Модуль 3. ХИМИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В РАСТВОРАХ

Работа 10. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРА ТИТРИМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Цель работы — приготовление раствора и определение его точной концентрации методом кислотно-основного титрования.

Теоретическая часть

Раствором называют гомогенную часть системы, содержащую два и более компонентов. Растворы бывают газообразные, жидкие и твердые. Растворителем принято считать компонент, агрегатное состояние которого соответствует агрегатному состоянию раствора, все остальные компоненты называют растворенными веществами. Наибольшее практическое значение имеют водные растворы, в которых растворителем является вода.

Состав раствора, т. е. содержание растворенного вещества и растворителя, может выражаться в единицах массы, объема или молях. Различают массовые, объемные и безразмерные концентрации.

Массовые концентрации относятся к массе раствора или растворителя, они не изменяются при нагревании раствора.

1. Массовая доля компонента ωi — отношение массы i-го компонента mi к массе раствора mр = Σmi, которую можно представить в виде произведения объема раствора V на его плотность ρ; безразмерная величина, принимающая значения от 0 до 1 или от 0 до 100 %:

76

ωi = mi = mi . Σmi Vρ

Моляльная концентрация раствора, или моляльность, Сm определяется количеством молей растворенного вещества n, приходящихся на 1 кг растворителя, моль/кг:

где m — масса растворенного вещества, г; М — молярная масса растворенного вещества, г/моль; ms — масса растворителя, кг.

Объемные концентрации относятся к объему раствора, они изменяются при нагревании раствора.

Молярная концентрация растворенного вещества, или молярность, С определяется количеством молей растворенного вещества n в 1 л раствора. Ее часто обозначают М, например, запись 0,5 М HCl означает, что в 1 л раствора соляной кислоты содержится 0,5 моль HCl:

где V — объем раствора, л; m — масса растворенного вещества, г; М — молярная масса растворенного вещества, г/моль.

Молярная концентрация эквивалента растворенного вещества, или нормальная концентрация, или нормальность, С экв определяется количеством молей эквивалентов растворенного вещества nэкв в 1 л раствора, моль/л. Ее часто обозначают н, например, запись 0,05 н HCl означает, что в 1 л раствора соляной кислоты содержится 0,05 моль эквивалентов HCl:

где Мэкв — молярная масса эквивалента растворенного вещества, г/моль экв; Z — число эквивалентности растворенного вещества; V — объем раствора, л; m — масса растворенного вещества, г; М — молярная масса растворенного вещества, г/моль.

77

Массовая концентрация Смасс определяется массой растворенного вещества m, содержащегося в 1 л раствора, г/л:

где V — объем раствора, л.

Молярная доля Хi компонента определяется отношением количества молей i-го компонента ni к сумме молей Σni всех компонентов, образующих раствор. Это безразмерная величина:

Xi = ni .

Σni

Количественный состав раствора может быть установлен различными методами, одним из которых является титриметрический, основанный на измерении объема раствора реагента точно известной концентрации, взаимодействующего с определяемым веществом. Раствор точно известной концентрации называют

стандартным раствором, или титрантом.

При определении концентраций кислот и оснований используют метод кислотно-основного титрования, в основе которого лежит реакция нейтрализации:

H+ + OH− Н2О

При прямом титровании к раствору анализируемого вещества неизвестной концентрации (пробе) добавляют небольшими порциями раствор титранта до достижения точки эквивалентности, которая свидетельствует о прекращении реакции, например по изменению окраски индикатора.

При нейтрализации сильного основания сильной кислотой, например по реакции

NaOH + HCl → NaCl + H2O,

образующаяся соль NaCl не подвергается гидролизу, и в точке эквивалентности раствор имеет нейтральную реакцию рН = 7. Момент наступления точки эквивалентности можно определить, фиксируя изменение окраски индикатора.

78

Индикаторы изменяют окраску при изменении концентрации ионов Н + или ОН– в растворе не скачкообразно, а в некотором интервале значений рН, составляющем примерно две единицы. Кроме интервала перехода окраски, индикаторы характеризуются показателем титрования рТ, определяющим значение рН, при котором наблюдается наиболее резкое изменение окраски индикатора. В табл. 10.1 приведены наиболее распространенные индикаторы, используемые в кислотно-основном титровании.

Таблица 10.1

Кислотно-основные индикаторы

Относительная систематическая погрешность кислотноосновного титрования зависит от выбора индикатора и для сильных кислот и оснований может быть рассчитана по уравнению

где [OH−], [H+], C — молярные концентрации ионов OH−, H+ и титруемого раствора основания или кислоты.

Например, при титровании раствора NaOH 0,01 н раствором HCl в присутствии фенолфталеина, для которого рТ = 9, относительная систематическая погрешность титрования составит

Расчет концентрации исследуемого раствора при титровании в соответствии с законом эквивалентов проводят по уравнению

79

где Сэкв1 и Сэкв2 — молярные концентрации эквивалента пробы 1 и титранта 2 соответственно, моль /л; V1 — объем пробы, л; V2 — объем титранта, израсходованный на титрование, л.

Практическая часть

В коническую колбу на 250 мл налейте 200 мл дистиллированной воды и опустите одну гранулу щелочи (щелочь руками не брать, только пинцетом!). Осторожно встряхивайте колбу с раствором до полного растворения гранулы. Обратите внимание на нагревание колбы при растворении твердой щелочи.

Разлейте раствор на две колбы по 100 мл, в каждую колбу добавьте две-три капли индикатора, в одну — метилового оранжевого, в другую — фенолфталеина. Отметьте окраску раствора щелочи в каждой колбе. Точную концентрацию раствора определяем методом кислотно-основного титрования стандартным раствором соляной или серной кислоты. Перед каждым титрованием определите начальное положение уровня кислоты в бюретке hн с точностью до 0,1 мл (при определении уровня глаза наблюдателя должны находиться на одном уровне с нижним краем мениска жидкости в бюретке), запишите значение hн в табл. 10.2.

Проводите титрование, подложив под колбу с раствором щелочи лист белой бумаги, держите колбу одной рукой, кран бюретки открывайте другой рукой, кислоту добавляйте небольшими порциями, раствор в колбе непрерывно перемешивайте круговыми движениями.

Момент окончания титрования определяется по моменту перехода желтой окраски в оранжевую (индикатор метиловый оранжевый) или исчезновению малиновой окраски (индикатор фенолфталеин). Обратите внимание, что правильно оттитрованный и перетитрованный раствор при использовании фенолфталеина бесцветны, при использовании метилового оранжевого перетитрованный раствор приобретает розовую окраску.

Титрование считается оконченным, если окраска правильно оттитрованного раствора не изменяется в течение 30 с.

Отметьте и запишите положение конечного уровня кислоты в бюретке hк в табл. 10.2.

80

Объем кислоты, израсходованной на титрование, равен разности V = (hн – hк), так как бюретка имеет поперечное сечение 1 см2.

Рассчитайте молярную концентрацию эквивалента приготовленного раствора щелочи для каждого индикатора, используя уравнение (10.2). Рассчитайте среднее значение молярной концентрации эквивалента приготовленного раствора щелочи и относи-

Экспериментальные и расчетные данные внесите в табл. 10.2.

Таблица 10.2

Экспериментальные и расчетные данные

средней экспериментальной погрешностью С. Напишите уравнение титриметрической реакции.

Вопросы для подготовки и защиты лабораторной работы

1.В воде растворили 2,61 г нитрата бария, объем раствора довели до 500 мл. Определите молярную концентрацию и молярную концентрацию эквивалента вещества в растворе.

2.Рассчитайте молярные доли спирта и воды в растворе этилового спирта с массовой долей 96 %.

3.В аптечном пузырьке емкостью 5 мл содержится спиртовой раствор йода с массовой долей 3%. Определите молярную концентрацию йода в растворе, если его плотность равна 0,95 г/мл.

81