Приготовление растворов кислот заданной концентрации и определение концентрации полученных растворов методом титрования

Цель работы: изучить приемы приготовления растворов и основные методы определения их концентрации. Способы выражения концентрации растворов: молярная, нормальная, процентная, моляльная, титр раствора.

Рабочее задание: приготовить раствор соляной кислоты из концентри-рованной кислоты и определить концентрацию полученного раствора мето-дом титрования.

СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

Метод титрования сводится к измерению объемов растворов реаги-рующих веществ, концентрация одного из которых известна.

Растворы точно известной концентрации называются титрованными. Концентрацию титрованных растворов выражают через титр или через

нормальность, молярную концентрацию эквивалентов (N).

Под титром понимают число граммов вещества, растворенного в 1 мл раствора.

Нормальностью называется число эквивалентов растворенного веще-ства, содержащееся в 1 л раствора.

Согласно закону эквивалентов, все вещества реагируют между собой в количествах, пропорциональных их эквивалентам, а также в равно эквива-лентных количествах. Поэтому растворы различных веществ одинаковой нормальности реагируют между собой в равных объемах, а растворы разной нормальности реагируют в объемах, обратно пропорциональных их нормаль-ностям:

=

,

V

V₂ N_{1 1} N₂

V₁N₁ = V₂N₂ (1)

где V₁, V₂ – объем растворов (л); N₁, N₂ – нормальности растворов (моль-э/л или н).

При титровании нужно точнее установить момент наступления эквива-лентности или, как говорят, фиксировать эквивалентную точку титрования. Для этого приходится прибавлять к титруемому раствору подходящий инди-катор.

Титрование кислот и щелочей при определении их концентрации по характеру протекающих при этом химических ре-

18

акций, например, NaOH + HCl = NaCl + H₂O – реакция нейтрализации, полу-чило название метода нейтрализации.

В методе нейтрализации применяют чаще всего индикаторы фенол-фталеин и метилоранж. При титровании кислоты щелочью удобнее приме-нять фенолфталеин, при титровании же щелочи кислотой – метилоранж.

Для точного измерения объемов в количественном анализе применя-ются бюретки, пипетки и мерные колбы.

Бюретки служат для титрования и представляют собой цилиндриче-ские трубки с суженным концом, к которому при помощи резиновой трубки присоединяется оттянутая стеклянная трубочка. На свободную часть резино-вой трубки надевается металлический зажим, позволяющий при надавлива-нии на него двумя пальцами выпускать жидкость из бюретки. Иногда вместо зажима в резиновую трубку вставляют маленький стеклянный шарик. Если слегка сжать резинку в том месте, где помещается шарик, то между ним и шариком образуются узкие канальцы, через которые и вытекает жидкость из бюретки.

Для титрования растворами веществ, которые действуют на резину, пользуются специальными бюретками со стеклянными кранами.

Бюретка разделена на миллилитры (50 и 25) и десятые доли их, причем нулевое деление помещается вверху бюретки.

Поверхность жидкости в бюретке представляется широкой вогнутой полоской (мениск). При отсчетах смотрят, какого деления касается нижний край мениска (край нижнего мениска должен находиться на уровне глаз).

Пипетки служат обычно для точного отмеривания каких-либо опреде-ленных объемов исследуемого раствора (или раствора реактива) и представ-ляют собой длинные узкие трубки с расширением в середине. В верхней, уз-кой части пипетки имеется кольцевая черта, до которой пипетку наполняют жидкостью. Пипетки делаются обычно емкостью 100; 50; 20; 10 и 5 мл. Рас-твор в пипетку всасывают резиновой грушей, глубоко погрузив нижний ко-нец ее в жидкость. Всасывают в пипетку раствор так, чтобы уровень жидко-сти в ней поднялся приблизительно на 2 см выше черты. Затем быстро за-крывают верхнее отверстие пипетки указательным пальцем, чуть-чуть при-открывая его, дают жидкости очень медленно стекать, пока нижний край ме-ниска не коснется черты деления. Пипетку переносят в заранее приготовлен-ный сосуд и, держа ее вертикально, дают жидкости вытечь. По окончании истечения прикасаются кончиком пипетки к стенке сосуда и ждут несколько секунд. После этого вынимают пипетку из сосуда, не обращая внимания на оставшуюся в ней каплю. Выдавливать эту каплю ни в коем случае не следу-ет.

Перед наполнением пипетки и бюретки исследуемым раствором их тщательно моют и ополаскивают исследуемым раствором.

Мерные колбы применяют для разбавления исследуемого раствора до определенного объема, часть которого отбирается для титрования при помо-щи пипетки. Мерные колбы представляют собой колбы с длинной узкой

19

шейкой с нанесенной на ней круговой чертой, до которой колбу наполняют. Мерная колба должна быть перед использованием тщательно вымыта. Так как мерные колбы предназначаются для разбавления определенного количе-ства исследуемого раствора, обмывать их этим раствором нельзя.

Ареометр – прибор определения плотности жидкости, действующей по закону Архимеда. При измерении плотности ареометр автоматически погру-

жается в жидкость тем более, чем менее ее плотность. Шкала ареометра гра-дуируется чаще всего в г/см³ при t = 20 С⁰. Ареометры, применяемые для

специальных целей, имеют соответствующие шкалы и названия (лактометры для определения плотности молока, спиртометры для измерения содержания спирта в воде, сахарометры для определения плотности сахарных растворов и др.). Часто ареометр монтируют в стеклянный сосуд, в который можно ре-зиновой грушей втягивать раствор кислоты или щелочи.

Растворы имеют весьма важное значение в жизни и в практической деятельности человека.

Все производства, в основе которых лежат химические процессы, свя-заны в той или иной мере с использованием различных растворов. Свойства растворов зависят от их концентрации. Поэтому очень важно знать точную концентрацию растворов. При приготовлении электролита для свинцовых и щелочных аккумуляторов нужно определять концентрацию кислоты и щело-

чи. Электролитом в свинцовых аккумуляторах служит серная кислота плот-ностью 1,20-1,28 г/см³ (28-30%). По изменению концентрации серной кисло-

ты судят о степени зарядки или разрядки аккумулятора.

Электролит для свинцовых аккумуляторов готовят путем разбавления серной концентрированной кислоты дистиллированной водой.

При смешивании серной кислоты с водой следует, во избежание раз-брызгивания кислоты, вливать кислоту в воду, а не наоборот. При смешива-нии серной кислоты с водой выделяется большое количество тепла, и жид-кость сильно разогревается. Поэтому смешивание нельзя производить в со-судах, сделанных из толстого стекла (например, в стеклянных банках).

Электролитом в щелочных аккумуляторах служит 20% раствор едкого калия КОН (плотность - 1, 219 г/см³).

Расчет количества соляной кислоты, необходимого для приготовления раствора заданной концентрации

Пример1. Сколько мл концентрированной соляной кислоты плотно-стью 1,12 г/см³ нужно взять для приготовления 1 л 0,1н соляной кислоты?

Решение. В одном литре 0,1н раствора соляной кислоты должно со-держаться 3,647 г хлористого водорода

m_HCl = N · Э ·V = 0,1 моль-э/л ·36,47г/моль · 1л = 3,647 г/л .

20

Для приготовления 1 л 0,1н раствора соляной кислоты нам нуж-

но взять 3,647 г хлористого водорода. Количество кислоты плотностью 1,12 г/см³, содержащее такое число граммов хлористого водорода, рассчи-

тывают следующим образом. Определяем плотность кислоты ареометром (1,12 г/см³), что соответствует процентной концентрации раствора (23,82%).

Пусть 100 г кислоты содержат 23,82 г хлороводорода, Х г кислоты со-держат 3,647 г хлороводорода.

Составляем пропорцию: 100 : 23,82 = Х : 3,647 и решаем ее

Х=

1,12

=

V

100 ×3,367

23,82

= 15,32 _{г кислоты.}

Пересчитываем граммы кислоты на миллилитры

V = ^15,32 =13,7мл_.

Пример 2. На титрование 30 мл раствора щелочи потребовалось 12 мл 0,1н раствора кислоты. Определить нормальность раствора щелочи.

Решение. Используя при решении данной задачи уравнение, в соответ-ствии с законом эквивалентов

V₂ N_{1 1} N₂

можно написать

30 · N_щ = 12 · 0,1,

откуда N_щ – нормальность раствора щелочи

N_щ = 12 · 0,1 = 0,04 н . 30

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Необходимые реактивы:

1) концентрированная соляная кислота (1,19 г/см³);

2) титрованный раствор щелочи NаОН 0,1н;

3) индикатор метилоранжевый или фенолфталеин.

Необходимая посуда:

1) бюретки в штативах, 1 шт. на 25 мл, 1 шт. на 50 мл; 2) три колбы для титрования;

21

3) мерная колба на 250 мл; 4) мерный цилиндр на 10 мл;

5) воронки для наливания раствора в бюретки, 2 шт; 6) ареометр для определения плотности кислоты;

7) цилиндр на 250-300мл.

Задание 1

1. Приготовить 250 мл приблизительно 0,1н раствора соляной кислоты.

2. Рассчитать, сколько мл концентрированной соляной кислоты плотностью 1,19 г/см³ нужно взять для приготовления 250 мл приблизитель-

но 0,1н раствора соляной кислоты.

Измерьте плотность концентрированной соляной кислоты. Для этого в сухой узкий цилиндр емкостью 250-300 мл налейте испытуемый раствор. В цилиндр с раствором погрузите сухой, чистый ареометр так, чтобы он не ка-сался стенок цилиндра, и отметьте по нижнему мениску деление шкалы, сов-

падающее с уровнем жидкости в цилиндре. Отсчет по шкале производят сверху вниз. Если найденная плотность отличается от 1,19 г/см³, то сделайте

поправку в расчете.

Для приготовления 250 мл приблизительно 0,1н соляной кислоты отме-

ряют мерным цилиндром рассчитанный объем концентрированной кислоты плотностью 1,19 г/см³, выливают кислоту в мерную колбу или цилиндр и до-

ливают водопроводной водой до 250 мл.

Задание 2

Определить концентрацию полученного раствора соляной кислоты ме-тодом титрования.

Приготовленный раствор приблизительно 0,1н соляной кислоты налей-те в бюретку на 50 мл, предварительно сполоснув бюретку этим раствором. В бюретку на 25 мл налейте титрованный раствор щелочи NаОН 0,1н. В три колбы для титрования из бюретки отберите по 15 мл приготовленного рас-твора кислоты, прибавьте по одной – две капли раствора индикатора фенол-фталеина, оттитруйте содержимое колбы титрованным раствором щелочи до появления устойчивой слабой малиновой окраски в течение 30 сек.

Перед титрованием в бюретке с раствором соляной кислоты установите мениск на нуле. Бюретка заполняется раствором несколько выше нулевого деления, слегка сжав резину в том месте, где помещается шарик (или, открыв зажим или кран), сливают избыток раствора, доводя его уровень до нулевого деления. При наблюдении положения жидкости в бюретке глаз наблюдателя должен находиться точно на уровне нижнего края мениска жидкости. При

22

титровании выпускают левой рукой раствор из бюретки в колбу для титрова-ния при постоянном перемешивании (кругообразным движением).

Колбу для титрования держат правой рукой. Если при заполнении бю-ретки в капилляре образуются пузыри, то перед работой их следует удалить. В конце титрования жидкость из бюретки приливают по каплям. Отмечая уровень жидкости в бюретке, запишите объем раствора кислоты, пошедшего на титрование. Рассчитайте нормальность раствора соляной кислоты.

Рассчитайте ошибку определения

П = ^{Nпр − Nтеор} ×100%_. теор

Оформите теоретическую и практическую части отчета, ответьте в теоретической части на вопросы и сдайте отчет преподавателю.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что называется титром раствора?

2. Дайте определение нормальной концентрации. 3. Что называется титрованием?

4. Какие растворы называются титрованными?

5. В чем сущность закона эквивалентов для реакции взаимодействия растворов различной нормальности?

6. Что такое эквивалентная точка?

7. Как фиксируется эквивалентная точка в методе нейтрализации? 8. Чем измеряются объемы растворов при анализе?

9. Каковы принцип работы ареометра и практические приемы работы бюретки с шариком и пипетки?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Коровин Н.В. Курс общей химии. - М.: Высшая школа, 2001. – С. 85-86.

2. Глинка Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии. – Л.: Химия, 1985.- С.103 -105.

3. Глинка Н.Л. Общая химия. – М.: Интеграл-Пресс, 2003. – 728 с.

23

N

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4