Определение концентрации раствора кислоты

Цель работы: изучить способы выражения концентрации растворов, научиться рассчитывать концентрацию растворов.

Задание: приготовить приблизительно 0,1 н раствор соляной кислоты и установить нормальность и титр кислоты. Выполнить требования к результатам работы, оформить отчет, решить задачу.

 

Теоретическое введение

Один из методов определения концентрации растворов – объемный анализ. Он сводится к измерению объемов реагирующих веществ, концентрация одного из которых известна.

Такое измерение производится постепенным прибавлением одного раствора к другому до окончания реакции. Этот процесс называется титрованием. Окончание реакции определяется с помощью индикатора.

При определении объемов растворов целесообразно использовать следующие способы выражения концентрации растворов:

Молярная концентрация эквивалентов вещества В или нормальность ( (В) или н) – отношение количества эквивалентов растворенного вещества к объему раствора:

, моль/л,

где n_эк(В) – количество эквивалентов вещества В, моль; m_B – масса вещества В, г; М_эк(В) – молярная масса эквивалентов вещества В, г/моль; V_р – объем раствора, л.

Массовая доля растворенного вещества В (ω_В) – отношение (обычно – процентное) массы растворенного вещества к массе раствора:

,

где m_B – масса вещества В, г; m_р – масса раствора, г.

Если выражать массу раствора через его плотность (ρ) и объем (V_р), то

Титр раствора вещества В (Т_В) показывает массу растворенного вещества, содержащегося в 1 мл (см³) раствора:

, г/мл,

где m_B – масса растворенного вещества В, г; V_p – объем раствора, мл.

Титр также можно рассчитать по формуле:

, г/мл,

где М_эк(В) – молярная масса эквивалентов вещества В, г/моль; (В) – молярная концентрация эквивалентов, моль/л.

 

Выполнение работы

Опыт 1. Приготовление приблизительно 0,1 н раствора соляной кислоты

Налить (под тягой) в цилиндр концентрированный раствор соляной кислоты и ареометром определить его плотность. По измеренной плотности по таблице 1 найти массовую долю (%) кислоты в растворе. Рассчитать массу кислоты, необходимую для приготовления 250 мл 0,1 н раствора HCl по формуле:

, откуда m = с_эк · М_эк(HCl) · V,

где m – масса кислоты, г; М_эк(HCl) – молярная масса эквивалентов кислоты, г/моль; с_эк – молярная концентрация эквивалентов, моль/л; V – объем кислоты, л.

Полученную величину (m) пересчитать на объем, который требуется для приготовления 250 мл 0,1 н раствора кислоты по формуле:

, откуда V = ,

где V – объем кислоты, мл; m – масса кислоты,г; ω – массовая доля в % HCl, найденная по таблице 1; ρ – плотность кислоты, г/см³, измеренная ареометром.

Пипеткой отобрать рассчитанный объем раствора кислоты, перенести его в мерную колбу, разбавить водой до метки и хорошо перемешать.

 

Опыт 2. Установление нормальности и титра кислоты

Отмерить пипеткой 10 мл приготовленного раствора кислоты, перенести его в коническую колбу, добавить 1-2 капли фенолфталеина.

В бюретку налить 0,1 н раствор NaOH. Оттитровать раствор кислоты. Для этого медленно приливать из бюретки щелочь в колбу с раствором кислоты, непрерывно перемешивая его в процессе титрования. Место, в которое падают капли щелочи, окрашивается в розовый цвет, исчезающий при взбалтывании. Титрование проводить до тех пор, пока от одной капли щелочи раствор примет неисчезающую окраску. Титрование повторить. Результаты не должны отличаться более чем на 0,1 мл.

Требования к результату опыта:

Данные опыта занести в таблицу:

 

№ п/п	V (HCl) (объем кислоты)	V (NaOH) (объем щелочи)	Vср (NaOH) (среднее значение объема щелочи)

Вычислить:

1. Молярную концентрацию эквивалентов раствора кислоты по закону эквивалентов:

с_эк (HCl)∙V(HCl) = с_эк (NaOH)∙V(NaOH), откуда

 

, моль/л

где с_эк (HCl) и с_эк (NaOH) – молярные концентрации эквивалентов растворов; V(HCl) и V(NaOH) – объемы реагирующих растворов.

2. Титр раствора НСl по формуле:

, г/мл

Таблица 1.

Плотность раствора соляной кислоты

Плотность ρ, г/см^3	Массовая доля кислоты, %
1,100	20,01
1,105	20,97
1,110	21,92
1,115	22,86
1,120	23,82
1,125	24,78
1,130	25,75
1,135	26,70
1,140	27,66
1,145	28,61
1,150	29,57
1,155	30,55
1,160	31,52
1,165	32,49
1,170	33,46
1,175	34,42
1,180	35,39
1,185	36,31
1,190	37,23
1,195	38,16
1,200	39,11

 

Примеры решения задач

В химической практике наиболее употребительны следующие способы выражения концентрации растворов:

Молярная концентрация вещества В или молярность (с_В или М) – отношение количества растворенного вещества к объему раствора:

, моль/л, (1)

где n_B – количество вещества В, моль; m_B – масса вещества В, г; М_В – молярная масса вещества В, г/моль; V_р – объем раствора, л.

Молярная концентрация эквивалентов вещества В или нормальность ( (В) или н) – отношение количества эквивалентов растворенного вещества к объему раствора:

, моль/л, (2)

где n_эк(В) – количество эквивалентов вещества В, моль; m_B – масса вещества В, г; М_эк(В) – молярная масса эквивалентов вещества В, г/моль; V_р – объем раствора, л.

Моляльная концентрация вещества В или моляльность (с_m(B)) – отношение количества растворенного вещества к массе растворителя:

, моль/кг, (3)

где n_В – количество вещества В, моль; m_B – масса вещества В,г; m_S – масса растворителя, г; М_В - молярная масса вещества В, г/моль.

Массовая доля растворенного вещества В (ω_В) – отношение (обычно – процентное) массы растворенного вещества к массе раствора:

, (4)

где m_B – масса вещества В, г; m_р – масса раствора, г.

Если выражать массу раствора через его плотность (ρ) и объем (V_р), то

(5)

Молярная (мольная) доля вещества В (х _В, безразмерная величина) ─ отношение количества данного вещества к суммарному количеству всех веществ, составляющих раствор, включая растворитель.

Если раствор состоит из одного растворенного вещества и растворителя, то молярная доля вещества (х_В) равна:

, (6)

а молярная доля растворителя (х_s):

, (7)

где n_B – количество растворенного вещества, моль; n_S – количество вещества растворителя, моль.

Сумма молярных долей всех веществ раствора равна единице.

Титр раствора вещества В (Т_В) показывает массу растворенного вещества, содержащегося в 1 мл (см³) раствора:

, г/мл, (8)

где m_B – масса растворенного вещества В, г; V_p – объем раствора, мл.

Титр также можно рассчитать по формулам:

, г/мл, (9)

где М_эк(В) – молярная масса эквивалентов вещества В, г/моль; (В) – молярная концентрация эквивалентов, моль/л;

, г/мл, (10)

где ω_В – массовая доля вещества В; ρ – плотность раствора, г/см³.

Пример 5.1. Водный раствор содержит 354 г H₃PO₄ в 1 л. Плотность раствора ρ = 1,18 г/мл. Вычислить: а) массовую долю (%) H₃PO₄ в растворе;

б) молярную концентрацию; в) молярную концентрацию эквивалентов;

г) моляльность; д) титр; е) молярные доли H₃PO₄ и Н₂О.

Решение. а) Для расчета массовой доли воспользуемся формулой (5):

%

б) Молярная масса H₃PO₄ равна 98 г/моль. Молярную концентрацию раствора находим из соотношения (1):

= 3,61 моль/л.

в) Молярная масса эквивалентов H₃PO₄ равна 32,7 г/моль. Молярную концентрацию эквивалентов рассчитываем по формуле (2):

= 10,83 моль/л.

г) Для определения моляльности по формуле (3) необходимо рассчитать массу растворителя в растворе. Масса раствора составляет 1,18 ∙ 1000 = 1180 г.

Масса растворителя в растворе m_S = 1180 – 354 = 826 г.

Моляльная концентрация раствора равна:

4,37 моль/кг

д) Титр раствора можно рассчитать по формулам (8), (9), (10):

= 0,354 г/мл,

0,354 г/мл,

0,354 г/мл.

е) В 1 л раствора содержится 3,61 моль H₃PO₄ (см. пункт б).

Масса растворителя в растворе 826 г, что составляет 45,9 моль.

Молярные доли H₃PO₄ и Н₂О рассчитываем по формулам (6) и (7):

0,073;

0,927.

Пример 5. 2. Сколько миллилитров 50 %-ного раствора HNO₃, плотность которого 1,32 г/мл, требуется для приготовления 5 л 2 %-ного раствора, плотность которого 1,01 г/мл?

Решение. При решении задачи пользуемся формулой (5). Сначала находим массу азотной кислоты в 5 л 2 %-ного раствора:

101 г.

Чтобы ответить на вопрос задачи, надо определить, в каком объеме раствора с массовой долей HNO₃ 50 % содержится 101 г HNO₃:

153 мл

Таким образом, для приготовления 5 л 2 %-ного раствора HNO₃ требуется 153 мл 50 %-ного раствора HNO₃.

Пример 5. 3. На нейтрализацию 50 мл раствора кислоты израсходовано

25 мл 0,5 н раствора щелочи. Чему равна нормальность кислоты?

Решение. Так как вещества взаимодействуют между собой в эквивалентных количествах, то можно написать

V_A ∙ c_эк(А) = V_B ∙ с_эк(B)

50 ∙ с_эк(кислоты) = 25 ∙ 0,5, отсюда

с_эк(кислоты) = 0,25 моль/л

Следовательно, для реакции был использован 0,25 н раствор кислоты.

 

Задачи

5. 1. В одном литре раствора содержится 10,6 г карбоната натрия Na₂CO₃. Рассчитать молярную концентрацию, молярную концентрацию эквивалентов и титр раствора. (Ответ: 0,1 М; 0,2 н; 10,6∙10^-3 г/мл)

5.2. Вычислить молярную концентрацию и молярную концентрацию эквивалентов 20 %-ного раствора хлорида кальция плотностью 1,178 г/мл.

(Ответ: 2,1 М; 4,2 н).

5.3. Сколько моль HNO₃ содержится в 250 мл раствора с массовой долей кислоты 30 % и плотностью, равной 1,18 г/мл? (Ответ: 1,40 моль).

5.4. Водный раствор содержит 5 г CuSO₄ в 45 г воды. Плотность раствора равна 1,107 г/мл. Вычислить массовую долю (%) CuSO₄ в растворе, а также моляльность и мольные доли CuSO₄ и Н₂О.

(Ответ: 9 %; 0,694 моль/кг; 0,012; 0,988).

5.5. Вычислить титры растворов: а) 0,05 М NaCl; б) 0,004 н Ca(OH)₂;

в) 30 %-ного КОН, ρ = 1,297 г/мл.

(Ответ: а) 0,00292 г/мл; б) 0,148 ∙ 10^‾3 г/мл; в) 0,389 г/мл).

5.6. Чему равна нормальность 30 %-ного раствора NaOH плотностью 1,328 г/мл? К 1 л этого раствора прибавили 5 л воды. Получился раствор плотностью 1,054 г/мл. Вычислить массовую долю (%) NaOH в полученном растворе. (Ответ: 9,96 н; 6,3 %).

5.7. В 1 кг воды растворили 666 г КОН, плотность раствора равна 1,395 г/мл. Вычислить массовую долю КОН в полученном растворе, молярность и мольные доли щелочи и воды. (Ответ: 40 %; 9,96 моль/л; 0,176; 0,824).

5.8. Какой объем 2 М раствора К₂СО₃ надо взять для приготовления 1 л 0,25 н раствора? (Ответ: 62,5 мл).

5.9. Из 600 г 5 %-ного раствора сульфата меди упариванием удалили 100 г воды. Чему равна массовая доля CuSO₄ в оставшемся растворе? (Ответ: 6 %).

5.10. Какой объем 50 %-ного КОН (ρ = 1,538 г/мл) требуется для приготовления 3 л 6 %-ного раствора (ρ = 1,048 г/мл)? (Ответ: 245,3 мл).

5.11. Из 5 л раствора гидроксида калия с массовой долей КОН 50 % и плотностью 1,538 г/мл надо приготовить раствор с массовой долей КОН 18 %. Какой объем воды потребуется? (Ответ: 17,5 л).

5.12. Вычислить моляльную и молярную концентрацию эквивалентов 20,8 %-ного раствора HNO₃ плотностью 1,12 г/мл. Сколько граммов кислоты содержится в 4 л этого раствора? (Ответ: 4,17 моль/кг; 3,7 н; 931,84 г).

5.13. Сколько миллилитров 0,2 М раствора Na₂CO₃ требуется для реакции с 50 мл 0,5 М раствора CaCl₂? (Ответ: 125 мл).

5.14. Плотность 15 %-ного раствора Н₂SO₄ 1,105 г/мл. Вычислить молярность, моляльность и молярную концентрацию эквивалентов раствора серной кислоты. (Ответ: 1,69 моль/л; 1,8 моль/кг; 3,38 моль/л).

5.15. Сколько миллилитров раствора соляной кислоты с плотностью 1,195 г/мл, содержащей 38 % HCl, нужно для приготовления 1 л 2 н раствора?

(Ответ: 160,7 мл).

5.16. При растворении 18 г Н₃РО₄ в 282 мл воды получили раствор фосфорной кислоты, плотность которого 1,031 г/мл. Вычислить молярную, моляльную, молярную концентрацию эквивалентов полученного раствора и его титр. (Ответ: 0,63 М; 0,65 моль/кг; 1,89 н; 0,062 г/мл).

5.17. На нейтрализацию 20 мл раствора, содержащего в 1 л 12 г щелочи, израсходовано 24 мл 0,25 н раствора кислоты. Вычислить молярную массу эквивалентов щелочи. (Ответ: 40 г/моль).

5.18. На нейтрализацию 31 мл 0,16 н раствора щелочи требуется 217 мл раствора H₂SO₄. Чему равны нормальность и титр раствора H₂SO₄?

(Ответ: 0,023 н; 1,127∙10^‾3 г/мл).

5.19. Смешали 10 мл 10 %-ного раствора HNO₃ (ρ = 1,056 г/мл) и 100 мл

30 %-ного раствора HNO₃ (ρ = 1,184 г/мл). Вычислить массовую долю HNO₃ в полученном растворе. (Ответ: 28,36 %).

5.20. Вычислить массовую долю (%) нитрата серебра в 1,4 М растворе, плотность которого 1,18 г/мл. (Ответ: 20,2 %).

Лабораторная работа 6