К исходным веществам для приготовления титрованных растворов предъявляются определенные требования: чистота, постоянство состава, устойчивость, большая величина молярной массы эквивалента.
Если вещество удовлетворяет этим требованиям, раствор титранта готовят по точной навеске, взятой на аналитических весах с точностью до четвертого знака, точная концентрация такого раствора устанавливается в процессе приготовления.
Если вещество не удовлетворяет указанным требованиям, то отвешивают на технических весах приблизительную навеску вещества, на 5-10% больше теоретической. Точную концентрацию такого раствора устанавливают по навеске или раствору стандартного вещества
При приготовлении растворов некоторых кислот (серной, хлороводородной) необходимо учитывать, что концентрированные растворы кислот не являются 100%-ными, а содержат воду, объемы таких растворов, используемых для приготовления титрованных растворов, отмеривают мерными цилиндрами (приблизительный объем).
Алгоритм решения
Решалка 4 .Как найти массу тела
1. Для расчета навески вещества необходимо знать фактор эквивалентности, молярную массу эквивалента вещества, концентрацию и заданный объем титрованного раствора.
2. Вычислить титр раствора по заданной концентрации:
Если требуемая концентрация раствора неизвестна, то ее рассчитывают из других данных условия задачи: из величины титра данного раствора по какому-либо веществу
3. Титр раствора показывает массу исходного вещества в 1 см 3 раствора, поэтому для вычисления навески этого вещества нужно вычислить массу вещества в заданном объеме раствора
Пример. 6. Какую навеску КОН, содержащего 10% индифферентных примесей, следует взять для приготовления 800 см 3 0,2000 моль/дм 3 раствора?
1. fЭ(КОН) = 1, следовательно, MЭ(КОН) = МКОН = 56,11 г/моль
3. Рассчитывают навеску чистого КОН
аКОН = 0,01122 × 800 = 8,9722 г
4. Вычисляют навеску КОН, необходимую для приготовления титрованного раствора, с учетом содержащихся в веществе примесей:
100 – 10 = 90% чистого КОН содержится в исходном веществе, тогда:
а = 8,9722 × 100 / 90 = 9,9777 г
Расчет концентраций и объемов при приготовлении титрованных растворов
Пример 7. Рассчитать объем, в котором надо растворить навеску Ba(OH)2 массой 0,8567, чтобы получить раствор с молярной концентрацией эквивалента 0,1000 моль/дм 3 .
Расчет концентраций и объемов стандартизованных (установленных) титрованных растворов по результатам титрования
В основе решения задач такого типа лежит закон эквивалентов, из которого вытекает основное уравнение титриметрии:
Зная значения трех величин из этих уравнений из результатов титрования, всегда можно рассчитать четвертую.
Способ пипетирования – способ установления точной концентрации раствора, приготовленного по приблизительной навеске вещества. Аликвотную часть стандартного раствора известной концентрации титруют устанавливаемым рабочим раствором (или наоборот).
Алгоритм решения
Молярная масса. 8 класс.
1. Записать уравнение реакции, лежащей в основе определения.
2. Записать основное уравнение титриметрии, применительно к реагирующим веществам, проставляя в него известные величины. При необходимости проводят дополнительные вычисления некоторых значений.
3. Рассчитать искомую величину по данному уравнению.
4. Вычислить далее другие необходимые по условию задачи величины по соответствующим формулам.
Пример 8. Вычислить СЭ, Т и КП раствора КОН по 0,1000 моль/дм 3 раствору Н2SO4, если на 10,00 см 3 раствора КОН расходуется 12,00 см 3 этого раствора H2SO4.
МЭКОН = fЭ × МКОН = 1 × 56,11 = 56,11 г/моль
Расчет массового содержания определяемого вещества в анализируемом образце
Алгоритм решения
1. Записать уравнение реакции, лежащей в основе определения.
2. Установить вариант и способ титрования, фактор эквивалентности и молярную массу эквивалента определяемого вещества.
3. Вычислить титр раствора по определяемому веществу.
5. При необходимости перед расчетом массового содержания провести дополнительные вычисления определенных величин, исходя из условия задачи.
Пример 9. Вычислить массу КОН, содержащегося в навеске, если на ее титрование было израсходовано 19,44 см 3 раствора H2SO4 с молярной концентрацией эквивалента 0,1410 моль/дм 3 .
2. Прямое титрование, способ отдельных навесок, fЭ (КОН) = 1,
МЭ(КОН)=56,11 г/моль
Расчет массовой доли (w%) определяемого вещества в анализируемом образце
Алгоритм решения
Действия 1-5 таких типовых задач провести аналогично приведенному выше алгоритму.
6. Далее, принимая исходную навеску за 100%, составить пропорцию:
Q – (w%) (w%) = Q × 100 / а
Основные формулы, используемые в физической и коллоидной химии
и примеры решения задач
Раздел II. Физическая химия
Тема. Основные понятия и законы термодинамики и термохимии
Зная основные законы термодинамики и термохимии, студенты должны уметь производить термодинамические расчеты.
При хранении муки моносахариды медленно окисляются кислородом воздуха с выделением тепла. Найдите тепловой эффект реакции, если теплоты образования равны: DНобр.СО2 = –393,6 кДж/моль,
| = –285,9 кДж/моль = –393,6 кДж/моль = –1272,45 кДж/моль | С6Н12О6+6О2 ® 6СО2 + 6Н2О DН = åDНобр кон – åDНобр нач DН = [(6´(–393,6)+6´(–285,9)] – – (–1272,45)=2794,56 кДж |
Ответ: тепловой эффект реакции окисления муки равен – 2794,56 кДж.
Источник: infopedia.su
Примеры расчетов в титриметрии
В основе вычислений лежит следующий принцип: вещества реагируют друг с другом всегда в эквивалентных количествах. Так, в кислотно-основном титровании до точки эквивалентности всегда расходуется одинаковое число эквивалентов кислоты и основания. Следовательно, при одинаковой молярной концентрации эквивалентов сэк реагирующих веществ реакции идут между их равными объемами. Например, на титрование 10 мл 0,1 н раствора любой кислоты расходуется такой же объем 0,1 н раствора любой щелочи.
Расчет массы навески стандартного вещества для приготовления титранта. Массу навески m(В) стандартного вещества В, необходимую для получения раствора с заданной молярной концентрацией эквивалентов сэк (В), рассчитывают по формуле:
m(В) = сэк(В) × Mэк(В)×Vр,
где Mэк(В) – молярная масса эквивалентов стандартного вещества В, г/моль; Vр – объем раствора, л.
Пример. Приготовить 100 мл 0,1 н раствора карбоната натрия Na2CO3.
Дано: сэк(Na2CO3) = 0,1н; Vр = 100мл. Найти массу карбоната натрия.
Решение. 1). Вычисляют молярную массу эквивалентов карбоната натрия
zэк– эквивалентное число, равно 2.
2). Находят массу навески:
m(Na2CO3) = 0,1×52,9950×0,1 = 0,52995 = 0,5300 г.
Вычисление результатов титриметрических определений. Результаты анализа в титриметрии вычисляют различными способами.
1. Вычисление результатов при выражении концентрации раствора через титр по определяемому веществу. Заводские и агрохимические лаборатории используют этот способ при массовых определениях одного и того же элемента в большом количестве проб.
Дано: V(HCl) = 15мл; Т(HCl) = 0,003647 г/мл. Найти массу гидроксида калия.
Решение.
1). Находим титр кислоты HCl по гидроксиду калия:
2). Находим массу гидроксида калия в анализируемом растворе:
m(КОН) = 0,005611 × 15 = 0,08417 г.
2. Вычисление результатов при титровании по объемному методу (пипетирование). При этом используют уравнение (2): сэк(Х) ·V(Х) = сэк(Т) ·V(T).
Пример. В мерную колбу вместимостью 100 мл перенесли 0,6504 г, растворили и довели объем раствора водой до метки. Пипеткой брали по 10,00 мл полученного раствора и титровали 0,1026 н раствором гидроксида натрия, расход которого в среднем составил 9,85 мл. Определите массовую долю (%) H2C2O4 × 2H2O в технической щавелевой кислоте.
Дано: Vр = 100мл; m технич. щавелевой кислоты = 0,6504 г; V(H2C2O4 × 2H2O) = 10,00; V(NаОН) = 9,85мл; сэк(NаОН) = 0,1026н. Найти массовую долю (%) H2C2O4 × 2H2O в технической щавелевой кислоте.
Решение. 1). Вычисляют концентрацию раствора щавелевой кислоты по уравнению (2):
2).Находят массу H2C2O4 × 2H2O в 0,1 л раствора. При этом исходят из того, что щавелевая кислота превращается в Na2C2O4, следовательно, молярная масса эквивалентов ее равна 1 /2 молярной массы, т. е. Мэк (H2C2O4 × ·2H2O) =126,06:2 = 63,03 г/моль. Поэтому:
где Vр – общий объем раствора щавелевой кислоты, л.
3).Определяют массовую долю (%) H2C2O4 × 2H2O в технической щавелевой кислоте:
Лабораторная работа
Источник: studopedia.ru
Количественный анализ. Титриметрический метод
Название „титриметрические” связано со словом титр, обозначающим концентрацию раствора (масса вещества в 1 см 3 раствора). Ранее более распространенным было название объемные методы анализа. Сейчас под объемным анализом понимают совокупность методов анализа, основанных на измерении объема жидкой, газовой или твердой фаз.
1. Определение и классификация методов объёмного анализа
Титриметрический (объёмный) метод анализа основан на регистрации объёма реагента, расходуемого на реакцию с определяемым веществом.
Титриметрические методы анализа подразделяют по типу реакции, лежащей в основе метода на четыре большие группы.
1. Протолитометрия
Методы кислотно-основного титрования основаны на протолитической реакции в водном растворе:
В соответствии с природой титранта (реагента) методы протолитометрии делят на:
- ацидометрию (титрант кислота);
- алкалиметрию (титрант щелочь).
Например, определение титра раствора соляной кислоты, раствора гидроксида калия, титруемой кислотности молока, определение кислотности хлеба и т.д.
2. Редоксометрия
Методы окислительно-восстановительного титрования основаны на реакциях, протекающих с изменением степеней окисления реагирующих веществ. Вещество может существовать в двух формах — окисленной (Ox) и восстановленной (Red), которые образуют сопряженную редокс — пару. В растворе протекает окислительно-восстановительная реакция:
| Ox1 + е → Red1 | │восстановление |
| Red2— е → Ox2 | │окисление |
Методы редоксометрии классифицируют в зависимости от названия титранта:
- Перманганатометрия (титрант КMnO4);
- Иодометрия (титрант J2, Na2S2O3);
- Дихроматометрия (титрант K2Cr2O7);
- Броматометрия (титрант KBrO3);
- Аскорбинометрия (титрант вит.С).
Например, определение содержания железа (II и III) в питьевой воде, остаточного хлора в воде, витамина С в фруктовых соках и т.д.
3. Комплексонометрия
Метод анализа основан на взаимодействии ионов металлов с моно- или полидентантными лигандами с образованием комплексных соединений.
К пробе добавляют индикатор. Раствор приобретает винно-красную окраску вследствие образования комплекса металла с индикатором:
| Me 2+ + HInd 2- | ↔ [Me Hind ] — + H + |
| Синий | Винно-красный |
Окрашенный раствор титруют раствором комплексона III (HY 3- ). Комплекс металла с индикатором разрушается вследствие образования комплексоната металла. Окраска раствора становится синий благодаря выделению индикатора в свободном виде, например:
| [Me HInd ] — + HY 3- ↔ | [MeY] 2- + Hind 2- |
| Винно-красный | Синий |
Например, определение жесткости воды, содержания кальция и магния в различных средах.
4. Осадительный анализ (седиметрия)
Метод анализа основан на реакциях осаждения определяемого компонента пробы. Согласно вида титранта различают следующие методы:
- Аргентометрия (титрант AgNO3);
- Роданометрия (титрант NH4SCN — роданид аммония);
- Меркурометрия (титрант Hg2Cl2);
- Сульфатометрия (титрант H2SO4).
Например, определение хлоридов в колбасных изделиях.
2. Основные положения титриметрии
Принцип титриметрического анализа:
титриметрические методы анализа основаны на регистрации массы реагента, расходуемого на реакцию с определяемым веществом.
В основе проведения объёмного анализа лежит закон эквивалентов:
химические элементы и их соединения вступают в химические реакции друг с другом в строго определенных массовых количествах, соответствующих их химическим эквивалентам: m1 / m2 = Э1 / Э2
Реагент (титрант) добавляют к анализируемому раствору либо в твердом виде (порошок, таблетки, бумага, пропитанная реагентом), либо чаще всего в виде раствора с точно известной концентрацией реагента. Можно измерять массу израсходованного титранта, взвешивая сосуд с исследуемым раствором и добавляемым реагентом (гравиметрическое титрование), или объем титранта, пошедший на титрование. В последнем случае массу титранта выражают через его объем по формулам:
где T— титр раствора титранта, г/см 3 ;
V— объем раствора титранта, см 3 ;
Сн — нормальная концентрация раствора титранта, моль/дм ;
Э — эквивалент титранта, г/моль.
Титрант добавляют к точно отмеренному объему анализируемого раствора небольшими порциями. После добавления каждой новой порции титранта в системе, описываемой уравнением химической реакции, устанавливается равновесие, например:
где А — анализируемое вещество;
n, m — стехиометрические коэффициенты.
По мере протекания реакции равновесные концентрации определяемого вещества и титранта уменьшаются, а равновесные концентрации продуктов реакции увеличиваются. Когда будет израсходовано количество титранта, эквивалентное количеству титруемого вещества, реакция закончится. Этот момент называется точкой эквивалентности, которая описывается соотношением:
В точке эквивалентности произведение нормальности первого раствора на его объём равен произведению нормальности второго раствора на его объём. На практике фиксируют точку конца реакции, которая с какой-то степенью приближения соответствует точке эквивалентности. В химических методах анализа ее фиксируют визуально по заметному аналитическому эффекту (изменению окраски раствора, выпадению осадка), вызываемому каким-либо из исходных соединений, продуктов реакции или специально введенных в систему веществ — индикаторов. В физико-химических методах анализа конечную точку определяют по резкому изменению измеряемого физического параметра — рН, потенциала, электрической проводимости и т. д.
Преимущества титриметрических методов анализа: быстрота определения и простота используемого оборудования, что особенно удобно при проведении серийных анализов. Порог чувствительности этих методов порядка 10 -3 моль/дм 3 , или 0,10%; правильность ~0,5% (отн.). Эти цифры зависят от чувствительности применяемых индикаторов и концентрации реагирующих растворов.
3. Стандартные растворы
Процесс любого измерения заключается в сравнении выбранного параметра объекта с аналогичным параметром эталона. В титриметрических анализах эталонами служат растворы с точно известной концентрацией (титром, нормальностью). Такие растворы называют стандартными (титрованными). Их можно приготовить несколькими способами:
- 1) по точной навеске исходного вещества;
- 2) по приблизительной навеске с последующим определением концентрации по первичному стандарту;
- 3) разбавлением заранее приготовленного раствора с известной концентрацией;
- 4) из фиксанала.
Рассмотрим способы приготовления стандартных растворов.
1) Приготовление титрованного раствора по точной навеске стандартного вещества. Рассчитывают массу навески стандартного вещества, необходимую для приготовления раствора заданной концентрации в заданном объеме раствора. Массу навески вещества, взятую на аналитических весах с точностью 0,0002 г, количественно (полностью) переносят в мерную колбу заданной вместимости, растворяют в небольшом объёме воды, доводят до метки дистиллированной водой.
В первом способе в качестве исходных веществ можно применять только химически чистые устойчивые соединения, точно известного состава, отвечающие следующим требованиям:
- 1. Содержание основного вещества в стандарте должно быть известно с точностью до 0,1% и составлять 99,8—99,9%. Предпочтительно его 100%-ная чистота (маркировка х.ч.а. или х.ч.).
- 2. Устойчивость на воздухе, растворы стандарта не должны изменять титра при хранении.
- 3. Большая молекулярная масса, чтобы ошибки взвешивания были сведены к минимуму.
- 4. Хорошая растворимость, быстрая реакция с раствором вещества, концентрацию которого определяют.
- 5. Эквивалентная точка должна определяться точно и четко.
Соединения, удовлетворяющие этим требованиям, называют стандартными исходными веществами или нормалями для установки титра других рабочих растворов. Примеры стандартных веществ: щавелевая кислота (H2C2O4•2H2O), тетраборат натрия (Na2B4O7•10H2O), карбонат натрия (Na2CO3), хлорид натрия (NaCl).
Задача: Рассчитайте массу навески для приготовления децинормального раствора 250,0 мл щавелевой кислоты (H2C2O4•2H2O).
Расчёт: 1. Рассчитаем массу навески по формуле: m = Сн.•Э•V
Найдем эквивалентную массу щавелевой кислоты по формуле:
3. Вычислим массу кислоты: m = 0,1•63•0,25=1,5750 г
2) Приготовление рабочего раствора по неточной навеске (KOH, NaOH, Na2S2O3). При этом нет необходимости отбирать точную навеску вещества, так как при всей тщательности взвешивания из таких веществ нельзя получить раствор с точной концентрацией. Поэтому для приготовления рабочих растворов навеску взвешивают на технических весах и применяют неточную мерную посуду. Для стандартизации рабочего раствора его титруют другим стандартным раствором.
Растворы, титр которых находят не по точной навеске, а устанавливают по тому или иному стандартному веществу, называют стандартизированными или растворами с установленным титром.
Так, нормальность раствора гидроксида натрия и перманганата натрия устанавливают по стандартному раствору щавелевой кислоты, а нормальность соляной кислоты — по исходному раствору тетрабората натрия.
Задача: Определите нормальность раствора KMnO4, если на титрование 10,0 мл его раствора было израсходовано 12,5 мл 0,1 н. раствора щавелевой кислоты.
Для определения нормальности раствора KMnO4 по итогам титрования используем уравнение титрования:
Н KMnO4= 12,5 · 0,1/ 10,0 = 0,1250 моль/л
3) Приготовление рабочего раствора разбавлением более концентрированного раствора (HCl, H2SO4, HNO3).
Задача: Необходимо приготовить 500 мл раствора гидроксида натрия с молярной концентрацией эквивалента 0,1 н. из раствора щелочи с массовой долей 13,28%, плотностью p=1,145 г/см 3 .
1. Рассчитаем массу (г) NaOH в 500 мл раствора при нормальной концентрации 0,1 н. по формуле:
m = Сн. •Э • V m = 0,1• 40 • 0,5 = 2,0 г
- Вычислим массу раствора NaOH с массовой долей 13,28%, в котором содержится 2,0 г NaOH из пропорции:
m = 2•100 / 13,28 = 15,1 г
З. С учётом плотности раствора рассчитаем его объём:
V= 15,1 / 1,145 = 13,2 мл.
Мерной пипеткой отбирают 13,2 мл концентрированного раствора щелочи, переносят в мерную колбу на 500 мл и разбавляют дистиллированной водой до требуемого объёма.
Задача: Нужно приготовить 0,02 н. раствор серной кислоты 500 мл из 0,1 н. раствора кислоты.
1. Определим массу серной кислоты в 0,02 н. растворе 500 мл.
m = 0,02•49•0,5 = 0,49 г.
2.Вычислим объём исходного раствора серной кислоты, в котором содержится 0,49 г кислоты.
V= m / Сн.· Э = 0,49 / 49 •0,1 = 0,1 л
Для приготовления раствора нужно 100 мл 0,1 н. раствора серной кислоты перенести в мерную колбу на 500 мл и разбавить дистиллированной водой до метки.
Определим объём исходного раствора по формуле:
V= 0,02 • 0,5 / 0,1= 0,1л
Установление титров растворов — стандартизация — может быть осуществлено гравиметрическим и объемным методами. В последнем методе титр устанавливается быстрее, поэтому он в основном и используется. Точную навеску первичного стандарта (метод отдельных навесок) или раствор первичного стандарта (метод пипетирования) титруют стандартизируемым раствором. Правильность установки титра проверяют вычислением систематической ошибки установки титра.
4)Приготовление титрованного раствора из фиксанала.
Фиксанал — запаянная ампула, в которой находится точно известное количество вещества или раствора (0,1 моль·экв).
Содержимое ампулы количественно переводят в мерную колбу заданного объема, разбивая ампулу о вложенный в воронку боек, вторым бойком разбивают верхнее углубление ампулы, с помощью промывалки через отверстие тщательно промывают ампулу. Для промывки рекомендуется не менее, чем 6-кратный объем воды (по сравнению с вместимостью ампулы). Раствор доводят до метки дистиллированной водой и перемешивают. Из фиксанала готовят как стандартные, так и рабочие растворы. Это быстрый и достаточно точный способ приготовления титрованных растворов.
Для каждого титриметрического метода разработаны методики стандартизации применяемых титрантов, даются рекомендации по выбору первичных стандартов. Необходимо помнить, что характеристики стандартных растворов должны быть определены с необходимой точностью. Титр, молярность и нормальность определяют до четвертой значащей цифры, не считая нулей после запятой (например, TNaOH = 0,004014 г/см 3 ; СKMnO4 = 0,04995 н.).
Задача: Вычислите объём 0,02 н. раствора НСl, который можно приготовить из фиксанала (0,1 моль-экв).
Определим степень разбавления, для этого исходную концентрацию делим на искомую:
Для приготовления 0,02 н. раствора НСl необходимо фиксанал количественно перенести в мерную колбу на 5 литров и объём раствора довести дист. водой до метки.
Определим объём раствора по формуле:
Источник: farmf.ru
Выбор величины навески
Навеской называют массу вещества, необходимую для выполнения анализа. Как правило, чем больше навеска, тем выше и относительная точность определения. Однако работа с большой навеской имеет свои отрицательные стороны: получающийся при этом большой осадок трудно отфильтровать, промыть или прокалить, анализ занимает много времени. Наоборот, при слишком малой навеске ошибки взвешиваний и других операций, неизбежные при анализе, значительно снижают точность определения. Таким образом, выбор величины навески анализируемого вещества определяется массой осадка, наиболее удобной в работе. Например, на бумажном фильтре диаметром
7 см можно легко отфильтровать 0,5 г кристаллического сульфата бария BaS04, но с такой же массой аморфных, студенистых осадков гидроксидов Fe(OH)3, А1(ОН)3 или H2Si03-nH20 работать чрезвычайно трудно.
Какую навеску хлорида бария ВаС1 • 2Н20 нужно взять для определения содержания в нем бария?
Исходные данные: формула осадка BaS04; норма кристаллического осадка 0,5 г.
Решение. Составим уравнение реакции и используем понятие «количество вещества (п)»:
Из уравнения реакции следует:
1 моль хлорида бария образует 1 моль BaS04. Зная количество вещества (гг), легко найти массу его по формуле
где М — молярная масса, г/моль.
Количество вещества хлорида бария будет равно количеству вещества сульфата бария. Вычислим количество вещества BaS04:
Итак, для анализа следует взять 0,5—0,6 г ВаС12-2Н20.
Иногда, выбирая навеску, учитывают необходимую точность определения и возможные потери из-за растворимости осадка.
Выбор навески зависит еще от метода, с помощью которого будет выполняться определение (макро-, полумикро- или микроанализ). Мы рассмотрели случай выбора навески при макроанализе.
При определениях, не связанных с получением осадка, например при изучении влажности или зольности различных материалов, допустимы навески в 1,0—2,0 г, а иногда и больше.
Поскольку взвешивание на аналитических весах довольно длительно, приблизительную навеску исследуемого вещества берут сначала на технохимических весах, а затем точно взвешивают на аналитических. Навески порошкообразных веществ удобно брать в маленькой пробирке с пробкой. На часовом стекле взвешивают только те вещества, которые не выделяют паров и не поглощают составных частей воздуха. В противном случае вещество взвешивают в специальном стаканчике — бюксе.
Техника взятия навески различна. В одних случаях точно взвешивают часовое стекло, помещают на него приблизительно необходимую массу вещества и снова взвешивают. По разности двух взвешиваний находят величину навески.
В других случаях помещают на часовое стекло (в пробирку или в бюкс) массу вещества, достаточную для взятия нескольких навесок, и взвешивают. Затем отсыпают порцию вещества в стакан и снова взвешивают стекло с остатком вещества. Разность между первым и вторым взвешиванием дает величину навески. Последний способ удобен, когда требуется взять несколько навесок анализируемого вещества подряд.
Источник: studme.org