Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Определение веществ методом кислотно-основного титрования

Цель работы: привитие навыков приготовления и стандартизации растворов. Использование полученных экспериментальных данных для анализов.

Приборы и реактивы: весы технические и аналитические; ариометр; штатив; бюкс; бюретка вместимостью 20 см³; мерные цилиндры вместимостью 25-50 и 100 см³; колба для титрования вместимостью 250 см³; мерная колба вместимостью 100 и 200 см³; пипетка вместимостью 10 см³; воронка палочка стеклянная; стакан химический (V= 200 см³); фильтр беззольный «синяя лента».

Растворы: HCl – концентрированная и 0,1 М; NaOH – 0,1 и 0,2 М; метилового оранжевого и фенолфталеина – ω = 1%.

Теоретическая часть

Метод кислотно-основного титрования также называют методом нейтрализации. Основным уравнением процесса нейтрализации является взаимодействие Н⁺-ионов с ионами ОН^-, сопровождающееся образованием слабого электролита Н₂О:

H⁺ + OH^- → H₂O.

Методы нейтрализации позволяют количественно определять кислоты, гидроксиды и другие вещества, реагирующие в стехиометрических соотношениях с кислотами и гидроксидами, а также смеси кислот и гидроксидов.

Процесс нейтрализации можно представить графически в виде кривой титрования, изображающей изменение рН титруемого раствора по мере добавления к нему стандартного раствора кислоты или щелочи (рис. 1.13).

Величина рН в точке эквивалентности зависит от природы реагирующих веществ и их концентрации.

Рис. 1.13 – Изменение рН раствора в процессе титрования сильной кислоты сильным основанием

В процессе нейтрализации не происходит изменение окраски раствора, поэтому в кислотно-основном методе используют индикаторы, с помощью которых устанавливают точку эквивалентности.

Кислотно-основные индикаторы – это сложные органические кислоты или гидроксиды, при диссоциации которых происходит изменение структуры их молекул, т.е. появление или исчезновение хромофорных групп. Они изменяют свою окраску в зависимости от рН раствора.

Молекулярная и ионная формы индикаторов имеют различную окраску. Кроме того, изменение окраски индикатора связано с таутомерией молекул индикатора. Наибольшее применение в методе нейтрализации имеют индикаторы фенолфталеин и метиловый оранжевый.

На основании кривых титрования проводят выбор индикатора, что является самым важным в методе нейтрализации. Момент эквивалентности устанавливают индикаторным методом по изменению окраски индикатора, 1 – 2 капли которого добавляют в титруемый раствор, или рН-метрически.

Резкое изменение рН вблизи точки эквивалентности называется скачком титрования. Область значений рН, в которой индикатор изменяет свою окраску, называется интервалом перехода окраски индикатора.

Его можно рассчитать по формуле

DрН = рK_инд. ± 1.

где рК_инд =-lg К_инд (К_инд — константа ионизации индикатора).

Интервал перехода окраски зависит от природы индикатора и его свойств. Чем меньше интервал перехода окраски, тем ценнее индикатор.

Вместо интервала перехода окраски индикатора пользуются также показателем титрования индикатора (рТ).

рТ – это оптимальное значение рН титруемого раствора, при котором наблюдается наиболее резкое изменение окраски индикатора, свидетельствующее об окончании титрования. Значения величины рТ приблизительно совпадают со значениями величин рK_инд.

При выборе индикатора следует руководствоваться следующими правилами:

- Интервал перехода индикатора должен совпадать со скачком титрования или хотя бы частично касаться точки эквивалентности.

- Индикатора следует добавлять мало, так как, являясь протолитом, он взаимодействует с определяемым веществом или титрантом.

- Практически всегда имеет место ошибка, связанная с несовпадением точки эквивалентности с конечной точкой титрования.

- Индикаторная ошибка титрования должна быть незначительной.

- Чем меньше скачок титрования, тем труднее выбрать индикатор.

Ход анализа

О п ы т 1. Приготовление 0,1 н. раствора NaOH и определение его титра

1. Приготовление исследуемого раствора едкого натра. Приготовить раствор NaOH точно заданной концентрации путем растворения навески твердой щелочи в воде невозможно. Это объясняется тем, что щелочь (даже марки ч.д.а. или х.ч.) содержит примеси, а при хранении щелочь дополнительно загрязняется карбонатами, так как реагирует с углекислым газом воздуха. Поэтому для приготовления титрованного раствора предварительно рассчитывается навеска щелочи, необходимая для приготовления определенного объема раствора заданной концентрации. Принимая во внимание наличие примесей в щелочи, рассчитанную навеску увеличивают на 10 %.

Навеску щелочи (g), необходимую для приготовления раствора, рассчитывают по формуле

(1)

где N — нормальная концентрация раствора щелочи, моль экв/л;

V — объем раствора щелочи заданной концентрации, мл;

M_f — молярная масса эквивалента NaOH.

Молярная масса эквивалента NaOH равна его молярной массе:

M_f = M_Na_OH = 40 г/моль.

Навеску щелочи, рассчитанную по формуле (1), увеличивают на 10% и взвешивают на технохимических весах с точностью до 0,1 г.

Навеску количественно переносят в стакан и растворяют в прокипяченной дистиллированной воде. Воду кипятят для освобождения от углекислого газа. Поскольку раствор щелочи содержит карбонат натрия, его удаляют, добавляя при перемешивании 5 мл 10%-ного раствора ВаСl₂. Через 10 мин раствор фильтруют через беззольный фильтр «синяя лента» в мерную колбу. Осадок yа фильтре промывают 2-3 раза водой и отбрасывают. Воронку омывают водой из промывалки и вынимают из колбы. Содержимое колбы доводят до метки дистиллированной водой.

2. Титрование исследуемого раствора едкого натра. С помощью пипетки отбирают аликвотную часть приготовленного раствора щелочи, переносят в коническую колбу, прибавляют 2-3 капли раствора метилового оранжевого и титруют cодержимое колбы из бюретки 0,1 н. раствором соляной кислоты до перехода желтой окраски раствора в оранжевую. По бюретке делают точный отсчет объема израсходованного раствора. Нейтрализация щелочи кислотой протекает по уравнению реакции:

NaOH + HCl = NaCl + H₂O

OH^‑ + H⁺ = H₂O

Титрование аликвотных порций щелочи повторяют несколько раз до получения не менее трех сходимых результатов. Для расчетов берут среднее значение объема соляной кислоты, израсходованной на титрование порции щелочи.

Полученные и необходимые для расчетов данные (по соляной кислоте) заносятся в лабораторный журнал. Они используются для расчета нормальности (N_NaОH), титра (Т_NaOH) и поправочного коэффициента (К_NaOH) раствора щелочи по формулам:

(2)

(3)

(4)

О п ы т 2. Стандартизация раствора HCl по Na₂B₄O₇⋅10H₂O

1. Приготовление стандартного 0,1 н. раствора HCl. Разбавленный раствор HCl готовят из концентрированного, измерив предварительно его плотность ρ ареометром и определив по справочным таблицам массовую долю кислоты ω % в растворе. Объем концентрированного раствора HCl V, необходимый для приготовления 250 см³ стандартного раствора HCl, вычисляют по формуле

V = н Э V ₁ ⋅ 100 / (1000 ρ ω), (5)

где н – концентрация HCl, равная 0,1 моль/дм³;

Э – молярная масса эквивалента HCl, г/моль;

V ₁ – объем раствора HCl концентрации 0,1 моль/дм³.

Подставляя известные величины в формулу, получим:

V = 91,15 / ρ ω.

Отбирают мерным цилиндром V см³ концентрированного раствора HCl, помещают в мерную колбу вместимостью 250 см³ и разбавляют дистиллированной водой до метки. Полученный раствор тщательно перемешивают.

0,1 М (он же 0,1 н.) раствор HCl можно приготовить из фиксанала.

2. Приготовление 0,1 н. раствора буры. Веществом, наиболее удобным для установления нормальной концентрации HCl, является тетраборат натрия (бура) Na₂B₄O₇⋅10H₂O. Масса буры, необходимая для приготовления 100 см³ 0,1 н. раствора рассчитывается по формуле (6)

(6)

где н – концентрация Na₂B₄O₇⋅10H₂O, равная 0,1 г экв/дм³;

Э – молярная масса эквивалента Na₂B₄O₇⋅10H₂O, г экв/моль;

V – объем раствора Na₂B₄O₇⋅10H₂O концентрации 0,1 г экв /дм³.

Подставляя известные величины в формулу, получим: m = 1,9070 г.

Взвешивают сначала на технических, а потом на аналитических весах в бюксе примерно 2 г тетрабората натрия. Результаты взвешивания заносят в тетрадь.

Навеску соли осторожно пересыпают через сухую воронку в мерную колбу вместимостью 100 см³ с сухим горлом. Кристаллы буры, оставшиеся в бюксе и на воронке, количественно смывают в колбу горячей водой из промывалки. Растворяют соль при перемешивании в горячей воде. После охлаждения до комнатной температуры раствор доводят до метки дистиллированной водой и тщательно перемешивают.

Используя выражение титра T = m / V, г/см³, вычисляют нормальную концентрацию раствора буры по формуле (7)

(7)

Величина титра и нормальной концентрации должна иметь четыре значащих цифры.

3. Стандартизация 0,1 н. раствора HCl. Стандартизацию раствора HCl проводят методом пипетирования, т.е. титрованием определенного объема стандартного раствора Na₂B₄O₇ раствором HCl. Тщательно вымытую, закрепленную строго вертикально в штативе бюретку вместимостью 25 см³ дважды промывают небольшими порциями приготовленного раствора HCl. Потом бюретку заполняют раствором кислоты немного выше нулевого деления, следя за тем, чтобы носик бюретки был заполнен раствором. Лишь перед самым началом титрования устанавливают уровень кислоты в бюретке на нулевое деление (нижний мениск).

Чистую пипетку вместимостью 10 см³ ополаскивают приготовленным раствором Na₂B₄O₇. Потом набирают с помощью груши в пипетку 10 см³ раствора тетрабората натрия и переносят его в колбу для титрования. Не следует выдувать из пипетки последние капли жидкости, нужно только прикоснуться концом ее к стенке колбы.

Добавляют цилиндром примерно 90 см³ дистиллированной воды и 3-4 капли метилоранжа. Тщательно перемешивают раствор и титруют из бюретки раствором HCl до перехода желтой окраски в оранжевую. Титрование проводят не менее 2-3 раз до получения воспроизводимых результатов (разница между объемами титранта не должна превышать 0,05 см³).

Нормальную концентрацию раствора HCl вычисляют по формуле (8):

(8)

где н₁ и н₂ – нормальные концентрации растворов HCl и Na₂B₄O₇, моль/дм³;

V ₁ – средний объем раствора HCl, пошедший на титрование, см³;

V ₂ – объем раствора Na₂B₄O₇, взятый для титрования, см³.