Техника Лабораторных Работ

31

На передней панели находится цифровой индикатор (рис. 28), значения символов которого приведены в табл. 2.

Рис. 28. Дисплей (индикатор) электронных весов.

Табл. 2. Значения символов на индикаторе весов.

32

Правила взвешивания на аналитических весах

1.Нагрузка на чашках весов не должна превышать максимальной для данного типа весов. Взвешивают только сидя против весов, опираясь руками на крышку стола. Взвешиваемый предмет берут пинцетом, щипцами или чистой бумагой и помещают на середину левой чашки. Химические вещества взвешивают в стеклянной посуде (бюкс, ампула). Нельзя помещать химические вещества непосредственно на чашку весов или производить взвешивание на листочке бумаги.

2.Взвешиваемый предмет должен иметь ту же температуру, что и весы. Поэтому перед взвешиванием следует вещество выдерживать в эксикаторе вблизи весов в течение 20 − 30 мин. Если при взвешивании над весами включают настольную лампу, то сделать это надо за 10 − 15 мин до начала работы.

3.Прибавлять или убавлять взвешиваемое вещество следует только вне шкафа весов. Если взвешиваемое вещество просыпано на чашку весов или на дно шкафчика, надо немедленно вымести его кисточкой.

4.Гири следует помещать на правую чашку весов таким образом, чтобы они находились в центре чашки. Брать гири следует пинцетом с костяными (пластмассовыми) наконечниками.

5.Когда взвешиваемое вещество или гирьки кладут на чашку весов или снимают с них, весы должны быть арретированы.

6.Перед каждым взвешиванием следует проверять, а если нужно, то и устанавливать их нулевую точку. Во время наблюдения за отклонением стрелки весов дверцы шкафа должны быть закрыты.

7.При уравновешивании взвешиваемого предмета начинают с больших разновесов и затем переходят к более мелким. Следует всегда пользоваться наименьшим числом разновесов, например, брать разновес в 2 г, а не два разновеса по 1 г! На чашке весов разновесы должны лежать в определенном порядке; мелкие разновесы не следует класть друг на друга. Большие разновесы надо помещать в центре чашки, чтобы она не качалась при снятии весов с арретира.

8.Взвешивание на электронных аналитических весах подобно таковому на техно-химических весах. Перед отсчетом нулевого значения, нахождением и вычитанием массы тары и отсчетом массы предмета дверцы весов должны быть закрытыми.

33

2.2. Фильтрование

Фильтрованием называется процесс отделения взвешенных твердых частиц в жидкостях пли газах. Физический принцип фильтрования состоит в том, что жидкость с находящимися в ней частицами твердого вещества пропускают через пористую перегородку; имеющиеся в последней поры или отверстия настолько малы, что через них частицы твердого тела не проходят, жидкость же проходит легко. Эта перегородка, задерживающая твердые тела, называется фильтром. При фильтровании на фильтре откладывается осадок, который по мере фильтрования накапливается, уменьшает величину пор и принимает на себя функцию фильтра, создавая плотный слой.

Выбор фильтрующего материала зависит как от требований к чистоте раствора, так и от свойств этого раствора. Для фильтров нельзя применять материалы, на которые фильтруемая жидкость может оказать какое-либо разрушающее действие. Так, щелочи, особенно концентрированные, нельзя фильтровать через фильтр из прессованного стекла и материалов, содержащих двуокись кремния, так как последняя будет растворяться в щелочи и загрязнять ее раствор. Среди неорганических фильтрующих материалов имеются такие, которые пригодны для фильтрования очень агрессивных жидкостей даже при высокой температуре, например, фильтры из глинозема (оксида алюминия), из диоксида циркония, из диоксида тория.

Фильтрующие материалы могут быть разделены на два класса: сыпучие и пористые. К первому классу относится, например, кварцевый песок. От его величины зерна зависит как скорость фильтрования, так и достигаемый при этом эффект. Чем крупнее зерна песка, тем больше производительность фильтра, но вместе с тем меньше его задерживающая способность; фильтр будет задерживать только относительно крупные частицы, мелкие же будут проходить через него, не задерживаясь. Во многих случаях применяют пористые материалы (неглазурованные фарфоровые фильтровальные тигли, фарфоровые пластинки, прессованное стекло, пластинки из прессованных окисей некоторых металлов, керамические фильтры). Неорганические фильтрующие материалы особенно пригодны для жидких веществ и растворов, нагретых до температур, превышающих 100°С.

Наибольшим распространением в лаборатории пользуются фильтровальная бумага, целлюлозная масса, асбест, волокнистые материалы (ткани), смешанные фильтры, прессованное стекло, обожженная глина, фарфор и пр.

Фильтровальная бумага отличается от обычной тем, что она не проклеена, более чиста по составу и волокниста. Эти ее свойства обусловливают ее фильтрующую способность.

Фильтровальную бумагу нельзя использовать для фильтрации горячих водных растворов сильных кислот и щелочей. Она в их среде

34

превращается в студенистую массу. Бумага разрушается также водными растворами пероксида водорода и азотной кислоты.

Различают бумажные фильтры обычные и беззольные. Готовые фильтры различают также по плотности фильтровальной бумаги. Это различие определяется по цвету бумажной ленты, которой оклеивают упаковку готовых фильтров. Приняты следующие условные обозначения:

розовая (или черная) лента – быстрофильтрующие фильтры (диаметр пор около 10 нм);

белая лента – бумага средней проницаемости (диаметр пор примерно

3 нм);

синяя лента – так называемые «баритовые», плотные фильтры (диаметр пор не превышает 2.5 нм), предназначенные для фильтрования мелкозернистых осадков;

желтая лента – обезжиренные фильтры.

Стеклянные фильтры – это пластинки из размельченного и затем спеченного стекла определенного состава. Они могут быть плоскими, круглыми, выпуклыми, отшлифованными со всех сторон или только с боков, цилиндрическими и коническими, патронными, прямоугольными, в зависимости от места расположения в приборе и условий разделения твердой и жидкой фаз. Стеклянные фильтры различаются по пористости и толщине. Через стеклянные фильтры можно фильтровать концентрированные кислоты, кроме фтороводородной, и разбавленные водные растворы щелочей. Лишь нагретые концентрированные растворы последних разрушают стеклянные фильтры. Достоинством стеклянных фильтров являются сравнительная легкость их очистки, промывки и высушивания осадка, возможность быстрого фильтрования под вакуумом и взвешивания вместе с фильтром.

Тканевые фильтры. Из данного вида фильтра нужный выбирают, исходя из состава суспензии, вида растворителя и температуры разделяемых фаз.

Полиакрилонитриловые ткани (нитрон, орлон, плутон) отличаются высокой прочностью в сухом и влажном состоянии. Они пригодны для фильтрования концентрированных серной и хлороводородной кислот, концентрированных водных растворов шелочей даже при 100 °С.

Полиамидные ткани (капрон, найлон, анид) также устойчивы к действию водных растворов щелочей при температурах, близких к 100 °С, и выдерживают воздействие разбавленных кислот при обычных температурах.

Полиэфирные ткани (лавсан, терилен, дакрон) отличаются повышенной термостойкостью (до 150 °С). Ткани из этих материалов не разрушаются в среде окислителей и кислот, но быстро теряют свою прочность в нагретых водных растворах щелочей.

35

Фильтры Петрянова. Это волокнистые фильтры с очень тонкими волокнами диаметром от 1.5 до 7 мкм. Их применяют для удаления из воздуха и газов высокодисперсных аэрозолей с размером частиц менее 1 мкм.

Керамические фильтры готовят из измельченного кварца SiO2, смешанного с тонкодисперсным силикатным стеклом и затем спеченного. Такие фильтры устойчивы к воздействию концентрированных неорганических кислот, кроме фтороводородной, но разрушаются уже в разбавленных водных растворах щелочей.

Фильтры из губчатой платины – уникальные фильтры для быстрого фильтрования самых тончайших осадков. Платиновый фильтр служит долго, так как осадок можно удалить с него любым реагентом, не разрушающим платину.

На процесс фильтрования влияют вязкость жидкости и разность давлений по обе стороны фильтра. Чем выше вязкость жидкости, тем труднее ее фильтровать. С повышением температуры понижается вязкость жидкости, поэтому горячие жидкости легче фильтровать, чем холодные. Чем больше разность давлений по обеим сторонам фильтра, тем выше скорость фильтрования. Поэтому фильтрование часто проводят при уменьшенном или избыточном давлении. Однако, увеличивать разность давлений удается не всегда. При большом перепаде давлений фильтрующий материал разрушается.

Большое влияние на процесс фильтрования оказывает величина частиц твердого вещества, находящегося в жидкости. Если размер частиц осадка превышает размер пор фильтра, фильтрование идет легко. Но по мере приближения размера частиц к размерам пор фильтра процесс фильтрования замедляется и может даже прекратиться. Когда размер частиц твердого тела меньше размера пор, отфильтровать взвесь не удается – фильтрат содержит взвешенные частицы и остается мутным.

В зависимости от размеров отделяемых от жидкой фазы твердых частиц различают четыре вида фильтрации: обычное фильтрование, микрофильтрацию для выделения коллоидных частиц с размером от 0.1 до 10 мкм, ультрафильтрацию, позволяющую отделять макромолекулы с размером от 5 нм до 0.1 мкм, диализ и обратный осмос, когда отфильтровывают самые мелкие частицы с размером менее 5 нм.

Обычное фильтрование используется в тех случаях, когда отфильтрованная твердая фаза не нужна (удаление механических загрязнений из растворов), или когда жидкая фаза может быть полностью удалена многократной обработкой осадка соответствующим растворителем. Твердые частицы отделяются при фильтрации суспензии или аэрозоля через

36

пористую перегородку с размером пор много меньшим, чем размеры частиц. При выборе фильтра прежде всего надо установить, будет ли свободно фильтроваться чистый растворитель, не содержащий частиц.

Фильтрование при пониженном давлении применяют, когда фильтрование нужно провести быстро и если в обычных условиях оно вызывает затруднения. Сущность его заключается в том, что в приемнике создают уменьшенное давление, вследствие чего жидкость фильтруется под давлением атмосферного воздуха. Чем больше разность между атмосферным давлением и давлением в приемнике, тем быстрее идет фильтрование истинных растворов кристаллических веществ. Естественным ограничением процесса является невозможность фильтрования горячих растворов, поскольку повышенное давление пара растворителя сводит к минимуму эффект перепада давлений.

Фильтрование при нагревании (горячее фильтрование) проводят, когда необходимо очистить горячие концентрированные растворы от примесей, профильтровать вязкие растворы, а также растворы, содержащие легко кристаллизующиеся при обычной температуре вещества. Горячее фильтрование является одним из этапов очистки веществ перекристаллизацией.

Фильтрование при охлаждении применяется для веществ, имеющих низкую температуру плавления. Многие органические вещества затвердевают и кристаллизуются только при охлаждении, например уксусная кислота, бензол и др., поэтому кристаллы этих веществ можно отделить фильтрованием только при охлаждении.

Фильтрование может быть проведено в воронке, охлаждаемой льдом, или в воронке, между двойными стенками которой пропускают охлажденный солевой раствор.

Ультрафильтрование используют для отделения образующихся в жидкости коллоидных или мелкодисперсных твердых фаз с размером частиц от 0.2 до 1.0 мкм, а также студенистых осадков. Ультрафильтрование чаще всего проводят под вакуумом с применением ультрафильтров.

Промывание осадка с целью отделения от него растворимых примесей проводят двумя способами: декантацией и промыванием на фильтре. Обычно на практике сначала проводят декантацию и далее выполняют промывание декантированного осадка на фильтре.

Декантация заключается в сливании жидкости (маточного раствора) с отстоявшегося осадка. К осадку, подлежащему промыванию декантацией, добавляют промывную жидкость, взбалтывают или перемешивают стеклянной палочкой. Затем суспензии дают отстояться и осветленную

37

жидкость осторожно сливают с осадка на фильтр по стеклянной палочке, но так, чтобы осадок остался в сосуде. К оставшемуся осадку снова добавляют промывную жидкость в небольшом количестве и операцию декантации повторяют, проверяя каждый раз качественной реакцией присутствие в сливаемой жидкости удаляемого вещества.

При промывании осадка декантацией надо заранее знать, растворимость вещества осадка в промывной жидкости и в соответствии с растворимостью определить объем и число порций промывной жидкости, чтобы избежать значительной потери части осадка при промывании за счет его растворимости. Поэтому часто промывание осадка декантацией производят концентрированным, почти насыщенным раствором вещества, образующего осадок.

2.3. Титрование

Исторически первой лабораторной операцией, получившей название титрования, стал процесс дозирования вещества в реакционный сосуд путем выливания определенной порции его раствора заданной концентрации. Так удобным в практическом отношении способом выражения состава раствора стал титр – отношение массы растворенного вещества к объему раствора. Зная титр раствора и его объем, можно умножением легко найти массу вещества, поступившую с раствором. Лабораторная техника прошлых столетий позволяла быстро измерять объем жидкости, но не массу навески. Трудоемкость точного определения массы образца обусловила широкое распространение титрования в лабораторной практике.

Развитие химического эксперимента, включавшее повышение точности измерений масс веществ и объемов растворов, привело к тому, что процесс титрования стал важнейшей операцией аналитической химии. Количественный анализ, основанный на измерении объема раствора, называется объемным, или титриметрическим.

В настоящее время понятие титрования утратило свой первоначальный смысл. Сейчас титрованием называют процедуру, в которой количество вещества в пробе определяют по количеству израсходованного на взаимодействие с ним стандартного раствора реагента известной концентрации. Обычно титрование проводят, осторожно добавляя реагент известной концентрации, пока реакция с определяемым веществом не закончится, а затем измеряют объем стандартного реагента. Иногда, если это удобно или необходимо, добавляют избыток реагента и затем обратным титрованием другим реагентом известной концентрации определяют не вступивший в реакцию избыток первого реагента.

Раствор реагента с точно известной концентрацией, применяемый для титрования, называют стандартным раствором. Процесс определения концентрации стандартного раствора титрованием первичным стандартом называется стандартизацией.

38

Цель любого титрования — добавление стандартного раствора в количестве, химически эквивалентном количеству реагирующего с ним вещества. Это условие достигается в точке эквивалентности. Точка эквивалентности — это момент в ходе добавления стандартного раствора к анализируемому веществу, который соответствует полному превращению анализируемого вещества и отсутствию избытка добавляемого раствора.

Для того чтобы практически определить положение точки эквивалентности, наблюдают за изменением какого-либо физического свойства, сопровождающего превращение и связанного с эквивалентностью. Момент резкого (скачкообразного) изменения наблюдаемого свойства принимают за конечную точку титрования. Если физическое свойство, сопровождающее процесс титрования, выбрано правильно, то конечная точка титрования совпадает с точкой эквивалентности.

Конечную точку титрования определяют путем наблюдения за изменением какого-либо физического свойства в точке эквивалентности или вблизи нее. Чаще всего конечную точку фиксируют по изменению окраски реагента, определяемого вещества или индикатора. Так, при добавлении к бесцветному раствору гидроксида натрия бесцветного раствора соляной кислоты невозможно визуально установить момент, когда объем добавляемой кислоты будет точно соответствовать количеству находящегося в растворе щелочи. Но, добавив перед началом титрования к щелочи раствор индикатора фенолфталеина, появится возможность установить конечную точку титрования по изменению окраски раствора. Если в ходе титрования щелочь прореагировала не полностью, окраска раствора будет малиновой, подобной цвету исходного раствора щелочи. По завершении нейтрализации щелочь будет израсходована, и раствор обесцветится. Этот момент принимают за конечную точку титрования, и объем израсходованного раствора кислоты используют в расчетах. При определении конечной точки титрования вблизи точки эквивалентности добавление раствора реагента проводят малыми порциями (по каплям), чтобы не допустить отклонения результата в большую сторону.

Для нахождения конечной точки титрования используют не только изменение окраски раствора, но и изменение других физических свойств, например, электродного потенциала, электропроводности, температура. Это свойство определяет способ индикации конечной точки

(потенциометрический, кондуктометрический, термометрический). Титриметрические методы в зависимости от типа реакций, лежащих в

их основе, подразделяют на несколько классов: кислотно-основные (взаимодействие кислот и оснований), осадительные (образование осадков), комплексометрические (образование или разрушение комплексного иона) и окислительно-восстановительные (проведение окислительновосстановительных реакций в растворе). Они отличаются друг от друга природой используемых равновесий, применяемыми индикаторами, реагентами и первичными стандартами.

39

Методы нейтрализации относят к кислотно-основным титриметрическим методам. Они основаны на применении реакций нейтрализации. Описанное выше титрование гидроксида натрия соляной кислотой является примером метода нейтрализации. Основным уравнением процесса нейтрализации в водных растворах является взаимодействие ионов гидроксония (или водорода) с ионами гидроксила, сопровождающееся образованием слабодиссоциированных молекул воды:

H+ + OH− → H2O.

Методы нейтрализации позволяют количественно определять кислоты (с помощью титрованных растворов щелочей), основания (с помощью титрованных растворов кислот) и другие веществ, реагирующие в стехиометрических соотношениях с кислотами и основаниями в водных растворах (например, соли аммония, реагирующие со щелочами; карбонаты, реагирующие с кислотами).

Техника определения состоит в том, что к определенному количеству раствора основания (или кислоты) неизвестной концентрации, точно отобранного с помощью пипетки, постепенно приливают из бюретки титрованный (стандартный) раствор кислоты (или основания) до наступления конечной точки, например, изменения окраски индикатора. Количество основания (или кислоты), содержащееся в исследуемом растворе, вычисляют по объему стандартного раствора кислоты (или основания), израсходованного на нейтрализацию определенного объема раствора анализируемого образца или навески исследуемого продукта.

2.4. Определение плотности веществ

Плотность однородного вещества ρ – это физическая величина, равная отношению массы m вещества к занимаемому им объему V. Единицей плотности в Международной системе единиц (СИ) является килограмм на кубический метр.

Относительная плотность вещества – величина, равная отношению его плотности к плотности некоторого другого вещества при определенных физических условиях. Относительная плотность – безразмерная величина.

Плотность сплошного твердого вещества (например, металла) можно определить, изготовив из него предмет правильной формы. Разделив массу предмета на его объем, рассчитанный по формулам стереометрии, получают плотность образца.

Плотность жидкости или раствора обычно измеряют при помощи ареометров, и пикнометров.

40

Ареометры (денсиметры) представляет собой стеклянную трубку, расширенная (нижняя) часть которой заполнена балластом — чистой и сухой металлической дробью, залитой слоем смолы (рис. 29). Балласт нужен для понижения центра тяжести ареометра, чтобы последний при погружении в жидкость плавал в строго вертикальном положении и находился при этом в устойчивом равновесии.

Рис. 29. Ареометры.

В верхней части ареометра нанесена шкала, соответствующая плотности жидкости. Чем меньше плотность жидкости, тем глубже погружается в нее ареометр, поэтому верхние деления шкалы соответствуют наименьшей, а нижние — наибольшей плотности. Отсчет показаний производится по нижнему краю мениска.

Стеклянные ареометры общего назначения, предназначаемые для измерения плотности жидкости, выпускаются со шкалами, градуированными в единицах плотности, а ареометры для измерения содержания веществ в двухкомпонентных растворах — со шкалами, градуированными в процентах растворенного вещества (например, по объему этилового спирта). Выпускаются также ареометры специального назначения: для нефти, для морской воды, молока.

Пикнометры (рис. 30) – это стеклянные тонкостенные сосуды с меткой на горловине (подобны мерной колбе) или с капиллярным отверстием в пробке, закрывающей горловину пикнометра. Ими можно определять плотность газов жидкостей и твердых сплошных или сыпучих веществ.

При выполнении определения плотности вначале взвешивают пустой пикнометр. Далее пикнометр заполняют исследуемой жидкостью или раствором до метки, удалив капли вещества со стенки выше метки полоской фильтровальной бумаги, и взвешивают. Разность масс заполненного и пустого пикнометра представляет собой массу раствора. Потом пикнометр освобождают от жидкости или раствора и заполняют водой до метки,