4.1.4. Вычисления в гравиметрическом анализе
Гравиметрические определения преследуют различные цели. В одних случаях необходимо определить содержание элемента в химически чистом веществе, например, содержание бария в хлориде бария BaCl2·2H2O. В других случаях требуется найти содержание действующего начала в каком-нибудь техническом продукте или вообще в веществе, имеющем примеси, например, содержание BaCl2·2H2O в техническом хлориде бария. Рассмотрим ход вычислений на примерах.
Пример 1. Определите массовую долю (%) бария в образце BaCl2·2H2O, если навеска чистого BaCl2·2H2O равна 0,4872 г, а масса осадка сульфата бария после прокаливания равна 0,4644 г.
Решение. Используем понятие о количестве вещества (n):
моль.
Так как 1 моль BaSO4 содержит 1 моль бария, то m(Ва) = n(Ва) · М(Ва); m(Ва) = 0,00199·173,40 = 0,2734 г.
Находим массовую долю бария в навеске BaCl2·2H2O:
.
Пример 2. Определите массовую долю (%) чистого BaCl2·2H2O в образце технического хлорида бария, если навеска составляет 0,5956 г, а масса осадка сульфата бария после прокаливания равна 0,4646 г.
Решение. Число молей BaSO4 составляет
моль.
Один моль BaSO4 получается из 1 моля BaCl2·2H2O, поэтому
m(BaCl2·2H2O ) = n(BaCl2·2H2O) · M(BaCl2·2H2O)
m(BaCl2·2H2O ) = 0,00199 · 244,30 = 0,4862 г.
Массовая доля BaCl2·2H2O в техническом хлориде бария равна:
,
.
Нередко для вычислений в гравиметрическом анализе используют факторы пересчета или гравиметрические факторы. Фактор пересчета (F) рассчитывают по формуле
,
где а и в – стехиометрические коэффициенты в химических формулах определяемого вещества и гравиметрической формы (чтобы число атомов определяемого элемента в числителе и знаменателе дроби было одинаковым). Например, при расчете содержания Mg по Mg2Р2О7 фактор пересчета будет равен
.
Числовое значение фактора пересчета для большинства практически важных определений рассчитаны с высокой точностью и приведены в справочниках.
Практические работы
Работа 1. Определение содержания кристаллизационной воды в
кристаллогидратах
Содержание кристаллизационной воды определяют высушиванием кристаллогидрата до постоянной массы. Температура, при которой происходит удаление кристаллизационной воды, зависит от прочности связи её с основным веществом. Так, например, BaCl2·2H2O сушат при 120–125 оС, CuSO4 ·5Н2О – при 140–150 оС; Na2СО3 · 10Н2О – при 270 оС.
Рассмотрим методику определения кристаллизационной воды на примере BaCl2·2H2O.
Ход определения
1. Взятие навески. Возьмите чистый бюкс, занумеруйте его (простым карандашом на пришлифованной части) и поместите в сушильный шкаф с температурой 120–125 оС. При этом не закрывайте бюкс крышкой, а положите ее сверху на ребро; если бюкс закрыть, то внутри него останется влага. Через 45–60 мин поместите бюкс (не закрывая его) с помощью тигельных щипцов в эксикатор и отнесите в весовую комнату. Спустя 15–20 мин, когда бюкс остынет до температуры аналитических весов, взвесьте его и запишите результат в лабораторный журнал.
Повторите высушивание бюкса еще 1–2 раза по 30 мин, чтобы довести его до постоянной массы. Высушивание закончите, когда результаты двух последних взвешиваний будут отличаться между собой не более чем на 0,0002 г.
В подготовленный таким образом бюкс поместите 1–3 г свежепрокристаллизованного воздушно-сухого BaCl2·2H2O, быстро закройте его крышкой и взвесьте на аналитических весах.
2. Высушивание. Откройте бюкс с навеской кристаллогидрата и положите его крышку на ребро, поместите бюкс в сушильный шкаф. Первое высушивание соли выполняйте 1,5–2 часа, строго следя, чтобы температура все время держалась в пределе 120–125 оС. При более высокой температуре возможно частичное разложение и улетучивание соли, а при более низкой не вся кристаллизационная вода будет удалена. Затем перенесите бюкс и крышку в эксикатор, оставьте охлаждаться на 15–20 мин около весов, закройте бюкс и взвесьте.
Повторите высушивание еще 1–2 раза (по 30 мин), т.е. доведите бюкс с его содержимым до постоянной массы. Если потребуется прервать работу до следующего занятия, то оставьте бюкс открытым в эксикаторе, высушивание будет продолжаться вследствие поглощения паров воды из воздуха водоотнимающим средством.
3. Вычисления. Рассмотрим на конкретном примере порядок записей в журнале и ход вычислений.
Форма записи
Взвешивания до высушивания кристаллогидрата, г
Масса бюкса после 1-го взвешивания ………….20,5230
Масса бюкса после 2-го взвешивания ……….... 20,5228
Постоянная масса бюкса ………………………... 20,5228
Масса бюкса с BaCl2·2H2O ……………………… 23,1150
Масса хлорида бария ……………………………. 2,5922
Взвешивание при высушивании кристаллогидрата, г
Масса бюкса с солью после 1-го высушивания …22,7280
Масса бюкса с солью после 2-го высушивания …. 22,7276
Масса бюкса с солью после 3-го высушивания …. 22,7274
Постоянная масса бюкса с BaCl2 ………………….. 22,7274.
По этим данным вычисляем массу кристаллизационной воды в навеске:
m(Н2О) = 23,1150 – 22,7274 = 0,3876 г Н2О.
Содержание воды в массовых долях, %:
ω%(Н2О) = [m(H2O) / m(образца) ] · 100 %;
ω%(Н2О) = 0,3876·100 % / 2,5922 = 14,94 %.
Описанная методика пригодна и для определения кристаллизационной воды в других кристаллогидратах, но высушивание должно производиться при других температурах. Аналогично определяют влажность почвы, минеральных удобрений, лекарств и др.
Работа 2. Определение содержания бария в кристаллическом хлориде бария
Для определения количественного содержания бария его осаждают в виде сульфата бария
Ba2+ + SO42– → BaSO4↓.
Сульфат бария удовлетворяет большинству требований, предъявляемых к осадкам: он – наименее растворимая соль бария, устойчив на воздухе, состав его строго соответствует формуле. В качестве осадителя предпочтение отдают серной кислоте, учитывая ее летучесть. Определение осложняется тем, что сульфат бария образует очень мелкие кристаллы, проходящие через поры фильтра. Поэтому в ходе анализа создают условия, обеспечивающие получение крупных кристаллов.
Перед началом определения тщательно моют всю посуду, прокаливают тигель до постоянной массы.
Взятие навески и ее растворение. Взвесьте часовое стекло на аналитических весах с точностью до 0,0002 г. На взвешенном стекле возьмите с такой же точностью навеску 0,5–0,7 г кристаллического BaCl2·2H2O. Перенесите навеску в чистый стакан емкостью 200–300 мл. Держа стекло наклонно над стаканом, струей воды из промывалки хорошо обмойте стекло, направляя всю стекающую жидкость в стакан. Полученный раствор разбавьте водой до 75–100 мл, помешивая стеклянной палочкой. Палочку нельзя вынимать из стакана до полного окончания осаждения. Прибавьте 2–3 мл 2 н. НСl, чтобы предотвратить образование коллоидных частиц BaSO4 и получить более крупные кристаллы.
Осаждение. Анализируемый раствор нагрейте (на асбестированной сетке) почти до кипения (кипение недопустимо, так как пары воды могут увлекать мельчайшие капли жидкости из стакана).
Параллельно с этим в другой стакан налейте 40–50 мл дистиллированной воды, прибавьте 5–6 мл 2 н. серной кислоты и также нагрейте до кипения. К горячему раствору хлорида бария медленно, по каплям, при непрерывном перемешивании палочкой, прилейте горячий раствор серной кислоты. Поставьте стакан с жидкостью и осадком на горячую водяную баню и дайте смеси отстояться. Осаждение из горячего раствора горячим раствором осадителя и последующее медленное охлаждение на бане способствуют образованию крупных кристаллов BaSO4.
Когда раствор над осадком станет совершенно прозрачным, сделайте пробу на полноту осаждения. Для этого осторожно по стенке стакана влейте в раствор 2–3 капли серной кислоты. Если в месте падения капель кислоты не образуется мути, осаждение считается законченным. В противном случае добавьте в стакан горячий раствор серной кислоты, хорошо перемешайте и дайте отстояться.
Наконец, когда полнота осаждения будет достигнута, не вынимая палочки из стакана, накройте его листком бумаги и оставьте до следующего занятия до «созревания» осадка. Не забудьте записать номер стакана.
Фильтрование. Промывание осадка. Возьмите беззольный фильтр «синяя лента», взвесьте его, уложите в воронку и смочите дистиллированной водой. Поместите воронку в кольцо штатива, подставьте стакан для собирания фильтрата. Затем осторожно по стеклянной палочке декантируйте прозрачную жидкость с осадка на фильтр, стараясь возможно меньше взмучивать осадок; стеклянную палочку снова поместите в стакан, а не на стол.
Одновременно с этим приготовьте промывную жидкость: нагрейте в промывалке 250–300 мл дистиллированной воды и прилейте к ней 4–5 капель 2 н. серной кислоты. Декантировав всю жидкость с осадка, приступайте к его промыванию.
Для этого налейте в стакан с осадком 20–30 мл промывной жидкости, перемешайте палочкой, дайте осадку отстояться и декантируйте жидкость на фильтр. Промывание повторите несколько раз до полного удаления ионов хлора, т.е. до тех пор пока собранная в пробирку порция фильтрата не будет давать мути хлорида серебра при действии нитратом серебра (в присутствии HNO3).
Отмыв осадок от примесей Cl–, количественно перенесите его на фильтр. На фильтре осадок промойте несколько раз небольшими порциями горячей воды (без H2SO4) для удаления сульфат-ионов. Промывание прекратить когда собранная в пробирку порция фильтрата 1–2 мл станет давать муть сульфата бария при добавлении 1–2 мл 2 н. раствора азотной кислоты и 3–4 капель 0,5 н. раствора хлорида бария.
Высушивание и прокаливание осадка. Воронку с осадком закройте влажным куском фильтровальной бумаги (со своей фамилией) и поместите в сушильный шкаф, нагретый до 100–105 оС. Подсохший фильтр сверните, как показано на рис. 4.1, положите в прокаленный до постоянной массы тигель и осторожно озолите под тягой на электрической плитке (или на пламени газовой горелки).
Рис. 4. 1. Свертывание фильтра с осадком
Затем поместите тигель в муфельную печь, прокаливайте 25–30 мин, дайте остыть в эксикаторе и взвесьте на аналитических весах. Прокаливание (по 10–15 мин) и взвешивание повторите несколько раз до получения постоянной массы. При прокаливании вместе с фильтром сульфат бария частично восстанавливается углем до сульфида:
BaSO4 + 2C → BaS + 2CO2↑,
однако BaS снова окисляется кислородом воздуха:
BaS + 2O2 → BaSO4.
Доведение тигля с осадком до постоянной массы указывает, что эти процессы закончились и полученный сульфат бария уже не содержит примесей сульфида.
Вычисления. Результаты всех взвешиваний записывают в лабораторный журнал.
Форма записи
Взвешивания анализируемого образца
Масса часового стекла ………………
Масса часового стекла с образцом…..
Навеска анализируемого образца……
Взвешивание сульфата бария
Масса тигля после 1-го прокаливания …..
Масса тигля после 2-го прокаливания…..
Постоянная масса тигля ……………….
Масса тигля с BaSO4 после 1-го прокаливания…..
Масса тигля с BaSO4 после 2-го прокаливания….
Масса полученного BaSO4……………….
Используя опытные данные, вычислите массовую долю (%) бария в образце хлорида бария (пример 2 в 4.1.4).
Рассчитайте абсолютную и относительную ошибки анализа.