Книги / Аналитическая химия

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б. Н. ЕЛЬЦИНА

ХИМИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ

МЕТОДЫ АНАЛИЗА

Сборник задач

Рекомендовано методическим советом УрФУ в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся

по программе бакалавриата по направлениям подготовки

18.03.01«Химическая технология»,

18.03.02«Энерго- и ресурсосберегающие процессы

вхимической технологии, нефтехимии и биотехнологии», 19.03.01 «Биотехнология», 20.03.01 «Техносферная безопасность»,

22.03.01«Материаловедение и технологии материалов»,

22.03.02«Металлургия»

Екатеринбург Издательство Уральского университета

2016

УДК 543.06(076.1) ББК 24.4я73-4 Х463

А в т о р ы:

В. И. Кочеров, С. Ю. Сараева, И. С. Алямовская, Н. Е. Дариенко, Е. Л. Герасимова, Н. Н. Малышева

Под общей редакцией С. Ю. Сараевой

Р е ц е н з е н т ы: кафедра физики и химии

Уральского государственного экономического университета (заведующий кафедрой доктор химических наук, профессор Н. Ю. Стожко); Г. В. Харина, кандидат химических наук, доцент

(Российский государственныйпрофессионально-педагогический университет)

Н а у ч н ы й р е д а к т о р А. И. Матерн, доктор химических наук, профессор

Химические и физико-химическиеметоды анализа : сб. задач : Х463 [учеб. пособие] / [В. И. Кочеров и др. ; под общ. ред. С. Ю. Сарае- вой];М-вообразованияинаукиРос.Федерации,Урал.федер. ун-т.—

Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2016. — 208 с.

ISBN 978-5-7996-1860-5

В учебном пособии кратко изложены основные положения химических (гравиметрия и титриметрия) и инструментальных (потенциометрия, кулонометрия, вольтамперометрия, молекулярно-абсорбционная спектроскопия, ААС, АЭС, РСА) методов анализа, даны термины и определения, основные расчетные формулы и уравнения реакций. Приведены примеры решения задач и предложены типовые задачи для самостоятельной подготовки студентов по дисциплинам «Аналитическая химия», «Физико-химические методы анализа», «Фи- зико-химические методы контроля среды обитания», «Аналитическая химия и инструментальные методы анализа», «Методы контроля и анализа веществ».

Для студентов Химико-технологического института, Института материаловедения и металлургии и Института фундаментального образования УрФУ.

УДК 543.06(076.1) ББК 24.4я73-4

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

ААС — атомно-абсорбционная спектроскопия АВ — анализируемое вещество АС — аналитический сигнал

АЭС — атомно-эмиссионная спектроскопия ВА — вольтамперометрия ВФ — весовая форма ВЭ — водородный электрод

ИВА — инверсионная вольтамперометрия ИК — инфракрасное (излучение)

ИСЭ — ионо-селективный электрод конц. — концентрированная (кислота) КСТ — конец скачка титрования КТТ — конечная точка титрования КЭ — каломельный электрод

МАС — молекулярно-абсорбционная спектроскопия Ме — металл НКЭ — насыщенный каломельный электрод

НСТ — начало скачка титрования н. у. — нормальные условия ОВ — определяемое вещество

О-В — окислительно-восстановительное (титрование) ОВР — окислительно-восстановительная реакция ОЖ — общая жесткость воды отн. — относительно ОФ — осаждаемая форма

ПР — произведение растворимости РАС — рентгеновская абсорбционная спектроскопия РКЭ — ртутный капающий электрод

4

РО — реагент-осадитель РСА — рентгеноспектральный анализ РЭ — рабочий электрод

СВЭ — стандартный водородный электрод СтЭ — стеклянный электрод ТЭ — точка эквивалентности УФ — ультрафиолетовое

ФХМА— физико-химические методы анализа ХГЭ — хингидронный электрод ХСЭ — хлоридсеребряный электрод

ЭДС — электродвижущая сила (гальванического элемента) ЭДТА —этилендиаминтетраацетат натрия ЭДТУ — этилендиаминтетрауксусная кислота ЭМА — электрохимические методы анализа ЭС — электрод сравнения

а— активность, моль/дм3

А— оптическая плотность

А— единица измерения длины волны (1 А = 10–10 м) с — скорость света в вакууме (3 108 м/с)

С — молярная концентрация, моль/дм3

С1 — молярная концентрация эквивалента, моль/дм3

2

Е— потенциал, В (в О-В титровании и потенциометрии)

5

h— постоянная Планка (6,626 10–34 Дж с, в спектральных методах)

l— длина оптического пути, см

m— масса, г, мг, мкг

М— молярная масса вещества, г/моль

M1 — молярная масса эквивалента вещества, г/моль

2

n — число электронов

N — число импульсов излучения в секунду Р — парциальное давление, атм.

рН — показатель кислотности среды рТ — показатель титрования индикатора

Q— количество электричества, Кл

R—универсальнаягазоваяпостоянная(8,31Дж моль–1 К–1)

S— растворимость, г/дм3 (в гравиметрии)

S — почернение линии (в АЭС-анализе)

Т— температура в градусах Кельвина, K

Т— пропускание, б/разм. или % (в спектральных методах)

Т— титр раствора, г/см3 (способ выражения концентрации)

6

ПРЕДИСЛОВИЕ

Решениезадачна вычислениерезультатованалитическихопределений составляетнеотъемлемуючастьучебногопроцессаприизучении аналитической химии, посколькуявляетсяважнейшей предпосылкой закрепления теоретических основ того или иного метода анализа. Успешноерешениезадач возможнолишь при осознанном восприятии теоретических принципов метода анализа.

Вучебном пособии представлены задачи, отражающие методы анализа, изучение которых предусмотрено программами учебных дисциплин «Аналитическая химия», «Физико-химические методы анализа», «Физико-химическиеметодыконтролясредыобитания», «Аналитическаяхимияиинструментальныеметодыанализа», «Методы контроля и анализа веществ» для студентов технологических специальностейХимико-технологическогоинститута,Институтама- териаловеденияи металлургии,Института фундаментальногообразования УрФУ.

Впервом разделе рассмотрены основные способы выражения концентрации, формулы, законы и термины, которые используются в следующих разделах пособия.

Враздел«Химическиеметодыанализа»помещенызадачипогра- виметрииититриметрическимметодаманализа:кислотно-основно- му, окислительно-восстановительному и комплексонометрическому титрованию. В разделе «Физико-химические методы анализа» отражены электрохимические методы (потенциометрия, кулонометрия, вольтамперометрия);молекулярно-абсорбционный анализ; атомно-абсорбционный,атомно-эмиссионныйирентгеноспектраль- ный анализ.

Внастоящемпособии подробнорассматриваютсяобщиепринципы и приемы вычислений результатов аналитических определений. Вхимическихи в некоторыхфизико-химическихметодахана-

8

литическиерасчеты облегчает составлениехимическихуравнений реакций в ионном или ионно-электронном виде. Следует иметь в виду, что стехиометрия присутствует на всех этапах эксперимента, и вещества реагируют между собой в строго эквивалентном соотношении. Применение вычислений справедливо для необратимых реакций, т. е. для реакций, идущих практически до конца. Для обратимых реакций в расчетах используется константа равновесия реакции.

Делать промежуточные вычисления масс реагирующих веществ нет никакой необходимости. Классический пример — определение содержания СаСО3 методом перманганатометрического титрования. Вэтом случаепробурастворяютв кислоте, ионыкальция осаждают оксалатом аммония, и послефильтрации и промывки оксалат кальция растворяютв серной кислоте. Сульфаткальция выпадает в осадок, а в растворе появляется щавелевая кислота в количестве, эквивалентном содержанию кальция.

CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2CO3 (растворение CaCO3),

CaCl2 + (NH4)2C2O4 = CaC2O4 + 2NH4Cl(осаждение CaC2O4),

CaC2O4 +H2SO4 =CaSO4 +H2C2O4 (переводврастворH2C2O4).

Щавелевую кислотутитруют стандартным раствором перманганата калия:

5H2C2O4 + 2KMnO4 + 3H2SO4 = = 10CO2 + 2MnSO4 + K2SO4 + 8H2O.

Уравнение титрования целесообразней записывать в ионном виде:

5С2О42– + 2MnO4– + 16H+ 10CO2 + 2Mn2+ + 8H2O.

Количественноесоотношениеионов кальцияи оксалата в соли СаС2О4 равно1:1, нооксалат-ион приреакцииотдаетперманганату два электрона, следовательно, молярныемассы эквивалентов оксалата и карбоната кальция равны их молекулярным массам, деленным на 2. Вычисление массы карбоната кальция проводят непосредственно по формуле, применяемой при прямом титровании.

9