ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1. "ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАССЫ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ В РАСТВОРЕ"

Цель работы

Научиться применять метод осаждения для определения массы вещества в растворе путем получения в качестве осаждаемой формы кристаллического осадка и прокаливания последнего до постоянной массы.

Целевые задачи

1. Доведение тигля до постоянной массы.

2. Расчет оптимального объема осадителя - раствора бария хлорида.

3. Получение осаждаемой формы в виде мелкокристаллического осадка бария сульфата. «Созревание» осадка.

4. Отделение осадка бария сульфата от маточного раствора фильтрованием.

5. Промывание осадка бария сульфата.

6. Получение гравиметрической формы путем озоления фильтра и прокаливания осадка бария сульфата до постоянной массы.

7. Расчет массы серной кислоты в растворе.

8. Статистическая обработка результатов параллельных определений массы серной кислоты в растворе.

Задание для самоподготовки

К занятию необходимо знать: см. выше п.п. 1-4, 6 а, 7. К занятию необходимо уметь: см. выше п.п. 1, 2 а, 3-5. Список литературы: [1-4].

Вопросы для самопроверки: см. выше п.п. 1-4, 5 а, 6 а, 8-13, 15, 16 а,

17, 19-21 а, 23-34.

Материальное обеспечение

Посуда (в расчете на 1 студента)

* В расчете на 15 человек.

Реактивы (квалификации «ч.д.а.» или «х.ч.»)

1. Кислота серная (анализируемый раствор).

2. Кислота хлороводородная 2 моль/л раствор.

3. Бария хлорид 0,2 моль/л раствор.

4. Серебра нитрат 0,1 моль/л раствор.

Приборы

1. Весы аналитические с разновесом.

2. Горелки газовые.

3. Печь муфельная.

4. Шкаф сушильный.

Другое необходимое оборудование

1. Штативы с набором лапок и колец.

2. Щипцы тигельные.

3. Щипцы муфельные.

4. Сетки асбестовые.

5. Треугольники фарфоровые.

6. Фильтры беззольные «синяя лента».

7. Средства моющие.

8. Ерши для мытья посуды.

9. Спички.

10. Полотенце, мыло.

Учебные таблицы

1. Пользование эксикатором.

2. Основные приемы гравиметрии.

3. Фильтрование.

Методика определения массы серной кислоты в растворе

1. Сущность методики

Определение серной кислоты (сульфат-иона) основано на осаждении, прокаливании и взвешивании осадка бария сульфата. При этом определении осаждаемая и гравиметрическая формы (бария сульфат) совпадают.

Данный способ применяется при анализе различных серосодержащих материалов для определения содержания сульфат-иона, а также для определения общего содержания серы (после предварительного окисления ее до сульфат-иона).

Сульфат-ион осаждают в виде малорастворимогомел-

кокристаллического осадка бария сульфата путем добавления к анализируемому раствору раствора бария хлорида:

Растворимость бария сульфата составляет 1х10^-5 моль/л, поэтому для достижения полноты осаждения необходимо прибавлять некоторый избыток осадителя. Осадок бария сульфата во время образования способен захватывать различные ионы, не осаждаемые ионом бария, но соосаждаемые вместе с бария сульфатом (например, хлорид-, нитрат-ионы, катионы щелочных металлов и др.). Соосаждение приводит к неудовлетворительным результатам анализа, причем соосаждение некоторых ионов, например, нитрат-иона, приводит к увеличению массы прокаленного осадкаа соосаждение других ионов, например, хлорид-иона, приводит к уменьшению массы прокаленного осадкаВ связи с этим осаждение нужно вести при отсутствии больших количеств соосаждаемых ионов и не добавлять слишком большого избытка осадителя. Опасность соосаждения является наиболее существенным недостатком использования бария сульфата в качестве осаждаемой формы.

Другим недостатком бария сульфата как осаждаемой формы является его способность образовывать очень мелкие кристаллы, которые при

фильтровании проходят через поры фильтра, что приводит к частичной потере осадка. Для укрупнения частиц осадка осаждение проводят в условиях, обеспечивающих невысокую степень пересыщения раствора относительно осаждаемой формы:

а) осаждение ведут из разбавленного раствора разбавленным раствором осадителя;

б) раствор осадителя прибавляют по каплям при непрерывном перемешивании смеси;

в) осаждение ведут из горячего раствора горячим раствором осадителя;

г) осаждение ведут в присутствии реагентов, повышающих растворимость осадка (перед осаждением к анализируемому раствору добавляют разбавленный раствор соляной кислоты).

После осаждения полученный мелкокристаллический осадок выдерживают в маточном растворе в течение длительного времени (12-24 ч) для укрупнения частиц осадка («созревания», или рекристаллизации, кристаллического осадка). Иногда для сокращения времени «созревания» осадка последний вместе с маточным раствором нагревают в течение часа при температуре, близкой к кипению.

Отделение осадка бария сульфата от маточного раствора осуществляют путем фильтрования через плотный беззольный фильтр «синяя лента». Осадок отмывают от примесей холодной дистиллированной водой, избегая слишком длительного промывания осадка.

Гравиметрическая форма - бария сульфат - идентична осаждаемой. Ее получают путем прокаливания осадка бария сульфата до постоянной массы при температуре около 800 °С (700-900 °С), при которой осадок теряет окклюдированную воду. Осадок, высушенный при 100-110 °С, содержит еще 2-3% воды, которая прочно удерживается в мелких порах и трещинах кристаллов.

При озолении фильтра может произойти частичное восстановление бария сульфата до бария сульфида:

Для окисления бария сульфида прокаливание проводят при наклонном положении тигля, чтобы обеспечить к осадку доступ кислорода воздуха, необходимого для протекания реакции:

Прокаливание осадка при более высокой температуре (около 1400 °С) приводит к разложению гравиметрической формы:

Массу серной кислоты в растворе рассчитывают по массе получаемой гравиметрической формы.

2. Предварительные расчеты (расчет объема раствора осадителя)

В качестве осадителя сульфат-иона используют 0,2 моль/л раствор бария хлорида. Для расчета оптимального объема раствора осадителя, необходимого для практически полного осаждения серной кислоты, надо знать примерную массу серной кислоты в анализируемом растворе (указывает преподаватель).

Формулу расчета объема осадителя получают, исходя из стехиометрии превращения серной кислоты в бария сульфат, следующим образом.

1. Определяют приблизительно число молей серной кислоты, содержащейся в анализируемом растворе:

где- примерная масса серной кислоты в анализируемом растворе, г;

- молярная масса серной кислоты, г/моль.

2. По уравнению реакции находят стехиометрическое количество бария хлорида, требуемое для осаждениямолей серной кислоты:

3. Учитывая, что в 1000 мл раствора бария хлорида, применяемого для осаждения, содержитсямолей бария хлорида, определяют объем раствора, в котором содержитсямолей бария хлорида:

4. Поскольку бария хлорид - нелетучий осадитель, в соответствии с практическими рекомендациями берут 1,5-кратный избыток его по сравнению с рассчитанным стехиометрическим количеством. Таким образом, формула для расчета оптимального объема раствора осадителя имеет вид:

Объем раствора осадителя рассчитывают приблизительно с точностью до второй значащей цифры.

3. Доведение тигля до постоянной массы

Чистый сухой тигель с помощью муфельных щипцов (с длинными ручками) ставят в муфельную печь так, чтобы был виден номер тигля, и прокаливают в течение 40-50 мин при той же температуре, при которой будет прокаливаться осаждаемая форма (700-900 °С). В указанном интервале температур внутренняя поверхность печи имеет тусклокрасный или вишнево-красный цвет. Если в лаборатории нет в наличии муфельной печи, прокаливание тигля осуществляют в верхней части пламени газовой горелки, предварительно установив тигель на фарфоровый треугольник, расположенный на кольце штатива.

После первого прокаливания тигель с помощью муфельных щипцов вынимают из печи, дают немного остыть на листе асбеста в течение 20- 30 с и переносят в эксикатор во избежание поглощения поверхностью тигля влаги из воздуха. По истечении 2-3 с эксикатор приоткрывают, слегка сдвигая крышку эксикатора, чтобы выпустить из него горячий воздух. После этого эксикатор закрывают и переносят к аналитическим весам, где дают остыть тиглю до комнатной температуры в течение 25-30 мин.

ВНИМАНИЕ! При переноске крышку эксикатора следует обязательно придерживать руками. При открывании и закрывании эксикатора крышка соответственно сдвигается или надвигается в горизонтальной плоскости. На стол крышку кладут внутренней, смазанной поверхностью вверх.

Массу прокаленного тигля измеряют на аналитических весах с точностью до ±0,0002 г. Прокаленный тигель нельзя брать руками, перемещение тигля осуществляют только с помощью тигельных щипцов (щипцы с короткими ручками).

После первого определения массы тигель снова прокаливают в муфельной печи в течение 15-20 мин и после охлаждения в эксикаторе взвешивают. Описанные процедуры повторяют до тех пор, пока разница в массе тигля после двух последних прокаливаний не будет превышать ±0,0004 г (погрешность двух последовательных взвешиваний на аналитических весах).

4. Получение осаждаемой формы

Анализируемый раствор серной кислоты получают от преподавателя в химическом стакане вместимостью 400 мл, в который опущена стеклянная палочка с резиновым наконечником наружу.

ВНИМАНИЕ! Стеклянную палочку не вынимают из стакана до окончания последующих процессов осаждения и «созревания» осадка.

Раствор разбавляют дистиллированной водой до объема 150-200 мл, после чего добавляют 3 мл 2 моль/л раствора соляной кислоты, смесь перемешивают стеклянной палочкой и нагревают на асбестовой сетке на газовой горелке (или на электроплитке с закрытой спиралью) до состояния, близкого к кипению (кипятить нельзя, так как пар может увлекать капельки жидкости из стакана).

ВНИМАНИЕ! Перед установкой стакана на асбестовую сетку следует убедиться, что внешняя поверхность стакана совершенно сухая.

В другой химический стакан вместимостью 100 мл наливают рассчитанный объем 0,2 моль/л раствора бария хлорида, разбавляют его дистиллированной водой до объема 40-50 мл, смесь перемешивают и нагревают до состояния, близкого к кипению, поместив стакан с содержимым на асбестовую сетку рядом с анализируемым раствором.

Горелку отставляют в сторону и приступают к осаждению. Для этого к горячему раствору серной кислоты прибавляют медленно, по каплям с помощью пипетки горячий раствор бария хлорида, при этом смесь непрерывно перемешивают стеклянной палочкой. При перемешивании стараются не касаться палочкой дна и стенок стакана, так как иначе осадок плотно прилипнет к стеклу и его трудно будет в дальнейшем отделить. По мере осаждения скорость прибавления раствора осадителя понемногу увеличивают.

Когда почти весь осадитель прилит, осадку дают отстояться и проверяют полноту осаждения. Для этого к прозрачной надосадочной жидкости добавляют по стенке стакана несколько капель раствора осадителя. Если осадок больше не выделяется, осаждение считают полным.

Полученный осадок бария сульфата подвергают процессу рекристаллизации. С этой целью его выдерживают вместе с маточным раствором в течение суток (в условиях практикума оставляют до следующего занятия, накрыв предварительно стакан стеклом или листом чистой бумаги, на котором указывают фамилию выполняющего работу). В некоторых случаях для сокращения времени созревания осадка полученный осадок вместе с маточным раствором выдерживают в течение 1 ч при температуре, близкой к кипению (подогревая стакан на асбестовой сетке маленьким пламенем горелки), а затем выдерживают в течение 1 ч на лабораторном столе.

5. Отделение осадка от раствора фильтрованием

Для отделения мелкокристаллического осадка используют плотный беззольный фильтр «синяя лента» диаметром не менее 7 см.

Фильтр сгибают точно пополам, затем складывают примерно вчетверо. Сложенный фильтр расправляют так, чтобы одна сторона у него имела одинарный, а другая - тройной слой бумаги, после чего отрывают у фильтра наружный двойной уголок, который сохраняют для дальнейшей работы. Фильтр в развернутом виде вставляют в воронку и проглаживают второй сгиб.

Размер фильтра должен быть таким, чтобы край его был на 1 см ниже края воронки.

Фильтр смачивают водой из промывалки и осторожно прижимают пальцами верхнюю часть фильтра к стенке воронки, наблюдая за тем, чтобы под слоем фильтра не было пузырьков воздуха.

Воронку укрепляют в кольцо штатива и подставляют под нее коническую колбу (или стакан) вместимостью 250 или 500 мл. При этом скошенный конец трубки воронки должен касаться внутренней стенки колбы и быть опущен внутрь колбы не более чем на 1-2 см (при фильтровании конец трубки не должен погружаться в фильтрат).

Приступают к фильтрованию. Из стакана осторожно вынимают стеклянную палочку, стараясь не взмучивать осадок, и держат ее в вертикальном положении над средней частью фильтра с той стороны, где он имеет тройной слой. Затем прислоняют носик стакана к средней части палочки и, медленно наклоняя стакан, сливают по палочке на фильтр прозрачную жидкость над осадком. Осадок при этом должен оставаться на дне стакана. Такой прием заметно ускоряет процесс фильтрования, так как поры фильтра не забиваются осадком.

При фильтровании уровень жидкости не должен доходить до края фильтра примерно на 0,5 см (обычно фильтр заполняют не более чем на три четверти). В противном случае возможно «переползание» мельчайших частиц осадка через край фильтра и проникновение их в фильтрат.

Слив достаточное количество жидкости на фильтр, медленно приводят стакан в вертикальное положение, ведя носик его по стеклянной палочке кверху. Этим предотвращается стекание последней капли жидкости по внешней стенке стакана. Концом палочки касаются верхней части фильтра, чтобы снять висящую на ней каплю жидкости, и возвращают палочку в стакан.

ВНИМАНИЕ! Стеклянная палочка должна находиться либо над фильтром, либо в стакане. Класть палочку на стол нельзя, так как при этом будут потеряны оставшиеся на ней частицы осадка.

Фильтрование продолжают до тех пор, пока еще можно сливать жидкость с осадка. Затем, убедившись в прозрачности фильтрата, его выливают и приступают к промыванию осадка в стакане (декантации).

6. Промывание осадка

К осадку приливают 20-30 мл промывной жидкости (в случае бария сульфата промывной жидкостью служит холодная дистиллированная вода), смесь перемешивают, дают осадку осесть и сливают жидкость по палочке на фильтр. Так поступают 4-5 раз, причем каждый раз ждут, пока вся жидкость не отфильтруется, и только после этого заполняют фильтр новой порцией.

После промывания осадок переносят на фильтр. Для этого в стакан с осадком добавляют 5-10 мл промывной жидкости, взмучивают осадок стеклянной палочкой и мутную жидкость вместе с большей частью осадка переливают на фильтр по палочке, следя за тем, чтобы носик стакана был прислонен к средней части палочки. Затем струей промывной жидкости из промывалки смывают в стакан частицы осадка с палочки. Чистую палочку кладут на край стакана так, чтобы один ее конец лежал в углублении носика, выдаваясь наружу на 2-3 см. Стакан берут в левую руку, указательным пальцем прижимают палочку к стакану и наклоняют стакан над воронкой почти в горизонтальном положении. При этом палочка занимает почти вертикальное положение и жидкость стекает по ней из стакана на фильтр. После того, как жидкость стечет с фильтра, берут в правую руку промывалку и, двигая указательным пальцем конец капиллярной трубки, направляют струю жидкости сначала на стенки, а затем на дно стакана, смывая остатки осадка на фильтр. Дают жидкости полностью стечь с фильтра, после чего промывание стенок и дна стакана продолжают до тех пор, пока весь осадок не будет перенесен на фильтр.

Частицы осадка, которые не удалось смыть с внутренней поверхности стакана и с поверхности палочки, снимают с помощью оторванного ранее уголка беззольного фильтра, который делят на две части. Один кусочек фильтра увлажняют и снимают им частицы осадка, приставшие к палочке, другой кусочек помещают в стакан и, плотно прижимая его резиновым наконечником стеклянной палочки, протирают им стенки и дно стакана. Оба кусочка присоединяют к осадку, находящемуся на фильтре. Стакан и палочку ополаскивают струей промывной жидкости, сливая ее на фильтр с осадком.

Осадок, перенесенный на фильтр, должен занимать не более одной трети объема фильтра (в противном случае размер фильтра выбран неудачно).

После того как весь осадок перенесен на фильтр, его немедленно вновь промывают до полного удаления примесей. Сначала струей жидкости из промывалки тщательно промывают край фильтра, который не должен быть покрыт осадком, если все предыдущие указания были выполнены правильно. Край фильтра обводят струей жидкости 3-4 раза и, не прерывая струи, переводят ее на тонкий слой осадка, покрывающий верхнюю часть фильтра, осторожно смывая осадок вниз. Когда фильтр будет наполнен примерно наполовину своего объема жидкостью, промывание прекращают и дают жидкости полностью стечь с фильтра.

Промывание осадка бария сульфата на фильтре проводят холодной водой 4-5 раз, причем каждый раз дают жидкости полностью стечь с фильтра.

Последние порции промывной жидкости, вытекающей из воронки, проверяют на полноту удаления посторонних ионов. В случае осаждения серной кислоты бария хлоридом таким посторонним ионом является хлорид-ион или ион бария. Для проверки полноты отмывания в полумикропробирку собирают около 1 мл фильтрата и добавляют к нему несколько капель 0,1 моль/л раствора серебра нитрата или серной кислоты. Отсутствие мути (белого осадка) при добавлении реагента указывает на практически полное удаление посторонних ионов. В противном случае промывание осадка на фильтре повторяют.

7. Получение гравиметрической формы

Воронку с осадком накрывают круглым листом бумаги, на котором указывают фамилию выполняющего работу, бумагу обжимают по краю воронки и прокалывают в нескольких местах стеклянной палочкой с острым концом. Подготовленную таким образом воронку с осадком либо оставляют до следующего занятия, либо вставляют в одно из отверстий полки сушильного шкафа, нагретого до 100-110 °С, и высушивают в течение 25-30 мин до слегка влажного состояния фильтра. Фильтр не следует пересушивать, так как он становится ломким и возникает опасность потери осадка. Если фильтр пересушен, его увлажняют несколькими каплями дистиллированной воды.

Фильтр с осадком вынимают из воронки и складывают установленным образом над тиглем, доведенным ранее до постоянной массы.

ВНИМАНИЕ! При складывании конус фильтра следует немного опустить в тигель, чтобы избежать потери осадка при возможном разрыве фильтра.

Сначала фильтр с осадком складывают в почти плоский сектор (не выдавливая осадок), затем загибают верхнюю часть фильтра (одну

треть или половину) на ту сторону, где имеется тройной слой бумаги, вставляя конец одной части в середину другой. Полученный пакет помещают в тигель конусом вниз.

Тигель устанавливают на фарфоровый треугольник, расположенный на кольце штатива. Около штатива на чистую кафельную плитку помещают тигельные щипцы и крышку к тиглю. Фильтр постепенно озоляют, осторожно нагревая тигель в верхней части стабильного пламени горелки, не допуская воспламенения фильтра. Если фильтр загорелся, быстро отстраняют горелку и гасят пламя, прикрыв тигель крышкой, которую берут с помощью тигельных щипцов.

ВНИМАНИЕ! Пламя нельзя задувать, так как при этом возможна потеря частиц осадка.

Озоление фильтра заканчивают при наклонном положении тигля, чтобы обеспечить к осадку приток воздуха. О конце озоления судят по прекращению выделения газообразных продуктов.

После озоления фильтра тигель с осадком ставят в эксикатор, переносят к муфельной печи, нагретой до температуры 700-900 °С, и с помощью муфельных щипцов помещают в печь. Прокаливание проводят в течение 40-50 мин, после чего тигель с полученной гравиметрической формой белого цвета взвешивают, предварительно охладив в эксикаторе. Для повторных прокаливаний тигель с осадком помещают в муфельную печь на 15-20 мин. Прокаливание прекращают, если в результате двух последующих прокаливаний значения массы тигля с осадком будут различаться не более чем на ±0,0004 г.

8. Расчет результата анализа

Массу серной кислоты, содержащейся в анализируемом растворе, рассчитывают по формуле:

где- масса серной кислоты, г;- масса гравиметрической

формы (равна разности значений массы тигля с осадком и массы пустого тигля), г; гравиметрический фактор

9. Статистическая обработка результатов параллельных определений

С использованием полученных данных проводят статистическую обработку результатов количественного определения массы серной кисло-

ты в анализируемом растворе и проверку результатов анализа, как было описано выше.

Контрольные вопросы

1. Обоснуйте выбор осадителя для гравиметрического определения серной кислоты в растворе.

2. Почему при осаждении серной кислоты бария хлоридом требуется добавлять 1,5-кратный избыток последнего по сравнению с рассчитанным стехиометрическим количеством?

3. С какой целью перед осаждением серной кислоты к анализируемому раствору добавляют разбавленный раствор соляной кислоты?

4. Перечислите условия осаждения бария сульфата. Объясните, почему эти условия способствуют образованию более крупных частиц кристаллического осадка.

5. Почему при осаждении бария сульфата следует перемешивать раствор, избегая касания стенок стакана стеклянной палочкой?

6. Как проверить полноту осаждения серной кислоты в виде бария сульфата?

7. Почему перед фильтрованием осадок бария сульфата необходимо выдержать в маточном растворе в течение 12-24 ч?

8. Какой относительно быстрый способ для «созревания» мелкокристаллического осадка бария сульфата Вы можете предложить?

9. Какие виды соосаждения имеют место при осаждении серной кислоты в виде бария сульфата?

10. Как проверить полноту отмывания осадка бария сульфата от примеси бария хлорида?

11. Какой фильтр используется для отделения осадка бария сульфата от маточного раствора? Почему?

12. Что такое декантация?

13. Почему при сливании надосадочной жидкости на фильтр стеклянная палочка должна быть прислонена к носику стакана?

14. Как провести озоление фильтра с осадком бария сульфата?

15. Почему при озолении фильтра с осадком тигель необходимо устанавливать в наклонном положении?

16. При какой температуре следует прокаливать пустой тигель и тигель с осадком бария сульфата? Почему нельзя ограни-

читься высушиванием осадка в сушильном шкафу? Что может произойти с осадком бария сульфата в случае прокаливания его при температуре около 1400 °С?

17. По какой формуле можно рассчитать массу серной кислоты в анализируемом растворе, если известна масса гравиметрической формы?

18. С какой точностью следует записывать результат взвешивания на аналитических весах и производить расчет результата анализа при определении серной кислоты методом осаждения?

19. Назовите возможные источники возникновения систематических погрешностей (методических и инструментальных) при определении серной кислоты методом осаждения. Назовите предельно допустимые значения этих погрешностей (в граммах).

20. Рассчитайте процентную погрешность взвешивания на аналитических весах гравиметрической формы бария сульфата массой 0,2 г.

21. Чему должна быть равна масса гравиметрической формы бария сульфата, чтобы процентная погрешность определения серной кислоты не превышала 0,1%?

22. Что такое «стандартное отклонение», «стандартное отклонение среднего», «относительное стандартное отклонение»? Что характеризуют эти величины?

23. От чего зависит коэффициент нормированных отклонений (коэффициент Стьюдента)?

24. Сколько параллельных определений рекомендуется проводить?

25. Как с помощью Q-критерия установить наличие или отсутствие «промаха» (грубой погрешности) в результатах анализа?

26. Что показывает доверительный интервал, найденный при доверительной вероятности 95%?

27. С какой точностью следует записывать доверительный интервал для результата гравиметрического анализа?

28. При каком условии доверительный интервал может служить для оценки правильности результата анализа?

29. Как установить, статистически значима или незначима разница между результатом анализа и действительным содержанием определяемого компонента?