Ацидиметрическое определение карбонатов

Цель работы: определить массу (г) солей в анализируемом растворе:

– проба А – Na₂СО₃;

– проба Б – NaHСO₃;

– проба В – Na₂СО₃ и NaHСO₃.

Сущность работы. Угольная кислота является слабой двухосновной кислотой, имеющей рK_{а , 1} = 6,75 и рK_{а , 2} = 10,32. Согласно теории Бренстеда-Лоури ее анион – карбонат – является слабым двухкислотным основанием. Значения рK_{b , 1} и рK_{b , 2} для него рассчитываются по формулам:

Поскольку рK_{b , 2} – рK_{b , 1}» 4, то Na₂СО₃ титруется ступенчато. Судя по значениям рK_{b , 1} и рK_{b , 2}, на кривой титрования Na₂СО₃ будут наблюдаться два скачка, которые соответствуют последовательному протеканию реакций:

Na₂СО₃ + HCl = NaHСO₃ + NaCl

NaHСO₃ + HCl = H₂O + СO₂ + NaCl

Карбонат натрия можно определять, титруя его либо по первой ступени (до NaHСO₃), либо по двум сразу (до угольной кислоты). При этом используются разные индикаторы, различными оказываются и факторы эквивалентности Na₂СО₃.

С фенолфталеином карбонат титруется по первой ступени:

Na₂СО₃ + HCl = NaHСO₃ + NaCl Þ f _экв(Na₂СО₃) = 1

а в присутствии метилового оранжевого – по двум ступеням сразу:

Na₂СО₃ + 2HCl = H₂O + СO₂↑ + 2NaCl Þ f _экв(Na₂СО₃) = .

Переход окраски при титровании с метиловым оранжевым из щелочной среды в кислую (желтый → оранжевый) лучше воспринимается человеческим глазом, чем обесцвечивание малинового раствора при титровании с фенолфталеином.

Гидрокарбонат натрия является амфолитом. Если титровать его кислотой, то он выступает в роли слабого основания, имеющего При титровании протекает реакция

NaHСO₃ + HCl = H₂O + СO₂ + NaCl

Конечную точку титрования (к. т. т.) фиксируют с помощью индикатора метилового оранжевого.

Смесь Na₂СО₃ и NaHСO₃. Раздельное определение компонентов этой смеси основано на титровании щелочью с применением двух индикаторов при одном титровании (метод с фиксированием двух к. т. т.).

Сначала анализируемый раствор титруют кислотой в присутствии фенолфталеина, при этом Na₂СО₃ оттитровывается до NaНСО₃:

Na₂СО₃ + HCl = NaHСO₃^* + NaCl

и раствор обесцвечивается.

В бесцветный раствор добавляют метиловый оранжевый и продолжают титровать кислотой. В этом случае титруются NaHСO₃^*, который образовался из Na₂СО₃, и NaHСO₃, который первоначально содержался в растворе:

NaHСO₃^* + HCl = H₂O + СO₂ + NaCl

NaHСO₃ + HCl = H₂O + СO₂ + NaCl

Оборудование и реактивы: мерная колба, пипетка, бюретка, конические колбы, стандартный раствор HCl, индикаторы фенолфталеин, метиловый оранжевый.

Выполнение работы. В мерную колбу получают у лаборантов анализируемый раствор, доводят объем до метки дистиллированной водой, тщательно перемешивают и переносят аликвоту раствора в коническую колбу.

Проба А. Na₂СО₃. Добавляют в колбу для титрования 1–2 капли выбранного индикатора – метилового оранжевого или фенолфталеина и проводят титрование стандартным раствором кислоты. Титрование с метиловым оранжевым прекращают, как только произойдет резкое изменение окраски раствора, а с фенолфталеином – как исчезнет розовая окраска. Титрование повторяют не менее 3 раз при условии, что D V ≤ 0,1 мл. По результатам титрования рассчитывают массу Na₂СО₃ в пробе (г).

Проба Б. NaНСО₃. Добавляют в колбу для титрования 1–2 капли индикатора метилового оранжевого и проводят титрование стандартным раствором кислоты. Титрование прекращают, как только произойдет резкое изменение окраски раствора. Титрование повторяют не менее 3 раз при условии, что D V ≤ 0,1 мл. По результатам титрования рассчитывают массу NaНСО₃ в пробе (г).

Проба В. Смесь Na₂СО₃ и NaHСO₃. Добавляют в колбу для титрования 1–2 капли фенолфталеина и титруют HCl до исчезновения окраски индикатора. Делают отсчет по бюретке (V ₁). В этот же раствор добавляют 1–2 капли метилового оранжевого и, не доливая рабочий раствор до нулевой отметки, продолжают титрование до изменения окраски раствора. Делают отсчет по бюретке (V ₂).

Титрование повторяют не менее 3 раз при условии, что D V ≤ 0,1 мл. По полученным результатам рассчитывают массу Na₂СО₃ и NaHСO₃ в растворе (г).

&	М (Na2CO3) = 105,989 г/моль	М (NaHСO3) = 84,007 г/моль
:	1. С использованием ПО «Расчет кривых кислотно-основного титрования» провести компьютерный расчет кривых титрования: · Na2СО3 кислотой (при анализе пробы А); · NaHСO3 кислотой (при анализе пробы Б), используя кнопку Основание и введя значение рKb иона ; · Na2СО3 и NaHСO3 кислотой (при анализе пробы В) с использованием кнопки Добавить для сравнения и переходом к сводному графику на листе Моделирование. Объяснить вид полученных кривых и обосновать использование индикаторов метилового оранжевого и фенолфталеина, в т. ч. при титровании смеси карбонатов. 2. С использованием ПО «Практикум по АХ и ФХМА»: – оценить неопределенность измерений; – провести Q -тест и статистическую обработку результатов анализа, если имеется 4 и более результатов параллельных измерений.

Лабораторная работа № 12

Определение буферной емкости

Цель работы: приготовить буферные растворы с заданным значением рН и определить их буферную емкость:

– вариант 1 – ацетатный буферный раствор;

– вариант 2 – аммиачный буферный раствор.

Сущность работы. В ряде технологических процессов и при проведении анализов необходимо проводить исследования при постоянном значении рН. Для этих целей используются буферные растворы.

Характерной особенностью буферных систем является их способность сохранять постоянное значение рН при разбавлении и при добавлении небольших количеств сильных кислот и оснований. Буферное действие прекращается, как только одна из составных частей буферного раствора полностью израсходуется. Например, на рис. 22 показана область буферного действия ацетатного буфера.

Рис. 22. Зависимость буферной емкости
0,2 М ацетатного буферного раствора от рН

 

Для количественной характеристики способности буферного раствора противостоять влиянию сильных кислот и оснований используется величина, называемая буферной емкостью. Буферная емкость (π) – это число моль эквивалентов сильной кислоты или щелочи, которое следует добавить к 1 л буферного раствора, чтобы изменить его значение рН на единицу (понизить при добавлении кислоты и повысить при добавлении щелочи):

где где – количество моль-экв. кислоты или щелочи; ΔрН – изменение рН после добавления кислоты или щелочи; V – объем буферного раствора, л.

Количество моль-экв. кислоты или щелочи можно рассчитать по формуле

где – молярная концентрация эквивалента кислоты (щелочи), моль/л; V (X) – объем раствора кислоты (щелочи), л.

Величина буферной емкости зависит от концентрации компонентов буферной смеси и отношения между этими концентрациями. С увеличением концентрации компонентов буферной смеси буферная емкость увеличивается. При разбавлении буферной смеси буферная емкость уменьшается.

Буферная емкость максимальна при одинаковых концентрациях соли и кислоты или соли и основания в буферной смеси. Если молярные концентрации эквивалента кислоты и соли равны, то значение рН буферной смеси будет равно рK_а. Следовательно, для приготовления буферной системы с наибольшей буферной емкостью надо выбирать кислоту с наиболее близкой к заданному значению рН величиной рK_а.

Для смесей, образованных слабым основанием и его солью, взятых в одинаковых концентрациях, рН = 14 – рK_b, т. е. для их приготовления надо выбирать основание с рK_b» 14 – рН.

Оборудование и реактивы: мерныецилиндры (10 мл), мерные колбы (50,0 или 100,0 мл), воронка, пипетки (10,00–15,00 мл), бюретка, конические колбы для титрования, уксусная кислота 0,1 М, гидроксид натрия 1 М и 0,1 М, гидроксид аммония 0,2 М, соляная кислота 0,1 М, 0,2 М и 1 М, индикаторы метиловый оранжевый и фенолфталеин.

Выполнение работы

Вариант 1. Определение буферной емкости ацетатного
буферного раствора

1. Приготовление буферных растворов. Получают у преподавателя задание из табл. 13.

Таблица 13

Задания для лабораторной работы

№ задания	Объем буферного раствора, мл	рН	Исходные растворы
	50 или 100	4,5	0,1 М СН3СООН	0,1 М NaOH
	5,0	0,1 М СН3СООН	0,1 М NaOH
	5,2	0,1 М СН3СООН	0,1 М NaOH

 

Рассчитывают соотношения и абсолютные значения объемов исходных растворов, необходимые для приготовления буферного раствора заданного объема с определенным значением рН, используя формулу для расчета рН буферного раствора, состоящего из слабой кислоты и ее соли.

Раствором, объем которого меньше, ополаскивают бюретку, затем заполняют им бюретку. В мерную колбу приливают из бюретки необходимый объем этого раствора. Вторым раствором доводят объем буферной смеси до метки, используя воронку (последние 0,5–1 мл раствора прибавляют по каплям с помощью пипетки). Колбу плотно закрывают и перемешивают полученный раствор, переворачивая колбу несколько раз.

2. Определение буферной емкости ацетатного буфера по щелочи. Отбирают аликвоту 10,00 мл ацетатного буфера в колбу для титрования, добавляют 2 капли фенолфталеина (рТ = 9,0) и титруют стандартным раствором щелочи до появления неисчезающей розовой окраски.

Титрование повторяют не менее 3 раз при условии, что D V ≤ 0,1 мл. По полученным результатам рассчитывают буферную емкость раствора.

По указанию преподавателя разбавляют исходный буферный раствор в n раз и определяют его буферную емкость путем титрования. Сравнивают полученные значения буферной емкости.

Вариант 2. Определение буферной емкости аммиачного
буферного раствора

1. Приготовление буферных растворов. Получают у преподавателя задание из табл. 14.

Таблица 14

Задания для лабораторной работы

№ задания	Объем буферного раствора, мл	рН	Исходные растворы
	50 или 100	9,5	0,2 М NH4OH	0,2 М НС1
	9,8	0,2 М NH4OH	0,2 М НС1
	10,0	0,2 М NH4OH	0,2 М НС1

 

Рассчитывают соотношения и абсолютные значения объемов исходных растворов, необходимые для приготовления буферного раствора заданного объема с определенным значением рН, используя формулы для расчета рН буферного раствора, состоящего из слабого основания и его соли.

Раствором, объем которого меньше, ополаскивают бюретку, затем заполняют им бюретку. В мерную колбу приливают из бюретки необходимый объем этого раствора. Вторым раствором доводят объем буферной смеси до метки, используя воронку (последние 0,5–1 мл раствора прибавляют по каплям с помощью пипетки). Колбу плотно закрывают и перемешивают полученный раствор, переворачивая колбу несколько раз.

2. Определение буферной емкости аммиачного буфера по кислоте. Отбирают аликвоту 10,00 мл аммиачного буфера в колбу для титрования, добавляют 1–2 капли метилового оранжевого (рТ = 4,0) и титруют стандартным раствором кислоты до изменения окраски.

Титрование повторяют не менее 3 раз при условии, что D V ≤ 0,1 мл. По полученным результатам рассчитывают буферную емкость раствора.

По указанию преподавателя, разбавляют исходный буферный раствор в n раз и определяют его буферную емкость. Сравнивают полученные значения буферной емкости.

&

рKа (СH3COOH) = 4,76

рKb (NH4OH) = 4,755

Лабораторная работа № 13

Определение солей аммония методом обратного титрования

Цель работы: определить массу NН₄Cl в пробе (г).

Сущность работы. Ион аммония является очень слабой кислотой (р K_а = 9,25), поэтому скачок на кривой титрования его щелочью отсутствует и прямое титрование провести невозможно. Чаще всего соли аммония определяют методом обратного титрования. К раствору добавляют заведомо избыточный, но точно отмеренный объем стандартного раствора щелочи:

NН₄Cl + NaOH_{избыток} = NН₃↑ + Н₂О + NаCl

Остаток щелочи после реакции с NН₄Cl титруют стандартным раствором кислоты:

NaOH_{остаток} + HCl = NaCl + Н₂О

Оборудование и реактивы: мерная колба, пипетка, бюретка, конические колбы, электрическая плитка, стандартные растворы NaOH (или KOH) и HCl, индикатор метиловый оранжевый, универсальная индикаторная бумага.

Выполнение работы

1. Анализируемый раствор получают у лаборантов в мерную колбу и доводят объем до метки. В 2–3 конические колбы переносят одинаковые аликвоты раствора и добавляют в каждую из них пипеткой по два таких же объема стандартного раствора щелочи.

2. Растворы кипятят на плитке до полного удаления NН₃. Полнотy удаления контролируют по универсальной индикаторной бумаге: смоченную дистиллированной водой бумажку вносят в пары над кипящим раствором. Если она не синеет, значит NН₃ полностью удален.

3. Снимают колбы с плиток и охлаждают их до комнатной температуры. Добавляют в каждую колбу 1–2 капли метилового оранжевого и титруют раствором HCl до момента резкого изменения окраски раствора от желтой к оранжевой.

4. По полученным данным находят массу NН₄Cl в пробе, г.

&	М (NН4Cl) = 53,492 г/моль
:	С использованием ПО «Практикум по АХ и ФХМА»: – оценить неопределенность измерений; – провести Q -тест и статистическую обработку результатов анализа, если имеется 4 и более результатов параллельных измерений.

ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЕ ТИТРОВАНИЕ

Лабораторная работа № 14