Practica

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

«ПРИГОТОВЛЕНИЕ РАСТВОРА КИСЛОТЫ С ЗАДАННЫМ ЗНАЧЕНИЕМ МОЛЯРНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ЭКВИВАЛЕНТОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕЁ ТОЧНОГО ЗНАЧЕНИЯ МЕТОДОМ ТИТРОВАНИЯ»

Т е о р е т и ч е с к а я ч а с т ь

Молярная концентрация эквивалентов вещества в объёмном анализе. Титрование.

Молярная концентрация эквивалентов вещества Х– величина, равная отношению хи-

мического количества эквивалентов вещества Х к объёму раствора:

é 1 ù

сê * (X)ú = ë z û

é	1		ù
nê			(X)ú
		*
ë z			û	.

V

Она показывает, какое химическое количество эквивалентов вещества Х содержится в

3	é1			ù		3
растворе объёмом 1 дм . Например, запись сê			(H2SO	4 )ú	= 0,2 моль/дм		обозначает, что в дан-
	ë	2		û

ном растворе объёмом 1 дм3 количество эквивалентов серной кислоты равно0,2 моль. Часто молярную концентрацию эквивалента называют эквивалентной концентрацией и обозначают символом «сэ». Раньше её называли нормальной концентрацией (или нормальностью) и обо-

значили символами «н» или «N».

Согласно закону эквивалентов, вещества X и Y реагируют в таком соотношении, что количество эквивалентов вещества Х всегда равно количеству эквивалентов вещества Y, т. е.:

é	1		ù		é	1		ù
nê			(X)ú	=	nê			(Y)ú .
		*					*
ë z			û		ë z			û

é	1		ù		é	1		ù
Посколькуnê			(X)ú	= V(р-ра)	(X) × сê			(X)ú	, а
		*					*
ë z			û		ë z			û

é	1		ù		é	1		ù
nê			(Y)ú	= V(р-ра)	(Y) × сê			(Y)ú	,
		*					*
ë z			û		ë z			û

то можно записать:

V

(X) ×с

é

1

(X)ù

=V

(Y) ×с

é

1

(Y)ù

ê

*

ê

*

(р-ра)

ú

(р-ра)

ú

ë z

û

ë z

û

или в упрощенном виде:

Vр-ра(Х) × сэ(Х) = Vр-ра(Y) × сэ(Y)

Из этого уравнения видно, что при одинаковых концентрациях эквивалентов реагирующих веществ X и Y объёмы их растворов будут также одинаковыми. Так, например, для нейтрализации серной кислоты, содержащейся в растворе объёмом 50 см3 с концентрацией её эквивалентов, равной 0,1 моль/дм3, требуется такой же объём раствора гидроксида натрия с концентрацией его эквивалентов, равной 0,1 моль/дм3. Если же молярные концентрации эквивалентов веществ X и Y не равны между собой, то их отношение обратно пропорционально отношению объёмов растворов этих веществ:

сэ (Х)	Vр-ра (Y)
	=
сэ (Y)
	Vр-ра (Х)

Это уравнение позволяет рассчитать значение эквивалентной концентрации вещества Х, если известно значение концентрации реагирующего с ним вещества Y. Данный тип расчетов очень широко используется в аналитической химии и лежит в основеметода объёмного анализа, основанного на измерении объёмов растворов реагирующих веществ.

31

На практике для определения эквивалентной концентрации веществ используют метод титровáния (от франц. «titre» – количество). Он заключается в том, что к определённому объёму раствора с неизвестной эквивалентной концентрацией вещества Х постепенно добавляют раствор с известной концентрацией веществаY до момента окончания реакции, которому соответствует изменение окраски индикатора. Определив таким образом точный объём добавленного раствора вещества Y, рассчитывают эквивалентную концентрацию вещества Х в исходном растворе.

Пример 1.

На титрование раствора гидроксида калия объемом10,0 см3 израсходован раствор объемом 12,8 см3 с эквивалентной концентрацией серной кислоты, равной 0,1200 моль/дм3. Вычислить эквивалентную концентрацию щёлочи в исходном растворе.

Решение:

Из уравненияV(кисл) × сэ(кисл) = V(щёл) × сэ(щёл)

выразим искомую концентрацию и найдем её значение:

V(кисл)		×сэ(кисл)		12,8 см3 × 0,125 моль/дм3		3
сэ(щёл) =			=			= 0,1600 моль/дм .
	V				10,0 см3
	(щел )

При приготовлении растворов с заданными значениями молярной концентрации эквивалентов необходимо помнить, что молярная масса эквивалента одного и того же вещества может иметь разные значенияв зависимости от того, в какой реакции это вещество будет участвовать. Например, для реакции H2SO4 + NaOH ® NaHSO4 + H2O эквивалентом кислоты является её молекула и молярная масса эквивалентов равна98 г/моль. В случае же другой реакции: H2SO4 + 2NaOH ® Na2SO4 + 2H2O эквивалентом кислоты является половина её молекулы и молярная масса эквивалентов в этом случае составляет:

M [	1	(H 2SO4 )]=	1	× M (H 2SO4 ) =	98 г/моль	= 49 г/моль .
	2
		2		2

Э к с п е р и м е н т а л ь н а я ч а с т ь

ОПЫТ 1. Определение плотности исходного раствора и массовой доли кислоты в

нём

Для быстрого определения плотности растворов используют специальные приспособления – ареόметры. Ареόметр представляет собой изготовленный в виде поплавка стеклянный сосуд со шкалой, градуированный в единицах плотности (кг/м3) (рис. 1).

Рис.1. Ареометр.

1 – шарик со свинцовой дробью; 2 – стеклянная ампула; 3 - шкала

Выполнение:

1) Исходный раствор кислоты налейте в сухой цилиндр на 2/3 его объема. Осторожно опустите в этот раствор ареометр и следите за тем, чтобы он не касался дна и стенок цилиндра, а нижний мениск жидкости в цилиндре располагался бы в пределах шкалы ареометра

(рис. 2).

32

Рис. 2. Измерение плотности раствора ареометром

2)После того, как покачивания ареометра прекратятся, определите значение плотности, соответствующее нижнему мениску раствора, произведя отсчет по шкале ареометра сверху вниз. Запишите в отчет найденное значение. После этого аккуратно извлеките ареометр из раствора, промойте водопроводной водой, вытрите досуха фильтровальной бумагой и поместите в футляр.

3)Запишите найденное значение плотности в отчёт. Используя справочную таблицу 1, определите массовую долю кислоты, соответствующую найденному значению плотности.

Таблица 1. Массовые доли кислот и соответствующие им значения плотности растворов (г/см3).

	Массовая до-		Плотность растворов кислот, г/см3 (20 оС)
	ля кислоты,
	(%)
		H2SO4		HNO3		HCl
	6	1,040		1,033		1,029
	7	1,045		1,037		1,037
	8	1,052		1,044		1,039
	9	1,059		1,049		1,043
	10	1,066		1,056		1,049
	12	1,080		1,068		1,059
	14	1,098		1,080		1,069
	16	1,112		1,093		1,079
	18	1,127		1,106		1,083
	20	1,143		1,119		1,100
	22	1,158		1,132		1,110
	24	1,174		1,145		1,121
	26	1,190		1,158		1,132
	28	1,205		1,171		1,142
	30	1,224		1,184		1,152

Если в таблице нет значения плотности, совпадающего с найденным, то искомую массовую долю кислоты определите методом интерполяции. Для этого используйте 2 ближайших табличных значения плотности, одно из которых больше, а другое меньше найденного вами значения. (При этом допускается, что в выбранном интервале значений плотности зависимость массовой доля вещества от плотности раствора является линейной). Рассмотрим конкретный пример.

33

Пример 2 .

Определим с помощью справочной таблицы массовую долю серной кислоты в растворе с плотностью, равной 1,200 г/см3 , если в таблице приведены значения плотности, равные 1,190 г/см3 и 1,205 г/см3 , которым соответствуют массовые доли кислоты 26 % и 28 %.

Решение:

а) Находим разность между бóльшим и меньшим табличными значениями плотности, ближайшими к значению 1,200 г/см3:

Dr = r(больш) – r(меньш) = 1,205 – 1,190 = 0,015.

б) Находим разность между табличными значениями массовых долей кислоты, соответствующими данным значениям плотности:

Dw = w(больш) – w(меньш) = 28 % – 26 % = 2 %.

в) Находим разность между измеренным значением плотности и меньшим её табличным значением:

Dr1 = r(измер) – r(меньш) = 1,200 – 1,190 = 0,010.

г) Составим пропорцию и находим значение Dw1 , соответствующее найденному значению Dr1 :

если Dr = 0,015, то Dw = 2 %, если Dr1 = 0,010, то Dw1 = х %,

откуда х = 1,3 %.

д) Находим искомое значение массовой доли кислоты, добавив найденное Dw1 к меньшему табличному значению массовой доли:

w(кисл) = 26 % + 1,3 % = 27,3 %.

По приведенному образцу рассчитайте массовую долю кислоты в приготовленном растворе и запишите её в отчёт.

ОПЫТ 2. Приготовление раствора

Выполнение:

1) Расчет объёма исходного раствора кислоты:

а) Исходя из величин объёма раствора и молярной концентрации эквивалентов -ки слоты, указанных в задании, рассчитайте массу кислоты, которая будет содержаться в приготовленном растворе.

б) Исходя из массы кислоты и массовой доли ее в исходном растворе, рассчитайте массу этого раствора.

в) Исходя из массы исходного раствора и его плотности, рассчитайте объём данного раствора.

2) Приготовление раствора:

а) Мерную колбу указанного объёма наполните примерно наполовину дистиллированной водой.

б) Отмерьте рассчитанный объём исходного раствора кислоты узким мернымци линдром.

в) Осторожно перелейте через воронку отмеренный объём раствора в мерную колбу с водой и перемешайте ее содержимое круговыми движениями. Аккуратно долейте в колбу дистиллированную воду, доведя уровень нижнего мениска жидкости до метки на горлышке колбы. При этом последние порции воды добавляйте по каплям. Закройте колбу и, удерживая пробку, тщательно перемешайте раствор, несколько раз перевернув колбу вверх дном.

ОПЫТ 3. Определение концентрации кислоты в приготовленном растворе.

Выполнение (состоит из 3-х частей):

1) П о д г о т о в к а б ю р е т к и к р а б о т е

34

а) Соберите прибор для титрования(рис. 3). Бюретку закрепите строго вертикально над основанием штатива. При этом шкала бюретки должна быть обращена к вам. Высоту бюретки отрегулируйте так, чтобы ее капилляр был на 0,5 – 1 cм ниже горлышка колбы для титрования, стоящей на основании штатива.

Рис. 3. Прибор для титрования.

1 – бюретка; 2 – резиновая трубка со стеклянным шариком; 3 – стеклянный капилляр; 4 –колба для титрования; 5 – химическая воронка.

б) Заполните бюретку приготовленным раствором кислоты примерно до нулевого деления, осторожно приливая в нее раствор из мерной колбы через воронку. При этом воронку следует удерживать слегка приподнятой, чтобы вытесняемый раствором воздух свободно выходил из бюретки.

в) Промойте бюретку. Для этого слейте из нее раствор кислоты через капилляр в стакан. Промытую бюретку снова заполните раствором кислоты примерно до нулевого деления и удалите из капилляра бюретки пузырьки воздуха. Для этого капилляр поднимите вверх и сливайте раствор из бюретки в стакан до тех пор, пока он не вытеснит из капилляра все пузырьки воздуха (рис. 4).

Рис. 4. Удаление пузырьков воздуха из капилляра бюретки

35

г) Установите уровень жидкости в бюретке на нулевом делении. Для этого долейте в бюретку из мерной колбы столько раствора, чтобы его уровень был выше отметки«0» примерно на 1 см. Затем, убрав с бюретки воронку (!!!), осторожно, по каплям (!!!) сливайте раствор в стакан, пока нижний мениск жидкости в бюретке не совпадет с делением «0».

2. Т и т р о в а н и е

а) В колбу для титрования отмерьте с помощью пипетки строго определенный объём (аликвóту) раствора щёлочи (5 или 10 см3) с известной эквивалентной концентрацией(0,1 моль/дм3). Для этого, держа пипетку большим и средним пальцами, опустите её на максимальную глубину в раствор щёлочи. Осторожно затягивая воздух из пипетки резиновой грушей, наберите в пипетку столько раствора, чтобы его уровень оказался выше метки на 1 – 1,5 см. Затем быстро, не извлекая пипетку из раствора, закройте её указательным пальцем. Колбу с раствором и пипеткой поднимите до такой высоты, чтобы метка оказалась на уровне ваших глаз (рис. 5).

б) Держа закрытую пипетку строго вертикально, приподнимите ее так, чтобы капилляр оказался над поверхностью раствора и касался внутренней стенки колбы. Осторожно сдвигая палец, закрывающий пипетку, сливайте из нее раствор до тех пор, пока его нижний мениск не совпадет с кольцевой меткой(или нулевым делением).

в) Пипетку с раствором перенесите в колбу для

	титрования так, чтобы капилляр		пипетки касался
	стенки и отпустите палец, закрывающий пипетку, при
	этом раствор из пипетки перельется в колбу. После этого			Рис. 5. Отмеривание определённого
	дотроньтесь 2 –	3 раза капилляром до поверхности рас-
				объёма раствора пипеткой
	твора в колбе.	Это необходимо для	того, чтобы объём

раствора, вытекшего из пипетки, точно соответствовал отмеренному объёму.

г) В колбу с раствором щёлочи добавьте1 каплю раствора фенолфталеина и проведите ориентировочное титрование. Для этого, постоянно перемешивая содержимое колбы круговыми движениями, добавляйте в неё по каплям раствор из бюретки и внимательно следите за изменением окраски раствора. Когда ее интенсивность начнет ослабевать, уменьшите скорость добавления капель и тщательно перемешивайте раствор в колбе после добавления каждой капли. Титрование закончите лишь тогда, когда раствор в колбе полностью обесцветится.

д) Определите объем израсходованного на титрование раствора кислоты, произведя отчет по шкале бюретки сверху вниз (по нижнему мениску !). Запишите полученное значение

объема раствора кислоты V1, израсходованного на ориентировочное титрование:

V1 = … см3.

е) Повторите титрование 3 – 4 раза, каждый раз используя новую сухую колбу и ус-

танавливая уровень раствора в бюретке на нулевом делении. Запишите полученные значения

объемов раствора кислоты:

V2 = … см3; V3 = … см3; V4 = … см3.

Помните, что они могут различаться не более чем на 0,1 см3.

3. Р а с ч ё т м о л я р н о й к о н ц е н т р а ц и и э к в и в а л е н т о в к и с л о т ы в п р и г о т о в л е н н о м р а с т в о р е

36

а) Из сходящихся (различающихся не более, чем на 0,1 см3) значений объёмов раствора кислоты, израсходованных на титрование, рассчитайте среднее значение объёма и за-

пишите его в отчет: Vср.(кисл) = V1 +V2 +... +Vn = … (см3). n

б) Рассчитайте молярную концентрации эквивалентов кислоты в приготовленном рас-

творе и запишите в отчет: сэ(кисл.) = Vр-ра (щёл.) ×сэ (щёл.) = … моль/дм3.

Vср.р -ра (кисл.)

в) Рассчитайте относительную ошибку приготовления раствора кислоты:

e = сэ(задан) _ сэ(найд) ×100 = … %.

сэ(задан)

КОГДА И ЧТО СДЕЛАТЬ?

Дома перед занятием:

1.Изучите содержание лабораторной работы, подготовьтесь к опросу по данному материалу.

2.В тетради для лабораторных работ сделайте заготовку отчёта о выполнении работы.

Вначале отчёта укажите дату, номер работы и её название. После этого перепишите в тетрадь названия и методики выполнения опытов из вышеприведенной «Экспериментальной части», оставляя места для записи расчётов.

На занятии:

3.Выполните экспериментальную часть работы, строго следуя инструкции и тщательно записывая промежуточные результаты в отчёт.

4.Уберите своё рабочее место.

Дома после занятия:

5.Выполните необходимые расчёты и запишите их в отчёт.

6.Ответьте письменно в тетради для лабораторных работ на контрольные вопросы: а) Что характеризует молярная концентрация эквивалентов? Каковы её единицы?

б) Как связаны объёмы растворов двух реагирующих веществ с молярными концентрациями их эквивалентов в этих растворах? Где на практике используется эта зависимость?

в) Для чего используется и в чём заключается метод титрования?

г) Почему молярная масса эквивалентов одного и того же вещества может иметь разные значения? От чего зависит её величина?

д) Какова роль индикатора в процессе титрования?

е) Почему титрование следует проводить как минимум 3 раза?

ж) Что показывает величина относительной ошибки приготовления раствора? Почему концентрация кислоты, найденная методом титрования, может отличаться от заданного значения?

=======================================================================

37

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

«РАВНОВЕСИЯ В РАСТВОРАХ ЭЛЕКТРОЛИТОВ»

Э к с п е р и м е н т а л ь н а я ч а с т ь

ОПЫТ № 1. Изучение характера диссоциации гидроксидов металлов

Выполнение:

В 2 пробирки налейте по 0,5 см3 раствора хлорида магния и добавьте по0,5 см3 раствора щёлочи. В первую пробирку с образовавшимся осадком добавьте 1 см3 соляной кислоты, а в другую – 1 см3 раствора гидроксида натрия, содержимое обеих пробирок перемешайте стеклянной палочкой. Аналогично получите осадки гидроксидов цинка, никеля(II) и алюминия и исследуйте их отношение к растворам кислоты и щёлочи.

Задания:

Запишите все наблюдаемые эффекты. Составьте уравнения всех проведенных реакций в молекулярной, полной и сокращённой ионно-молекулярных формах. Сделайте выводы о характере диссоциации полученных вами гидроксидов и об их кислотно-основных свойствах.

ОПЫТ № 2. Смещение ионного равновесия в растворе уксусной кислоты(демонстрационный)

Выполнение:

В два стаканчика налейте по20 см3 разбавленного раствора уксусной кислоты (с = 0,1 моль/дм3) и добавьте по 1 капле раствора метилоранжа. Затем в один из стаканчиков добавьте примерно 0,5 г ацетата натрия и перемешайте смесь стеклянной палочкой.

Задания:

Запишите наблюдаемые явления и объясните их. Сделайте вывод о влиянии концентрации ацетат-ионов на положение равновесия диссоциации уксусной кислоты.

ОПЫТ № 3. Смещение ионного равновесия в растворе аммиака кислоты(демонстрационный)

Выполнение:

В два стаканчика налейте по 20 см3 разбавленного раствора аммиака (с = 0,1 моль/дм3) и добавьте по 1 капле раствора фенолфталеина. Затем в один из стаканчиков добавьте примерно 0,5 г хлорида аммония и перемешайте смесь стеклянной палочкой.

Задания:

Запишите наблюдаемые явления и объясните их. Сделайте вывод о влиянии концентрации катионов аммония на положение равновесия диссоциации гидрата аммиака.

Сделайте общий вывод о влиянии концентраций ионов на положение равновесия диссоциации слабых электролитов.

ОПЫТ № 4. Влияние величин произведения растворимости на образование осад-

ков

Выполнение:

В две пробирки налейте по1 см3 раствора нитрата свинца(II) с концентрацией, равной

5 · 10–3 моль/дм3. В одну из пробирок добавьте такой же объём раствора хлорида калия (с = 5 · 10–2 моль/дм3), а в другую – такой же объём раствора иодида калия (с = 5 · 10–2 моль/дм3).

Задания:

Составьте уравнения всех реакций в молекулярной, полной и сокращённой ионномолекулярных формах. Запишите наблюдаемые явления и объясните их. Рассчитайте величины ПК для хлорида и иодида свинца(II) и сравните их с соответствующими справочными величинами ПР этих веществ. Сделайте вывод о влиянии концентраций ионов малорастворимо-

38

го электролита на возможность (или невозможность) его выделения из раствора в виде осадка.

ОПЫТ № 5. Образование и растворение осадка карбоната кальция(демонстрационный)

Выполнение:

В стаканчике смешайте примерно равные объёмы разбавленных растворов хлорида кальция (с = 1 · 10–2 моль/дм3) и карбоната натрия (с = 1 · 10–2 моль/дм3). Через образовавшуюся взвесь пропустите в течение 1 – 1,5 минут углекислый газ из аппарата Киппа.

Задания:

Напишите уравнения всех реакций в молекулярной, полной и сокращённой ионномолекулярных формах. Запишите наблюдаемые явления и объясните их. Пользуясь справочными величинами, рассчитайте константу равновесия второй реакции. Примите во внимание, что для процессов, описывающихся общим уравнением MeCO3 + H2CO3 ↔ Me2+ + 2HCO3–, выражение константы равновесия имеет вид:

Kравн = ПР(MeCO3 ) × KI (H2CO3 ) . K II (H2CO3 )

О чём свидетельствует полученная величина? Сделайте вывод о влиянии значений ПР малорастворимых карбонатов MeCO3 на возможность их растворения в водном растворе оксида углерода(IV).

ОПЫТ № 6. Влияние величин ПР сульфидов на их растворимость в сильной кислоте (проводится в вытяжном шкафу !)

Выполнение:

В первую пробирку налейте1 см3 раствора сульфата железа(II), во вторую – такой же объем раствора сульфата меди(II). В обе пробирки добавьте по 2 капли раствора сульфида натрия. К образовавшимся осадкам сульфидов прилейте по2 см3 соляной кислоты (с = 2 моль/дм3).

Задания:

Напишите уравнения всех реакций в молекулярной, полной и сокращённой ионно-

молекулярных формах. Запишите наблюдаемые явления и объясните их. Рассчитайте величины констант равновесий FeS + 2H+ ↔ Fe2+ + H2S и СuS + 2H+ ↔ Cu2+ + H2S, учитывая, что

	для таких процессов константа равновесия имеет вид: Kравн =	ПР(MeS)	.
		K I (H2S) × KII (H2S)

О чём свидетельствуют полученные величины? Сделайте вывод о влиянии величин ПР малорастворимых сульфидов MeS на возможность их растворения в сильных кислотах.

КОГДА И ЧТО СДЕЛАТЬ?

Дома перед занятием:

1.Изучите содержание лабораторной работы, подготовьтесь к опросу по данному ма-

териалу.

2.В тетради для лабораторных работ сделайте заготовку отчёта о выполнении работы.

Вначале отчёта укажите дату, номер работы и её название. После этого перепишите в тетрадь названия и методики выполнения опытов из вышеприведенной «Экспериментальной части», оставляя места для записи наблюдений, объяснений, расчётов, ответов на вопросы и выводов.

На занятии:

3.Выполните экспериментальную часть работы, строго следуя инструкции и тщательно записывая промежуточные результаты в отчёт.

4.Уберите своё рабочее место.

39

Дома после занятия:

5.Выполните задания ко всем опытам. Проведите необходимые расчёты и запишите их

вотчёт.

6.Ответьте письменно в тетради для лабораторных работ на контрольные вопросы:

а) Охарактеризуйте кислотно-основные свойства гидроксидов магния, цинка, алю-

миния, никеля(II).

б) В чём проявляется амфотерный характер некоторых гидроксидов? Как его можно объяснить? Приведите примеры других амфотерных гидроксидов.

в) Как можно сместить равновесияе диссоциации слабого электролита? Приведите примеры и объясните суть процессов.

г) Что характеризует величина ПР малорастворимого сильного электролита? От каких факторов зависит её значение?

д) Как по величинам ПР однотипных малорастворимых сильных электролитов можно определить, какой из них наименее растворим?

е) Как можно определить, выпадет ли осадок малорастворимого сильного электролита при смешивании растворов, содержащих образующие его ионы?

ж) Пользуясь справочными данными определите, растворяется ли осадок MnS в соляной кислоте?

=======================================================================

40