ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

А = a ± Sā.

Однако такая запись результатов взвешивания будет справедлива (с надежностью 0,95) только в том случае, если количество взвешиваний составит 30–50 раз. При меньшем количестве взвешиваний необходимо вводить поправку в виде коэффициента Стьюдента (t). Коэффициенты Стьюдента приводятся в специальных таблицах, а их числовые значения зависят от двух факторов – надежности (P) и количества измерений (n). Коэффициент Стьюдента увеличивается с увеличением надежности

иуменьшением количества измерений. В таблице приведены значения коэффициентов Стьюдента только для небольших количеств измерений

идля некоторых значений надежности.

Таблица 1 – Коэффициенты Стьюдента (t)

n			Значения надежности (Р)
	0,6	0,8		0,95	0,99	0,999
2	1,376	3,078		12,706	63,657	636,61
3	1,061	1,886		4,303	9,925	31,598
4	0,978	1,638		3,182	5,841	12,941
5	0,941	1,533		2,776	4,604	8,610
6	0,920	1,476		2,571	4,032	6,859
7	0,906	1,440		2,447	3,707	5,959
8	0,896	1,415		2,365	3,499	5,405
9	0,889	1,397		2,306	3,355	5,041
10	0,883	1,383		2,262	3,250	4,781

С учетом количества взвешиваний (измерений) и при выбранной надежности (чаще всего выбирают Р = 0,95) окончательный результат взвешиваний записывается так: А = a ± Sā ∙ t.

Как видно из приведенного, ошибка взвешиваний заметно уменьшается при увеличении количества взвешиваний. Поэтому для уменьшения ошибки количество взвешиваний составляет 5–6 раз.

Относительная погрешность результатов взвешиваний (измерений) рассчитывается по формуле

ε = [(Sā ∙ t)/ a ] ∙ 100 %.

Абсолютная ошибка определяется исходя из формулы а = Sā ∙ t.

11

1.2 Экспериментальная часть

Опыт 1. Взвешивание предметного стекла. Получите у лаборанта пронумерованное предметное стекло и взвесьте его сначала на электронных или технохимических весах, а затем на аналитических. Количество параллельных взвешиваний на весах должно быть не менее трех. Значение массы предмета запишите в лабораторном журнале. Проведите математическую обработку полученных результатов взвешивания. Рассчитайте ошибку взвешивания. Проверьте у лаборанта правильность полученных результатов. Для выполнения практических работ по общей химии достаточно получать результаты взвешивания с точностью до 0,02 г. Для этого удобнее всего пользоваться электронными или технохимическими весами. Сравните результаты взвешиваний на электронных (технохимических) и аналитических весах. Рассчитайте ошибки измерений массы предметного стекла.

Опыт 2. Определение формулы кристаллогидрата. Известно, что некоторые кристаллогидраты при нагревании способны терять воду, превращаясь при этом в безводные соли. К таким кристаллогидратам относится, например, медный купорос (СuSO4∙5H2O). Превращение кристаллогидрата в безводную соль можно показать такой схемой

СuSO4 · 5H2O → СuSO4 + 5H2O↑.

Такой процесс протекает при температуре выше 250 ºС. Следовательно, зная массу кристаллогидрата и полученной из него безводной соли, можно найти массу воды, содержащейся в кристаллогидрате и, используя эти данные, установить его формулу. Для этого необходимо массу сухой соли разделить на ее молярную массу, а массу воды – на молярную массу воды (т. е. определить количество вещества ν соли и воды). Затем необходимо значение ν соли и воды разделить на величину ν соли. В результате такой операции определяется количество молекул воды, входящей в состав кристаллогидрата.

Выполнение работы сводится к следующим операциям:

–взвесьте сухой, предварительно прокаленный фарфоровый тигель;

–внесите в тигель около 2 г кристаллогидрата и взвесьте тигель

свеществом;

–перенесите тигель с веществом в муфельную печь, разогретую до температуры несколько выше температуры разложения кристаллогидрата (температуру разложения определите из справочных данных); выдержите тигель в муфеле не менее одного часа;

–после отжига тигель поместите в эксикатор (заполненный концентрированной H2SO4 или высушенным CaCl2) до полного его охлаждения;

–взвесьте остывший тигель, снова поместите тигель в муфельную печь, повторно прокалите его еще в течение 20–30 минут, остудите в экси-

12

каторе и снова взвесьте. Если результат повторного взвешивания совпадает с данными первого взвешивания (с точностью до 0,01 г), то можно считать, что удаление кристаллизационной воды завершено;

– по результатам взвешиваний определите формулу кристаллогидрата. Для отчета о проведенной работе в таблицу внесите следующие

результаты:

–масса пустого тигля, m1, г;

–масса тигля с кристаллогидратом, m2, г;

–масса кристаллогидрата, m3, г;

–масса тигля с обезвоженной солью, m4, г;

–масса безводной соли, m5, г;

–масса воды в кристаллогидрате, m6, г;

–число моль H2O, которое приходится на 1 моль соли, n. Рассчитайте ошибки эксперимента.

1.3Вопросы для самоконтроля

1.Опишите правила взвешивания на разных типах весов. Как правильно пользоваться разновесами?

2.Уточните, как правильно записать точную массу взвешенных предметов на а) электронных или технохимических; б) аналитических весах.

3.Что такое количество вещества (моль)? Как определить количество вещества исходя из массы, объема или количества молекул вещества?

4.Что такое кристаллогидрат? Как получить из кристаллогидрата безводную соль?

5.Что такое эксикатор? Для чего его используют?

6.Какими статистическими величинами пользуются при математической обработке результатов взвешивания?

ТЕМА 2. МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ВЕЩЕСТВ

Цель работы: ознакомиться с методами очистки неорганических веществ, находящихся в различных агрегатных состояниях.

2.1 Теоретическая часть

Для проведения различных химических опытов необходимо использовать как можно более чистые вещества. На упаковках стандартно расфасованных реактивов всегда имеются общепринятые обозначения чистоты химического вещества. Для подавляющего большинства реактивов

13

принято следующие обозначения квалификации их степени чистоты: «ОСЧ» – особо чистый, «ХЧ» – химически чистый, «ЧДА» – чистый для анализа, «Ч» – чистый. В приведенной последовательности загрязненность реактивов различными примесями повышается.

В химических лабораториях часто возникает необходимость применения для опытов реагентов более высокой квалификации, чем имеется в наличии. Для очистки веществ применяется много различных методов. К наиболее известным методам можно отнести перекристаллизацию, высаливание, сублимацию, перегонку. Выбор метода очистки вещества зависит от его природы, агрегатного состояния, химических и физических свойств. Рассмотрим основные методы очистки твердых веществ.

Твердые вещества можно условно разделить на растворимые и нерастворимые. Чаще всего в качестве растворителя используется вода. При таком подходе растворимые вещества от нерастворимых можно отделить, а, следовательно, и очистить одно от другого, путем растворения и после-

дующего фильтрования. Растворимое вещество	пройдет	через фильтр,
а нерастворимое останется на фильтре.
Если необходимо очистить растворимые	вещества,	то прибегают

к перекристаллизации. Этот процесс основывается на различной растворимости вещества при различных значениях температуры раствора. Очистку вещества методом перекристаллизации проводят растворением его в минимальном количестве растворителя (воды). Это можно осуществить несколькими методами.

Проводят растворение при повышенной температуре до получения насыщенного раствора. Затем для удаления нерастворимых примесей полученный насыщенный раствор фильтруют через воронку для горячего фильтрования с последующим охлаждением раствора до комнатной температуры. При понижении температуры растворимость вещества понижается, и очищаемое вещество выпадает в осадок. Растворимые примеси остаются в растворе, так как для примесей раствор остается ненасыщенным. Выделившиеся кристаллы от раствора отделяют фильтрованием. Для повышения степени чистоты очищаемого вещества проводят несколько последовательных операций перекристаллизации.

Еще одна разновидность метода перекристаллизации сводится к тому, что очищаемое вещество переводят в раствор при комнатной температуре, а не при повышенной. Полученный раствор отфильтровывают от нерастворимых примесей и при помощи нагревания проводят концентрирование раствора (при нагревании вода испаряется). Нагревание проводят до появления первых кристалликов очищаемого вещества. Затем раствор охлаждают, а образовавшийся осадок отфильтровывают.

Метод перекристаллизации позволяет получать вещества с очень высокой степенью чистоты. Однако он имеет существенный недостаток,

14

связанный со значительными потерями вещества, проходящего в составе раствора через фильтр.

Для твердых веществ, растворимость которых мало изменяется с изменением температуры раствора (например, хлорид натрия NaCl) используют другой метод, который часто называют методом высаливания. Этот метод также имеет несколько разновидностей, которые на начальном этапе сводятся к растворению очищаемого вещества в воде. Затем, как и при перекристаллизации, раствор фильтруется (происходит отделение нерастворимых примесей). Последующие операции несколько отличаются между собой. Рассмотрим некоторые из них.

В одних случаях к отфильтрованному раствору прибавляются электролиты, а в других – неэлектролиты. Прибавление к раствору электролитов, содержащих одноименные с очищаемым веществом ионы, приводит к смещению равновесия в сторону расходования избыточного в растворе иона. Например, при растворении хлорида натрия происходит его диссоциация на ионы по схеме

NaCl ↔ Na+ + Cl¯.

Если затем к раствору хлорида натрия добавить нитрат натрия, который также будет диссоциировать на ионы по схеме

NaNO3 ↔ Na+ + NO3¯,

в растворе создается как бы избыток ионов натрия, если их рассматривать отдельно относительно ионов хлора или нитрат-ионов. За счет значительно худшей растворимости хлорида натрия по сравнению с нитратом натрия такой избыток ионов натрия относительно ионов хлора будет способствовать связыванию этих ионов, и выделению осадка NaCl, который от раствора можно отделить фильтрованием.

Согласно другому методу, к отфильтрованному раствору (например, NaCl) можно добавить ацетон, который является неэлектролитом. В этом случае из раствора также будет выпадать осадок NaCl. Образование осадка NaCl можно объяснить тем, что в водно-ацетонной смеси (ацетон с водой смешивается в любых соотношениях) растворимость хлорида натрия заметно меньше, чем в воде. Из-за уменьшения растворимости и образуется осадок NaCl.

Некоторые твердые вещества способны при нагревании переходить из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое. Такое явление получило название возгонка, или сублимация, и часто используется для очистки веществ, проявляющих указанное свойство. Весь процесс очистки сводится к нагреванию вещества до температуры, при которой оно переходит в газообразное состояние. Далее необходимо понизить температуру до такого значения, при котором из образовавшегося газа начнет кристаллизоваться твердое вещество. Как правило, очистку веществ возгонкой проводит

15

в приборах с изолированным внутренним пространством. Часть прибора, в которой находится исходное неочищенное вещество, нагревается, а в охлаждаемой части собирается очищенное вещество. Метод применяется для очистки от примесей, не склонных к возгонке. Этот метод может быть использован для очистки йода, серы, хлорида аммония и некоторых других солей.

Жидкости чаще всего очищают методом перегонки, удалив предварительно из них фильтрованием нерастворимые примеси. Метод перегонки основан на избирательном использовании способностей жидкостей переходить в газообразное состояние и наоборот. Как известно, жидкости кипят

с переходом	в газообразное	состояние при	различных	температурах
и давлениях.	Наиболее просто	осуществлять	перегонку	при обычном

давлении. В лабораторных условиях перегонку проводят с использованием прибора, состоящего из колбы, газоотводной трубки, прямого холодильника, колбы приемника, аллонжа, термометра и нагревательного прибора. Жидкость, загрязненную примесями нагревают в колбе до температуры кипения. Образующийся при этом пар отводят в холодильник, в котором он конденсируется в жидкость и собирается в приемнике.

Методов очистки газов очень много, и их разновидности зависят от того, какой газ необходимо очистить и от каких примесей. Однако большинство этих методов сводятся к пропусканию газа через жидкость – барботированию. Жидкость не должна взаимодействовать с очищаемым газом, но должна взаимодействовать с примесью, от которой необходимо очиститься.

2.2 Экспериментальная часть

Опыт 1. Очистка бихромата калия перекристаллизацией. По таб-

лице растворимости вычислите, какую массу бихромата калия (K2Cr2O7) необходимо использовать для приготовления насыщенного при 60 ºС раствора. В справочниках можно обнаружить различные данные по растворимости солей. В одних справочниках приводятся данные о массе растворимой соли в 100 г растворителя, в других – массы соли в 100 г раствора. Например, растворимость K2Cr2O7 при 20 ºС составляет 12,5 г соли в 100 г воды, что составит 11,1 г соли в 100 г раствора. При 60 ºС растворимость бихромата калия равна 45,6 г в 100 г воды или 31,3 г в 100 г раствора.

Расчет необходимой массы соли проведите исходя из объема растворителя (воды) равного 50 мл. Взвесьте на электронных или технохимических весах необходимую массу бихромата калия, предварительно измельченного в фарфоровой ступке, и перенесите навеску в химический термостойкий стакан. Прилейте в стакан 50 мл воды. Поместите стакан с содержимым на электроплиту и нагревайте почти до кипения, помешивая

16

раствор стеклянной палочкой до полного растворения кристалликов K2Cr2O7. Отметьте цвет образовавшегося раствора. Используя воронку для горячего фильтрования, отделите от раствора нерастворимые примеси. Затем дайте раствору остыть до комнатной температуры (20 ºС). Что наблюдается? Как изменилась окраска раствора? Почему? Образовавшиеся кристаллы K2Cr2O7 отфильтруйте на воронке Бюхнера и промойте небольшим объемом (1–2 мл) очень холодной воды. Полученные кристаллы K2Cr2O7 высушите между листами фильтровальной бумаги, а затем в сушильном шкафу при температуре 100 ºС в течение 30–40 мин до постоянной массы. Рассчитайте выход очищенного бихромата калия.

Исследуйте очищенный K2Cr2O7 и маточный раствор на присутствие примеси сульфат- и хлорид-ионов. Для этого отберите маточный раствор и разделите на две части. К первой части полученного раствора прилейте концентрированный раствор хлорида бария BaCl2, а ко второй части – раствор нитрата серебра. Что наблюдается?

Подобные исследования проведите с очищенным бихроматом калия. Для этого небольшое количество кристаллов K2Cr2O7 растворите в 10 мл дистиллированной воды, раствор разделите на две части и к одной из них добавьте раствор BaCl2, а к другой – раствор AgNO3. Наблюдается ли в этом случае помутнение содержимого пробирок? В виде какой примеси (растворимой или нерастворимой) содержатся сульфат- и нитрат-ионы в исследуемом препарате?

Опыт 2. Очистка хлорида натрия методом высаливания. Приго-

товьте насыщенный при комнатной температуре раствор хлорида натрия, растворив около 40 г NaCl в 100 мл дистиллированной воды. Раствор отфильтруйте. Полученный прозрачный раствор разделите на три части. В одну часть раствора пропустите газообразный хлорид водорода, в другую – 10 мл концентрированного раствора соляной (хлоридной) кислоты, а в третью – 10 мл ацетона. Что наблюдается во всех стаканах с раствором хлорида натрия? Образовавшиеся кристаллы NaCl отделите от раствора фильтрованием. Определите, в каком из опытов получился наибольший выход поваренной соли.

Опыт 3. Очистка йода возгонкой (сублимацией). На дно низкого химического термостойкого стакана поместите около 0,5 г кристаллического йода и 0,1 г йодида калия (KI). Объясните, зачем прибавляется йодид калия? Накройте химический стакан круглодонной колбой, наполненной холодной водой. Стакан с колбой поставьте на электроплиту и нагрейте. Какого цвета пары наблюдаются во внутреннем объеме стакана? Где образуются кристаллики йода. Почему? По окончанию опыта, образовавшиеся кристаллы йода соберите на предварительно взвешенном часовом стекле и определите их массу. Рассчитайте выход йода.

Опыт 4. Очистка воды перегонкой (дистилляцией). Соберите при-

бор для перегонки воды дистилляцией (комплектация прибора описана

17

в теоретической части). В колбу налейте воды и внесите немного кристалликов медного купороса. Образуется раствор, окрашенный в голубой цвет. Внесите в колбу длинные капиллярные трубки. Объясните, для чего это необходимо? Нагревайте перегонную колбу установки, предварительно включив поток воды в холодильнике. Поток воды должен быть направлен снизу вверх. Приемник закройте пробкой, снабженной аллонжем и хлоркальциевой трубкой с натронной известью. Нагревайте раствор купороса до кипения в течение 10–15 мин. Чистая ли вода собирается в приемнике? Для проверки эффективности очистки воды проведите следующее сравнение. На три часовых стекла налейте несколько капель воды: на первое – из приемника, на второе – из перегонной колбы и на третье – из водопроводного крана. Высушите воду на всех стеклах. Сравните полученные результаты.

Опыт 5. Очистка диоксида углерода. Ознакомьтесь с устройством аппарата Киппа, позволяющего получать различные газы, в том числе и углекислый газ СО2. При помощи лаборанта загрузите его для получения СО2. Для этого выньте пробку с краном, поместите в средний резервуар кусочки мрамора. Закройте отверстие среднего резервуара пробкой с газоотводной трубкой и откройте кран. В верхний шар аппарата налейте такой объем 20 % раствора HCl, чтобы он, заполняя аппарат, покрыл часть мрамора, находящегося в среднем резервуаре. После этого закройте кран. Что наблюдается? Напишите уравнение химической реакции, протекающей в аппарате Киппа.

Какими примесями может быть загрязнен образующийся углекислый газ? Присоедините к аппарату Киппа промывную склянку, содержащую небольшой объем (50–100 мл) дистиллированной воды и пропускайте слабый ток газа СО2 в течении 10–15 мин. Исследуйте содержимое промывной склянки на наличие в ней HCl. Для этого к раствору добавьте несколько капель раствора нитрата серебра. Что наблюдается в промывной склянке? Присоедините к аппарату Киппа хлоркальциевую трубку, наполненную обезвоженным сульфатом меди. Соль CuSO4 в обезвоженном виде имеет белую окраску. Пропустите через хлоркальциевую трубку углекислый газ из аппарата Киппа. Как изменяется окраска соли в хлоркальциевой трубке? Известно, что кристаллогидрат состава CuSO4 · 5H2O окрашен в темно-синий цвет. Выскажите свои предположения, за счет чего изменяется окрашивание сульфата меди? Как получить чистый диоксид углерода?

2.3Вопросы для самоконтроля

1.Какие методы применяются для очистки газообразных веществ?

2.Объясните устройство и принцип работы аппарата Киппа.

3.Какие методы применяются для очистки жидких веществ?

18

4.Опишите процесс фильтрования. Почему образующиеся при пере-

кристаллизации кристаллы K2Cr2O7 необходимо промывать только очень холодной водой?

5.Опишите метод дистилляции. Для чего в приборе для перегонки нужен холодильник?

6.Что такое сублимация? Какие вещества можно очищать с помощью такого метода?

ТЕМА 3. ПРИГОТОВЛЕНИЕ РАСТВОРОВ ЗАДАННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ

Цель работы: научиться проводить расчет массы вещества для приготовления необходимого объема раствора заданной концентрации, освоить методики приготовления растворов и экспериментального определения их концентрации.

3.1 Теоретическая часть

Раствором называется однородная (гомогенная) система, состоящая из двух и более компонентов. Раствор состоит их растворителя и растворенного вещества или веществ. Растворы еще можно называть дисперсными системами. Растворитель в этом случае будет называться дисперсной средой, а растворенное вещество – дисперсной фазой.

Растворы бывают газообразные (в газе могут растворяться газы, жидкости или твердые вещества), жидкие (в жидкости растворены газ, другая жидкость или твердое вещество) и твердые (в твердом веществе растворяется газ, жидкость или другое твердое вещество). Примером газового раствора может служить воздух. Жидкий раствор – раствор сахара в воде,

атвердый раствор – сталь.

Вхимической практике, из всех видов растворов, чаще всего встречаются жидкие растворы. Растворы, или дисперсные системы, являются частным случаем такого понятия как смеси. По степени дисперсности, т. е. по размерам дисперсной фазы (растворенного вещества), дисперсные системы делятся на грубодисперсные (взвеси, эмульсии и суспензии) и мелкодисперсные (коллоидные растворы). Если размеры частиц дисперсионной среды и дисперсионной фазы приблизительно одинаковы и соизмеримы с размерами молекул и ионов, то образуется гомогенная система, которую называют истинным раствором. В таких растворах отсутствует поверхность раздела, они термодинамически стабильны и могут существовать длительное время.

19

При рассмотрении жидких растворов предполагается, что растворителем является жидкость (чаще всего вода), а в роли растворенного вещества может быть газ, другая жидкость или твердое вещество. Как правило, растворителем считается то вещество, которое переходя в раствор, не изменяет свое агрегатное состояние. В большинстве случаев это правило отвечает действительности. Растворенные вещества растворяются в воде поразному. По растворимости вещества можно разделить на три группы: хорошо растворимые, плохо растворимые и практически нерастворимые. Растворимость веществ зависит от многих факторов, главным из которых является природа вещества. Кроме того, растворимость зависит от таких факторов как температура и давление. Для большинства твердых веществ растворимость с повышением температуры увеличивается, а для газов – уменьшается.

Вхимической литературе встречаются понятия насыщенные, ненасыщенные (разбавленные) и пересыщенные растворы. Насыщенным является такой раствор, который находится в динамическом равновесии с избытком растворенного вещества. Другими словами, насыщенный раствор при определенной температуре образуется тогда, когда растворяемое вещество больше не растворяется. По насыщенности раствора определяют растворимость вещества в выбранном растворителе. Часто растворимость (обозначают буквой S) определяют как массу растворенного вещества в 100 г растворителя (S = г/100 г) или в определенном объеме (массе) раствора.

Вненасыщенном растворе растворенного вещества содержится меньше, чем в насыщенном, а в пересыщенном – больше. Пересыщенные растворы образуются при медленном и осторожном (без малейшего встряхивания сосуда с раствором) охлаждении раствора в отсутствии посторонних примесей, которые могут выступать в роль центров кристаллизации. Такие растворы весьма неустойчивы. При малейшем механическом сотрясении или при введении какой либо затравки из раствора выпадает осадок (избыточное количество растворенной соли).

Количественной оценкой растворимости вещества в ненасыщенном растворе является его концентрация. Существует несколько способов выражения концентрации раствора. Чаще всего в химической практике используются такие понятия концентраций как молярная, моляльная, эквивалентная (нормальная) и титр. Кроме того, часто в качестве концентраций используют массовые или молярные доли.

Молярная концентрация, молярность (СM) определяется числом мо-

лей растворенного вещества в 1 литре раствора при 20 ºС.

	ν			m	в-ва
СM =	в-ва	=				(моль/л).	(3.1)
			М		V
	V			в-ва
	р-ра				р-ра

20