КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ
Методы анализа:
- физические или физико-химические. Эти методы основаны на изучении физических свойств анализируемого вещества. Иначе эти методы называются инструментальными, т.к. для их выполнения используют приборы (инструменты).
- химические. Эти методы основаны на выполнении химической реакции между определяемым веществом и рабочим раствором. Эта реакция называется титрованием – процесс прибавления по каплям к определяемому раствору раствора точно известной концентрации. (Раствор с точно известной концентрацией называется рабочим раствором) Иначе химические методы называют титриметрическими.
Требования к реакциям в титриметрическом анализе.
Реакции должны быть:
- быстрыми или мгновенными
- необратимыми
- без побочных реакций
- исходные вещества и продукты реакции должны быть растворимы в воде
- чёткое изменение окраски в точке эквивалентности.
Точка эквивалентности – это момент в процессе титрования, когда реагирующие вещества прореагировали в равных эквивалентных количествах.
Точку эквивалентности фиксируют по изменению окраски реагирующих веществ (например, раствор перманганата калия реагирует с восстановителем и обесцвечивается. Когда восстановитель полностью окислится лишняя капля раствора калия перманганата окрасит раствор в розовый цвет) или с помощью индикаторов.
СПОСОБЫ ВЫРАЖЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ
Массовая доля растворенного вещества, выраженная в процентах (процентная концентрация) показывает, какая масса растворенного вещества содержится в 100 г раствора.
W(%A)= m(A) *100%
m
m(A) – масса растворенного вещества
m – масса раствора
Например, определить массовую долю растворенного вещества, если в 180 г воды растворили 20г соли.
Для решения задачи надо найти массу раствора m=180 +20=200г
W = 20 *100% =10%
Эту концентрацию используют при приготовлении растворов в быту, в медицинских целях, но для анализа эта концентрация приблизительная.
Аналитические концентрации
Молярная концентрация = молярность С(А).
Эта концентрация показывает содержание количества вещества (молей) в 1 литре раствора
C(A) = n(A) n(A) – количество вещества, определяется по формуле n(A)= m(A)
V M(A)
Подставив в формулу концентрации расшифровку количества вещества получим формулу:
C(A) = m(A)
M(A)*V m(A) – масса растворенного вещества
М(А) – молярная масса растворенного вещества.
Например, определить молярность раствора, если в 200 мл раствора содержится 0,8г гидроксида натрия.
Для решения задачи необходимо определить молярную массу гидроксида натрия: 23г/моль+16г/моль+1г/моль =40г/моль (цифры – атомные массы элементов, которые берут из периодической системы элементов Д.И. Менделеева)
Объём в задаче указан в мл, необходимо перевести вы литры 200мл=0,2л
С(NaOH) = m (NaOH) = 0,8 = 0,1 моль/л
M(NaOH)*V 40*0,2
Или другая задача – сколько граммов серной кислоты надо взять для приготовления 500 мл раствора с С(H2SO4)=0,1моль/л
Для решения задачи выполняем предварительные действия: V =500мл = 0,5 л
М (H2SO4) = 1*2 +32 +16*4 = 98 г/моль (атомные массы умножаются на количество атомов в молекуле). Преобразовав формулу молярной концентрации, получаем:
m (H2SO4) = C(H2SO4)*M(H2SO4)*V = 0,1*98 * 0,5 = 4,9 г
Но этой концентрацией пользуются редко, т.к она имеет недостаток: растворы одинаковой концентрации реагируют в разных объёмах, равным коэффициентам в уравнении реакции.
Поэтому используют другую концентрацию молярную концентрацию эквивалента = эквивалентную концентрацию = нормальную. Эта концентрация показывает содержание количества эквивалентов вещества в 1 литре раствора.
C(fA) = n (fA) n(fA) – количество эквивалентов вещества = m(A)
V M(A)*fA
C(fA) = m (A)
M(A)*fA*V где fA- фактор эквивалентности
fкислоты = 1 fHCl = 1 fH2S = 1 fH3PO4 = 1
H+ 1 2 3
fосноваия = 1 fNaOH = 1 fCa(OH)2 = 1 f Al(OH)3 = 1
OH- 1 2 3
fсоли = 1 fNa2SO4 = 1 = 1 f Ca3(PO4)2 = 1 = 1
число кат.*заряд кат. 2*1 2 3*2 6
Определение фактора эквивалентности в окислительно-восстановительных реакциях
fокислителя= 1 fвосстановителя= 1
число е принятых всей мол. число е отданных всей молекулой
Например,
K2Cr2O7 + 6KI + 7 H2SO4 = Cr2(SO4)3 + 4K2SO4 +3 I2 + 7H2O
2Cr+6 +6e → 2Cr+3 f= 1 (в молекуле K2Cr 2 O7 два атома, которые принимают 6 электронов)
2I- -2e → I2 f = 1 (в молекуле KI только один атом йода, который отдаёт только 1 электрон)
2KMnO4 + 5H2O2 + 3H2SO4 = 2MnSO4 + K2SO4 + 5O2 + 8 H2O
Mn+7 +5e → Mn+2 f = 1 (в молекуле KMnO4 только один атом, который принимает 5 электронов)
O2-2 -2e → O20 f = 1 (в молекуле H2O2 два атома кислорода, каждый отдает по 1электрону)
Преимущества молярной концентрации эквивалента в том, что растворы одинаковой концентрации реагируют в равных объёмах.
Закон эквивалентов в титриметрическом анализе C(fA)*VA = C(fB)*VB.По этой формуле определяют концентрацию по результатам титрования. Например, определите молярную концентрацию эквивалента раствора серной кислоты, если на 20 мл её раствора израсходовано 10 мл раствора гидроксида натрия с молярной концентрацией эквивалента 0,2 моль/л.
С (H2SO4)*20 = 0,2*10 C(H2SO4)= 0,1 моль/л
Понятие о титре Т
Титр – это концентрация, показывающая содержание массы вещества в 1 мл раствора. Определяется по формуле Т= m|V (т.к. эта формула по обозначениям напоминает формулу расчета плотности, чтобы не было путаницы обозначение навески заменили на Q) T=Q|V г/мл.
В зависимости от свойств растворенного вещества растворы готовят по-разному.
Если вещество отвечает следующим требованиям:
-химически чистое
- химический состав соответствует химической формуле
- растворимо в воде
- устойчиво в сухом виде и в растворе
- реагирует с определяемым веществом
- имеет сравнительно высокую молярную массу
То такое вещество называют исходным или стандартным, из него готовят растворы точной концентрации или говорят – с титром приготовленным. Примеры таких веществ – NaCl, Na2CO3,
H2C2O4, MgSO4, Na2B4O7, K2Cr2O7 и можно назвать ещё несколько, но их немного.
Техника приготовления растворов из исходных или стандартных веществ:
- расчёт навески
- взятие навески на ручных весах
- взятие навески на аналитических весах
- перенос навески в мерную колбу и растворение в точном объёме волы
- расчёт титра такого раствора по формуле T + Q|V
Но стандартных или исходных веществ немного, поэтому из веществ, которые не отвечают требованиям (см. выше) готовят растворы с титром установленным.
Техника приготовления:
- расчет навески
- взятие навески на речных весах
- перенос навески во флакон и растворение в приблизительном объёме воды (объём измеряют мерным цилиндром)
- расчет концентрации (титра) такого раствора T = C(fA)*M(A)*fA|1000
Приведенные формулы расчета титра применяют на практике в зависимости от свойств растворенного вещества и техники приготовления раствора. При решении задач эти формулы равнозначны.
Например. Определить титр раствора уксусной кислоты, если
а/ в 100 мл раствора содержится 0,6г кислоты
б/ молярная концентрация эквивалента раствора равна 0,1 моль/л.
Из приведенных условий видно, что для решения задачи под пунктом а/ надо воспользоваться формулой титра T = Q|V = 0,6|100= 0,006 г/мл. Для второго решения подойдет формула
T = C(f)*M(A)*fA|1000=0,1*60*1|1000=0,006г/мл.
