой коррозионной активностью, из-за чего

60