Определение содержания щелочи в контрольном объеме раствора

I. Теоретическое обоснование работы

Для выполнения работы необходим титрованный раствор соляной кислоты (рабочий раствор), его готовят разбавлением концентрированной кислоты. HCl не отвечает требованиям, предъявляемым к исходным веществам и поэтому из нее нельзя по навеске приготовить раствор точной концентрации. Точную концентрацию соляной кислоты устанавливают по буре Na₂B₄O₇·10H₂O, которая отвечает требованиям к исходным веществам (см. 4, с. 215–219).

Дважды перекристаллизованная бура быстро и до конца взаимодействует с соляной кислотой по реакции, из которой видно, что молярная масса эквивалента буры равна ½ М_{(Na2B4O7·10H2O)} = 190,7 г/моль.

рН в эквивалентной точке будет определяться образовавшейся в результате реакции слабой борной кислотой:

pН = ½ рК_1(к-ты) - ½ lgС_(к-ты),

где рК_1(к-ты) - силовой показатель константы ионизации борной кислоты по первой ступени, равный 9,24;

С_(к-ты) - концентрация кислоты в точке эквивалентности, которую можно принять равной половине исходной концентрации буры, так как объем раствора в конце титрования в два раза больше затраченного раствора буры.

Допустим, что исходная концентрация буры равна 0,1н, тогда концентрация борной кислоты в эквивалентной точке будет равна 0,05 н , отсюда рН в эквивалентной точке будет равен:

рН = ½·9,24 - ½ lg5·10^-2 = 4,62 + 0,35 ≈ 5.

Так как область скачка величины рН на кривой титрования для этого случая располагается от 6 до 4, то титрование можно проводить в присутствии метилового оранжевого. С выбранным индикатором проводят титрование и на основании полученных данных вычисляют точную концентрацию рабочего раствора соляной кислоты. Используя этот рабочий раствор, можно определить массу щелочи в контрольном объеме.

2. Техника безопасности к работе № 1.

2.1. Все виды работы, связанные с приготовлением соляной кислоты из концентрированной, проводить в вытяжном шкафу, так как последняя дымит на воздухе и имеет резкий удушливый запах.

2.2. При попадании концентрированной кислоты на кожу необходимо хорошо промыть пораженное место струёй воды, затем 5 - 10% раствором питьевой соды.

2.3. Если кислота попала в глаза, то их нужно промыть большим количеством воды и обязательно обратиться к врачу.

2.4. При работе с мерной пипеткой для наполнения ее нужно пользоваться резиновой грушей, конец пипетки необходимо опускать глубоко в жидкость, чтобы не произошло засасывания ее в грушу.

3. План работы

Работа состоит из четырех частей:

3.1. Приготовление 200 мл децинормального 0,1 н раствора соляной кислоты из концентрированной.

3.1.1. Ареометром измерить плотность концентрированной кислоты ρ.

3.1.2. Найти с помощью таблицы или пересчитать молярность (она же нормальность) концентрированной соляной кислоты С_НС1.

3.1.3. Найти объем концентрированной соляной кислоты V¹_(НС1), необходимый для приготовления 200 мл 0,1 М раствора HCI по формуле

C(HCl)·V(HCl) = C¹(HCl)·V¹(HCl),

где С(НС1) и V(HCI) - молярная концентрация и объем разбавленной

кислоты.

3.1.4. Рассчитанный объем концентрированной соляной кислоты налить в пробирку с делениями с небольшим избытком в 0,1 - 0,3 мл.

3.1.5. В мерный стакан налить 200 мл дистиллированной воды, прилить туда отмеренный объем концентрированной соляной кислоты, перемешать стеклянной палочкой, перелить приготовленный раствор в колбу, закрыть пробкой и снабдить этикеткой.

3.2. Приготовление 100 мл 0,1 н. раствора буры точной

концентрации по навеске

3.2.1. Рассчитать навеску (m, г) буры, необходимую для приготовления 100 мл 0,1 н. раствора по формуле:

m _{(Na2B4O7·10H2O)} = (C_{(1/2 Na2B4O7·10H2O)}·M_{(1/2 Na2B4O7·10H2O)}·V_м.к.)/1000

где С _{(1/2 Na2B4O7·10H2O)} - концентрация раствора буры, моль/л;

М_{(1/2 Na2B4O7·10H2O)} - молярная масса эквивалента буры, г/моль;

V_м.к. - объем мерной колбы, мл.

Данная формула вытекает из следующих рассуждений:

в 1000 мл раствора содержится 0,1M_{(1/2 Na2B4O7·10H2O)} г

в 100 мл ― m г.

3.2.2. На аналитических весах взвесить навеску буры, близкую к расчетной (± 10%). Ее можно взять разными способами. Опишем один из них:

а) взвесить сухой чистый стаканчик сначала на техно-химических весах (записать вес в лабораторный журнал);

б) в стаканчик поместить навеску буры, приблизительно равную расчетной, взвесить вначале на техно-химических, а затем - на аналитических весах (записать в лабораторный журнал);

в) Высыпать буру в мерную колбу и взвесить пустой стаканчик с остатками буры на аналитических весах (записать в лабораторный журнал);

г) по разности масс стаканчика с бурой и пустого определить точную навеску буры:

m_{ст.с бурой} – m_{пуст.ст} = m_буры

3.2.3. Перенесение навески буры в мерную колбу на 100,0 мл осуществить следующим образом: в мерную колбу вставить сухую воронку (трубка воронки должна легко входить в горло колбы), постепенно пересыпать навеску буры в колбу через воронку так, чтобы не забивать ее трубку, через эту же воронку налить горячую воду в колбу приблизительно на ⅓ ее объема и встряхивать до полного растворения кристаллов буры; охладить полученный объем до комнатной температуры и долить до метки по нижнему мениску дистиллированной водой комнатной температуры, закрыть мерную колбу чистой пробкой и тщательно перемешать содержимое в колбе, переворачивая ее 6-10 раз.

3.2.4. Рассчитать нормальность раствора буры с точностью до четырех значащих цифр

C(1/z Na₂B₄O₇·10H₂O) =

= (m (Na₂B₄O₇·10H₂O)·1000)/M(1/2Na₂B₄O₇·10H₂O)·V_м.к., моль/л

3.2.5. Перелить приготовленный раствор буры в чистую колбу, предварительно ополоснув колбу приготовленным раствором буры, и при­крепить этикетку, на которой указана концентрация буры.

3.3. Определение точной концентрации соляной кислоты по буре

3.3.1. Бюретку вымыть до химической чистоты, ополоснуть приготовленным раствором кислоты (дважды), заполнить носик бюретки сплошным столбом раствора, удалив пузырьки воздуха (проверив при этом действие шарикового затвора: не пропускает ли он раствор). Налить раствор кислоты через воронку выше нулевой отметки (воронку при этом приподнять для свободного выхода воздуха), убрать воронку и установить уровень кислоты на нулевом делении по нижнему мениску, выливая лишнюю кислоту через носик бюретки.

3.3.2. В две конические колбочки для титрования (на 100 мл) пипеткойна10,00, 15,00 или 20,00 мл взять аликвоты раствора буры (V_пип.), предварительно дважды ополоснув пипетку раствором буры!

3.3.3. В каждую колбочку добавить по I капле метилоранжа и титровать до перехода окраски индикатора, из желтой в оранжевую, записывая каждый раз объем израсходованной кислоты по бюретке (V¹_(HCl) и V¹¹_(HCl)) и доливая ее до «0».

3.3.4. Объемы двух параллельных определений не должны отличаться друг от друга более чем на 0,20 мл, в противном случае нужно провести еще одно титрование. Из двух определений рассчитать среднеарифметический объем кислоты, пошедшей на титрование

(V¹(HCl) + V¹¹(HCl))/2 = V_ср. (HCl)

3.3.5. Рассчитать с точностью до четырех значащих цифр нормальность раствора кислоты по формуле:

C(HCl) = (C(1/2Na₂B₄O₇·10H₂O)·V_пип)/V_ср(HCl)

Показать преподавателю значение концентрации HCI и получить разрешение на получение контрольной задачи.

3.4. Определение миллиграммового содержания щелочи (NaOH)

в контрольном объеме

3.4.1. В химически чистую мерную колбу на 100,0 мл (V_м.к.) получить контрольннй объем раствора щелочи; довести его дистиллированной водой до метки по нижнему мениску, закрыть пробкой и тщательно перемешать, переворачивая колбу (6-10 раз).

3.4.2. Бюретку заполнить рабочим раствором кислоты, концентрацию которой определили.

3.4.3. В две химически чистые конические колбы для титрования пипеткой (предварительно ополоснув пипетку раствором щелочи) взять аликвоты контрольного раствора щелочи, добавить в каждую колбу по 1 капле метилоранжа, титровать кислотой до перехода желтой окраски в оранжево-розовую.

3.4.4. Все объемы параллельных титрований (V¹ и V¹¹) не должны отличаться друг от друга более чем на 0,20 мл. Рассчитать среднеарифметический объем.

3.4.5. Рассчитать с точностью до четырех значащих цифр массу щелочи (мг) по формуле:

m (NaOH) = (C(HCl)·M(NaOH)·V_cр (HCl)·V_м.к.)/V_пип., мг

3.4.6. Показать преподавателю выполненную работу, получить у него правильный результат (m_теор.) и рассчитать процент относительной ошибки по формуле:

% ошибки = [(m(NaOH) – m_теор.) / m_теор.]·100

Ошибка не должна превышать ± 2%, если она больше 2%, то надо проанализировать выполнение работы и по указанию преподавателя заново определить нормальность рабочего раствора кислоты.

Для определения массы кислоты в растворе нужно иметь титрованный раствор щелочи. Точную концентрацию щелочи устанавливают по подходящему исходному веществу (обычно по кристаллической щавелевой кислоте).

4. Контрольные вопросы

1. Какие вещества и почему могут быть использованы в качестве исходных для установления точной концентрации кислоты?

2. Что такое рабочий (титрованный) раствор? Какие концентрации рабочих растворов обычно используют в методе нейтрализации?

3. Как практически фиксируется точка эквивалентности в методе нейтрализации?

4. Как правильно заполнить бюретку?

5. Какую химическую посуду можно ополаскивать тем раствором, который в нее затем наливают?

6. Как правильно делать отсчеты по бюретке, пипетке, мерной колбе?

7. Для чего титрование раствора одного и того же вещества нужно проводить не менее двух раз? В каких случаях нужно увеличить число титровании?

8. Почему из концентрированной соляной и серной кислот нельзя сразу приготовить разбавленные растворы точной концентрации?

9. В чем суть методов пипетирования и отдельных навесок?

10. Что такое аликвота?

11. Как правильно пользоваться пипеткой? Почему нельзя выдувать раствориз пипетки?

12. Чем руководствуются при выборе величины навески исходного вещества при использовании метода пипетирования и метода отдельных навесок?

13. Способ взятия навески вещества.

Лабораторная работа № 2

Определение миллиграммового содержания NaOH и Na₂CO₃

При совместном присутствии

I. Теоретическое обоснование работы

Это определение основывается на методе фиксирования двух точек эквивалентностина кривой титрования.

Вследствие поглощения углекислого газа из воздуха раствор едкого натра всегда содержит примесь соды Na₂CO₃. На практике очень часто нужно знать содержание NaOH и Na₂CO₃ в растворе.

При титровании кислотой Na₂CO₃ сначала превращается в NaНCO₃, а затем - в Н₂CO₃. На кривой титрования образуется две точки эквивалентности. Одна из них соответствует образованию NaНCO₃ (рН = (рК₁ + рК₂)/2 = 8,34), другая - Н₂CO₃ (рН = 4). Вследствие этого раствор соли Na₂CO₃ различно титруется с фенолфталеином и метиловым оранжевым. Интервал перехода фенолфталеина находится в пределах рН = 8 - 10. Для рН ≤ 8 наблюдается окраска кислотной формы индикатора - бесцветная, а для рН ≥ 10 наблюдается окраска щелочной формы - малиновая. В интервале от рН = 10 до рН = 8 малиновая окраска постепенно изменяется до бледно-розовой. Значит с фенолфталеином титрование заканчивается в тот момент, когда весь Na₂CO₃ превратится в NaНCO₃:

СО₃^2- + Н⁺ → НСО₃^- (I)

Когда же Na₂CO₃ титруется с метиловым оранжевым, то порозове-ние индикатора наблюдается при рН = 4, когда вся соль оттитрована полностью до Н₂CO₃:

СО₃^2- + 2Н⁺ → Н₂СО₃ (2)

Из сравнения приведенных уравнений (1) и (2) видно, что при титровании Na₂CO₃ с фенолфталеином на один моль соли затрачивает­ся один моль соляной кислоты, а с метиловым оранжевым - два моля. Раствор NaOH титруется одинаково и с метиловым оранжевым и с фенолфталеином. Таким образом,с фенолфталеином оттитровывается ½Na₂CO₃ и вся щелочь, а после добавления метилового оранжевого оттитровывается вторая половина Na₂CO₃ (рисунок).

NaOH	Na2CO3
фенолфталеин	метилоранж

Используя результаты титрования с двумя индикаторами, вычисляют содержание NаОН и Na₂CO₃, когда они находятся в одном растворе. Так как отношение К₁ : К₂ для H₂CO₃ примерно равно 10⁴, то скачок рН около точки эквивалентности, соответствующей образованию NaHCO₃, невелик, поэтому это определение не слишком точное. Точность определения понижается также из-за поглощения СО₂ из воздуха или из воды, которой разбавляется раствор, когда часть NaOH превращается в Na₂CO₃.

Внимание! Учитывая вышеcказанное, при проведении анализа следует соблюдать следующие условия:

а) получив контрольную задачу, раствор закрыть пробкой;

б) тотчас же титровать взятый объем раствора;

в) в конце титрования с фенолфталеином прибавлять кислоту медленно, чтобы предотвратить образование вместо NaHCO₃ свободной H₂CO₃;

г) избегать сильного перемешивания раствора, способствующего поглощению СО₂ из воздуха.

2. Техника безопасности

При попадании раствора щелочи на кожу нужно промыть пораженное место большим количеством воды, а затем слабым раствором уксусной кислоты.

3. План работы

3.1. Заполнить бюретку титрованным раствором соляной кислоты.

3.2. В химически чистую мерную колбу на 100,0 мл получить контрольный объем смеси NаОН и Na₂CO₃; довести объем раствора дистиллированной водой до метки по нижнему мениску, закрыть колбу пробкой и перемешать раствор (пробку придерживать пальцем).

3.3. Внимание! Пипетку ополоснуть дважды раствором, который приготовили.

В две колбы для титрования пипеткой на 10,0; 15,0 или 20,0 мл прилить аликвоту контрольной задачи и закрыть пробками.

3.4. В первую колбу прилить 8-9 капель фенолфталеина (цвет раствора в колбе становится ярко-малиновым).

3.5. Раствор в первой колбе титровать соляной кислотой до тех пор, пока цвет раствора в колбе не станет бледно-розовым от одной капли HCI (титрование проводить медленно, соляную кислоту приливать по каплям, чтобы избежать образования H₂CO₃.

3.6. Записать по бюретке объем кислоты, пошедший на титрование 1/2 Na₂CO₃ и всей щелочи (V₁).

3.7. Затем к этому оттитрованному раствору прилить одну каплю метилового оранжевого (при этом раствор в колбе окрасится в желтый цвет) и, не доливая раствор в бюретку до "0", продолжить титрование до неисчезающей оранжевой окраски раствора.

3.8. Записать объем соляной кислоты по бюретке от нулевой метки, пошедший на титрование всего количества соды и щелочи (V₂).

3.9. Определение в том же порядке повторить и с контрольным раствором во второй колбе. Записать объемы кислоты V₁ и V₂.

3.10. Рассчитать массу (мг) соды и щелочи следующим образом:

Из данных титрования по двум колбам найти среднее арифметическое (V_1сред.) между V₁ и V₁¹, а также V_2сред. между V₂ и V₂¹.

Рассчитать объем соляной кислоты (V₃), пошедший на титрование ½ количества соды V₃ = V_2сред. – V_1сред.

Рассчитать объем кислоты V₄, пошедшей на титрование всей соды:

V₄ = 2V₃

Рассчитать объем кислоты V₅, пошедшей на титрование щелочи:

V₅= V_2сред. - V₄

Рассчитать массу соды в мг в объеме мерной колбы по формуле:

m (Na₂CO₃) = (V₄·C(HCl)·M(1/2 Na₂CO₃)·V_м.к.)/V_пип.

Рассчитать массу щелочи в мг в объеме мерной колбы:

m (NaOH) = (V₅·C(HCl)·M(NaOH)·V_м.к.)/ V_пип.

4. Контрольные вопросы.

1. Контрольный объем щелочи оставили на некоторое время открытым. Как это скажется на результате количественного определения щелочи?

2. Увеличится или уменьшится масса (мг) Na₂CO₃ при совместном присутствии со щелочью, если титровать контрольный объем кислотой при сильном перемешивании?

3. Как оттитровать К₂CO₃ и КНCO₃ с метиловым оранжевым и с фенол-фталеином? Можно ли в присутствии этих индикаторов определить содержание карбоната и бикарбоната, если они присутствуют совместно?

4. Почему при приготовлении рабочего раствора щелочи его очищают от примеси карбоната? Нужно ли это делать, если данным раствором щелочи предполагают титровать только сильные кислоты?

5. Написать формулу для расчета титра раствора NаОН по H₃PO₄ при титровании с фенолфталеином.

6. Какие методики - прямое или обратное кислотно-основное титрование - используются при определении содержания Na₂CO₃ и СаСО₃?

7. Раствор, в котором может находиться одно из веществ NаОН, NаНСО₃, Na₂CO₃ - или одна из смесей (NаОН + Na₂CO₃), (NaHCO₃+ Na₂CO₃), титруется раствором HCl с фенолфталеином и метиловым оранжевым, применяемыми последовательно. Какое вещество или какая смесь титруется, если объем израсходованной кислоты составляет :

Вариант
HCl (ф-ф)					-				-
HCl (м-о)						-

Лабораторная работа № 3