Химические методы анализа. Учебно-методическое пособие

3. Стандартизация раствора HCl

Стандартизацию титранта HCl проводят по первичному стандарту — безводному Na2CO3 методом пипетирования. Основное уравнение титрования

Na2CO3 + HCl → H2CO3 + NaCl.

Способ титрования — прямой.

В колбу для титрования отбирают пипеткой аликвоту 10,0 см3 раствора первичного стандарта, добавляют 20–30 см3 дистиллированной H2O и 2–3 капли индикатора метилового оранжевого. Поочередно проводят титрование трех параллелей раствором HCl до цвета чайной розы.

Результаты титрования принимаются, если расхождение между измеренными по бюретке объемами титранта не превышает 0,2 см3. Результаты титрования заносят в таблицу (табл. 3.1).

1

2

3

Концентрацию титранта HCl рассчитывают по формуле

4. Титрование анализируемого раствора

Методика определения карбоната натрия в анализируемой пробе идентична методике стандартизации титранта, но вместо раствора первичного стандарта в три колбы для титрования отбирают

61

аликвоты анализируемого раствора с неизвестным содержанием Na2CO3. Результаты титрования заносят в таблицу (табл. 3.2).

Массу карбоната натрия в растворе пробы рассчитывают по формуле

mNa2CO3 = CHCl · VHCl · M1/z Na2CO3 · 10–3 · VVêîë .

ïèï

5. Статистическая обработка результатов анализа

Проводят в соответствии с главой 4 данного пособия (с. 122–127).

В выводе по работе коротко описывают ход выполнения анализа, приводят результат (m(Na2CO3) = mср + Δ, г), СКО оценки определяемой величины (SX),̅относительную систематическую ошибку (δ, %) и дают заключение о качестве выполненной работы.

Лабораторная работа 9

Определение содержания уксусной кислоты в растворе методом алкалиметрии

Цель работы: практическое освоение метода кислотно-основ- ного титрования на примере титрования слабой кислоты.

Сущность метода определения. Метод основан на кислот-

но-основном взаимодействии уксусной кислоты со щелочью NaOH. Окончание титрования фиксируют по изменению окраски

62

индикатора фенолфталеина. Кривая титрования слабой кислоты сильным основанием имеет вид, представленный на рис. 2.

Рис. 2. Вид кривой титрования уксусной кислоты раствором гидроксида натрия

рН титруемого раствора (раствора CH3COOH):

рН = ½ pKa – ½ lg Cк-ты;

рН раствора до ТЭ (кислотного буфера):

рН = pKa – lg (Cк-ты/Cсоли);

рН раствора в ТЭ (раствора CH3COONa):

рН = 7 + ½ рKа + ½ lg Cсоли;

рН раствора после ТЭ (раствора NaOH):

рН = 14 – lg Cосн.

Объект анализа: раствор, содержащий 2–3 г/дм3 CH3COOH. Используемое оборудование описано на с. 56–57 данного по-

собия.

63

Реактивы

•Натрия гидроксид, раствор NaOH концентрации 2,5 моль/дм3 (вторичный стандарт).

•Кислота янтарная H2C4H4O4 (первичный стандарт).

•Индикатор фенолфталеин, 0,1 %-й водно-спиртовый раствор. рТ = 9,1; рН = 8–9,6; переход окраски — от бесцветной к пурпурной.

•Вода дистиллированная.

Ход выполнения работы

1. Приготовление раствора NaOH

Рабочий раствор NaOH примерной концентрации 0,1 моль/дм3 готовят из раствора NaOH примерной концентрации 2,5 моль/дм3 путем разбавления дистиллированной водой, не содержащей СО2.

2. Приготовление раствора первичного стандарта H2C4H4O4

Первичным стандартом в данной работе является слабая двухосновная янтарная кислота (H2C4H4O4), взаимодействующая с титрантом по уравнению

H2C4H4O4 + NaOH → Na2C4H4O4 + H2O.

В молекуле янтарной кислоты замещаются два иона Н+, так как ступенчатые константы кислотности отличаются менее чем на три порядка (рKа1 = 4,21, рKа2 = 5,63). Фактор эквивалентности равен 1/2.

Для одноразового титрования масса одной навески (г) янтарной кислоты определяется из выражения

mнав = СNaOH · VNaOH · М1/z H2C4H4O4 · 10–3,

исходя из условия, что объем раствора NaOH, расходуемый на титрование этой навески, будет составлять 10–15 см3.

3. Стандартизация раствора NaOH

Стандартизацию титранта проводят по янтарной кислоте методом отдельных навесок.

В колбы для титрования помещают навески первичного стандарта, добавляют по 20–30 см3 дистиллированной H2O и по 3–4 капли

64

индикатора фенолфталеина. Поочередно проводят титрование трех параллелей раствором NaOH до пурпурного цвета.

Результаты титрований заносят в таблицу (табл. 3.3).

1

2

3

Молярную концентрацию эквивалента NaOH рассчитывают по формуле

4. Титрование анализируемого раствора

Уравнение взаимодействия уксусной кислоты с титрантом

CH3COOH + NaOH → CH3COONa + H2O.

Способ титрования − прямой.

В колбу для титрования отбирают пипеткой аликвоту 20,0 см3 раствора пробы с неизвестным содержанием уксусной кислоты, добавляют по 20–30 см3 дистиллированной H2O и по 3–4 капли индикатора фенолфталеина. Поочередно проводят титрование трех параллелей раствором NaOH до пурпурного цвета. Результаты титрований заносят в таблицу (табл. 3.4).

65

Массу уксусной кислоты (г) в растворе пробы рассчитывают по уравнению

Статистическуюобработкурезультатовпроводят в соответ-

ствии с главой 4 данного пособия (с. 122–127).

В выводе по работе коротко описывают ход выполнения анализа, приводят результат (m(СН3СООН) = mср + Δ, г), СКО оценки определяемой величины (SX),̅ относительную систематическую ошибку (δ, %) и дают заключение о качестве выполненной работы.

Лабораторная работа 10 Определение состава щелочной смеси

Цель работы: практическое освоение метода КОТ на примере определения двух компонентов (карбоната и гидрокарбоната натрия или карбоната и гидроксида натрия) при их совместном присутствии.

Сущность метода определения. Как уже было показано в ла-

бораторной работе 8 (с. 58–59), на кривой титрования карбоната натрия кислотой наблюдаются два отчетливых скачка титрования, первая ТЭ при рН = 8,34 соответствует титрованию карбонат-ионов до гидрокарбонат-ионов, вторая ТЭ при рН = 4,0–4,5 соответствует титрованию гидрокарбонат-ионов до угольной кислоты. Ступенчатые константы кислотности угольной кислоты равны соответственно 4,5 ∙ 10–7 и 4,8 ∙ 10–11, следовательно, ступенчатые константы основности карбонат-иона равны соответственно 2,1 ∙ 10–4 и 2,2 ∙ 10–8. Ступенчатые константы отличаются на четыре порядка. Поэтому карбонат натрия можно титровать как по первой (индикатор фенолфталеин, переход окраски от пурпурной к бесцветной), так и по второй ступени (индикатор метиловый оранжевый, переход окраски от желтой до цвета чайной розы). При вычислении массы карбоната следует правильно учитывать фактор эквивалентности при титровании с разными индикаторами.

66

Если титровать смесь карбоната и гидрокарбоната натрия кислотой, то на кривой титрования вторая ступень будет больше первой, так как на втором участке титруются гидрокарбонат-ионы, образованные при титровании по первой ступени и присутствующие изначально в растворе.

I ступень Na2CO3 + HCl → NaHCO3 + NaCl

II ступень весь NaHCO3 + HCl → H2CO3 + NaCl

При титровании с фенолфталеином (V1) можно определить содержание карбоната (m, г) по формуле

mNa2CO3 = CHCl · V1 HCl · MNa2CO3 · 10–3 · VVêîë ,

ïèï

а при последовательном титровании с двумя индикаторами — содержание гидрокарбоната (m, г) по формуле

Аналогично можно проводить титрование смеси карбоната натрия и NaOH кислотой. На кривой титрования при этом больше будет первая ступень, так как на первом участке титруются карбонат-ионы до гидрокарбонат-ионов и сильный электролит NaOH. По второй ступени титруются только гидрокарбонат-ионы до угольной кислоты.

I ступень Na2CO3 + HCl → NaHCO3 + NaCl, NaОН + HCl → NaCl + Н2О

II ступень NaHCO3 + HCl → H2CO3 + NaCl

При последовательном титровании с двумя индикаторами также можно определить содержание (m, г и ω, %) обоих компонентов по формулам

mNa2CO3 = CHCl · (V2 HCl – V1 HCl) · MNa2CO3 · 10–3 · VVêîë ,

ïèï

mNaOH = CHCl · (2V1 HCl – V2 HCl) · MNaOH · 10–3 · Vêîë ,

Vïèï

67

Объект анализа: сухой препарат, содержащий смесь веществ

(Na2CO3 + NaOH) или (Na2CO3 + NaHCO3).

Используемое оборудование описано на с. 56–57 данного пособия.

Реактивы

•Кислота хлороводородная, раствор HCl (разб. 1 : 1) (вторичный стандарт).

•Натрия карбонат, кристаллический безводный Na2CO3 (первичный стандарт).

•Индикаторы: метиловый оранжевый, 1 %-й водный раствор; фенолфталеин, 0,1 %-й водно-спиртовый раствор.

•Вода дистиллированная.

Ход выполнения работы

1.Приготовление раствора титранта HCl, раствора первичного стандарта Na2CO3 и стандартизация титранта описаны

влабораторной работе 8 (с. 60–61).

2.Титрование раствора (препарата) смеси (Na2CO3 + NaOH)

или (Na2CO3 + NaHCO3)

Раствор (препарат) смеси разбавляют водой в мерной колбе до метки и хорошо перемешивают. В колбу для титрования отбирают пипеткой аликвоту 10,0 см3 раствора пробы, добавляют 20–30 см3 воды и 2–3 капли индикатора фенолфталеина. Проводят титрование стандартизованным раствором HCl до перехода окраски от пур-

пурной до бесцветной. Фиксируют первый объем титранта (V1). Добавляют в титруемый раствор 2–3 капли индикатора метилового оранжевого и, не доливая раствор титранта в бюретке до нулевого значения, продолжают титрование до перехода окраски раствора от желтой до цвета чайной розы. Фиксируют второй объем титранта

(V2). Поочередно проводят титрование трех параллелей. Результаты титрований заносят в таблицу (табл. 3.5).

68

Таблица 3.5

Результаты титрования пробы

Массовые доли определяемых компонентов рассчитывают по формулам, приведенным в данной лабораторной работе для соответствующей смеси (с. 68).

3. Статистическая обработка результатов анализа

Проводят в соответствии с главой 4 данного пособия (с. 122–127).

В выводе по работе коротко описывают ход выполнения анализа, приводят результаты по определению двух компонентов (ω = ωср + Δ, %), СКО оценки определяемой величины (SX̅), относительную систематическую ошибку (δ, %) и дают заключение

окачестве выполненной работы.

3.2.ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЕ ТИТРОВАНИЕ

Методы окислительно-восстановительного титрования (ОВТ) основаны на применении окислительно-восстановительных (О-В) реакций, сопровождающихся переходом электронов от восстановителя к окислителю и образованием сопряженных редокс-пар. Для протекания О-В реакции в растворе необходимо наличие одновременно и акцептора, и донора электронов, т. е. окислителя, способного принимать электроны, и восстановителя, способного их отдавать.

Эти два одновременно идущих процесса можно выразить через две соответствующие полуреакции сопряженных редокс-пар:

69

где Аox и Ared — окисленная и восстановленная формы окислителя А; Вox и Bred — окисленная и восстановленная формы восстановителя В; n1 и n2 — число электронов, участвующих в полуреакциях.

Схема суммарной реакции:

n2 Aox + n1 Bred ↔ n2 Ared + n1 Box.

Степень или мера О-В взаимодействия окисленных и восстановленных форм присутствующих в растворе сопряженных редокс-пар определяется разностью их электрохимических потенциалов. Потенциалы полуреакций определяются уравнением Нернста

где aox и ared — активные концентрации окисленной и восстановленной форм вещества (моль/дм3) соответственно.

Для окислителя и восстановителя в идеальной системе при 25 °С уравнения приобретают вид

где [Aox], [Ared], [Box] и [Bred] — равновесные концентрации окисленной и восстановленной форм окислителя и восстановителя

(моль/ дм3) соответственно.

Процесс О-В титрования сопровождается изменением О-В потенциала системы. Особенно резкое изменение потенциала наблюдается вблизи ТЭ, что, собственно, и позволяет ее определить.

В методах ОВТ применяют О-В индикаторы, реагирующие на изменение электродного потенциала системы, и специфические индикаторы, вступающие в химическую реакцию с одним из участников титрования.

70