Аналитические концентрации

КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ

Методы анализа:

- физические или физико-химические. Эти методы основаны на изучении физических свойств анализируемого вещества. Иначе эти методы называются инструментальными, т.к. для их выполнения используют приборы (инструменты).

- химические. Эти методы основаны на выполнении химической реакции между определяемым веществом и рабочим раствором. Эта реакция называется титрованием – процесс прибавления по каплям к определяемому раствору раствора точно известной концентрации. ( Раствор с точно известной концентрацией называется рабочим раствором) Иначе химические методы называют титриметрическими.

Требования к реакциям в титриметрическом анализе.

Реакции должны быть:

- быстрыми или мгновенными

- необратимыми

- без побочных реакций

- исходные вещества и продукты реакции должны быть растворимы в воде

- чёткое изменение окраски в точке эквивалентности.

Точка эквивалентности – это момент в процессе титрования, когда реагирующие вещества прореагировали в равных эквивалентных количествах.

Точку эквивалентности фиксируют по изменению окраски реагирующих веществ ( например, раствор перманганата калия реагирует с восстановителем и обесцвечивается. Когда восстановитель полностью окислится лишняя капля раствора калия перманганата окрасит раствор в розовый цвет) или с помощью индикаторов.

СПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ

Массовая доля растворенного вещества, выраженная в процентах ( процентная концентрация ) показывает , какая масса растворенного вещества содержится в 100 г раствора.

W(%A)= m(A) *100%

m

m(A) – масса растворенного вещества

m – масса раствора

Например, определить массовую долю растворенного вещества, если в 180 г воды растворили 20г соли.

Для решения задачи надо найти массу раствора m=180 +20=200г

W =20 *100% =10%

Эту концентрацию используют при приготовлении растворов в быту, в медицинских целях, но для анализа эта концентрация приблизительная.

Аналитические концентрации

Молярная концентрация = молярность С(А).

Эта концентрация показывает содержание количества вещества (молей ) в 1 литре раствора

C(A) = n(A) n(A) – количество вещества, определяется по формуле n(A)=m(A)

V M(A)

Подставив в формулу концентрации расшифровку количества вещества получим формулу:

C(A) = m(A)

M(A)*V m(A) – масса растворенного вещества

М(А) – молярная масса растворенного вещества.

Например, определить молярность раствора, если в 200 мл раствора содержится 0,8г гидроксида натрия.

Для решения задачи необходимо определить молярную массу гидроксида натрия: 23г/моль+16г/моль+1г/моль =40г/моль ( цифры – атомные массы элементов, которые берут из периодической системы элементов Д.И. Менделеева)

Объём в задаче указан в мл, необходимо перевести вы литры 200мл=0,2л

С( NaOH) =m (NaOH) = 0,8 = 0,1 моль/л

M(NaOH)*V 40*0,2

Или другая задача – сколько граммов серной кислоты надо взять для приготовления 500 мл раствора с С( H₂SO₄)=0,1моль/л

Для решения задачи выполняем предварительные действия: V =500мл = 0,5 л

М (H₂SO₄) = 1*2 +32 +16*4 = 98 г/моль ( атомные массы умножаются на количество атомов в молекуле). Преобразовав формулу молярной концентрации, получаем:

m (H₂SO₄) = C(H₂SO₄)*M(H₂SO₄)*V = 0,1*98 * 0,5 = 4,9 г

Но этой концентрацией пользуются редко, т.к она имеет недостаток: растворы одинаковой концентрации реагируют в разных объёмах, равным коэффициентам в уравнении реакции.

Поэтому используют другую концентрацию молярную концентрацию эквивалента = эквивалентную концентрацию = нормальную. Эта концентрация показывает содержание количества эквивалентов вещества в 1 литре раствора.

C(f_A) = n (f_A ) n(f_A) – количество эквивалентов вещества = m(A)

V M(A)*f_A

C(f_A) = m ( A )

M(A)*f_A*V где f_A- фактор эквивалентности

f_{кислоты} = 1 f_HCl = 1 f_H2S = 1 f_H3PO4 = 1

H⁺ 1 2 3

f_{основаия} = 1 f_NaOH = 1 f_Ca(OH)2 = 1 f _Al(OH)3 = 1

OH^- 1 2 3

f_соли = 1 f_Na2SO4 = 1 = 1 f _Ca3(PO4)2 = 1 = 1

число кат.*заряд кат. 2*1 2 3*2 6

Определение фактора эквивалентности в окислительно-восстановительных реакциях

f_{окислителя}= 1 f_{восстановителя}= 1

число е принятых всей мол. число е отданных всей молекулой

Например,

K₂Cr₂O₇ + 6KI + 7 H₂SO₄ = Cr₂(SO₄)₃ + 4K₂SO₄ +3 I₂ + 7H₂O

2Cr⁺⁶ +6e → 2Cr⁺³ f= 1 ( в молекуле K₂Cr₂O₇ два атома, которые принимают 6 электронов)

2I^- -2e → I₂ f = 1 ( в молекуле KI только один атом йода, который отдаёт только 1 электрон)

2KMnO₄ + 5H₂O₂ + 3H₂SO₄ = 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 5O₂ + 8 H₂O

Mn⁺⁷ +5e → Mn⁺² f = 1 ( в молекуле KMnO₄ только один атом, который принимает 5 электронов)

O₂^-2 -2e → O₂⁰ f = 1 ( в молекуле H₂O₂ два атома кислорода, каждый отдает по 1электрону)

Преимущества молярной концентрации эквивалента в том, что растворы одинаковой концентрации реагируют в равных объёмах.

Закон эквивалентов в титриметрическом анализе C(f_A)*V_A = C(f_B)*V_B .По этой формуле определяют концентрацию по результатам титрования. Например, определите молярную концентрацию эквивалента раствора серной кислоты, если на 20 мл её раствора израсходовано 10 мл раствора гидроксида натрия с молярной концентрацией эквивалента 0,2 моль/л.

С (H₂SO₄)*20 = 0,2*10 C(H₂SO₄)= 0,1 моль/л

Понятие о титре Т

Титр – это концентрация, показывающая содержание массы вещества в 1 мл раствора. Определяется по формуле Т= m|V ( т.к. эта формула по обозначениям напоминает формулу расчета плотности, чтобы не было путаницы обозначение навески заменили на Q) T=Q|V г/мл.

В зависимости от свойств растворенного вещества растворы готовят по-разному.

Если вещество отвечает следующим требованиям:

-химически чистое

- химический состав соответствует химической формуле

- растворимо в воде

- устойчиво в сухом виде и в растворе

- реагирует с определяемым веществом

- имеет сравнительно высокую молярную массу

То такое вещество называют исходным или стандартным, из него готовят растворы точной концентрации или говорят – с титром приготовленным. Примеры таких веществ – NaCl, Na₂CO₃,

H₂C₂O₄, MgSO₄, Na₂B₄O₇, K₂Cr₂O₇ и можно назвать ещё несколько, но их немного.

Техника приготовления растворов из исходных или стандартных веществ:

- расчёт навески

- взятие навески на ручных весах

- взятие навески на аналитических весах

- перенос навески в мерную колбу и растворение в точном объёме волы

- расчёт титра такого раствора по формуле T + Q|V

Но стандартных или исходных веществ немного, поэтому из веществ, которые не отвечают требованиям (см. выше) готовят растворы с титром установленным.

Техника приготовления:

- расчет навески

- взятие навески на речных весах

- перенос навески во флакон и растворение в приблизительном объёме воды ( объём измеряют мерным цилиндром)

- расчет концентрации ( титра ) такого раствора T = C(f_A)*M(A)*f_A|1000

Приведенные формулы расчета титра применяют на практике в зависимости от свойств растворенного вещества и техники приготовления раствора. При решении задач эти формулы равнозначны.

Например. Определить титр раствора уксусной кислоты, если

а/ в 100 мл раствора содержится 0,6г кислоты

б/ молярная концентрация эквивалента раствора равна 0,1 моль/л.

Из приведенных условий видно, что для решения задачи под пунктом а/ надо воспользоваться формулой титра T = Q|V = 0,6|100= 0,006 г/мл. Для второго решения подойдет формула

T = C(f)*M(A)*f_A|1000=0,1*60*1|1000=0,006г/мл.