Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы общей и неорганической химии. Учебное пособие
.pdf
ареометр, который свободно плавает в растворе, не касаясь стенок и дна
сосуда. Плотность определяют по делению шкалы ареометра, до которого он погружается в раствор, и, сравнивая полученное значение с табличными данными, находят концентрацию раствора.
Если в таблице нет значения плотности, точно соответствующего
показанию ареометра, концентрацию находят интерполяцией. Напри-
, измеренная плотность раствора карбоната натрия равна 1,070 г/мл.
мер
В табл. 6.1 имеются следующие значения.
Таблица 6.1
Концентрация, % (масс.)
8 1,0816
6 1,0606
Разность 0,0210
, г/мл
Полученное значение 1,070 г/мл отличается от плотности 6 %-го
раствора на 1,070 1,0606 = 0,0094 г/мл. Составляем пропорцию:
0,0210 г/мл – 2 %,
0,0094 г/мл – х %,
х = 0,90 %.
Таким образом, концентрация раствора карбоната натрия с плотностью 1,070 г/мл равна 6 + 0,90 = 6,90 %.
Титриметрия
– аналитический метод, основанный на точном измерении объема раствора реагента, необходимого для полного протекания
реакции с заданным объемом раствора определяемого вещества. Растворы реагентов известной концентрации называют титрованными
(стандартными) растворами, или титрантами.
Процесс титрования заключается в следующем: к точному объему
(аликвоте) раствора анализируемого вещества неизвестной концентрации добавляют небольшими
порциями раствор титранта до тех пор,
пока не будет получен сигнал индикатора, свидетельствующий о прекращении реакции (достижении конечной точки титрования). Замеряют
объем титранта, пошедший на титрование.
Концентрацию исследуемого раствора по результатам титрования
рассчитывают по закону эквивалентов
экв(кислоты) кислоты экв(щелочи)(щелочи)
.С V С V
61
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Цель работы
Изучение основных способов выражения концентрации растворов. Освоение навыков приготовления растворов различных
концентраций и методики их количественного анализа денсиметрическими и титриметрическими методами.
Опыт 1. Приготовление раствора соли с заданной массовой
долей растворенного вещества (%) и определение
его концентрации методом денсиметрии
Получите у преподавателя задание для приготовления раствора соли
c заданной массовой долей растворенного вещества (%) заданного объ-
ема. По заданной концентрации определите плотность раствора, используя табл. П1 (см. приложение).
Рассчитайте массу соли и массу воды, необходимые для приготов-
ления раствора. Взвесьте на технических весах на листе бумаги рассчитанную навеску соли.
объем дистиллированной воды и перелейте ее в химический стакан.
Растворите соль в отмеренном количестве воды, прибавляя ее небольшими порциями и помешивая раствор стеклянной палочкой.
Перелейте приготовленный раствор в мерный цилиндр, замерьте
объем, который в идеале должен совпасть с заданным. В присутствии
преподавателя с помощью ареометра определите
ного раствора. По табл. П1 установите значение массовой доли данной
соли в полученном растворе.
Запишите в тетрадь все расчеты, измеренную плотность приготов-
ленного раствора и массовую долю соли в нем, найденную по табл. П1.
Определите относительную погрешность (%), допущенную при приготовлении раствора:
Мерным цилиндром отмерьте рассчитанный
плотность получен-
теор эксп
теор
100 %.
Рассчитайте молярную концентрацию и молярную концентрацию
эквивалента растворенного вещества, а также титр приготовленного
раствора.
62
Опыт 2. Приготовление раствора серной кислоты заданной
молярной концентрации
Получите у преподавателя задание для приготовления раствора сер-
ной кислоты заданной молярной концентрации в мерной колбе указанного объема из кислоты, имеющейся в лаборатории.
Определите с помощью ареометра плотность исходной кислоты ρ
(г/мл). По табл. П2 (см. приложение) найдите ее массовую долю ω (%),
по которой рассчитайте сначала массу, а
затем объем серной кислоты,
необходимый для приготовления заданного раствора.
Точно отмерьте рассчитанный объем с помощью бюретки или хими-
ческой пипетки. Предварительно в мерную колбу заданного объема
примерно на 1/3 ее объема налейте дистиллированную воду. Перемешивая жидкость круговым движением колбы, понемногу через воронку перелейте в нее весь отмеренный объем кислоты. Ополосните
воронку водой из промывалки, выньте ее и дождитесь охлаждения содержимого
колбы до комнатной температуры. Затем, добавляя воду, доведите уровень жидкости в колбе до метки по нижнему мениску. Последние порции воды добавляйте по каплям пипеткой. Плотно закройте колбу пробкой, перемешайте несколько раз полученный раствор, перевертывая
колбу дном
вверх.
В отчете приведите все расчеты, необходимые для приготовления
заданного объема кислоты с заданной молярной концентрацией. Рассчитайте массовую долю серной кислоты в полученном растворе, предварительно определив плотность раствора с помощью ареометра.
Опыт 3. Определение молярной концентрации эквивалентов
приготовленного раствора серной кислоты методом
титрования
Концентрация приготовленного раствора кислоты определяется методом титрования стандартным (титрованным) раствором щелочи
(NaOH или KOH). Титриметрической реакцией является реакция
нейтрализации раствора кислоты раствором щелочи. Конечную точку
титрования устанавливают по изменению окраски кислотно-основного
индикатора (например, фенолфталеина). В ходе титрования необходимо
установить объем щелочи с известной молярной концентрацией эквивалентов, необходимый для нейтрализации
определенного объема кислоты неизвестной концентрации, а затем на основании закона эквивалентов рассчитать молярную концентрацию эквивалентов кислоты.
63
В бюретку с помощью воронки залейте выше нулевого деления раствор щелочи точно известной концентрации. Заполните нижний конец
бюретки так, чтобы в нем не содержалось воздуха. Затем спустите избыток раствора щелочи в подставленный стакан до тех пор, пока уровень раствора не установится на нуле. (Нижняя часть мениска должна
касаться
нулевой черты бюретки.) При отсчете взгляд экспериментатора
должен находиться на уровне мениска. Если на кончике бюретки останется капля раствора, то ее надо снять прикосновением кончика бюретки к стенке стакана. Другую бюретку аналогичным способом заполните приготовленным в опыте 2 раствором кислоты.
В коническую колбу объемом 100 мл отмерьте из бюретки 10
мл
раствора кислоты, добавьте к нему около 25 мл дистиллированной
воды и 2–3 капли индикатора фенолфталеина. Отметьте окраску индикатора.
Проведите титрование полученного раствора, добавляя в коническую колбу небольшими порциями раствор щелочи из бюретки. Раствор
кислоты при этом непрерывно перемешивайте, вращая колбу. Окраску
раствора удобнее наблюдать на белом фоне, поэтому подложите под
колбу, в которой проводите титрование, лист белой бумаги. Конец титрования определите по появлению едва заметной бледно-розовой
окраски раствора, не исчезающей в течение 30 с. Отсчитайте по бюретке
с точностью до 0,1 мл объем раствора щелочи, пошедшей на титрование
кислоты. Добавьте еще одну каплю раствора щелочи. Если окраска раствора стала
более заметной, значит, точка эквивалентности определена
правильно.
Описанным способом проведите титрование еще двух проб кислоты.
Отбор проб кислоты и титрование каждой пробы начинайте после того, как мениск жидкости в бюретке установлен на нулевом
делении!
Всегда берите один и тот же индикатор и в одинаковом коли-
честве.
Если объемы израсходованной щелочи во всех трех титрованиях не
отличаются между собой более чем на 0,2 мл, то титрование произведено правильно. В противном случае титрование повторите, добиваясь
необходимой сходимости результатов.
Запишите в тетрадь уравнение титриметрической реакции (реакции
нейтрализации),
занесите полученные результаты в табл. 6.2 и прове-
дите необходимые расчеты.
64
Таблица 6.2
р
р
С
Опыт
№ 1
№ 2
№ 3
Средний объем щелочи, мл:
Объем раствора, мл Концентрация
кислоты щелочи щелочи кислоты
Средняя концентрация кислоты:
Титр кислоты:
, моль/л
экв
На основании полученных данных вычислите:
1) молярную концентрацию эквивалентов раствора серной кислоты;
2) титр приготовленного раствора кислоты;
3) молярную концентрацию приготовленного раствора серной кис-
лоты; определите относительную погрешность (%) по отношению
к теоретическому значению (см. опыт 1).
Опыт 4. Приготовление раствора заданной концентрации
смешиванием растворов более высокой и более низкой
концентрации
Получите у преподавателя задание для приготовления заданного
объема раствора хлорида натрия заданной концентрации, имея в своем
распоряжении 5 %-й и 20 %-й раствор NaСl.
Выпишите из табл. П1 значения плотности приготовляемого и исходных растворов NaCl, зная их концентрации (%). Рассчитайте необходимые объемы исходных 5 %-го и 20 %-го растворов NaCl. Расчеты
приведите в тетради.
Способы расчета
1. Вычислите массу заданного объема раствора с заданной концен-
трацией и массу NaCl, содержащегося в нем.
m
m
= V;
-ра
m
NaCl
р-ра
,
100
где – плотность раствора; – массовая доля растворенного вещества, %;
– масса растворенного вещества, г;
m
NaOH
V объем раствора, мл, состоит из суммы объемов V
V = V
+ V2. (6.1)
1
65
m
– масса раствора, г;
-ра
и V2:
1
Масса растворенного вещества
р
()m
содержащихся в отмеренных растворах V
VV
m
NaCl
111 2 22
100 100
состоит из суммы масс NaCl,
NaCl
и V2:
1
. (6.2)
Решая совместно уравнения (6.1 ) и (6.2), найдите значения объемов
и V2.
V
1
2. Для расчета можно использовать также правило смешения, из-
вестное под названием правило креста.
Концентрации исходных растворов записываем в первом столбце,
во втором столбце записываем заданную концентрацию. Разность
между исходными концентрациями и заданной записываем в третьем
столбце в направлении пересекающихся диагоналей.
Полученные цифры а и b указывают на то, в каком
соотношении по
массе должны быть смешаны растворы.
Массу приготовляемого раствора рассчитываем по формуле
20 а = х – 5,
х
5 b = 20 – х,
где х – заданная массовая доля.
Она должна быть распределена между исходными растворами
пропорционально найденным частям. Всего частей: а + b. Масса
20 %-го раствора NaCl, необходимая для
приготовления заданного
раствора, равна
m
(р-ра)
ma
(20% р-ра)
ab
,
а его объем
m
V
(20% р-ра)
(20% р-ра)
(20%
.
-ра)
Аналогично рассчитываем объем 5 %-го раствора NaCl.
Отмерьте вычисленные объемы исходных растворов мерным цилиндром, слейте их в колбу или стакан подходящего объема, тщательно перемешайте полученный раствор. Отлейте часть раствора в цилиндр, измерьте ареометром плотность приготовленного раствора.
66
По табл. П2 найдите концентрацию раствора (%). Определите относительную погрешность величины концентрации приготовленного раствора. Вычислите С, С
и Т раствора.
экв
Контрольные вопросы
1. Дайте определения понятиям «раствор» и «растворимость».
Какие существуют типы классификации растворов. Приведите примеры.
Какие способы выражения концентраций применяют для выраже-
2.
ния составов раствора?
Дайте понятие массовой доли вещества, мольной доли вещества.
3.
В каких единицах они измеряются? Запишите формулы для их расчета.
Дайте понятие молярной концентрации. В каких единицах она из-
4.
меряется? Запишите формулы для ее расчета.
Дайте понятие молярной концентрации эквивалента. В каких еди-
5.
ницах она измеряется? Запишите формулы для ее расчета.
Дайте понятие моляльной концентрации. В каких единицах она
6.
измеряется? Запишите формулу для ее расчета.
7. Для каких растворов из перечисленных ниже электролитов мо-
лярная и нормальная концентрации совпадают и почему: а) сульфат
олова (II), б) сульфат калия; в) сульфат алюминия; г) гидроксид калия; д) нитрат натрия; е) хлорид железа (III)?
Какие существуют способы приготовления растворов?
8.
9.
Какими методами можно определить концентрацию раствора?
Определите массовую долю (%) хлорида калия в растворе, содер-
10.
жащем 0,053 кг KCl в 0,5 л раствора, плотность которого 1,063 г/см
В воде растворили 5,6 г гидроксида калия, объем раствора довели
11.
в мерной колбе до 250 мл. Определите молярную концентрацию раствора.
Определите молярную массу эквивалента хлорида железа (III),
12.
если в 0,3 л раствора содержится 32,44 г FeCl
. Чему равен титр этого
3
раствора?
В какой массе эфира нужно растворить 3,04 г анилина C
13.
чтобы получить раствор, моляльность которого 0,3 моль/кг?
3
.
6H5NH2
,
67
14. Какой объем воды нужно прибавить к 1 л раствора KОН (ω =
= 40 %, ρ = 1,411 г/мл), чтобы получить раствор гидроксида калия с мас-
совой долей 18 %?
Какой объем 0,25 н. раствора серной кислоты можно нейтрализо-
15.
вать прибавлением 0,6 л 0,15 н. раствора гидроксида кальция?
Определите молярную и моляльную концентрации 50 %-го рас-
16.
твора NaOH. Сколько потребуется такого раствора для приготовления
3 л 20 %-го раствора NaOH?
Определите массовую долю Ca(NO
17.
в растворе, полученном
3)2
смешиванием 300 г 10 %-го и 500 г 2 %-го раствора нитрата кальция.
Вычислите, какой объем раствора серной кислоты H
18.
2SO4
с массо-
вой долей 11,6 % (ρ = 1,08 г/мл) и какой объем воды требуется для приготовления 250 мл децимолярного раствора серной кислоты.
Какой объем 0,5 н. раствора хлороводородной кислоты необхо-
19.
дим для осаждения в виде хлорида серебра всех катионов серебра Ag
содержащихся в 500 мл 0,2 н. раствора AgNO
Для осаждения сульфата бария из 100 мл 15 %-го раствора BaCl
20.
?
3
+
потребовалось 14,4 мл раствора серной кислоты. Вычислите молярную
и эквивалентную концентрации и титр раствора H
2SO4
.
,
2
68
Глава 7
РАСТВОРЫ ЭЛЕКТРОЛИТОВ
Электролиты − вещества, растворы которых проводят электриче-
ский ток, так как в растворах электролитов имеются подвижные заряженные частицы (ионы). К электролитам относятся вещества с ковалентной полярной или ионной связью.
Электролитическая диссоциация – процесс распада вещества на
ионы при растворении в полярном растворителе. Следствием электролитической диссоциации является электролитическая проводимость
растворов электролитов (кислот, оснований, солей).
Электролитическая диссоциация – процесс обратимый. В растворах
электролитов имеет место равновесие между ионами и молекулами. Количественно диссоциация характеризуется
отношением числа молекул, распавшихся на ионы (N
растворенных молекул (N) электролита:
степенью диссоциации –
), к общему числу
i
/.
NN
i
Степень диссоциации электролита определяется экспериментально
и выражается в долях единицы или в процентах. Степень диссоциации
зависит от природы электролита, его концентрации, природы растворителя, присутствия в растворе одноименных ионов.
По степени диссоциации электролиты делятся на сильные, средние
и слабые. К сильным электролитам относятся такие, которые в 0,1 М
растворе имеют
– почти все растворимые соли (кроме HgCl
Pb(CH
COO)2 и некоторых других);
3
– многие минеральные кислоты (например, HNO
, HClO4 и др.);
H
2SO4
30 %. Сильными электролитами являются:
, CdCl2, Fe(SCN)3,
2
, HCl, HI, HBr,
3
69
– основания щелочных и щелочноземельных металлов (например,
KOH, NaOH, Са(ОН)
, Ba(OH)2, La(OH)3 и др.).
2
У средних электролитов в 0,1 M растворах = 3…30 %. К ним относятся, например, H
, H2SO3, HF, Mg(OH)2.
3PO4
Для слабых электролитов в 0,1 М растворах 3 %. Слабыми элек-
тролитами являются H
а также большинство оснований многовалентных металлов, NH
S, H2CO3, HNO2, HCN, H2SiO3, HClO и другие,
2
OH
4
и вода.
Диссоциация слабых электролитов протекает обратимо. Многоосновные кислоты и многокислотные основания диссоциируют ступенчато. Например:
HCO
23
HCO
3
Al(OH)
[Al(OH)
Al(OH)
↔ Н+ +
↔ Н+ +
↔ [Al(OH)2]+ + OH– (I ступень);
3
]+ ↔ Al(OH)2+ + OH– (II ступень);
2
2+
↔ Al3+ + OH– (III ступень).
HCO
(I ступень);
3
2
CO
(II ступень);
3
Ступенчатость диссоциации обусловливает возможность образования кислых и основных солей.
Об относительной силе электролитов можно судить по электрической проводимости их растворов. Электрическая проводимость тем
выше, чем больше ионов в растворе. При разбавлении растворов степень диссоциации электролита увеличивается. Присутствие в растворе
одноименных ионов понижает степень диссоциации.
Кроме степени
диссоциации, состояние слабых электролитов в рас-
творе характеризуется константой равновесия между молекулами
и ионами, которую называют
мер, для HNO
↔ H+ +
2
NO
константой диссоциации
2
K
д
[H ] NO
[HNO ]
2
.
2
()K . Напри-
д
Между константой, степенью диссоциации и исходной концентрацией слабого электролита существует взаимосвязь:
2
СK
1
.
д
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]