Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы аналитической химии. Химические методы анализа. Учебное пособие
.pdf
20. Установите соответствие между номером аналитической группы
катионов и появляющимся в ходе реакции с групповым реактивом
аналитическим сигналом:
Номер
аналит.
Аналитический сигнал
группы
катионов
1. а) [Al(OН)6]3-, [Cr(OН)6]3-, [Zn(OН)4]2-
2. б) отсутствие аналитического сигнала при
действии группового реагента
3.
4.
5.
в) BaSO
↓
, SrSO
4
г) AgCl↓, Hg2Cl
д) Fe(OH)
↓
, Fe(OH)
2
↓
4
↓
2
, PbCl
, CaSO
↓
, Mn(OH)
3
↓
4
↓
2
↓
, Mg(OH)
2
↓
2
6. е) [Cu(NH3)4]2+, [Ni(NH3)4]2+
21. В основе определения анионов второй аналитической группы
лежит реакция:
2-
а) SO
б) 2Ag+ + СO
в) NO
+ Ba
4
-
+ Ag+ = AgNO3 ;
3
2+
= ↓BaSO4;
2-
= ↓Ag2CO3;
3
г) Cl- + Ag+ =↓ AgCl .
22. Установите соответствие между определяемым ионом и реактивом
для селективной реакции его идентификации:
Ион Реактив
1. SO
2. C2O
3. NO
4. Cr2O
2-
а) KMnO4 + H2SO4 при to
4
2-
б) H2O2+H2SO4 в спиртово-эфирной среде
4
-
в) BaCl2+ HCl при to
3
2-
г) Cu
7
+ H2SO
мет.
или FeSO4 + H2SO
4 конц.
4 конц.
23. На раствор, который может содержать анионы трех групп,
подействовали раствором перманганата калия в присутствии
серной кислоты, при этом не наблюдалось обесцвечивания
окраски перманганата калия даже при нагревании. Вывод: в
растворе отсутствуют анионы: _______________.
61
24.. Определению иона Са2+ при действии насыщенного раствора
известковой воды могут мешать ионы_______.
25. Установите соответствие осадка гидроксида и его цвета:
Гидроксид Окраска осадка
1. Cr(ОН)3 а) грязно-белый
2. Mn(ОН)2 б) зеленый
3. Fe(ОН)2 в) голубой
4. Fe(ОН)3 г) белый
5. Ni(ОН)2 д) бурый
6. Zn(ОН)2 е) серо-зеленый
7. Cu(ОН)2 ж) цвет незрелого яблока
30. Путем логических построений определите, какая соль описана в
задании (ответ напишите в виде брутто-формулы).
а) Соль ярко оранжевого цвета хорошо растворяется в воде.
При действии на водный раствор соли хлорида бария выпадает
желтый осадок, растворимый в соляной кислоте. Воздействие
пероксида водорода на раствор соли в присутствии
концентрированной серной кислоты и диэтилового эфира (спиртоэфирной смеси) приводит к образованию соединения,
окрашивающему органический слой в синий цвет. При действии
гидрофосфата натрия на водный раствор соли изменений не
наблюдается, как и при добавлении гексанитрокобальтата натрия. При
внесении соли в пламя горелки происходит окрашивание его в желтый
цвет.
б) Кристаллическая соль бледно-розового цвета хорошо
растворяется в воде. При действии нитрата серебра на водный раствор
соли выпадает белый творожистый осадок, который не растворяется в
азотной кислоте, но растворяется в избытке раствора аммиака. При
действии на исходный раствор соли соляной и серной кислот видимых
изменений не происходит, а раствор едкого натра выделяет грязно
белый осадок, который со временем темнеет и не растворяется в
избытке NaOH. Исходный раствор соли реагирует с висмутатом
натрия в присутствии азотной кислоты с образованием исчезающего
малинового окрашивания.
62
3 КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
3.1 Введение в количественный химический анализ
Химическими методами анализа называются методы, в
которых аналитический сигнал возникает в результате протекания
химической реакции:
Х + R → Р, (3.1)
где Х - определяемый компонент, R – реагент, Р - продукты реакции.
Количественный анализ дает информацию о количественном
содержании всех или отдельных компонентов (а также их
соотношениях) в составе анализируемого объекта.
3.1.1 Основные термины и определения
Количество – в
элементарных объектов. Элементарный объект – это реальный (макро-
) объект (стол, стул) или условно выделенный (микро-) объект
(молекула, эквивалент, ион, протон и т.д.). Макрообъекты нетрудно
посчитать, в то время как микрообъекты пересчитать невозможно.
Единицей количества вещества является моль. Обозначают эту
величину n(Х), где Х – химическая формула элементарного объекта.
На практике достаточно часто используют и дольную единицу –
миллимоль (ммоль), равную 1·10-3 моль.
Моль - количество вещества, содержащее столько частиц,
сколько их содержится в 0,012 кг изотопа 12С. Один моль любого
вещества содержит 6,022·1023 частиц (NА, число Авогадро).
Моль удобен для выражения количества микрообъектов в
макрообъектах.
Пример:
Сколько частиц содержится в 1·10-6 моль протонов?
Количество вещества - n(H+) = 1·10-6 моль. Каждый моль
вещества содержит NА = 6,022·1023 частиц, т.е. число протонов,
которые содержатся в 1·10-6 моль, составит:
N = NА·n(H+)= 6,022·1023 · 1·10-6 = 6,022·1017 (частиц).
Масса единицы количества вещества (1 моля) называется
молярной массой, обозначается через М(X), об
размерность - г/моль или мг/ммоль и численно равна относительной
молекулярной массе.
еличина, пропорциональная числу
ычно имеет
63
Молярная масса определяется как отношение массы вещества
z
z
1
2
m(X) к его количеству n(X):
)(
)(
XМ = . (3.2)
Формула (3.2) позволяет вычислить количество вещества, если
известна его масса, и наоборот: рассчитать массу, если известно
количество вещества.
В основе проведения всех количественных расчетов лежит
принцип (закон) эквивалентности или эквивалентных
соотношений, в соответствии с которым химические элементы и их
соединения реагируют друг с другом в строго определенных массовых
соотношениях в соответствии с их эквивалентами.
В системе СИ под эквивалентом понимают некую реальную
или условную частицу, которая может присоединять, высвобождать
или быть каким-либо другим образом эквивалентной одному иону
водорода (в кислотно-основных реакциях) или одному электрону (в
окислительно-восстановительных реакциях). Эквиваленты веществ не
являются постоянными, они зависят от химической реакции, в
которой участвуют эти вещества.
В общем случае обозначение химического эквивалента для
некоторого вещества Х записывают в виде
Xm
)(
Xn
1
)
( X
, где z численно
равно числу протонов или электронов, участвующих в реакции с
веществом Х, а величину f
эквивалентности (число, показывающее, какая реальная или условная
доля вещества эквивалентна одному протону или одному электрону).
Используя введенные обозначения, закон эквивалентов или
эквивалентных соотношений можно выразить в виде
математического уравнения:
1
(
n = , (3.3)
z
1
1
)
( X
n и )
где
z
вещества и реагента, соответственно.
1
( R
n - количество молей эквивалентов определяемого
z
=)1( называют фактором
1
)
()
R
nX
z
2
64
Молярная масса эквивалента – М )
z
zXz
z
z.2
2
2
2
2
2
2
2
1
( X
связана с молярной
массой вещества соотношением )(
1
( XМ
М = . (3.4)
1
)
В реакциях кислотно-основного взаимодействия фактор
эквивалентности рассчитывают исходя из количества протонов (z),
участвующих в реакции с рассматриваемым веществом.
Примеры:
1. Для реакции H3РО4 + NaOH = NaН2РО
эквивалентности H3РО4 равен единице: )
1
(
=1, поскольку в молекуле
+ H2O фактор
4
фосфорной кислоты ионом натрия замещается один протон (z = 1).
Молярная масса эквивалента H3РО4 равна:
M(1 H3РО4) = M(H3РО4) =
98 г/моль.
2. Для реакции H3РО
эквивалентности H3РО4 составляет =)
+ 2NaOH = Na2НРО4 + 2H2O фактор
4
1
1
(
, т.к. замещаются два
протона фосфорной кислоты. Молярная масса эквивалента H3РО
равна:
1
M(
H3РО4) = .
3. Для реакции H
эквивалентности H2SO4 равен .
1
M(H3РО4) = .
+ 2NaOH = Na2SO4 + 2H2O фактор
2SO4
1
Молярная масса эквивалента H2SO4
1
98 = 49 г/моль.
4
равна:
M(
1
H2SO4)= ⋅
1
M(H2SO4)= ⋅
1
98,02=49,01г/моль.
В окислительно-восстановительных реакциях фактор
эквивалентности вещества определяется числом электронов (z),
участвующих в полуреакции.
Например: 5Fe2+ + MnO
П
-
+8Н+=5Fe
4
олуреакции: Fe2+-1e=Fe3+
MnO
-
+8H++5e=Mn2++4H2O
4
3+
+ Mn2++4H2O
65
Фактор эквивалентности иона железа равен единице: 1)
z
5
5
1
( =
т.к. в полуреакции участвует один электрон (z = 1). Молярная масса
эквивалента железа составляет: M(1Fe) = M(Fe)=55,85 г/моль.
Фактор эквивалентности перманганат-иона и, соответственно,
1
KМnO4 равен одной пятой:
-
MnO
принимает пять электронов. Откуда молярная масса
4
1
)
( =
z
, поскольку в полуреакции один ион
5
эквивалента перманганата калия будет равна:
1
M(
KМnO4)= ⋅
5
1
M(KМnO4)= ⋅
1
158,04=31,61 г/моль.
3.1.2 Способы выражения концентраций
Концентрация показывает, какое количество вещества
находится в единице объема (в г/мл, мг/м3, м
оль/л, ммоль/л и др.),
если речь идет об анализе растворов или газов. Однако, в том случае,
когда проводится анализ твердых объектов, то чаще используется
массовая доля, которая показывает, сколько частей одного компонента
приходится на сто (миллион, миллиард) частей анализируемого
объекта. В некоторых случаях бывает необходимо проанализировать,
сколько вещества содержится на единице площади какой-либо
поверхности (например, г/дм2). Поэтому в более широком плане под
концентрацией следует понимать количество определенного
компонента, находящегося в стандартизированном количестве
анализируемого объекта. Причем понятие концентрация не надо
путать с содержанием – количеством определяемого вещества в
объекте в целом (например, масса какого-либо компонента в пробе,
образце и т.д.)
В количественном анализе наиболее широко используется
молярная концентрация, молярная концентрация эквивалента
(нормальная концентрация – устаревшее название), массовая
концентрации (или титр) и массовая или объемная доли (процентная
концентрация).
,
1. Молярная концентрация – С(X) п
растворенного вещества (моль) в единице объема раствора (литр)– V(X):
)(
Xn
)(
XC = . (3.5)
)(
XV
оказывает количество
66
Численные значения молярной концентрации выражают в
моль/л (моль/дм3), ммоль/л или ммоль/мл.
Зная массу вещества и учитывая соотношение (3.2), можно
рассчитать молярную концентрацию вещества в растворе по формуле:
)(
)(
XC
= . (3.6)
Xm
)()(
XVXМ
⋅
В случае необходимости проведения более точных
аналитических расчетов, вместо общей концентрации вещества
следует использовать активность ионов.
Равновесная концентрация ионов в растворе [Х] связана с
концентрацией вещества С(Х) через степень диссоциации αх:
α
X
. (3.7)
)(][XC
X
=
При достаточно больших концентрациях противоположно
заряженные ионы в растворе притягиваются, образуя ионные пары,
ассоциаты, вплоть до образования молекул. В результате этого
реальная концентрация ионов в растворе уменьшается, ее называют
активностью или активной концентрацией (ах).
Электростатическое взаимодействие между ионами отражает
коэффициент активности:
a
X
f
= . (3.8)
X
][X
Используя уравнения (3.7) и (3.8) можно установить взаимосвязь
активности (аХ) и общей концентрации вещества в растворе:
aХ = fХ ·αХ · C(Х). (3.9)
Коэффициент активности определяется ионной силой раствора (µ),
которая учитывает влияние всех ионов, находящихся в растворе:
µ
= ½ ∑CiZ
2
, (3.10)
i
где µ – ионная сила раствора; Ci – концентрация ионов различных
видов; соответственно, Zi – заряд этих ионов.
µ
Для случая, когда
≤10-2, коэффициент активности можно
рассчитать по уравнению:
µ
⋅⋅−=25,0lg Zf
X
. (3.11)
67
При других значениях µ коэффициент активности
рассчитывают по другим уравнениям. В случае сильно разбавленных
растворов ионная сила приближается к нулю (µ→0), коэффициент
активности стремится к единице (fХ = 1), соответственно, активность
ионов можно считать равной их концентрации (aХ ≈ C(Х)), если речь
идет о сильных электролитах, когда αХ=1.
Примеры:
1) Запись: С(HCl) = 0,1 моль/л (или 0,1 М HCl) означает, что
молярная концентрация раствора хлороводородной кислоты
составляет 0,1 моль/л (децимолярный раствор).
2) Какую массу едкого натра необходимо взять для
приготовления 500 мл 0,20 М раствора?
Решение: Воспользуемся формулой (3.6), решив ее
относительно m(X):
(X) = С(Х)·M(X)·V,
m
где Х = NaOH, С(NaOH)= 0,20 моль/л, М(NaOH)= 40 г/моль,
V = 500 мл = 0,5 л.
Подставляем перечисленные значения в уравнение и
получаем:
m(NaOH) = 0,20 моль/л·40 г/моль·0,5 л = 4,0 г
Ответ: для приготовления 500 мл 0,20 М раствора едкого
натра необходимо взвесить 4,0 г NaOH.
3) Какова молярная концентрация раствора гидроксида калия,
если в мерной колбе на 250 мл растворено 15,68 г КОН?
Решение: Воспользуемся формулой (3.6):
С(КОН) = m(КОН)/[M(КОН)·V] = 15,68 г/(56 г/моль·0,250 л) = 1,12 моль/л.
Ответ: молярная концентрация приготовленного раствора
равна 1,12 моль/л.
68
2. Молярная концентрация эквивалента (устаревшее –
z
z
2
нормальная концентрация) показывает количество молей
эквивалентов растворенного вещества в единице объема раствора
(обычно, в 1 л раствора), обозначается как С )
Молярную концентрацию эквивалента растворенного
вещества можно записать в виде:
1
)
(
X
n
z
)
X
)
X
= . (3.13)
M
)(
XV
1
(
1
где n )
( X
Или по аналогии с уравнением (3.6):
1
(
C = , (3.12)
z
- количество молей эквивалентов растворенного вещества.
1
(
C
z
1
( X
.
)(
Xm
)()
XVX
⋅
z
Единицы измерения молярной концентрации эквивалента те
же, что и у молярной концентрации вещества: моль/л, ммоль/л или
ммоль/мл. Растворы с молярной концентрацией эквивалента иногда
называют нормальными, хотя такое наименование IUPAC не
рекомендовано.
Для того, чтобы при написании концентрации была достигнута
однозначность, при обозначении молярной концентрации эквивалента
перед формулой химического вещества следует указывать фактор
эквивалентности.
Например, при записи: )
1
(
SOHС = 1 моль/л, речь идет о
42
одномолярной концентрации эквивалента, когда в химической
реакции принимают участие два протона. Следовательно, под
химическим эквивалентом серной кислоты в соответствии с
уравнением реакции
H2SO4 + 2NaOH=Na2SO4 + 2H2O
онимают такую условную частицу, как половина молекулы H2SO4.
п
При записи: )(
концентрации серной кислоты или об одномолярной концентрации
SOHС = 1 м
42
оль/л, речь идет об одномолярной
69
эквивалента серной кислоты, когда под химическим эквивалентом
z
понимают такую реальную частицу, как молекула H2SO4, что
соответствует реакции с участием одного протона
H2SO4 + NaOH = NaНSO4 + H2O.
Если фактор эквивалентности равен единице, то молярная
концентрация эквивалента равна молярной концентрации вещества.
Переход от молярной концентрации вещества к молярной
концентрации эквивалента можно осуществить с помощью уравнения:
1
( XCzX
C ⋅=
.
)()
3. Массовая концентрация или титр вещества – Т(X) –
показывает, какая масса вещества содержится в единице объема
раствора:
)(
)(
XТ = . (3.14)
Xm
)(
XV
Единицы измерения Т(X): г/л, мг/мл, г/мл, мкг/мл.
Титр по определяемому веществу Т(R/Х) показывает, какая
масса анализируемого вещества m(Х) реагирует с 1 мл рабочего
раствора реагента R:
)(
)/(
XRТ = . (3.15)
Xm
)(
RV
4. Часто состав раствора или объекта, состоящего из смеси
веществ, выражают в виде доли компонента от общего количества
объекта. Доля означает отношение числа компонента к общему числу
частей объекта. Различают массовую, мольную и объемную доли.
Массовая доля
ωωωω
(Х) – показывает отношение массы
определяемого вещества в смеси к общей массе смеси:
)(
)(
X =
ω
Xm
. (3.16)
.)(
общm
ϕϕϕϕ
Объемная доля
(Х) – показывает отношение объема
определяемого вещества в смеси к общему объему смеси:
)(
)(
X =
ϕ
XV
. (3.17)
.)(
общV
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]