Лабораторная работа Определение серной и фосфорной кислот при совместном присутствии.

Цель работы.

Проанализировать качество фосфорной кислоты и определить какая примесь присутствует ( ).

Пояснения к работе.

Фосфорная кислота широко применяется в производстве концентрированных и сложных удобрений. Обычно используют термическую или экстракционную фосфорную кислоту. Термическая фосфорная кислота содержит небольшое количество примесей (обычно менее 1 %), которые не мешают определению Р₂О₅ прямым титрованием щелочью. Экстракционную кислоту получают разложением природных фосфатов. Она содержит значительное количество примесей (серную и кремнефтористоводородные кислоты, железо, алюминий, кальций, магний, щелочные металлы). Прямое титрование экстракционной кислоты приводит к искаженным результатам, т.к. при титровании первого иона водорода (по метиловому ораневому) одновременно титруется серная и кремнефтоистоводородная кислоты:

При титровании второго иона водорода фосфорной кислоты одновременно титруется кремнефтористоводородный натрий, монокальцийфосфат и др.:

В результате затрачивается дополнительное количество щелочи. В экстракционной фосфорной кислоте определяют содержание Р₂О₅, SO₃ ион F, общее содержание полуторных окислов F₂O₃, CaO и MgO. В зависимости от состава исходного сырья и метода производства экстракционной кислоты могут быть различные примеси и в различных количествах. Фосфорная кислота получаемая в дигидратном процессе, содержит от 20 до 32 % Р₂О₅, до 2 % фтора и 3 % серного ангидрида. Кислота получаемая в ангидридном процессе, содержит 43-44,5 % Р₂О₅, 5-6 % серного ангидрида, около 0,5 % фтора. Упаренная фосфорная кислота содержит 54-55 % Р₂О₅, 0,2-0,4 % фтора и серный ангидрид (в зависимости от его содержания в неупаренной кислоте).

В любой кислоте Р₂О₅ можно определить весовым цитратным методом в виде Mg₂P₂O₇. При малом содержании фтора (0,5-0,6 %), что обычно связанно с высокой концентрацией фосфорной кислоты в растворе, Р₂О₅ можно определить методом прямого титрования или хроматографическим методом, т.к. в этих условиях фтор мало влияет на результаты анализа.

Кислоты, содержащие до 25 % Р₂О₅, можно определять фотоколориметрическим методом.

Определение фосфорной и серной кислот. При получении фосфорной кислоты экстракционным методом очень важным является определение в реагирующей массе содержания серной (избыток или недостаток ее) и фосфорной кислот. В реакционной массе могут одновременно присутствовать H₂SO₄ и H₃PO₄ (при избытке H₂SO₄):

Или и (при недостатке серной кислоты):

.

При титровании щелочью в присутствии метилового желтого или метилового оранжевого оттитровываются оба иона аодорода серной кислоты и один ион водорода фосфорной кислоты:

При титровании щелочью с фенолфталеином оттитровываются второй ион водорода фосфорной кислоты и один ион водорода монокальцийфосфата:

Если расход щелочи с метиловым оранжевым больше, чем при титровании с фенолфталеином, значит, имеется избыток серной кислоты, если меньше, то недостаток.

Положим, на титрование с метиловым оранжевым израсходовано V₁ мл 0,1 н. раствора едкого натра. При дальнейшем титровании с фенолфталеином израсходовано V₂ мл 0,1 н. раствора едкого натра, причем V₁>V₂, следовательно, присутствует смесь серной и фосфорной кислот. Зная V₁ и V₂, можно рассчитать количество граммов на литр серной и фосфорной кислот. Согласно приведенным выше уравнениям реакций, V₂ мл были затрачены на реакцию:

.

Такое же количество миллилитров 0,1 н. раствора едкого натра было израсходовано на титрование по метиловому оранжевому, где оттитровывался тоже один ион водорода фосфорной кислоты.

Следовательно, на титрование фосфорной кислоты было израсходовано всего 2V₂ мл раствора NaOH, а на титрование серной (V₁-V₂) мл.

Содержание серной кислоты рассчитывают по формуле:

[г/л],

N – нормальность раствора едкого натра

V₃ – объем анализируемого раствора, взятый для анализа, мл

0,049 – миллиграмм-эквивалент серной кислоты.

Содержание фосфорной кислоты вычисляют по формуле:

[г/л]

Если V₁<V₂, то в растворе присутствуют фосфорная кислота и монокальцийфосфат. Следовательно, по метиловому оранжевому титровалась только фосфорная кислота. Содержание фосфорной кислоты определяют по формуле:

[г/л]

0,098 – миллигамм-эквивалент фосфорной кислоты

N – нормальность раствора едкого натра

V₁ – количество раствора NaOH, израсходованное на титрование исследуемого раствора по метиловому оранжевому, мл

V₃ – объем анализируемого раствора, взятый для анализа, мл

При титровании по фенолфталеину в точке эквивалентности находятся двузамещенный фосфат натрия и двузамещенный фосфат кальция. Следовательно, раствор едкого натра (V₂ миллилитров) затрачивается на реакции:

При этом на титрование одного иона водорода затрачивается V₁ мл раствора NaOH (это известно при титровании по метиловому оранжевому) и (V₂ – V₁) мл раствора NaOH на титрование двух ионов водорода монокальцийфосфата. Тогда содержание монокальцийфосфата в г/л модно вычислить по формуле:

[г/л]

0,117 – миллиграмм-эквивалент монокальцийфосфата

N – нормальность раствора едкого натра

V₂ – количество раствора NaOH, израсходованное на титрование исследуемого раствора по фенолфталеину, мл

V₁ – количество раствора NaOH, израсходованное на титрование исследуемого раствора по метиловому оранжевому, мл

V₃ – объем анализируемого раствора, взятый для анализа, мл

Задание.

1. Анализируемое вещество подготовить к исследованию.

2. Провести испытание по методике.

3. Выполнить необходимые расчеты.

4. Ответить на контрольные вопросы.

Оборудование и реактивы.

1. Гидроксид натрия 0,1 н.

2. Индикаторы метилоранж, фенолфталеин.

3. Мерная колба на 200-250 см³.

4. Коническая колба.

5. Мерные пипетки.

Работа в лаборатории.

Выполнение определения. Пипеткой 5 см³ исследуемого раствора вливают в мерную колбу емкостью 250 см³, доводят объем раствора до метки водой, перемешивают и отбирают пипеткой 25 см³ полученного раствора в коническую колбу. Прибавляют 2-3 капли метилового оранжевого и титруют 0,1 н. раствором едкого натра до желтого окрашивания, отмечают расход щелочи V₁ см³. Затем сюда же приливают 1-2 капли фенолфталеина и титруют тем же раствором NaOH (начиная от 0) до розового окрашивания раствора. Расход щелочи при этом титровании составляет V₂ см³.

Иногда, чтобы избежать влияния желтого окрашивания метилового оранжевого при титровании по фенолфталеину, поступают следующим образом. В две конические колбы помещают пипеткой по 25 см³ приготовленного для титрования раствора. Затем в одну колбу добавляют 2-3 капли и титруют 0,1 н. раствором едкого натра до желтого окрашивания, отмечают расход щелочи V₁ см³. В другую колбу добавляют 1-2 капли фенолфталеина и титруют тем же раствором NaOH (начиная от 0) до розового окрашивания раствора. Расход щелочи при этом титровании составляет V₂ см³.

Далее расчет содержания определяемых веществ ведут по формулам, принимая во внимание разбавление анализируемого раствора, т.к. в указанных формулах оно не учтено.

Содержание отчета.

Протокол исследования:

V_к – объем мерной колбы (см³) =

V_пр – объем пробы, помещенный в мерную колбу (см³) =

V_пип – объем пипетки, взятый для анализа из мерной колбы (см³) =

C – концентрация щелочи (моль/дм³) =

Объемы щелочи, пошедшие на титрование пробы по метиловому оранжевому:

V₁^/ (см³) =

V₂^/ (см³) = V_ср^/ (см³) =

V₃^/ (см³) =

Объемы щелочи, пошедшие на титрование пробы по фенолфталеину:

V₁^// (см³) =

V₂^// (см³) = V_ср^// (см³) =

V₃^// (см³) =

Сравнить V_ср^/>V_ср^// или V_ср^/<V_ср^//

Содержание веществ рассчитывают по формулам:

V_ср^/>V_ср^//

[г/л], [г/л]

V_ср^/<V_ср^//

[г/л], [г/л]

Расчет.

Выводы:

Контрольные вопросы:

1. Как определить наличие примесей в фосфорной кислоте?

2. Рассчитать титр щелочи по серной и фосфорной кислоте, если С_NaOH=0,1 моль/дм³?

3. Почему моль-эквивалент монокальцийфосфата равен 117?

4. Цвет индикатора метиловый оранжевый в точке эквивалентности?

5. Основные способы получения фосфорной кислоты?

Литература.

К.И.Годовская. Технический анализ. М., Высшая школа, 1972.