Методические указания к практическим работам дисциплины ОП. 08 Химические и физико-химические методы анализа

ГБПОУ «Чебаркульский профессиональный техникум»

Методические указания

по выполнению практических и лабораторных работ

УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

ОП.08 Химические и физико-химические методы анализа

основной профессиональной образовательной программы по специальности среднего профессионального образования

 22.02.05. (150412) ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

(базовый уровень подготовки)

Чебаркуль

Методические указания по выполнению практических работ составлены  в соответствии с Федеральным государственным стандартом (далее – ФГОС) по специальности среднего профессионального образования (далее – СПО) 22.02.05. (150412) «Обработка металлов давлением», утверждённым приказом Министерства образования и науки РФ от 24.11.2009 г. № 656.

Составитель:

Соколова Марина Геннадьевна, преподаватель ЕНД ГБПОУ ЧПТ

Рассмотрены и одобрены на заседании цикловой комиссии  ЕНД« ___» ________________20__  г.        Протокол № ____ от_______________________

Председатель ЦК                                       :        _________________/ Пуртова Т.И./

Согласована с заместителем директора по УР:             ________________/Поставит Ю.Г./                                                         

Основные компетенции, реализуемые при выполнении практических и лабораторных заданий

Формирование соответствующих компетенций связано с решением за-дач по развитию у студентов специальности соответствующих знаний, умений, навыков. После выполнения практических занятий по данному курсу студент должен

В результате освоения дисциплины обучающийся должен уметь:

- проводить физико-химический анализ металлов и оценивать его результаты;

- использовать химические, физико-химические методы анализа сырья и продуктов металлургии.

В результате освоения дисциплины обучающийся должен знать:

- методы химического и физико-химического анализа свойств и структуры металлов и сплавов;

- процессы окислительно-восстановительных реакций взаимодействия металлов (сырья) металлических порошков с газами и другими веществами;

- физические процессы механических методов получения металлических порошков

Наименование практических и лабораторных работ

Наименование работы	Количество часов	Компетенции	Примечание
Тема 1.1. Введение в аналитическую химию
Практическая работа  № 1 Расчет абсолютной и относительной ошибок.	2	ПК4.1 ПК 4.3,П 4.4
Тема 1.2. Гравиметрический (весовой) анализ качества сырья и продуктов металлургии
Лабораторная работа.   № 1. Анализ качества сырья и продуктов металлургии  с использованием аналитических весов.	2	ПК4.1 ПК 4.3,П 4.4
Лабораторная работа № 2. Определение массовой доли влаги в хлориде бария весовым методом.	2	ПК4.1 ПК 4.3,П 4.4
Лабораторная работа № 3. Определение серы в растворимых сульфатах.	2	ПК4.1 ПК 4.3,П 4.4
Практическая работа № 2. Решение типичных задач на гравиметрический метод.	2	ПК4.1 ПК 4.3,П 4.4
Тема 1.3. Титриметрический (объёмный) анализ качества сырья и продуктов металлургии
Лабораторная работа № 4. Приготовление и стандартизация 0,1 М раствора хлороводородной кислоты	2	ПК4.1 ПК 4.3,П 4.4
Практическая работа № 3. Расчет концентрации растворов по различным параметрам.	2	ПК4.1 ПК 4.3,П 4.4
Практическая работа № 4. Решение типовых задач на титриметрический (объёмный) анализ качества сырья и продуктов металлургии	2	ПК4.1 ПК 4.3,П 4.4
Тема 2.1.  Фотометрический анализ качества материалов металлургического производства
Лабораторная работа № 5. Определение концентрации  ионов меди в электролите латунирования дифференциально-фотометрическим методом.	2	ПК4.1 ПК 4.3,П 4.4
Практическая работа № 5. Сравнительная характеристика электрохимических методов  анализа.	2	ПК4.1 ПК 4.3,П 4.4
Практическая работа  № 6.Решение типовых задач на фотометрический анализ	2	ПК4.1 ПК 4.3,П 4.4
Тема 2.2. Хроматографический анализ качества материалов металлургического производства
Практическая работа № 7. Разделение ионов железа и меди из смеси методом бумажной хроматографии.	2	ПК4.1 ПК 4.3,П 4.4
Практическая работа №.8. Решение типовых задач по хроматографическому анализу.	2	ПК4.1 ПК 4.3,П 4.4
Тема 3.1. Эмиссионный спектральный  и рентгеноспектральный виды анализа
Практическая работа №. 9. Проведение спектрального анализа сырья и продуктов металлургии  с помощью спектрографа.	2	ПК4.1 ПК 4.3,П 4.4

Код	Наименование результатов освоения
4.1	Выбирать методы контроля, аппаратуру и приборы для контроля качества продукции.
4.2	Оценивать качество выпускаемой продукции.
4.4	Предупреждать появление, обнаруживать и устранять возможные дефекты выпускаемой продукции

АННОТАЦИЯ

Целью практических работ является закрепление теоретического материала курса, ознакомление с методикой и практикой контрольных мероприятий, формулировка выводов, составление отчёта по работе.

По окончанию выполнения практических работ для закрепления изученного материала студент пишет итоговую работу в форме реферата по одной из изученных  тем. Выбор темы  - на усмотрении преподавателя.

Рекомендации по выполнению лабораторных работ

Подготовка к работе

Подготовка к выполнению лабораторной или практической работе начинается дома:

а) внимательно изучите теоретические основы лабораторной или практической работы;

б) ознакомьтесь с предстоящей работой по ее описанию и составьте план эксперимента;

в) составьте уравнения реакций, которые вы будете проводить, в случае затруднения обратитесь к учебнику;

г) перепишите в свою рабочую тетрадь - лабораторный журнал - форму лабораторного отчета, заполнив те его разделы, которые могут быть заполнены до выполнения эксперимента;

д) письменно ответьте на контрольные вопросы, помещенные после описания лабораторной работы или выданные преподавателем.

В идеале вы должны подготовиться так, чтобы выполнять эксперимент, руководствуясь только своими записями и не обращаясь в лаборатории к данному пособию.

В лаборатории

При условии добросовестного выполнения требований раздела 1 эксперимент займет у вас минимум времени. Эффективность работы еще больше возрастет, если вы будете соблюдать следующие простые правила:

а) соблюдайте чистоту и порядок на своем рабочем месте;

б) не загромождайте рабочее место посторонними предметами; не приходите в лабораторию в верхней одежде;

в) перед началом работы проверьте по списку, приведенному в описании работы, наличие на вашем рабочем месте необходимого оборудования и реактивов, убедитесь в чистоте химической посуды, при необходимости вымойте ее;

г) взяв с полки реактив и отобрав нужное количество, поставьте склянку на место, никогда не выливайте излишки реактива обратно в склянку;

д) сухие реактивы берите только специальными ложечками и кладите в чистые, сухие пробирки;

е) не проводите опыты, не указанные в лабораторной работе - это может привести к несчастному случаю;

ж) внимательно изучите правила техники безопасности при работе в химической лаборатории и неукоснительно их соблюдайте.

Правила техники безопасности

Во избежание несчастных случаев необходимо:

1) все опыты с ядовитыми, неприятно пахнущими веществами, а также упаривание кислот и кислых растворов проводить в вытяжном шкафу; при разбавлении кислот лить маленькими порциями кислоту в воду, а не наоборот;

2) опыты с легковоспламеняющимися веществами проводить вдали от огня;

3) при нагревании растворов в пробирках пользоваться держателем и всегда держать пробирку так, чтобы ее отверстие было направлено в сторону от работающих;

4) не наклонять лицо над нагреваемой жидкостью или сплавляемыми веществами;

5) нюхать любые вещества нужно с осторожностью, направляя к себе пары или газы легким движением руки;

6) со всеми веществами в лаборатории обращаться как с ядовитыми: не пробовать на вкус, не трогать руками; после работы тщательно вымыть руки;

7) при работе с солями некоторых металлов (по указанию преподавателя) производить слив реактивов в специальную тару под тягой.

Тема 1.1.

Введение в аналитическую химию

Практическое занятие  № 1 Расчет абсолютной и относительной ошибок

Краткие теоретические сведения

Анализ считается выполненным более точным, чем меньше различаются результаты параллельных определений между собой.

Абсолютная ошибка – разность между полученным результатом и истинным или наиболее достоверным значением.

                                        

Относительная ошибка – отношение абсолютной ошибки к истинному значению.

                                      

  Пример 1. Определение доверительного интервала.

    Условие: при определении объёма измерительного сосуда получено среднее значение  из n измерений. Известно эмпирическое стандартное отклонение – S. Определить доверительный интервал с заданной доверительной вероятностью Р.

Дано: n = 26 S = 0,0065 мл  = 9,982 мл Р = 0,95 Найти

Решение Находим t по табл. 2.2, t = 2,060. Рассчитываем симметричную границу доверительного интервала =3· 10-3.

    Ответ: действительное значение – объём измерительного сосуда – накрывается интервалом [9,985: 9,979], т.е. 9,979 < Х₀ < 9,985.

    Пример 2. Определение абсолютной и относительной ошибки.

    Условие: содержание кристаллизационной воды в веществе равно 14,75 г/моль найдено 14,70 г/моль. Рассчитать абсолютную и относительную ошибку определения.

Дано: g0 = 14,75г/моль gх = 14,70 г/моль Найти d

Решение: абсолютную ошибку определяем по формуле: d = qх - qо; d = 14,70 – 14,75 = - 0,05 г/моль. Относительная ошибка – это отношение абсолютной ошибки к истинному значению определяемой величины, выраженное в процентах: d 0 = г/моль; d 0 = .

    Ответ: d = -0,05 г/моль; d ₀ = -0,34 %.

    Пример 3. Определение доверительного интервала по данным измерения.

    Условие: результаты определения серы в керосине 0,724; 0,693; 0,755, 0,725, 0,740 % . Рассчитайте доверительные границы для истинного значения с доверительной вероятностью 95 %.

Дано: х1 = 0,724%; х2 = 0,693%; х3 = 0,755%; х4 = 0,725% х5 = 0,740% Рд = 95% n = 5 Найти

Решение Для вычисления доверительного интервала по формуле . Находим определить среднее содержание серы в пробе керосина и эмпирическое стандартное  отклонение по формуле .

Составим табл.2.6.

Таблица 2.6

Представление расчетных величин

№ п/п	х ,%	,%
1	0,724	–	0,003	0,000009
2	0,693	0,727	0,034	0,001156	0,002122
3	0,755	–	0,028	0,000784
4	0,725		0,002	0,000004
5	0,740		0,013	0,000169

    Рассчитаем
S = или S = 0,023%.

    Доверительный интервал при доверительной вероятности 95%
(t = 4,303; f = n –1):

.

    Ответ: 0,70< 0,73 < 0,76.

    Пример 4. Определение необходимого числа измерений для обеспечения требуемой точности результата.

    Условие: сколько параллельных измерений необходимо выполнить для сужения доверительных границ до  2,0 мкг/мл железа в отработанном дизельном топливе атомно-абсорбционным методом при эмпирическом стандартном отклонении S = 2,4 мкг/мл с доверительной вероятностью 95 % ?

Дано: = Fe S = 2,4 мкг/мл Рд=95 % Найти n

Решение Доверительный интервал при неизвестной дисперсии s 2х имеет вид .

По условию . Для обеспечения заданной точности необходимо использовать соотношение: , где D · – допустимая норма погрешности. Таким образом, n – необходимое число измерений можно найти из соотношения: n.

   Поскольку  – случайная величина, значения n находят методом последовательных приближений n = 7 и проверяют его соответствие условию: коэффициент из табл. 2.1 равен t_0,95 = 2,447, доверительный интервал: . Семь измерений не удовлетворяют условию. Предполагаем n = 9. Для n – 1 = 8 в табл. 2.1 нет значения t, поэтому применяем прием интерполяции: t_0,95 = 2,262; t_0,95 = 2,447, находим разницу, приходящуюся на единицу: , которую либо суммируем со значением t_0,95, либо вычитаем из t_0,95.

n = 5, ;                n = 7, ;

n = 9 – интерполируем; t_0,95 =2,262; t_0,95 = 2,447;

находим разницу между ними: .

Окончание: тогда для n = 9 t_0,95 = 2,262 + 0,07 = 2,200; интервал:

 – результат сильно занижен.

   Итак, для n = 7,                 ;                               n = 9,                  .

    Рассчитываем доверительный интервал для 
n = 8           t_0,95 = 2,447 - 0,07 = 2,377; .

    Ответ: n удовлетворяет условию.

    Пример 5. Определение “промаха”. Рассчитайте абсолютное и относительное значение стандартного отклонения следующих величин: 40,02; 40,11; 40,16; 40,18; 40,18; 40,19. Убедитесь, что значение 40,02 
не исключено как “грубая погрешность” (промах) измерения.

Дано: х1= 40, 02; х2= 40, 11; х3= 40, 16; х4= 40, 18; х5= 40,18; х6 = 40,19 Найти S, Sr.

Решение Находим , . Находим отклонение  каждого измерения от среднего значения: 0,12; 0,03; 0,02; 0,04; 0,04; 0,05. Возводим в квадрат: 2: 0,0144; 0,0009; 0,0004; 0,0016; 0,0016; 0,0025, отсюда = 0,0214.

    Абсолютное стандартное отклонение вычисляем по формуле, %

;         .

    Относительное стандартное отклонение, %:

                                                                         (2.15)

    Результат 40,02 можно считать промахом, если при данном количестве измерений t·  > t_кр при заданной доверительной вероятности t_кр определяем по табл. 2.7.

    Для нахождения t отделяем 40,02 от остальных измерений и рассчитываем S· :

    Отклонение каждого измерения от нового среднего значения : 0,05; 0; 0,02; 0,02; 0,03.

 ; 0; 0,0004; 0,0004; 0,0009; .

 .

    Тогда  а t_кр при P_д = 95 % равно 1,843 (табл. 2.2, интерполяция для n = 5). Значение t· >  t_кр, следовательно, величина 40,02 является промахом и должна быть исключена из дальнейшей обработки результатов.

Ответ: S = 0,065; S_r ~ 0,16%; результат 40, 02 является “промахом”.

Индивидуальные задания

    Выполните статическую обработку результатов измерения, определите доверительный интервал или необходимое число измерений.

    Варианты 1,30

    Результаты измерения (мг): 398, 396, 398, 392, 393, 401 при эталонном значении 400 мг. Рассчитайте абсолютное и относительное отклонение и погрешности измерения. Все ли значения входят в доверительный интервал с вероятностью 0,95 ?

    Варианты 2, 29

    Результаты измерения 25, 29, 23, 29, 26. Рассчитайте стандартное отклонение. Определите доверительный интервал для вероятности 0,95.

    Варианты 3, 28

    Найдите случайную ошибку анализа при P_д= 0,95 и доверительные границы для определяемой величины, если результаты её измерения: 3,25; 3,15; 3,08; 3,20; 3,20.

    Варианты 4, 27

    Сколько параллельных измерений необходимо выполнить, если границы доверительного интервала  0,10, стандартное отклонение S = 2,5, а доверительная вероятность – 95 % ?

    Варианты 5, 26

    Покажите, является ли “промахом” измеренная величина 50,5 среди результатов 48,0; 49,1; 48,7; 49,95; 50,1; 50,3.

    Варианты 6, 25

    Установите, имеется ли систематическая ошибка в результатах измерений: 121,5; 102,5; 120,0, 122,0 при заданном значении 124,0.

    Варианты 7, 24

    Рассчитайте абсолютное и относительное значение стандартного отклонения результатов измерений: 11,11; 11,12; 11,15; 11,10; 11,11; 11,13. Определите, есть ли “промахи” в результатах измерений?

    Варианты 8, 23

    Сколько параллельных измерений необходимо выполнить для сужения доверительного интервала до  0,15, если эмпирическое стандартное отклонение равно 2,50, а вероятность – 95% ?

    Варианты 9, 22

    Результаты измерения 8,25; 8,15; 8,08; 8,20; 8,02%. Найти случайную ошибку анализа при Р_д = 0,95 и границы доверительного интервала.

    Варианты 10, 21

    Получены результаты измерения: 0,525; 0,611; 0,584; 0,550; 0,577; 0,568 %. Рассчитайте доверительные границы для среднего результата с доверительной вероятностью 95 %.

    Варианты 11, 20

    Получены результаты измерения: 0,24; 0,23; 0,23; 0,25; 0,25; при заданном значении 0,23. Установите, есть ли систематическая ошибка в результатах измерения?

    Варианты 12, 19

    Рассчитайте абсолютное и относительное значения стандартного отклонения следующих величин: 35, 12; 35,17; 35,15; 35,11; 35,13. Все ли они входят в доверительный интервал с вероятностью 95 % ?

    Варианты 13, 18

    Сколько параллельных измерений необходимо выполнить для сужения доверительных границ до ± 0,1, если S = 2,5 с доверительной вероятностью 95 % и 99 %?

    Варианты 14, 17

    Найти случайную ошибку измерения и доверительные границы для среднего значения измеряемой величины 21,0; 20,9; 22,0; 21,0; 20,5. Есть ли “промахи” среди результатов измерений? Р_д = 0,95.

    Варианты 15, 16

    При измерении массы были получены следующие результаты, мг: 238, 236, 238, 231, 233, 235 при истинном значении 235 мг. Рассчитайте:

а) среднее значение;

б) размах варьирования;

в) величину среднего абсолютного и относительного отклонения от среднего значения;

г) абсолютную и относительную погрешности измерения;

д) абсолютную и относительную погрешности среднего значения.

Тема 1.2.

Гравиметрический (весовой) анализ качества сырья и продуктов металлургии.

Лабораторная работа   № 1. Анализ качества сырья и продуктов металлургии  с использованием аналитических весов

Цель работы: научиться определять качество сырья и продуктов металлургии  с использованием аналитических весов

Весовой (гравиметрический) метод анализа

Это метод количественного анализа, в котором взвешивание является не только начальной, но и конечной стадией определения. Измерительным прибором служат аналитические весы.

Пример: Aℓ³+ + 3OH–® Aℓ(OH)³  t .® Aℓ₂O₃

 Основные операции: расчёт навески, взвешивание образца, растворение пробы, осаждение, созревание осадка, фильтрование и промывание осадка, высушивание, прокаливание, охлаждение, взвешивание гравиметрической формы, расчёты (табл. 2).

2 Осаждаемые и гравиметрические формы

Осаждаемая форма	Гравиметрическая форма
Aℓ(OH)3	Aℓ2O3
H2SiO3	SiO2
BaSO4	BaSO4
AgCℓ	AgCℓ

Гравиметрический метод считают самым надёжным и используют для оценки на- дёжности других методов. (Более подробные сведения о методе – в материале по осади- тельному титрованию.)

Отличие гравиметрического метода анализа от титриметрического. Для определения одного и того же вещества в одном и том же объёме могут быть использованы раз- личные методы (гравиметрический и титриметрический). Гравиметрический метод анали за отличается от титриметрического рядом особенностей.

1. В основе гравиметрического метода анализа – точное измерение массы, в основе титриметрического метода – измерение объёма.

2. В гравиметрическом методе анализа измеряют массу определяемого вещества или малорастворимого осадка, в котором содержится определяемое соединение или ион; в титриметрическом анализе измеряют объём реактива, использованного для реакции с анализируемым веществом.

3. В гравиметрическом методе анализа используют растворы основных исходных реактивов приблизительной концентрации; в титриметрическом анализе применяют ре- активы точно известной концентрации.

4. В гравиметрическом анализе, как правило, растворы реактивов приливают к ана лизируемому раствору в избытке; в титриметрическом анализе – в строго эквивалентных количествах.

5. В гравиметрическом методе анализа не имеет особого значения вопрос, когда на- ступил момент эквивалентности; в титриметрическом анализе решающее значение имеет фиксирование точки эквивалентности, которую определяют с помощью индикатора или другим способом.

 6. В гравиметрическом методе анализа требуется много времени для осаждения вещества, декантации, фильтрования, промывания осадка, подготовки его к взвешиванию и т.д. Все операции в титриметрическом анализе проводятся быстрее, чем в гравиметрическом анализе, так как определение в титриметрическом анализе по существу начинается и заканчивается процессом постепенного приливания раствора реактива к анализируемому веществу до завершения реакции. Так, для завершения определения гравиметрическим способом требуется от 2 до 24 ч; определение титриметрическим методом продолжается обычно от нескольких минут до 1 ч.

7. Гравиметрический метод анализа отличается большой точностью порядка 0,01…0,005 %. Титриметрический анализ менее точен, достигаемая точность составляет 0,1…0,05 %. Методы считаются самыми надежными и используют для оценки надежности других методов.

Определение бария в хлориде бария

Оборудование: технохимические весы; аналитические весы; муфельная печь; сушильный шкаф; химические стаканы на 100 мл; конические колбы на 250 мл; бюксы с крышками; шпатели; стеклянные палочки; воронки для фильтрования; фарфоровые тигли; эксикатор; электроплитка с закрытой спиралью; спиртовки; спички; тигельные щипцы; металлические треугольники; штативы; фильтры (синяя лента); пипетки; груши резиновые.

Реактивы: BaCl2•2H2O (х.ч. или ч.д.а.); 1н раствор серной кислоты; 2н раствор соляной кислоты; 0,5н раствор нитрата серебра; дистиллированная вода.

Ход работы

1. Отбор средней пробы.

Состав отобранной средней пробы должен соответствовать среднему химическому составу исследуемого материала. Проба должна быть однородна, измельчена и хорошо перемешана.

2. Расчет навески.

Из отобранной пробы для анализа берут навеску. Навеску рассчитывают исходя из характера и количества образующегося осадка (осаждаемой формы). Получаемый осадок должен иметь как можно меньшую растворимость, о которой судят по величине произведения растворимости (ПР). Поэтому определение бария с наименьшими потерями можно проводить в виде BaSO4.

Осадок сульфата бария является тяжелым мелкокристаллическим осадком, поэтому его масса должна быть около 0,4 г. Реакция протекает по уравнению:

BaCl2•2Н2О+ H2SO4 = BaSO4 + 2HCl + 2Н2О

Рассчитывают массу BaCl2•2Н2О, необходимую для получения указанного количества гравиметрической формы.

3. Взятие навески.

На технохимических весах взвешивают чистый сухой бюкс и вносят в него рассчитанное количество BaCl2•2Н2О. Затем бюкс с навеской взвешивают на аналитических весах (m1). Переносят навеску в колбу на 250 мл. Определяют точную массу бюкса без навески (m2). По разности двух взвешиваний определяют массу навески: mН = m1 – m2.

4. Растворение навески.

В колбу с навеской наливают 100 мл дистиллированной воды, образуется разбавленный раствор с концентрацией около 0,5%. Для лучшего осаждения и предупреждения коллоидообразования к раствору добавляют 2,5 мл 2н раствора соляной кислоты и перемешивают.

5. Осаждение.

В качестве осадителя используют 1н раствор серной кислоты. Расчет осадителя проводят исходя из уравнения реакции. Для осаждения молярной массы эквивалента BaCl2•2Н2О, равной 122 г/моль, нужно взять 1000 мл 1н раствора серной кислоты. Отсюда:

122г – 1000мл

m_H – X

X = m_H . 1000мл/122

Для полноты осаждения бария количество осадителя берут в полуторакратном избытке. Рассчитанный объем 1н раствора серной кислоты и 30 мл дистиллированной воды помещают в химический стакан и, закрыв стакан часовым стеклом, ставят на водяную баню. Колбу с растворенной навеской также нагревают на водяной бане. Растворы нагревают почти до кипения (кипятить не нужно). Затем очень медленно, по каплям, приливают горячий раствор серной кислоты к горячему раствору хлорида бария при постоянном перемешивании стеклянной палочкой. После приливания всего объема осадителя, стеклянную палочку вынимают и промывают над колбой дистиллированной водой. Колбу с осадком оставляют на водяной бане до полного осветления жидкости над осадком. Эти условия способствуют росту кристаллов.

После осветления раствора проверяют полноту осаждения. Для этого по стенке колбы добавляют осторожно 2-3 капли осадителя. Если в месте соприкосновения осадителя с раствором появляется муть, то добавляют еще 2-3 мл раствора серной кислоты. Отсутствие помутнения свидетельствует о полноте осаждения.

Затем колбу с осадком закрывают фильтровальной бумагой и оставляют до следующего занятия. В это время происходит процесс созревания осадка, который сопровождается растворением мелких и ростом крупных кристаллов.

6. Фильтрование и промывание осадка.

Для фильтрования осадка сульфата бария используют наиболее плотные обеззоленные фильтры «синяя лента». Сложенный вчетверо фильтр раскрывают и вставляют в сухую чистую воронку. Край фильтра должен быть на 5-10 мм ниже края воронки. Затем воронку с фильтром устанавливают в кольцо и подставляют под нее чистый стакан. Аккуратно, не взмучивая осадка, декантируют жидкость из колбы по стеклянной палочке на фильтр. Палочку держат над воронкой слегка наклонно, так, чтобы ее нижний конец не касался фильтра. Уровень жидкости не должен достигать края фильтра по крайней мере на 5 мм.

После того, как жидкость с осадка будет слита, осадок 2-3 раза промывают декантацией, приливая по 10 мл промывной жидкости. В качестве промывной жидкости используют воду, подкисленную H2SO4 (1 мл H2SO4 на 250 мл дистиллированной воды). Затем осадок переносят на фильтр, приливая небольшие порции промывной жидкости. Для удаления частиц осадка со стенок колбы, их протирают небольшими кусочками фильтровальной бумаги, которые потом бросают на фильтр с осадком. В колбе и на стеклянной палочке не должно остаться частиц осадка.

После перенесения осадка на фильтр приступают к его промыванию на фильтре. Промывание продолжают до отрицательной реакции на полноту промывания. Для этого в пробирку отбирают 1 мл фильтрата и добавляют 2-3 капли раствора нитрата серебра. О чистоте промывания свидетельствует отсутствие мути. Затем осадок промывают горячей дистиллированной водой, чтобы удалить сульфат-ионы. Промывание прекращают, если фильтрат не дает мути с раствором хлорида бария.

7. Высушивание, озоление и прокаливание осадка.

Воронку с осадком помещают в сушильный шкаф. После высушивания фильтр с осадком должны остаться слегка влажными, так как сухой фильтр при сворачивании становится ломким. Фильтр с осадком сворачивают в спираль и переносят в фарфоровый тигель. Тигель предварительно должен быть высушен до постоянной массы и взвешен на аналитических весах.

Тигель с осадком устанавливают на фарфоровый треугольник и на небольшом пламени обугливают фильтр. Необходимо следить, чтобы бумага не загорелась. После прекращения выделения пара и дыма, тигель при помощи тигельных щипцов переносят в муфельную печь, где при температуре 800ºС происходит прокаливание осадка. После прокаливания тигель с помощью тигельных щипцов помещают в эксикатор и, после охлаждения тигля, взвешивают на аналитических весах. Процедуру прокаливания и взвешивания осадка повторяют несколько раз до постоянной массы.

8. Расчет результатов анализа.

Содержание бария ω_ЭКСП. (в %) рассчитывают по формуле:

ω_ЭКСП.= m _Г.Ф. *F*100/ m_{Н, где}

m _Г.Ф. – масса гравиметрической формы, г; m_Н – масса навески, г;

F – гравиметрический фактор 0,5884;

Теоретическое содержание бария ω_ТЕОР. (в %) в хлориде бария находят по формуле:

ω_ТЕОР=М(Вa *100%/ВaCL₂*2H₂O=137,34*100/244,28=56,28%

Абсолютная ошибка:Аабс= ω_ТЕОР- ω_эксп

Относительная ошибка: Аабс= ω_ТЕОР- ω_эксп/ ω_{ТЕОР*100%}

Сделайте вывод.

Лабораторная работа   № 2. Определение массовой доли влаги в хлориде бария весовым методом (Определение кристаллизационной воды в хлориде бария)

Определение воды. Знание влажности пробы необходимо для точного расчета результатов анализа и содержания других компонентов. Помимо этого, вода входит в состав многих соединений в определенных стехиометрических соотношениях (в кристаллогидраты). Для определения воды разработаны прямые и косвенные методы.

В косвенных методах воду определяют по уменьшению массы пробы при обезвоживании нагреванием или путем выдерживания в эксикаторе с энергичным водоотнимающим веществом (Р₂О₅, концентрированная H₂SO₄ и др.). Метод дает правильные результаты, если при этом в пробе не происходит никаких других процессов, кроме удаления воды, т.е. проба не содержит других летучих веществ.

Для определения влажности пробу обычно выдерживают при температуре 105-110⁰С до постоянной массы. Стехиометрическая или кристаллизационная вода при этом удаляется не всегда, а обезвоживание некоторых веществ, например гидроксидов железа, алюминия и др., требует уже значительно более высокой температуры (700-800⁰С и выше). При определении влажности органических веществ часто используется нагревание в вакууме при температуре ниже 100⁰С.

В прямых методах определения воды водяные пары поглощаются осушителем – специальным веществом, энергично поглощающим влагу (CaCl₂,Mg(ClO₄)₂, и др.). Содержание воды определяется по увеличению массы осушителя, конечно, если он не поглощает других веществ, кроме воды.

Цель работы: Определение массовой доли кристаллизационной воды в кристаллогидрате  методом отгонки.

Сущность работы:Определение массовой доли внешней влаги (влажность образца) и кристаллизационной воды в кристаллогидрате ВаС1₂·2Н₂О осуществляется методом отгонки. При этом удаление внешней влаги происходит при высушивании анализируемого образца при 110⁰С, а определение кристаллизационной воды основано на разложении кристаллогидрата хлорида бария при 125°С с выделением воды:

ВаС1₂·2Н₂О ®ВаС1₂+2Н₂О­

По убыли массы пробы взятой для анализа определяют влажность образца и массовую долю кристаллизационной воды в образце.

Посуда и реактивы:

- бюкс стеклянный для взвешивании – 1 шт.

- свежеперекристаллизированный химически чистый ВаС1₂• 2Н₂0

Выполнение работы:В тщательно вымытый, высушенный и взвешенный вместе с крышкой на аналитических весах бюкс помещают около 1.5 г свежеперекристаллизированного химически чистого ВаС1₂ 2Н₂О. Затем бюкс с солью снова взвешивают на аналитических весах и определяют точную массу навески, взятой для анализа. Открыв бюкс, помещают крышку сверху, повернув ее на ребро и выдерживают бюкс в сушильном шкафу при температуре 110°С 2 часа. Затем охлаждают в эксикаторе и, закрыв крышкой, взвешивают на аналитических весах. Операцию повторяют до достижения постоянной массы. Как правило, одновременно проводят не менее двух параллельных опытов.

Массу внешней влаги определяют как разность масс бюкса с влажной и сухой навеской образца, а расчет влажности анализируемого образца (при погрешности параллельных результатов менее 0,3%) проводится по формуле (6.5).

Далее, высушенный до постоянной массы при 110⁰С образец нагревают до постоянной массы при 125⁰Cи по разности масс бюкса рассчитывают массу удаленной кристаллизационной воды. Затем рассчитывают массовую долю кристаллизационной воды в анализируемом сухом кристаллогидрате хлорида бария и сравнивают её с теоретически рассчитанным значением для этой соли.

Лабораторная работа   № 3. Определение серы в растворимых сульфатах (примеры практического применения методов гравиметрического анализа)

Теоретические данные

Определение серы в веществах, содержащих растворимые сульфаты, основано на осажденииSO₄^2- в виде BaSO₄

Ba²⁺ + SO₄^2- = BaSO₄↓ .

Растворимость сульфата бария в воде мала (ПР=1,1∙10^-10), следовательно, это соединение является подходящей осаждаемой формой при определении серы. При прокаливании BaSO₄ не изменяется, поэтому он также является и гравиметрической формой, удовлетворяющей практически всем необходимым требованиям. Недостатком сульфата бария является склонность к образованию мелких кристаллов, что затрудняет егофильтрование. Поэтому при осаждении необходимо создавать условия, благоприятствующие образованию крупнокристаллических осадков (см. разд. 5.4). Важнейшим из этих условий является медленное прибавление осадителя, которое необходимо также и для получения более чистого осадкаBaSO₄. Повышение растворимости осадка в процессе его формирования для уменьшения степени пересыщения раствора относительно осаждаемого соединения, достигается добавлением небольшого количества HCl или повышением температуры.

Для получения гравиметрической формы прокаливание полученного осадка осуществляют при температуре 800-900⁰С. При более высоких температурах  BaSO₄ разлагается:

BaSO₄ = BaO + SO₃↑.

Массу сульфат-иона (г) в анализируемой пробе находят по формуле

m = F m_г.ф.,

где F = 0,4116 - фактор пересчета, m_г.ф. – масса гравиметрической формы.

Цель работы: Определить содержание серы в веществе, содержащем растворимый сульфат.

Сущность работы: Определение серы в веществах, содержащих растворимые сульфаты, основано на осаждении SO₄^-2 в виде BaSO₄:

SO₄^-2 + Ba²⁺ ® BaSO₄¯

Растворимость BaSO₄ в воде мала (K_s⁰=1,1·10^-10), поэтому это соединение является хорошей осаждаемой формой при определении серы.

При прокаливании состав BaSO₄ не изменяется, поэтому сульфат бария является также и весовой формой. Состав BaSO₄ строго соответствует формуле, он весьма устойчив термически и химически. Следует отметить резко выраженную склонность осадка к образованию весьма мелких кристаллов, которые при фильтровании иногда проходят через поры фильтра и могут затруднять работу. Поэтому при осаждении нужно особенное внимание обратить на создание условий, благоприятствующих образованию сравнительно крупнокристаллических осадков.

Оборудование и материалы.

1.      Стакан химический емкостью 150-200 мл

2.      Палочка стеклянная

3.      Колба или стакан для сбора фильтрата

4.      Воронка для фильтрования

5.      Промывалка

6.      Фарфоровый тигль для прокаливания

7.      Бюретка

8.      2н раствор соляной кислоты (HCL).

9.      2 н раствор хлорида серебра (AgCl).

10.   5 % раствор хлорида бария.(BaCL₂).

Выполнение работы

   Осаждение. Прибавив к полученному раствору 2-3 мл 2н раствора HCl, нагревают его на сетке почти до кипения (но не кипятить, т.к. пар может увлекать капельки жидкости из стакана). Далее очень медленно по каплям из бюретки приливают 5%-ный раствор BaCl₂ к исследуемому раствору, помешивая его стеклянной палочкой, не касаясь ею дна и стенок стакана, т.к. иначе осадок плотно прилипнет к стеклу. Вынимать палочку из стакана нельзя, т.к. при этом могут быть потеряны оставшиеся на ней частицы осадка.

По мере осаждения скорость прибавления раствора осадителя понемногу увеличивают. Когда почти весь осадитель прилит, не вынимая палочку из стакана, накрывают его для защиты от пыли часовым стеклом и оставляют в таком виде до следующего занятия, чтобы произошло созревание осадка. Как только BaSO₄ осядет на дно стакана, проверяют полноту осаждения. Для этого к оставшейся прозрачной жидкости осторожно по стенке стакана приливают несколько капель раствора осадителя и наблюдают, не появится ли муть.

Фильтрование и промывание осадка. Приступая к фильтрованию, берут наиболее плотный беззольный фильтр (синяя лента) и хорошо пригоняют его к воронке. Поместив воронку с фильтром в кольцо штатива и подставив под воронку  другой чистый стакан, по стеклянной палочке декантируют жидкость на фильтр, тщательно соблюдая при этом все указания, сделанные ранее. Когда сливание жидкости с осадка станет невозможным, убеждаются в том, что в фильтрате отсутствуют малейшие признаки мути, и выливают его из стакана.

После этого 3-4 раза промывают осадок декантацией, вливая в стакан каждый раз по 20-30 мл холодной дистиллированной воды и как можно полнее сливая ее с осадка на фильтр. По окончании  последней декантации очень осторожно (это самый ответственный момент в работе) количественно переносят осадок на фильтр и промывают его для удаления хлорид-ионов холодной дистиллированной водой. Промывание продолжают до тех пор, пока собранная в пробирку порция стекающей с фильтра жидкости, слегка подкисленная HNO₃, не перестанет давать муть AgCl при действии AgNO₃ или муть Hg₂Cl₂ при действии Hg₂(NO₃)₂.

    Высушивание и прокаливание осадка. Подсушив фильтр, с промытым осадком, осторожно переносят его вместе с осадком в доведенный до постоянной массы тигель. Затем ставят его на электроплитку (обязательно в вытяжном шкафу), где фильтр медленно обугливается. После этого тигль помещают в муфельную печь и приступают к прокаливанию осадка. Прокаливание осадка нужно проводить при 800-900 ⁰С. При 1400 ⁰С осадок разлагается:

BaSO₄ ® BaO + SO₃ ­

Затем тигель охлаждают в эксикаторе и взвешивают, прокаливают еще 10-15 мин, по охлаждении снова взвешивают и так до получения постоянной массы. Результаты взвешивания оформляют в таблицу 1.

Таблица 1.

Результаты взвешивания.

Объект взвешивания		Масса после прокаливания
		1	11	111
Тигль №___	Тигль с осадком	8,5329	8,5314	8,5315
	Пустой тигль	7,8629	7,8607	7,8605
	Осадок	-	-	0,6710
Тигль №___	Тигль с осадком	9,9978	9,9956	9,9936
	Пустой тигль	9,3229	9,3218	9,3211
	Осадок	-	-	0,6723

Расчет результатов анализа.

1.      Рассчитываем среднее значение массы осадков.

 г.

2.      Рассчитываем абсолютное расхождение результатов двух параллельных определений.

 г.

3.      Рассчитываем относительное расхождение результатов двух параллельных определений.

4.      Рассчитываем массу серы в полученном сульфате.

 г.

Практическое занятие № 2. Решение типичных задач на гравиметрический метод.

Цель: Научиться решать типичные задачи на гравиметрический метод.

Теоретические сведения.

Гравиметрическим анализом называют метод количественного химического анализа, основанный на точном измерении массы определяемого компонента пробы, выделенного либо в элементарном виде, либо в виде соединения определённого состава. Гравиметрия включает  две группы: 1) методы отгонки; 2) методы осаждения.

Методы отгонки делятся на прямые и косвенные. Алгоритм проведения анализа: точную навеску анализируемого образца обрабатывают таким образом, чтобы из неё выделился в газообразном виде определяемый компонент. Далее выделившийся компонент поглощают и по привесу поглотителя определяют количество анализируемого компонента (прямой метод) или по убыли массы навески анализируемого образца рассчитывают содержание летучей составляющей (косвенный метод).

В методах осаждения навеску анализируемого вещества тем или иным способом переводят в раствор, после чего определяемый элемент осаждают в виде какого-либо малорастворимого соединения (осаждаемая форма). Выпавший осадок отделяют фильтрованием, тщательно промывают, прокаливают или высушивают (перевод осадка в гравиметрическую форму) и точно взвешивают. По массе осадка и его формуле рассчитывают содержание  в нём определяемого элемента и выражают содержание этого элемента чаще всего в процентах от навески.

Из всех перечисленных операций наиболее важна – операция осаждения. Для осаждения рекомендуют брать полуторный избыток осадителя и создавать условия, при которых достигается полнота осаждения – остаточное количество определяемого компонента в растворе не должно превышать   или   - предел чувствительности обычных аналитических весов. Желательно, чтобы осадитель был летучим и специфичным для определяемого элемента.

Требования к осаждаемой форме

Осаждаемая форма должна обладать достаточно малой растворимостью, необходимой для  достижения полного осаждения определяемого элемента.

Желательно, чтобы структура осадка давала возможность с достаточной скоростью вести фильтрование и отмывание от примесей. Этому требованию отвечают крупнокристаллические осадки.

Необходимо, чтобы осаждаемая форма достаточно легко превращалась в гравиметрическую форму.

Требования к гравиметрической форме

Важнейшее требование, предъявляемое к гравиметрической  форме, является точное соответствие её состава известной химической формуле.

Следующее требование – достаточная химическая устойчивость гравиметрической формы к окружающей среде. То есть во время подготовки к взвешиванию и в процессе взвешивания гравиметрическая форма должна сохранять свой химический состав.

Желательно, чтобы содержание определяемого элемента в гравиметрической форме было как можно меньшим, так как погрешности анализа при этом меньше скажутся на окончательном результате анализа. Количественной характеристикой является фактор пересчета или аналитический множитель

                                              ,                                                 (1.20)

где молярная (атомная) масса определяемого компонента;  молярная масса гравиметрической формы.

При вычислении фактора пересчета необходимо:

а) величину молекулярной (атомной) массы определяемого вещества (элемента) разделить на величину молекулярной массы гравиметрической формы;

б) молекулярные (атомные) массы брать с такими коэффициентами, чтобы они были эквивалентны друг другу, то есть, чтобы в них содержалось одинаковое количество атомов соответствующего элемента.

            Важным параметром является величина навески анализируемого вещества. Её масса зависит от метода анализа и характера осадка. Если осадок объёмный, аморфный, то масса навески должна быть в пределах ; если осадок кристаллический, то масса навески лежит в пределах. Оптимальную навеску легко рассчитать, используя формулы

       ;  ,                          (1.21)

где ,  - масса навески анализируемого образца для кристаллической и аморфной гравиметрической форм, соответственно. - фактор пересчета для соответствующих гравиметрической и аналитической форм;  - предполагаемая или известная массовая доля в процентах анализируемого вещества в образце.

            Содержание определяемого элемента в анализируемой пробе рассчитываем по уравнениям 

                                ;                                                      (1.22)         

                              ,                                                (1.23)

где  - масса гравиметрической формы, ; масса  анализируемого вещества в образце, ;  - масса навески, ; - фактор пересчета.

            Гравиметрический анализ характеризуется высокой точностью 0,01-0,1%  и используется в качестве арбитражных и маркировочных методов.

Решение типовых задач

Задача 1. Определить факторы пересчета для определения а)  в виде ; б)  в виде ;  в)  в ;  г)  в .

Решение.

Определяем фактор пересчета по уравнению (1.20)

     а)    ;

     б)    ;

     в)    ;

     г)    .

Задача 2. Определить содержание хлорид-иона в образце, если из навески массой 1,0000, получено 0,2040 гравиметрической формы .

Решение.

            Наиболее распространенный метод определения содержания хлорид-иона – осаждение в виде хлорида серебра

.

            Перевод осажденной формы в гравиметрическую в этом методе заключается в высушивании осадка: .

Содержание хлорид ионов определяем по формуле ,
.

Задача 3. Определить объём  раствора серной кислоты (), необходимый для количественного осаждения бария из навески , содержащей

Решение.

            В основе определения бария лежит реакция осаждения

.

;         .

            По уравнению реакции на  соли бария  требуется  серной кислоты,  составим пропорцию и определим массу

.

            С учетом полуторного избытка осадителя для достижения оптимальных условий осаждения потребуется  .

            Требуемый для осаждения объём данной концентрации раствора кислоты рассчитываем по уравнению

.

Задачи для самостоятельного решения:

Задача 1. Вычислите растворимость PbC₂O₄ в воде.

Задача 2. Вычислите произведение растворимости хромата серебра Ag₂CrО₄, если в 100 мл воды растворяется 1,85·10^-3 г этой соли.

Задача 3. При каком рН достигается практически полное осаждение ионов Са²⁺  в виде СаС₂О₄ из раствора, содержащего 0,005 моль/л ионов кальция, при 50% избытке осадителя и общем объеме раствора 100 мл?

Задача 4. Рассчитайте растворимость СаС₂О₄ 1) в воде, 2) в 2М растворе HCl.

Задача 5. Вычислите растворимость карбоната кальция CaCO₃ в воде, в 0,01 М растворе нитрата калия KNO₃ и в 0,01 М растворе нитрата магния Mg(NO₃)₂, если ПР_CaCO3 =3,8×10^-9 

Литература по теме:

       1. Васильев В.П. Аналитическая химия. Сборник вопросов, упражнений и задач. – М.: Дрофа, 2003. – 320 с.

1. Интернет источники: http://www.chem-astu.ru/chair/study/anchem/r_5_9.htm
2. Интернет источники http://main.isuct.ru/files/publ/PUBL_ALL/0142.pdf

Лабораторная работа  № 4. Приготовление и стандартизация 0,1 М раствора хлороводородной (соляной) кислоты

Теоретические основы.   Если химическая реакция происходит между веществами, находящимися в растворах, то число эквивалентов вещества можно выразить через молярную концентрацию его эквивалента, то есть          n₁ = n₂

                               С_{N 1}V₁  = С_{N 2}V₂   

                     (закон эквивалентов для реакций в растворах).

Точное определение концентрации неизвестного раствора (стандартизация) проводится с помощью титрования - постепенного смешивания реагирующих веществ до достижения точки эквивалентности. В точке эквивалентности выполняется закон эквивалентов - реагирующие вещества содержатся в эквивалентных количествах.

Стандартизацию раствора соляной кислоты  можно провести с помощью реакции с гидроксидом натрия:

HCl  +  NaOH  =  NaCl  + H₂O

Метод титрования, основанный  на реакции нейтрализации (взаимодействие кислоты со щелочью) носит название кислотно-основное титрование (метод нейтрализации).

Раствор гидроксида натрия с точно известной концентрацией носит название рабочего (стандартного, титрованного) раствора.

  Точку эквивалентности в процессе кислотно-основного титрования можно определить с помощью кислотно-основных индикаторов - веществ, изменяющих свой цвет при изменении реакции среды. Например, индикатор метилоранж  в кислой среде имеет красную окраску, в нейтральной - оранжевую, а в щелочной среде - желтую.  

Цель работы. Методом кислотно-основного титрования  определить точную концентрацию приготовленного ранее раствора соляной кислоты. В качестве стандартного раствора использовать раствор гидроксида натрия, а в качестве индикатора - метилоранж. Измерив объем добавленного раствора кислоты, рассчитать его точную концентрацию.

Порядок работы.

1. Ознакомьтесь с установкой для титрования. Она состоит из бюретки, закрепленной в штативе. Капиллярный конец бюретки присоединен к ней резиновым шлангом с зажимом. Цена деления шкалы бюретки 0,1 мл. Пипетка представляет собой стеклянную трубку, утолщенную посередине. Она позволяет измерять точные фиксированные объемы (раствор заполняется до метки в верхней части пипетки).

2. Укрепите бюретку в штативе и промойте ее раствором кислоты: через воронку залейте в бюретку раствор кислоты выше нулевой отметки и затем слейте его полностью в стакан, ослабив для этого зажим бюретки.

3. Снова заполните бюретку раствором кислоты и заполните ее капиллярный конец, загнув его вверх для облегчения удаления воздуха.

4. Установите уровень раствора кислоты на нулевой метке.

5. В коническую колбу отмерьте из общей бюретки или пипеткой 10,0 мл стандартного раствора гидроксида натрия, добавьте цилиндром 25-30 мл дистиллированной воды и 2-3 капли метилоранжа, который в присутствии щелочи окрасится в желтый цвет.

6. Подставив колбу под бюретку, проводите титрование: добавляйте по каплям раствор кислоты, непрерывно перемешивая раствор. Титрование окончено, когда добавление очередной капли  раствора  NaOH  изменит  окраску  раствора  в  колбе  на оранжевую (красный цвет раствора означает, что добавлен избыток кислоты, титрование необходимо повторить).

7. Запишите объем кислоты в бюретке в таблицу (см. форму лабораторного отчета) с точностью до 0,1 мл.

8. Повторите титрование еще два раза, каждый раз доливая раствор кислоты в бюретке до нулевого уровня. Расхождение между измеренными объемами кислоты не должно превышать 0,1- 0,2 мл.

9. Рассчитайте молярную концентрацию эквивалента раствора соляной кислоты с точностью до 0,0001.

Форма лабораторного отчета.

1. Название лабораторной работы.

2. Краткое описание, цель работы.

3. Уравнение реакции.

1.      Экспериментальные данные занесите в таблицу:

№ опыта	1	2	3
Объем раствора кислоты, V, мл

Объем раствора NaOH , V_NaOH = 10,0 мл

Концентрация раствора NaOH , C_{N  (NaOH)} = .......

2.      Расчеты:  1) средний объем кислоты:

V_HCl =  = ...

         2) концентрация раствора кислоты:

C_{N HCl}  =  = ... 

Типовые задачи.

1.      При стандартизации раствора NaOH на титрование 10 мл его пошло 12,5 мл 0,0967 N раствора H₂SO₄. Вычислите концентрацию раствора NaOH.

2.      Какой объем 15% раствора серной кислоты (плотность 1,10 г/мл) потребуется для полного растворения 24,3 г магния?

3.      Для полного осаждения сульфата бария из 100 г 15% (по массе) раствора хлорида бария потребовалось 14,4 мл раствора серной кислоты. Найти молярную концентрацию эквивалента (нормальность) раствора кислоты.

4.      Какой объем 0,3 Н раствора кислоты требуется для нейтрализации раствора, содержащего 1,4 г гидроксида калия?

Тема 1.3.

Титриметрический (объёмный) анализ качества сырья и продуктов металлургии

Практическое занятие  № 3. Расчет концентрации растворов по различным параметрам.

Цель: научиться рассчитывать концентрацию растворов по различным параметрам.

Теоретические сведения.

Растворы – гомогенные (однородные) системы переменного состава, содержащие два или несколько компонентов. Компонент, агрегатное состояние которого не изменяется при образовании раствора, принято называть растворителем, а другой компонент – растворенным веществом. При одинаковом агрегатном состоянии компонентов растворителем считают обычно то вещество, которое преобладает в растворе. Растворы бывают твердыми (сплавы металлов), жидкими и газообразными (смеси газов). В медицине наиболее распространены жидкие (чаще водные) растворы.

Концентрация раствора – величина, измеряемая количеством растворенного вещества в определенном объеме или массе раствора или растворителя. Существуют различные способы выражения концентрации растворов:

Процентная концентрация по массе С_% (массовая доля)показывает число единиц массы растворенного вещества (г, кг) в 100 единицах массы раствора (г, кг) и рассчитывается по формуле:

С_%=m_в-ва· 100% / m_р-ра (1),

где m_р-ра - масса раствора, в котором содержится масса вещества m_в-ва . Следовательно, физиологический раствор (0,9% NaCl) содержит 0,9г NaCl в 100г раствора.

Молярная концентрация С_М (молярность) показывает число молей растворенного вещества в 1л (1дм³) раствора. Согласно определению С_М= ν/V, где количество вещества ν=m/M, а объем раствора V выражен в литрах. Таким образом получаем формулу:

С_М=m / М·V (2),

где m-масса вещества, г; М-молярная масса вещества, г/моль; V – объем раствора, л.

Например, 5М раствор глюкозы содержит 5моль С₆Н₁₂О₆ в 1л раствора.

Нормальная концентрация С_N (нормальность, молярная концентрация эквивалента) показывает, сколько эквивалентов вещества находится в 1л (1дм³) раствора. Эквивалент Э (эквивалентная масса, молярная масса эквивалента) –это реальная или условная частица вещества, которая в данной реакции реагирует с одним атомом или ионом водорода, или одним электроном. Эквивалент зависит от типа реакции, в которой участвует данное вещество. В рамках нашего курса не рассматривается образование кислых, основных солей, а также более сложных продуктов, поэтому эквивалент кислоты находится делением молярной массы кислоты на ее основность (число атомов водорода в формуле), эквивалент основания – делением молярной массы на кислотность (число ОН групп), эквивалент соли равен молярной массе, деленной на произведение степени окисления металла на число его атомов в формуле. Например, Э(Н₂SO₄)= 98/2=49 (г/моль), Э(Са(ОН)₂)=74/2=37 (г/моль), Э(Al₂(SO₄)₃)=342/3·2=57 (г/моль). Для реагентов, используемых в окислительно-восстановительных реакциях, эквивалент находят делением молярной массы на число участвующих в превращении электронов.

Нормальную концентрацию рассчитывают по формуле:

С_N=m /Э ·V (3),

где m-масса вещества, г; Э-эквивалент, г/моль; V – объем раствора, л. Запись 0,1N HCl (или 0,1н. HCl) означает, что 1л раствора содержит 0,1 эквивалента HCl.

Зная нормальность раствора, можно найти молярность, и наоборот. Так как масса растворенного вещества m=С_N · Э · V= С_M · M · V, то после сокращения объема получаем:

С_N · Э = С_M · M (4).

Моляльная концентрация С_m (моляльность) показывает число молей растворенного вещества в 1 кг (1000г) растворителя.

С_m = ν_в-ва / m_р-ля = m_в-ва / М · m_р-ля (5),

где ν_в-ва - число моль вещества; m_в-ва - масса вещества, г; m_р-ля - масса растворителя, кг; М- молярная масса вещества, г/моль.

Например, 0.3С_m раствор NaOH содержит 0,3моль вещества на 1000г воды.

Титр Т - это масса вещества (г) в 1мл (1см³) раствора. Согласно определению Т=m/V (6),

где m –навеска вещества, г; V – объем раствора, мл.

Титр также может быть найден по формуле:

Т=Э · С_N /1000 (7),

где Э-эквивалент вещества, г/моль; С_N – нормальная концентрация, N; 1000 -коэффициент для пересчета размерности (в 1л 1000мл).

Мольная доля компонента – это отношение числа молей данного вещества к общему числу молей всех веществ в растворе. Если раствор содержит два компонента (1-растворенное вещество, 2- растворитель), то мольные доли находятся следующим образом:

Х₁=ν₁/( ν₁+ ν₂);

Х₂=ν₂/( ν₁+ ν₂) (8),

где ν₁ – число моль растворенного вещества, ν₂– число моль растворителя. В сумме Х₁+ Х₂=1.

Процентная концентрация считается приблизительной, остальные рассмотренные концентрации являются точными и широко применяются в медико-биологических исследованиях, химическом и фармакопейном анализе.

Пример 1.

10мл сыворотки крови взрослого человека содержат 0.015 г холестерина (C₂₇H₄₇O). Найдите процентную концентрацию по массе (массовую долю) и молярность, если принять плотность сыворотки ρ ≈1 г/мл.

Решение:

Процентную концентрацию C_% можно найти следующим образом:

 , где m(раствора) = V(раствора) · ρ =10 мл · 1г/мл = 10г, тогда C_% =0.015·100/10=0.15%;

или воспользуемся определением процентной концентрации, которая показывает число грамм вещества в 100г раствора:

если 0.015г (холестерина) - в 10 г (сыворотки)

то X г (холестерина) - в 100 г (сыворотки),

и получаем такой же ответ: X=C_% = 0.015 · 100 / 10 = 0.15 г = 0.15%

Молярная концентрация показывает число моль холестерина в 1 л раствора (сыворотки). Найдем сначала молярную(=молекулярную)массу: Mr(холестерина)= 27·Ar(C)+47·Ar(H)+1·Ar(O)=27·12+47·1+1·16=387;

М=387 г/моль , затем вычислим число моль вещества в данной пробе раствора (в 10мл): n = 0.015 / 387 = 0.0000388 (моль), наконец находим число моль вещества в 1л раствора: C_M = 0.0000388 моль / 0.01 л = 0.00388 моль/л = 3.88 мМ.

Ответ: 0.15%; 3.88 мМ.

Пример 2.

Как приготовить 400мл 25% раствора магнезии (MgSO₄) с плотностью ρ =1.2 г/мл из более концентрированного 5 М раствора?

Решение:

Найдем массу раствора, который мы собираемся приготовить:

m=V·ρ=400 ·1.2=480 (г)

В соответствии с определением процентной концентрации этот раствор должен содержать

25г (MgSO₄) в 100г(раствора),

или X г (MgSO₄) в 480г(раствора),

таким образом находим X=25·480 / 100 = 120 (г). Однако по условию задачи у нас нет кристаллического MgSO₄ , который мы могли бы взвесить для приготовления раствора: нужно разбавить более концентрированный раствор, который содержит 5 моль (MgSO₄) в 1л, или это m (MgSO₄)= n· M=5моль · 120 г/моль = 600 г.

Следовательно, найдем объем 5M раствора, который содержит 120 г MgSO₄ :

600г(MgSO₄) – в 1000 мл

120г(MgSO₄) – в X мл , тогда X= 200 мл.

Таким образом, мы отбираем 200мл 5M раствора MgSO₄, помещаем в мерную колбу на 400мл, добавляем необходимое количество дистиллированной воды до метки (фактически раствор должен быть разбавлен в 2 раза).

Существует множество других способов решения этого задания. Например, можно использовать формулы или найти сначала число моль MgSO₄, необходимое для приготовления раствора: n=120/120=1 моль, ...и т.д.].

Ответ: 200мл 5М р-ра разбавить до 400мл.

Пример 3.

Раствор MgSO₄ , приготовленный в предыдущем задании, был проверен фармацевтом. Обнаружено, что точная концентрация раствора равна 2.5M. Найдите нормальность, титр, моляльность и мольную долю вещества, если плотность раствора равна 1.2 г / мл.

Каков курс лечения данным препаратом (сколько дней), если пациенту назначили инъекции по 5мл один раз в день и суммарная (кумулятивная) доза должна составить 125 ммоль?

Решение:

Для нахождения нормальной концентрации C_N можно воспользоваться формулой C_N ·Э = C_M ·M, которая позволяет быстро перейти от молярности к нормальности (и наоборот). Для соли эквивалент равен: Э=  ,

поэтому C_N ·M / 2 = C_M ·M, после сокращения получаем C_N = 2· C_M = 2· 2.5 = 5 (N, н., моль/л)

Титр может быть найден следующим образом :

T=Э · C_N / 1000 = 60 ·5 / 1000 = 0.3000 (г/мл)

Моляльная концентрация µ показывает число мольMgSO₄ в 1 кг растворителя, поэтому найдем сначала массу 1л раствора, затем массу MgSO₄, и наконец массу воды:

m(раствора) = ρ ·V = 1.2 ·1000 = 1200 (г),

m(MgSO₄) = n · M = 2.5 · 120 = 300 (г),

m(H₂O) = m(раствора) – m (MgSO₄) = 1200-300 = 900 (г)

Если 2.5 моль (MgSO₄) – в 900 г (воды),

то µ моль(MgSO₄) – в 1000 г(воды), получаем µ=2.5·1000/900 = 2.78 (моль/кг)

Для нахождения мольной доли X найдем число моль воды:

n (H₂O) = m / M = 900 / 18 = 50 (моль),

затем найдем отношение X(MgSO₄) =  =0.048

Если раствор магнезии используется в качестве лекарственного препарата, то с разовой дозой 5мл пациент получает следующее число моль MgSO₄ :

2.5моль(MgSO₄) – в 1000 мл(раствора)

X моль(MgSO₄) - в 5 мл(раствора), тогда X=0.0125моль=12.5ммоль

ммоль(в день) · число дней = ммоль(суммарная доза)

12.5 · число дней = 125, => число дней = 10

Курс лечения 10 дней.

Ответ: 5н., 0.3000 г/мл, 2.78 моль/кг, 0.048; 10дней.

Задачи для самостоятельного решения

1. Физиологический раствор для внутривенных инфузий, который является 0.9% раствором NaCl в воде, имеет плотность ρ≈ 1г/мл. Сколько граммов NaCl нужно взвесить для приготовления 400мл раствора ?

2. Витамин B₆ (пиридоксина гидрохлорид) обычно используется в виде 5% раствора для инъекций. Сколько миллиграммов витамина содержит одна ампула объемом 1cм³ , если плотность раствора ρ ≈ 1г/мл ?

3. Какая масса адреналина попала в организм, если ввели 1мл 0.1% раствора? (Считайте плотность ρ=1г/мл).

4. Найдите молярную концентрацию физиологического раствора, принимая плотность равной 1г/мл.

5. Рассчитайте молярную концентрацию 10% CaCl₂, если плотность ρ=1.1 г/см³.

6. Найдите нормальную концентрацию и титр 0.1M H₂SO₄. (При условии полного замещения атомов водорода в предстоящей реакции H₂SO₄).

7. Один моль фруктозы растворили в 500 г воды. Найдите моляльную концентрацию и мольную долю фруктозы в растворе.

8. 10% CaCl₂ назначен внутривенно по 10мл, 2 раза в день. Сколько моль CaCl₂ получит пациент после 10-дневного курса лечения? (Плотность раствора не учитывать).

9. Рассчитайте молярность 5% раствора глюкозы с плотностью ρ= 1.06 г/мл.

Приготовление растворов заданных концентраций

Оборудование: аналитические весы; технохимические весы; набор ареометров; мерные колбы на 50, 100, 200, 250 мл; мерные цилиндры емкостью на 50, 100, 250 мл; стаканы емкостью на 100 и 250 мл; воронки; пустые склянки для растворов; стеклянные палочки; шпатели и капсулаторки; резиновые груши; пипетки; стаканчики для взвешивания; фильтры.

Реактивы: дистиллированная вода; твердые соли CoSO4•6Н2О, CuSO4•5Н2О, K3[Fe(CN)6], K4[Fe(CN)6]•3Н2О, Na2CO3, NaCl, NiSO4•7Н2О; твердый NaOH; концентрированные растворы HCl, CН3COOH, H2SO4.

Ход работы 1. Выполнить расчеты по предложенным вариантам. 2. Приготовить растворы указанных концентраций по заданию преподавателя.

Вариант № 1

1.      Приготовить 85 г 3%-ного раствора хлорида натрия NaCl из твердой соли.

Вариант № 2

1.      Приготовить 100 мл 1М раствора хлорида натрия NaCl из твердой соли.

Практическое занятие  № 4. Решение типовых задач на титриметрический (объёмный) анализ качества сырья и продуктов металлургии

Цель: научиться решать типовые задачи на титриметрический (объёмный) анализ

. Титриметрический (объёмный) метод анализа

            Титриметрический (объёмный) анализ в отношении скорости  выполнения даёт огромное преимущество по сравнению с гравиметрическим анализом. Вместо взвешивания продукта реакции при титриметрии  измеряют объём затрачиваемого на её  проведение раствора реагента, концентрация которого всегда точно известна. Поэтому количественное определение содержания вещества осуществляется путем точного измерения объёмов растворов двух веществ, вступающих между собой в реакцию.

 Требования к реакциям, применяемым в титриметрическом анализе

            Существенная особенность титриметрического анализа состоит в том, что при титровании употребляют не избыток реагента, а его количество, точно отвечающее уравнению реакции и химически эквивалентное количеству определяемого вещества (закон  эквивалентов).

            Поэтому при титровании необходимо точно установить момент эквивалентности, то есть определить точку эквивалентности. Следовательно, реакция, применяемая в объёмном анализе, должна иметь индикатор или индикаторный метод, позволяющий зафиксировать окончание титрования при эквивалентности реагирующих веществ.

            Вторым необходимым условием является количественное течение реакции до равновесия, характеризуемого соответствующей величиной константы равновесия реакции.

            В титриметрии можно применять только те реакции, которые протекают с достаточной скоростью.  Точно зафиксировать точку эквивалентности  для медленно протекающей реакции практически невозможно.

            Необходимо, чтобы прибавляемый титрованный раствор реактива расходовался исключительно на реакцию с определяемым веществом, то есть при титровании не должны протекать побочные реакции.

Классификация методов титриметрического анализа

            Метод титриметрии характеризуют по химической реакции, лежащей в основе определения веществ, и по способу титрования.

            В соответствии с этим титриметрические определения подразделяют на метод кислотно-основного титрования (нейтрализации), метод осаждения и комплексообразования, метод окисления-восстановления.

            По способу титрования различают следующие методы:

            1. Метод прямого титрования. Определяемый ион титруют раствором реагента или наоборот.

            2. Метод замещения. В случае трудности с фиксацией точки эквивалентности при прямом титровании, определяемый ион замещают строго эквивалентным количеством иона, титрующегося прямым титрованием без трудностей.

            3. Метод обратного титрования (титрование по остатку). Используется в случае отсутствия подходящего индикатора для фиксации точки эквивалентности при прямом титровании или когда прямая реакция протекает медленно.

            Каким бы методом не проводилось титрование, всегда требуется соблюдение условий:

            а) точное измерение одного или обоих реагирующих растворов;

            б) наличие титрованного раствора, при помощи которого проводят титрование до достижения точки эквивалентности;

            в) вычисление результатов анализа.

Таблица

Формулы расчета результатов количественных определений в титриметрии

Метод расчета	Способ титрования
	прямое	обратное (по остатку)
1.
2.
3.

где  - нормальная концентрация титранта,  ; - концентрация добавляемого с избытком реагента при обратном титровании, ; - объёмы титранта и реагента, соответственно, ; - молярная масса эквивалента определяемого вещества (, где  - молярная масса вещества ; - число эквивалентов), ; - объём мерной колбы, ; - объём раствора, взятый на титрование, аликвота, ; - навеска образца, взятого для анализа, ; - титр титранта по определяемому веществу, ; - титр реагента по вспомагательному веществу, .

            Важная величина в расчетах - молярная масса эквивалента вещества.

            Для определения молярной массы эквивалента кислоты: , где - молярная масса кислоты, ; - число ионов водорода кислоты, замещающихся на ионы металла или её основность.

            Для определения молярной массы эквивалента основания: ,

где  - молярная масса основания, ; - число гидроксильных групп основания или его кислотность.

            Для определения молярной массы эквивалента соли: , где - молярная масса соли, ; - число ионов металла в молекуле соли; - валентность металла.

            Для окислительно-восстановительных реакций: ,

где - молярная масса вещества, ; - число электронов вещества, участвующих в окислительно-восстановительном взаимодействии.

Решение типовых задач

Задача 1. Для  установления концентрации раствора взята навеска безводной соды. Навеска растворена в воде и объём раствора доведен до . На титрование  полученного раствора требуется  раствора кислоты. Вычислить нормальную концентрацию и титр соляной кислоты, а так же  титр раствора соляной кислоты по .

Решение.

В системе протекает реакция

.

Определим молярную массу эквивалента соды

.

Нормальная концентрация кислоты определяется по уравнению

.

Титр соляной кислоты ,

где .

Титр соляной кислоты по гидроксиду натрия равен

.

Задача 2. Навеску руды массой  растворили в соответствующем растворителе. На титрование ионов  было затрачено   раствора . Определить процентное содержание железа в растворе.

Решение.

При титровании анализируемого раствора  протекает реакция

 ;

;

.

Содержание железа в растворе определим по уравнению

.

Молярная масса эквивалента железа равна

.

Тогда                       .

Задача 3. Навеску руды массой  растворили в мерной колбе объёмом  . На титрование  раствора было затрачено   раствора . Определить процентное содержание в руде.

Решение.

При использовании метода аликвотирования содержание железа в процентах рассчитывается по уравнению

.

.

.

Задача 4. Для определения содержания кальция навеску шлака массой  растворили в   раствора . После окончания реакции избыток  оттитровали   раствором  . Определить содержание кальция в шлаке в процентах.

            Решение.

            В ходе анализа (метод обратного титрования) в растворе протекают реакции                      ;

                                     .

            При использовании метода обратного титрования  содержание кальция в процентах определяется по уравнению

.

 Задачи для контрольных работ, домашних заданий и самостоятельной работы

1.1. Сколько граммов  содержится в  раствора, если при действии на   её раствором получено  ?

1.2. Какие требования предъявляются к реакциям в объёмном анализе и почему?

2.1. Для установления титра раствора , полученного разбавлением концентрированной кислоты,  раствора  с титром  оттитровали   раствора серной кислоты. Зная, что реакция идет по уравнению

,

вычислить титр раствора .

2.2. Какие требования предъявляются к гравиметрической форме в гравиметрии?

3.1. Определить процентное содержание  в техническом препарате сульфата магния, если из навески  его получено  .

3.2. Какие условия необходимо соблюдать, чтобы та или иная реакция осаждения могла быть использована в титриметрическом анализе?

4.1. Определить содержание   в граммах в  раствора, если на титрование  этого раствора затрачено   раствора .

4.2. Описать алгоритм выполнения гравиметрического анализа.

5.1. При определении фосфора в чугунах и сталях навеску  растворяют в   и окисляют образовавшуюся  фосфористую кислоту до фосфорной. Фосфат-ион осаждают в виде . Отфильтровав осадок, его растворяют в аммиаке, после чего осаждают молибденовую кислоту в виде , по массе которого и вычисляют содержание фосфора. Вычислить фактор пересчета для этого определения.

5.2. Что такое индикаторная ошибка титрования? Перечислить типы индикаторных ошибок титрования.

6.1. Определить нормальность и титр раствора , если на титрование навески  , растворенной в произвольном объёме воды,  израсходовано  раствора щелочи.

6.2. Объясните, зачем при осаждении  раствор подкисляют, нагревают и энергично перемешивают?

7.1. Из навески бронзы массой  получено  . Определить массовую долю олова в сплаве.

7.2. В чем сущность титриметрии и её отличие от гравиметрии?

Тема 2.1. Фотометрический анализ качества материалов металлургического производства

Лабораторная  работа № 5. Определение концентрации  ионов меди в электролите латунирования дифференциально-фотометрическим методом.

Электролит латунирования содержит компоненты CuSO₄ и ZnSO₄ ионы меди определяют фотометрическим методом в виде аммиакатов, окрашивающих раствор в интенсивный сине-фиолетовый цвет. Ионы Zn, образующие с аммиакатом бесцветные комплексы, определению не мешают. Определение проводят в присутствии избытка NН₄. В этих условиях в растворе образуются комплексы меди Cu(NН₃)₄²⁺. Ввиду относительно большого содержания меди в образце определение выполняют методом дифференциальной фотометрии.

Реактивы и оборудование: сульфат меди CuSO₄∙5Н₂О, аммиак NН₃, раствор 5 % концентрации, Н₂SO₄ 1 М раствор (2н), колбы мерные (50 и 100 мл), бюретка (25 мл), пипетка 10 м, фотоэлектроколориметр.

Ход работы:1. Приготовление стандартных растворов меди и выбор светофильтра.Точную навеску CuSO₄∙ 5Н₂О массой около (0,78±0,04) г количественно переносят в мерную колбу вместимостью 100 мл, растворяют в 5 мл Н₂SO₄ и доводят раствор до метки дистиллированной водой (раствор 1). Из раствора 1 готовят 6 стандартных растворов, содержащих от 5-30 г меди в 50 мл. Для этого используя бюретку, в мерные колбы вместимостью 50 мл переносят от 2,5 до 15 мл раствора 1. Добавляют в каждую колбу по 2 мл раствора NН₄ и объём растворов доводят до метки дистиллированной водой. Оптическую плотность каждого раствора измеряют не ранее чем через 10 мин в кювете с толщиной слоя 2 см.

Первым фотометрируют раствор, имеющий наиболее интенсивную окраску, изменения его оптической плотности относительно воды в диапазоне длин волн 400-750 нм и строят кривую светопоглощения в координатах оптическая плотность-длина волны. Выбирают светофильтр, при котором наблюдается максимальное светопоглощение раствора. Этот светофильтр используется для дальнейшей работы.

2.Построение градуировочного графика.

С выбранным светофильтром (п.1) поочередно фотометрируют растворы аммиакатов меди, полученные по п.1, относительно стандартного раствора, содержащего 5 мг Cu в 50 мл. По результатам измерений строят график (относительная плотность-концентрация меди)

3.Анализ исследуемого раствора.

Анализируемый раствор, состоящий из смеси CuSO₄ и ZnSO₄ , помещают в мерную колбу, объемом 50 мл, добавляют 2 мл раствора NН₃, доводят до метки водой и через 10 минут фотометрируют при выбранном по п.1светофильтре относительно стандартного раствора меди, содержащего 5 мг Cu в 50 мл. Измерения повторяют несколько раз и, используя среднее значение оптической плотности меди по градуировочному графику находят концентрацию меди в пробе анализируемого раствора. Рассчитывают массу меди в анализируемом растворе, учитывая произведенные разбавления.

Таблица 1.

№	Сульфосалициловая к-та 10%	Железо(стандарт)	NH4OH – 10 %	T (%)	D
1	10 мл	2,5 мл	10 мл	26	0,57
2	10 мл	5 мл	10 мл	27	0,55
3	10 мл	7,5 мл	10 мл	28	0,54
4	10 мл	10 мл	10 мл	29	0,53
5	10 мл	12,5 мл	10 мл	31	0,51
6	10 мл	15 мл	10 мл	32	0,50
7	Х мл	10 мл	15 мл	30	0,52

Обработка результатов:

1. Найдем титр по меди  г/мл

2. Вычислим концентрации стандартных растворов T (%)
    Постойте График зависимости T от С 

C ∙10^-4 (г/мл)
D
Постойте График зависимости D от С 


C ∙10^-4 (г/мл)
Постойте График зависимости D от T
D
T (%)
Вывод: произвели необходимые расчеты, построили графики зависимостей и, используя метод градуировочного графика, количественно определили содержание меди в электролите.Также вычислили объем анализируемой пробы “X”:

. Учебно-методическое и информационное обеспечение:

а) основная литература

1.      Васильев В.П. Аналитическая химия. Кн.1,2. Титриметрический и гравиметрический методы анализа. Физико-химические методы анализа. - М., Дрофа, 2002.

2.      Васильев В.П., Морозова Р.П., Кочергина Л.А. Аналитическая химия. Лабораторный практикум. - М., Дрофа, 2004.

3.      Васильев В.П., Кочергина Л.А., Орлова Т.Д. Аналитическая химия. Сборник вопросов, упражнений и задач. - М., Дрофа, 2003.

4.      Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии. -М.:ИД «Альянс», 2007.

Интернет источники: http://www.uzluga.ru/potrd/%D0%9B%D0%B0%D0%B1%D0%BE%D1%80%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F+%D1%80%D0%B0%D0%B1%D0%BE%D1%82%D0%B0+%E2%84%962+%3A+%D0%9E%D0%BF%D1%80%D0%B5%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5+%D0%BC%D0%B5%D0%B4%D0%B8+%D0%B2+%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BB%D0%B8%D1%82%D0%B5+%D0%BB%D0%B0%D1%82%D1%83%D0%BD%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5+%D0%B4%D0%B8%D1%84%D1%84%D0%B5%D1%80%D0%B5%D0%BD%D1%86%D0%B8%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE-%D1%84%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%BC+%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4%D0%BE%D0%BCd/main.html

Практическое занятие № 5. Характеристика электрохимических методов  анализа.

Цель: Сформировать представления  об электрохимических методах анализа и их применении в современных клинических и медико-биологических исследованиях, а также принципах и механизмах   действия современной лабораторно-клинической аппаратуры, что является основой для изучения последующих дисциплин. Научиться применять учебный материал в будущей профессии врача.

 Сделайте запись в рабочей тетради по плану:

•  Дата

•  Номер занятия

•  Тема занятия

•  Основные вопросы  темы – это учебные вопросы занятия

•  Краткое описание порядка выполнения лабораторных работ.

Учебные вопросы занятия:

1. Общая характеристика электрохимических методов анализа.

1.1. Основные тенденции развития и использования электрохимических методов в количественном анализе и  медико-биологических исследованиях.

1.2. Основные понятия электрохимии: электрохимическая реакция, электрохимическая ячейка, электроды сравнения и электроды определения.

 1.3. Классификация электрохимических методов анализа.

2. Потенциометрия.

2.1.Сущность и аналитические возможности метода.

2.2. Прямая потенциометрия (ионометрия) и потенциометрическое титрование.

3. Кондуктометрия.

3.1.Электропроводность растворов. Измерение электропроводности растворов. Зависимость электропроводности от различных факторов.

 3.2.Сущность и аналитические возможности метода.

3.3.Прямая кондуктометрия и кондуктометрическое титрование.

4. Вольтамперометрические методы анализа.

4.1. Основные принципы вольтамперометрии. Аналитические возможности метода.

5. Как определить концентрацию раствора слабой кислоты и ее константы ионизации методом потенциометрического титрования.

Рекомендуемая литература:

Практическое занятие № 6.Решение типовых задач на фотометрический анализ

Цель. Научиться решать типовые задачи на фотометрический анализ.

Теоретические сведения. Фотометрический метод анализа

Фотометрический метод анализа основан на использовании основного оптического закона Бугера-Ламберта-Бера

                       ,                                              (3.1)

где  оптическая плотность (абсорбция) окрашенного раствора;  пропускание;  световой поток, падающий на раствор и прошедший через раствор, соответственно;  толщина поглощающего слоя раствора, ;  молярный коэффициент абсорбции (поглощения), ;  концентрация определяемого вещества, .

 Метод градуировочного графика

            В соответствии с законом Бугера-Ламберта-Бера график в координатах оптическая плотность – концентрация должен быть линеен и проходить через начало координат. Градуировочный график обычно строят  минимум по трем стандартным растворам. Измерив оптическую плотность анализируемого раствора, по градуировочному графику определяют концентрацию исследуемого вещества.

Метод молярного коэффициента поглощения

            Определяют абсорбцию нескольких стандартных растворов , для каждого из них рассчитывают молярный коэффициент абсорбции (поглощения)  и полученные значения усредняют. Затем измеряют оптическую плотность анализируемого раствора  и рассчитывают концентрацию определяемого вещества  по формуле

                                                    .                                                        (3.2)

 Массу определяемого вещества рассчитывают по формуле

                                                    ,                                                (3.3)

где  молярная масса определяемого вещества .

 Метод добавок

            Готовят два раствора, один из аликвоты определяемого вещества, второй – из аликвоты определяемого вещества с добавкой известной концентрации стандартного раствора . В обоих растворах создают одинаковые условия и фотометрируют в одинаковых кюветах при одной и той же длине волны. Концентрацию анализируемого раствора находят по уравнению

                                         ,                                                        (3.4)

где  и - концентрация анализируемого раствора и раствора с добавкой стандартного раствора, соответственно;  и  - оптическая плотность анализируемого раствора и анализируемого с добавкой стандартного раствора, соответственно.

Задача. При фотоколориметрическом определении Fe³⁺ с сульфосалициловой кислотой из стандартного раствора с содержанием железа 10 мг/см³ приготовили ряд разведений в мерных колбах вместимостью 100 см³, измерили оптическое поглощение и получили следующие данные:

V_ст, см³           1,0       2,0       3,0       4,0       5,0       6,0

А                     0,12     0,25     0,37     0,50     0,62     0,75

            Определите концентрацию Fе³⁺ в анализируемых растворах, если их оптическое поглощение равно 0,30 и 0,50.

Решение. Строим калибровочный график для стандартного раствора  и находим концентрацию при оптическом поглощении 0,30 и 0,50. Она равна 24 и 40 мг/100 см³соответственно.

Ответ:24,0 и 40,0 мг/100 см³.

Задача. После растворения 0,2500 г стали раствор разбавили до 100,0 мл. В три колбы вместимостью 50,0 мл поместили по 25,00 мл этого раствора и добавили: в первую колбу стандартный раствор, содержащий 0,50 мг Ti, растворы Н₂О₂ и Н₃РО₄, во вторую – растворы Н₂О₂ и Н₃РО₄, в третью – раствор Н₃РО₄ (нулевой раствор). Растворы разбавили до метки и фотометрировали два первых раствора относительно третьего. Получили значения оптической плотности: А_х+ст = 0,650,  А_х= 0,250.

            Рассчитать массовую долю (%) титана в стали.

Решение. Определяем концентрацию титана, добавленного со стандартным раствором: 

с_ст = 0,50 / 50,00 = 1,00 ^. 10^-2 мг/мл,

где 0,50 мг – масса добавленного титана; 50,00 мл – объем раствора.

            Вычисляем концентрацию титана по формуле

с_х = с_ст А_х / (А_х+ст – А_х); с_х = 1,00·10^-2 ·0,250 / (0,650 – 0,250) = 6,25·10^-3 мг/мл.

            Определяем массу титана во взятой навеске:

m = (6,25 ^. 10^-3 . 50,00 ^. 100,0) / 25,00 = 1,25 мг = 1,25 ^. 10 ^-3 г.

и рассчитываем его массовую долю (%):

w_Ti = ( 1,25 ^. 10^-3 . 100) / 0,2500 = 0,50%.

Ответ: Массовая доля титана в стали 0,50%.

http://www.chem-astu.ru/chair/study/PCMA/r1_1_2.htm

Задачи для самостоятельного решения:

Задача 1.При фотоколориметрическом определении Fe³⁺ с сульфосалициловой кислотой из стандартного раствора с содержанием железа 10 мг/см³ приготовили ряд разведений в мерных колбах вместимостью 100 см³, измерили оптическое поглощение и получили следующие данные:

V_ст, см³           1,0       2,0       3,0       4,0       5,0       6,0

А                     0,12     0,25     0,37     0,50     0,62     0,75

Определите концентрацию Fе³⁺ в анализируемых растворах, если их оптическое поглощение равно 0,30 и 0,50.

Задача 2. После растворения 0,2500 г стали раствор разбавили до 100,0 мл. В три колбы вместимостью 50,0 мл поместили по 25,00 мл этого раствора и добавили: в первую колбу стандартный раствор, содержащий 0,50 мг Ti, растворы Н₂О₂ и Н₃РО₄, во вторую – растворы Н₂О₂ и Н₃РО₄, в третью – раствор Н₃РО₄ (нулевой раствор). Растворы разбавили до метки и фотометрировали два первых раствора относительно третьего. Получили значения оптической плотности : А_х+ст = 0,650, А_х = 0,250.

Рассчитать массовую долю (%) титана в стали.

Тема 2.2.

Хроматографический анализ качества материалов металлургического производства

Практическое занятие  № 7. Разделение ионов железа и меди из смеси методом бумажной хроматографии.

Теоретические сведения

Для разделения и обнаружения катионов и анионов часто используют плоскостную (бумажную и тонкослойную) хроматографию.

В методе бумажной хроматографии разделение веществ происходит вследствие распределения их между водной фазой, содержащейся в целлюлозе, и любой другой подвижной фазой. В качестве подвижной фазы применяют органические растворители, воду или растворы электролитов. В неподвижной фазе вещество может удерживаться не только из-за растворения в воде, адсорбированной в бумаге, но и в результате адсорбции на бумаге.

Для оценки хроматографического поведения веществ используют величину Rf , которая равна отношению расстояния l, пройденного веществом от стартовой линии, к расстоянию L, пройденному растворителем.

 Rf = l/ L.

 Разделение веществ возможно, если Rf (I) - Rf(II)≥0,1.

Величина Rf зависит от природы вещества, состава подвижной фазы, типа бумаги, температуры, техники эксперимента. Значения Rf, полученные при определенных условиях, обычно приведены в таблицах.

Разделение и обнаружение катионов

Для разделения катионов наиболее часто используют восходящую бумажную хроматографию.

Этот метод целесообразно использовать для разделения и обнаружения катионов в следующих системах: 1. Ni(II), Co(II), Cu(II), Cd(II); 2. Ni(II), Mn(II), Pb(II), Zn(II); 3. Cr(III), Ni(II), Co(II), Zn(II); 4. Al(III), Mn(II), Pb(II), Bi(III); 5. Mn(II), Co(II), Cu(II), Cd(II); 6. Ni(II), Co(II), Pb(II0, Zn(II); 7. Al(III), Mn(II), Co(II), Bi(III); 8. Cr(III), Al(III), Cu(II), Bi(III).

Для определения положения каждого компонента на бумажной хроматограмме необходимо знать величины Rf.

Аппаратура.

Разделение проводят в закрытых камерах, так как необходимо избегать испарения растворителя с полоски бумаги. Можно использовать цилиндр с притертой крышкой, к которой с помощью крючка крепится полоска хроматографической бумаги шириной 2 см и длиной около 20 см. Систему растворителей (HCl – ацетон) заранее вносят в цилиндр для насыщения атмосферы камеры парами растворителя.

Нанесение образца на полоску хроматографической бумаги.

На расстоянии 2 см от края бумажной полоски карандашом проводят стартовую линию. В середину этой линию капилляром (прижимая его к бумаге) наносят каплю анализируемого раствора, диаметр пятна не должен превышать 5 мм. Нанесение образца повторяют 2-3 раза, предварительно подсушивая пятно над песочной баней.

Получение хроматограммы.

Полоску хроматографической бумаги с нанесенной каплей анализируемого раствора опускают вертикально в цилиндр так, чтобы ее конец был погружен в растворитель не более чем на 0,5 см. Пятно не должно погружаться в растворитель! Бумажная полоска не должна касаться стенок цилиндра. Время хроматографирования составляет 1,5-2 часа. Процесс прекращают после того, как растворитель пройдет от линии старта не менее 10 см. После этого бумажную полоску вынимают, отмечают положение фронта растворителя и тщательно высушивают полоску над электроплитой или песочной баней. Измеряют расстояние между стартовой линией и фронтом растворителя L. По табличным значениям Rf и экспериментально найденной величине L вычисляют l – высоту подъема зоны каждого катиона из заданной смеси.

Обнаружение катионов.

Большинство катионов образует неокрашенные зоны, поэтому для их обнаружения хроматограмму обрабатывают растворами органических и неорганических реагентов-проявителей (табл.1). http://www.chem.msu.su/rus/teaching/analyt/biophysik.pdf

Проявляют хроматограмму, прикасаясь капилляром с реагентом для обнаружения катиона только к участку бумажной полоски на рассчитанной высоте размещения зоны данного компонента. Появление характерной окраски подтверждает присутствие катиона в анализируемом растворе. Хроматограмму высушивают и вклеивают в рабочий журнал.

Цель: Приобрести навыки разделения смеси веществ с помощью тонкослойной и бумажной хроматографии.

Задание: Разделить смесь катионов меди (П) и железа (Ш) хроматографическим методом.

Оборудование и реактивы: Чашка Петри, химический стакан, стеклянные палочки,

капилляры, хроматографическая бумага. Р-р гксацианоферрата (П) калия(с=0,05 моль/л), насыщенный р-р сульфата меди (П) и нитрата железа (Ш).

Сущность работы: Для разделения смеси ионов меди(П) и железа (Ш) используется адсорбционная хроматография на бумаге. Различная скорость перемещения ионов обусловлена различием их адсорбционной способности. Разделенные хроматографические зоны обнаруживаются цветной реакцией с гексацианоферратом (П) калия.

Выполнение эксперимента:

1.Наносят разделяемую смесь катионов меди(П) и железа (Ш) на бумагу.

2. Проводят хроматографическое разделение.

3. Обнаруживают разделенные зоны.

4. Описывают полученную хроматограмму.

Рисунок:

Уравнения реакций:

4FeCl₃ + 3K₄[Fe(CN)₆ → Fe ₄[Fe(CN)₆]₃ + 12KCl

2CuSO₄ + K₄[Fe(CN)₆] →Cu₂[Fe(CN)₆ ] + 2K₂SO₄

Учтите: Зона, содержащая ионы Fe³⁺, окрашивается в интенсивно-синий цвет, зона, содержащая ионы Cu²⁺, окрашивается в коричневый цвет.

*В выводе указывают вид хроматографии по технике выполнения и доминирующему механизму.

Объясняют расположение окрашенных зон.

Вывод:

Опыт 2. Определение Fe(III) в пищевых продуктах методом бумажной хроматографии.

Из хроматографической или фильтровальной бумаги вырезают полоску шириной 6 и длиной 10 см. На расстоянии 1 см от нижнего края карандашом проводят тонкую линию (линия старта). На стартовую линию с помощью тонкого капилляра наносят исследуемый раствор так, чтобы диаметр пятна не превышал 5 мм. На эту же стартовую линию на расстоянии 2-3 см от этой капли наносят другим капилляров 0,05% раствор хлорида железа (III). Высушивают бумагу на воздухе.

Приготовленную таким образом полоску закрепляют с помощью двух соединенных резиновыми колечками стеклянных палочек и опускают в стакан со смесью растворителя (этанол и разбавленная соляная кислота в соотношении 1:4). Слой растворителя в стакане должен быть равным 1-1,5 см, глубина погружения полоски бумаги 2-3 мм. После поднятия растворителя на высоту 7-8 см полоску вынимают из стакана и карандашом отмечают линию подъема растворителя. Для обнаружения ионов Fe(III) бумага смачивают раствором гексацианоферрата (II) калия.

Вывод: Хроматограмму зарисовать. Сравнить форму, цвет и расстояние от линии старта для стандартного и исследуемого растворов, сделать вывод об идентичности ионов, сравнить концентрации растворов по иону Fe(III).

Практическое занятие №.8. Решение типовых задач по хроматографическому анализу.

Цель: Научиться решать типовые задачи по хроматографическому анализу.

Теоретические сведения.

Хроматография – физико-химический метод разделения смесей, основанный на сорбционном распределении компонентов между двумя фазами, одна из которых – подвижная фаза (газ или жидкость) – перемещается относительно другой – неподвижной фазы (сорбента). Смесь веществ, отличающихся разной сорбируемой способностью, разделяется на отдельные компоненты в процессе движения по слою сорбента.

Хроматографические методы различаются по следующим признакам:

по агрегатному состоянию системы, в которой проводится разделение смеси на компоненты, – газовая, жидкостная и газожидкостная хроматография;

по механизму разделения – адсорбционная, распределительная, ионообменная, осадочная, окислительно-восстановительная хроматография;

по форме проведения процесса – колоночная, плоскостная (бумажная и тонкослойная), капиллярная хроматография.

Ионообменная хроматография

Ионообменная хроматография – это разновидность хроматографических методов анализа, основанная на обратимом эквивалентном обмене ионов, содержащихся в анализируемом растворе, на подвижные ионы, входящие в состав ионитов. Синтетические иониты (ионообменники) представляют собой нерастворимые в воде и органических средах высокомолекулярные полиэлектролиты сетчатого строения, имеющие в своем составе функциональные группы кислотного (-SO₃, -COO, -PO₃ и др.) или основного (=NH, –NH₂, º N и др.) характера.

Важными характеристиками ионитов являются набухаемость, селективность, обменная емкость. Обменная емкость ионитов является количественной мерой способности ионита поглощать ионы. Численно обменную емкость выражают количеством поглощенных миллимоль эквивалентов ионов 1 г сухой смолы в H⁺ – форме для катионита и в Cl^– – форме для анионита.

 Решение типовых задач.

Задача 1. Определить массовую долю (%) компонентов газовой смеси по следующим данным:

Компонент:      Пропан        Бутан        Пентан        Циклогексан

S, мм²                  175               203             182                     35

k                          0,68              0,68            0,69                   0,85

Решение: Расчеты проводим по методу внутренней нормализации, согласно которому:

ω_i = S_i ^. k_i / S S_i ^. k_i ^. 100% ,

где ω_i – массовая доля i-го компонента в смеси, %; S_i – площадь пика i-го компонента; k_i – поправочный коэффициент, определяемый чувствительностью детектора к i-му компоненту.

            Найдем приведенную суммарную площадь пиков:

S S_i ^. k_i  = 175 ^. 0,68 + 203 ^. 0,68 + 182 ^. 0,69 + 35 ^. 0,85 = 412,4.

Отсюда массовая доля (%) пропана равна

ω(пропана) = (175 ^. 0,68 / 412,4 ) ^. 100% = 28,6%.

Ответ: Массовая доля  пропана 28,6%.

            Аналогично находим массовые доли ω (%) остальных компонентов смеси: ω(бутана) = 33,46%, ω(пентана) = 30,46%, ω(циклогексана) = 7,22%.

            При выполнении анализа по методу внутреннего стандарта расчет проводят по формуле

ω_i = ( S_i ^. k_i ) / ( S_ст ^.  k_ст ) ^. R ^. 100%,

где S_ст – площадь пика вещества, введенного в качестве внутреннего стандарта; k_ст – его поправочный коэффициент; R – отношение массы внутреннего стандарта к массе анализируемой пробы.

Задача 2. Реакционную массу после нитрования толуола проанализировали методом газожидкостной хроматографии с применением этилбензола в качестве внутреннего стандарта. Определить процент непрореагировавшего толуола по следующим экспериментальным данным:

Взято толуола, г                                         12,7500

Внесено этилбензола, г                              1,2530

S_{толуола}, мм²                                                   307

k_{толуола}                                                           1,01

S_{этилбензола,} мм²                                              352

k_{этилбензола}                                                      1,02

Решение: Расчет проводят по методу внутреннего стандарта, используя формулу:

ω_i = ( S_i ^. k_i ) / ( S_ст ^.  k_ст ) ^. R ^. 100%,

Подставляем данные задачи в эту формулу:

ω_i = (307 ^. 1,01) / (352^. 1,02 ) ^. (1,2530 / 12,75 ) ^. 100 = 8,49%

Ответ: 8,49%.

Задача 3: Для хроматографического определения никеля на бумаге, пропитанной раствором диметилглиоксима, приготовили три стандартных раствора. Для этого навеску 0,2480 NiCl₂ ^. 6Н₂О растворили в мерной колбе на 50 мл. Затем из этой колбы взяли 5,0; 10,0 и 20,0 мл и разбавили в колбах на 50 мл. Исследуемый раствор также разбавили в мерной колбе на 50 мл.

            Постройте калибровочный график в координатах h – C_Ni и определите содержание никеля (мг)  в исследуемом растворе, если высота пиков стандартных растворов равнa h₁ = 25,5; h₂ =37,5; h₃ = 61,3, а высота пика исследуемого раствора равна h_x = 49,0 мм.

Решение: Находим массу никеля в навеске NiCl₂^.6Н₂О, учитывая, что М(NiCl₂^.6Н₂О) и М(Ni) – молярные массы NiCl₂^.6Н₂О и Ni соответственно равны238 г/моль  и 59 г/моль. Тогда масса никеля в исследуемой навеске NiCl₂^.6Н₂О составит:

m_Ni = (59 ^.  0,248) / 238 = 0,0615 г

0,0615г – 50 мл содержание никеля в первой колбе 0,00615 г/50мл

Х г - 5 мл

0,0615г – 50 мл содержание никеля во второй колбе 0,0123 г/50мл

Хг - 10 мл

0,0615 - 50 мл содержание никеля в третьей колбе 0,0246 г/50 мл

Хг - 20 мл

            На основании проведенных расчетов строим график в координатах: h, мм – содержание никеля (С, г/50 мл). На график наносим высоту пика исследуемого раствора h=49 мм и находим содержание никеля в исследуемом растворе С = 18,45 мг/50мл.

Ответ: 18,45 мг.

Задачи для самостоятельного решения.

Задача №1. Через колонку с катионитом в Н⁺ – форме пропустили 20.00 мл раствора KCl. Элюат оттитровали 15.00 мл 0.1 М раствора NaOH. Определить содержание KCl в анализируемом растворе.

Задача №2. Какая масса Со(2+) останется в растворе, если через колонку, заполненную 5 г катионита в Н⁺ – форме, пропустили 200.0 мл 0.1 н раствора CoCl₂. Полная динамическая емкость катионита равна 1.60 мэкв/г.

Задача №3. Для определения полной динамической емкости (ПДОЕ) катионита через колонку с 5 г катионита в Н⁺ – форме пропустили 350.0 мл 0.05 н раствора CaCl₂. При определении Са(2+) в элюате в порциях по 50.00 мл были получены следующие значения концентраций: 0.0030; 0.0080; 0.0150; 0.0250; 0.0400; 0.0500 и 0.0500 моль экв/л. Определить ПДОЕ катионита по кальцию.

Практическое занятие №. 9. Проведение спектрального анализа сырья и продуктов металлургии  с помощью спектрографа

Определение примесных элементов в стали марки 38 хмюа по х комплекту со

Цель работы: ознакомление с методом трех эталонов, определение содержания молибдена, марганца, хрома, алюминия и никеля в стали.

Необходимые приборы и материалы: 1. Кварцевый спектрограф ИСП-30. 2. Источник возбуждения спектра – генератор ИВС-2З или генераторы ДГ-2, ИГ-3. 3. Секундомер. 4. Х комплект эталонов (получают у руководителя занятий). 5. Микрофотометр МФ-2. 6. Угольные электроды, заточенные на усеченный конус с площадкой 1,5…2 мм. 7. Фотопластинки спектральные тип I.

Выполнение работы

Источник возбуждения спектра – генератор ДГ-2, ИВС-2З или ИГ-3, включенный по сложной схеме. Емкость конденсатора 0,01 мкФ, индуктивность 0,15 мкГн, сила тока 3…3,5 А. Устанавливают ширину щели прибора 0,015 мм. Источник света устанавливается с трехлинзовой конденсорной системой на стандартном расстоянии от щели прибора. Промежуточная диафрагма круглая. Рабочий искровой промежуток между электродами 2,5 мм. Обыскривание производят (при закрытой щели прибора) 15 с. Время фотографирования спектра 40 с.

Аналитические пары линий, нм (искровой спектр)

Мn 293,306 – Fе 293,690;

Ni 341,394 – Fе 341,313;

Si 251,612 – Fе 251,810;

Мо 277,540 – Fе 277,058;

Сr 283,047 – Fе 282,328;

Al 308,216 – Fе 308,374.

При анализе в дуге переменного тока ширина щели спектрографа 0,015 мм. Источник света устанавливается с трехлин- зовой конденсорной системой на стандартном расстоянии, промежуточная диафрагма высотой 5 мм. Источник возбуждения спектра – генератор ДГ-2, сила тока 3…4 А, дуговой промежуток 1,5 мм. Предварительный обжиг 10 с, продолжительность фотографирования 5…10 с, в зависимости от чувствительности фотопластинки.

Аналитические пары линий, нм (дуговой спектр)

Мn 259,373 – Fе 259,154;

Мо 317,035 – Ее 320,540;

Si 250,690 – Fе 250,790; Ni 341,394 – Fе 339,934;

Сr 267,716 – Fе 268,921; Al 308,216 – Fе 308,374.

Форма отчета. Должны быть представлены: 1) название и цель работы; 2) результаты фотометрирования; 3) результаты анализа; 4) рабочий градуировочный график

Источники:

1. http://www.chem-astu.ru/chair/study/PCMA/r3_1.htm

2. http://www.tstu.ru/book/elib/pdf/2007/k_Barsukov2.pdf

Приложение 1

ПРИЛОЖЕНИЕ

Таблица 1 - Важнейшие кислотно-основные индикаторы

№ п/п	Индикатор	Интервал перехода рН и окраска индикатора
1	Пикриновая кислота	0,0 – 1,3 бесцветная – желтая
2	Метиловый зеленый	0,1 – 2,0 желтая – зелено-голубая
3	Метиловый фиолетовый, 2-й переход	1,0 – 1,5 зеленая - синяя
4	Тимоловый синий (тимолсульфофталеин), 1-й переход	1,2 – 2,8 красная - желтая
5	Метиловый оранжевый	3,1 – 4,4 красная – оранжево-желтая
6	Бромфеноловый синий (тетрабромфенолсульфофталеин)	3,0 – 4,8 желтая – пурпурная
7	Ализариновый красный С (ализарин)	3,7 – 5,2 желтая - фиолетовая
8	Бромкрезоловый синий (бромкрезоловый зеленый)	3,9 – 5,4 желтая – синяя
9	Метиловый красный	4,4 – 6,2 красная – желтая
10	Бромфеноловый красный (дибромфенолсульфофталеин)	5,0 – 6,8 желтая – красная
11	п-Нитрофенол	5,6 – 7,6 бесцветная – желтая
12	Бромтимоловый синий (дибромтимолсульфо­фталеин)	6,0 – 7,6 желтая – синяя

Продолжение таблицы 1

№ п/п	Индикатор	Интервал перехода рН и окраска индикатора
13	Феноловый красный (фенолсульфо­фталеин)	6,8 – 8,2 желтая – красная
14	Тропеолин 000	7,6 – 8,9 желто-зеленая – розовая
15	Ксиленоловый синий, 2-й переход	8,0 – 9,6 желтая - синяя
16	Фенолфталеин	8,2 – 9,8 бесцветная – пурпурная
17	Тимолфталеин	9,3 – 10,5 бесцветная – синяя
18	Ализариновый красный С, 2-й переход	10,0 – 12,0 фиолетовая – бледно-желтая
19	Индигокармин (индигосульфонат натрия)	11,6 - 14,0 синяя - желтая

Приложение 2

Таблица 2 - Важнейшие окислительно-восстановительные индикаторы

Индикатор	Соединение	Eo, B	Окраска
			Окисленной формы	Восстановленной формы
2,2'‑Дипиридил (комплекс с рутением)		+1,33	Нет	Желтая
Нитро-о‑фенантролин, комплекс сFe2+  (нитроферроин)		+1,25	Бледно-голубая	Красная
1,10‑Фенантролин, комплекс с Fe2+(ферроин)		+1,06	Бледно-голубая	Красная
N‑Фенилантраниловая кислота (2‑дифениламинкарбоновая кислота)		+1,00	Фиолетово-красная	Нет
5,6‑Диметил-1,10‑фенантролин (комп­лекс с Fe2+)		+0,97	Желто-зеленая	Красная
Дифенил­аминсуль­фонат натрия		+0,84	Синяя	Нет
3,3'‑Диме­токсибензидин (о‑Дианизидин)		+0,78	Красная	Нет
Дифениламин		+0,76	Фиолетовая	Нет
Дифенилбензидин		+0,76	Фиолетовая	Нет
п-Этокси­хризоидин		+0,76	Бледно-желтая	Красная
Вариами­новый синий		+0,71	Фиолетовая	Нет

Приложение 3

Таблица 3 -  Произведения растворимости некоторых малорастворимых веществ
  

Формула вещества	ПР	Формула вещества	ПР
AgBr	5,3·10-13	Cd(OH)2	2,2·10-14
AgI	8,3·10-17	Cu(OH)2	5,0·10-20
Ag2CrO4	1,1·10-12	CaF2	4,0·10-11
AgCl	1,8·10-10	CaC2O4	2,3·10-9
BaSO4	1,1·10-10	CaSO4	2,4·10-5
BaC2O4	1,1·10-7	Li3PO4	3,2·10-9
СaCrO4	7,1·10-4	MgC2O4	8,6·10-5
CaCO3	3,8·10-9	MgCO3	2,1·10-5
Ca3(PO4)2	10-29	MgNH4PO4	2,5·10-13
CuBr	5,25·10-9	Mg3(PO4)2	1·10-13
CuCO3	2,5·10-10	Na2SiF6	2,8·10-4
CuCl	1,2·10-6	Ni(C4H7O2N2)2	2,3·10-25
CuI	1,1·10-12	NiCO3	1,3·10-7
CuS	6,3·10-36	Ni2P2O7	1,7·10-13
Cu2S	2,5·10-48	PbBr2	9,1·10-6
FeCO3	2,5·10-11	PbCO3	7,5·10-14
Fe(OH)3(cвежеосажд.)	6,3·10-38	PbC2O4	4,8·10-10
Fe(OH)3 (после стар.)	6,3·10-39	PbCl2	1,6·10-5
FeS	5·10-18	PbCrO4	1,8·10-14
Hg2Cl2	1,3·10-18	PbI2	1,1·10-9
Hg2I2	4,5·10-29	Pb3(PO4)2	7,9·10-43
HgS	1,6·10-52	PbS	2,5·10-27
Hg2S	1·10-47	PbSO4	1,6·10-8
KBF4	2·10-3	Sn(OH)4	1·10-57
KClO4	1,1·10-2	SnS	2,5·10-27
KIO4	8,3·10-4	SrSO4	3,2·10-7
K(C6H5)4B	2,25·10-8

Приложение 4

СЛОВАРЬ ХИМИЧЕСКИХ ТЕРМИНОВ

http://www.chem-astu.ru/chair/study/anchem/

Аналитическая химия  рассматривает принципы и методы изучения химического состава вещества. Включает качественный и количественный анализ. Задача первого из них – обнаружение компонентов анализируемого образца и идентификация соединений, второго – определение концентрации или массы компонентов. Для определения компонентов используют химические, физико-химические и физические методы анализа. Практически все эти методы основаны на зависимости каких-либо доступных измерению свойств веществ от их состава. При этом необходимо найти уравнение связи между свойством и составом, разработать способы регистрации количественных характеристик свойства (аналитических сигналов), устранить помехи со стороны других компонентов. Величину аналитического сигнала переводят в единицы, характеризующие количество или концентрацию компонента. Измеряемыми величинами могут быть масса, объем, светопоглощение, сила электрического тока и т.д. Методы химического анализа применяются для контроля многих технологических процессов, главным образом в химической, нефтехимической, металлургической, фармацевтической и пищевой промышленности. Достижения аналитической химии используются в различных отраслях науки и техники.

Гравиметрия (устаревшее название - весовой анализ). Совокупность методов количественного анализа, основанных на измерении массы веществ. При прямой гравиметрии (используется наиболее широко) устанавливают массу определяемого компонента или продукта его химического превращения, при обратной - изменение массы вещества в результате химической реакции или физического процесса с участием определяемого компонента. В первом случае определяемый компонент обычно выделяют из раствора в виде элемента или в виде труднорастворимого соединения (форма осаждения). Затем последние превращают в так называемую гравиметрическую форму – устойчивое соединение определенного состава, массу которого измеряют. Например, при определении Ca²⁺ форма осаждения - CaC₂O₄, гравиметрическая форма – СаО. Форму осаждения выделяют с помощью электролиза (электрогравиметрия) или реагента-осадителя, отделяют фильтрованием, декантацией, центрифугированием и др., отмывают от следов сорбированных на ней компонентов раствора; часто осадок растворяют и переосаждают. Сорбция сопутствующих компонентов и их осаждение зависят от состава раствора, химических свойств осаждаемого соединения и этих компонентов, формы и структуры осадка (аморфная, мелко- или крупнокристаллическая). Осадок обычно превращают в гравиметрическую форму сушкой или прокаливанием.

    Прямую гравиметрию используют также для анализа гетерогенных систем с отделением определяемой фазы фильтрованием, центрифугированием и т.п. При анализе газов определяемый компонент поглощают сорбентом и измеряют прирост массы. Например, при определении углерода в органических веществах после их сжигания выделившийся СО₂ сорбируют асбестом, пропитанным расплавленным NaOH.

    Относительная погрешность измерения массы в прямой гравиметрии может достигать 0,01…0,1%. Однако при этом необходимо вносить поправку на растворимость формы осаждения, обеспечивать ее селективное выделение, предупреждать соосаждение других компонентов раствора и их сорбцию на поверхности формы осаждения, обеспечивать количественный переход формы осаждения в гравиметрическую и т.п. Поэтому точный анализ методами прямой гравиметрии сравнительно трудоемок. Методы гравиметрии постепенно заменяют методами титриметрии, кулонометрии, атомно-абсорбционного анализа, рентгеноспектрального анализа и др.

    Примеры косвенной гравиметрии – определение гигроскопичности (воды) по убыли массы анализируемого вещества в результате его высушивания при 150˚С (метод отгонки), определение СО₂ в карбонатах по изменению массы в результате их взаимодействия с кислотой, а также определение термически неустойчивых веществ методом термогравиметрии.

Кислотно-основные индикаторы. Вещества, способные изменять окраску или люминесценцию в зависимости от рН среды. Применяется для установления окончания реакции между кислотами и основаниями (гл. обр. при кислотно-основном титровании) или др. реакций, если в них участвуют ионы Н⁺. Равновесие в водном растворе кислотно-основных индикаторов можно представить в виде: In_a+H₂OIn_b+H₃O⁺, где  In_a и In_b- соответственно кислотная и основная формы, которые у цветного индикатора окрашены различно. Константа равновесия этого процесса называется константой индикатора К_In.

    Считают, что цвет одной формы индикатора заметен, если ее концентрация в 10 раз превышает концентрацию другой формы, т.е. интервал перехода окраски практически соответствует изменению отношения In_a/In_b=K_In/[Н₃О⁺] от 0,1 до 10, или области рН=рК_In±1. Значение рН, при котором переход окраски наиболее отчетлив, называется показателем титрования (рТ=рК_In). На изменение окраски индикатора влияют также его концентрация, концентрация раствореннго СО₂, присутствие посторонних нейтральных электролитов, природа растворителя, наличие коллоидных частиц (в том числе белковых), температура и т.д.

В качестве кислотно-основных индикаторов используются главным образом органические соединения, а также некоторые неорганические, например, гидроксид и соли алюминия, соли цинка и серебра, экстракты растений (красный и синий капустный сок и др.). Из хемилюминесцентных кислотно-основных индикаторов чаще всего применяю лофин (люминесцирует при рН 8,9-9,4 в присутствии K₃[Fe(CN)₆]), люминол и люцигенин. При титровании разбавленных растворов необходим индикатор с узким интервалом перехода окраски (до 0,2 единицы рН). Для этого используют смешанные индикаторы, которые представляют собой композиции из индикатора и нечувствительного к изменению рН красителя, цвет которого дополняет окраску одной из форм индикатора, или из двух кислотно-основных с близкими значениями рК_In; эти смеси имеют дополнительную окраску при промежуточном значении рН (например, смесь тимолового синего с фенолфталеином; рТ 9,0). Разновидность смешанных индикаторов – универсальные индикаторы – смеси нескольких веществ, которые изменяют цвета в широких пределах изменения рН (иногда от 1 до 14).

Особая группа – кислотно-основные индикаторы, применяемые для установления конечной точки титрования в неводных средах. Например, при титровании слабых органических оснований в среде ледяной СН₃СООН применяют тимоловый синий, при титровании слабых карбоновых кислот в ДМФА – о-нитроанилин. Для определения органических кислот и оснований в смеси воды и несмешивающегося с ней растворителя применяют так называемые амфи-индикаторы, которые представляют собой соли кислот, служащих кислотно-основными индикаторами (например, тропеолин ОО, ализарин С, метиловый оранжевый, бромфеноловый синий), с различными органическими основаниями (алкалоидами, спартеином, атропином, эфедрином, хинином, кодеином, пилокарпином и др.). Эти индикаторы хорошо растворяются в органических растворителях, плохо – в воде; отличаются высокой чувствительностью.

Титриметрия (объемный анализ). Совокупность методов количественного анализа, основанных на измерении количества реагента, необходимого для взаимодействия с определяемым компонентом в растворе или газовой фазе. Раствор или газовую смесь с точно известной концентрацией реагента (титрант) постепенно добавляют к анализируемой смеси, причем объем (или массу) вводимого титранта контролируют. Эта операция называется титрованием. Кривая титрования представляет собой зависимость какого-либо физического свойства раствора или газовой смеси (окислительно-восстановительного потенциала, электрической проводимости и др.) от объема или массы титранта.

Для вычисления массы определяемого компонента необходимо зафиксировать точку эквивалентности, т.е. момент титрования, когда объем (масса) титранта эквивалентен количеству определяемого компонента в соответствии со стехиометрией реакции между ними при условии, что эта реакция практически необратима. По изменению окраски титруемого раствора (в который обычно добавляют индикаторы), по излому или скачку на кривой титрования экспериментально устанавливают конечную точку титрования, которая достаточно мало отличается от точки эквивалентности. Если реакция между определяемым компонентом и вводимым реагентом недостаточно быстра, используется метод обратного титрования. При этом к анализируемой смеси добавляют точно известное количество реагента, избыток которого определяют с помощью подходящего титранта.

По типу реакции при титровании различают окислительно-восстановительное титрование, титрование по методу осаждения, комплексообразования и др.; по способу индикации конечной точки – потенциометрическое титрование, фотометрическое титрование, кондуктометрическое титрование, амперометрическое титрование и др. В зависимости от того, раствор какого реагента применяется в качестве титранта, различают перманганатометрию, иодометрию, комплексонометрию и т.д.

Титрование проводят с помощью объемных и весовых бюреток или на специальных титраторах с автоматической регистрацией кривой титрования или автоматической остановкой титрования в конечной точке. Селективность анализа зависит от титранта и способа индикации конечной точки, а также от характера предварительной обработки анализируемой смеси реагентами. Титриметрический анализ отличается малой трудоемкостью, простотой аппаратурного оформления и довольно высокой точностью (относительная погрешность обычно не превышает десятых долей процента).

Окислительно-восстановительное титрование. Метод титриметрического определения вещества, основанный на его окислительно-восстановительной реакции с титрантом:

аОх₁ + bRed₂ + cA₁ + dB₁ +… = αRed₁ + βOx₂ + γA₂ + δB₂ +…,

где Ох₁ и Ох₂ – окисленные формы соответствующего титранта и определяемого вещества; Red₁ и Red₂ – их восстановленные формы; А₁, В₁, А₂, В₂ – неокисляющиеся и невосстанавливающиеся вещества, участвующие в окислительно-восстановительной реакции или образующиеся в результате этой реакции; а, b, с, …, α, β, γ, δ,… - стехиометрические коэффициенты. Если реакция происходит в прямом направлении, титрант действует как окислитель, если в обратном – как восстановитель. Для выяснения возможного направления процесса его представляют в виде суммы двух электродных процессов (полуреакций):

aOx₁ + ne + cA₁ +…= αRed₁ + γA₂ +…,

βOx₂ + ne + δB₂ +…= bRed₂ + dB₁+…

Эти полуреакции характеризуются соответствующими окислительно-восстановительными потенциалами

E₁=E₁^o+ln

E₂=E₂^o+ln

где E₁^o и E₂^o - стандартные потенциалы пар Ох₁/Red₁ и Ох₂/Red₂ в данной системе, n-число электронов, участвующих в полуреакциях, F-число Фарадея, R – универсальная газовая постоянная. Окислительно-восстановительная реакция протекает в прямом направлении, если Е₁>Е₂, и в обратном направлении, если Е₂>Е₁. Титрование эффективно, если при этом отношение [Red₂]/[Ox₂] в случае титрования окислителем или обратное отношение в случае титрования восстановителем мало. Для этого подбирают титрант, обеспечивающий достаточно большое значение |E₁^o-E₂^o|, увеличивают концентрацию А₁ или А₂, например ионов Н⁺ при окислительно-восстановительном титровании восстановителей солями ванадиевой, марганцевой или других кислородосодержащих кислот. В соответствии с тем, какое вещество служит титрантом, различают перманганатометрию, иодометрию, иодатометрию, дихроматометрию, феррометрию, тиосульфатометрию и др. Формально к окислительно-восстановительному можно отнести и кулонометрическое титрование, в котором роль титранта выполняет электрический ток.

Конечную точку титрования устанавливают потенциометрически, с помощью окислительно-восстановительных индикаторов, по появлению или исчезновению окраски титранта, титруемого вещества или их соединений с реагентами (например, иода с крахмалом). Для прямого титрования окислительно-восстановительная реакция должна быть быстрой. Если она медленная, применяется обратное титрование.

Окислительно-восстановительные индикаторы. Вещества, способные изменять окраску в зависимости от окислительно-восстановительного потенциала раствора. Применяются для установления конечной точки окислительно-восстановительного титрования и для колориметрического определения окислительно-восстановительного потенциала (преимущественно в биологии). Такими индикаторами служат, как правило, вещества, которые сами подвергаются окислению или восстановлению, причем окисленная (In_Ox) и восстановленная (In_Red) формы имеют разные окраски.

Для обратимых окислительно-восстановительных индикаторов можно записать полуреакцию

In_Ox + ne  In_Red,

где n– число электронов.

При потенциале Е отношение концентраций обеих форм индикатора определяется урвнением Нернста:

,

где E^о_In – стандартный потенциал индикатора. (В статьях о конкретных окислительно-восстановительных индикаторах приводятся значения Е⁰_In при [H⁺]=1М и температуре 25^оС.) Интервал перехода окраски практически соответствует изменению отношения  [In_Ox]/[In_Red] от 0,1 до 10, что при 25^oС соответствует Δ (В). Некоторые окислительно-восстановительные индикаторы изменяют окраску необратимо, например разрушаются при окислении с образованием бесцветных продуктов, как индиго (под действием гипохлоритов), нафталовый сине-черный (в броматометрии).

При титровании сильными окислителями (K₂Cr₂O₇, KMnO₄) применяются индикаторы, имеющие сравнительно высокие Е^o_In, например дифениламин и его производные; при титровании сильными восстановителями [солями Ti(III), V(II) и т.д.] применяются индикаторы с относительно низкими Е^o, например сафранин, метиленовый синий. В качестве окислительно-восстановительных индикаторов используют также вещества, специфически взаимодействующие с одной из форм окислительно-восстановительной пары с изменением окраски, например крахмал – индикатор наI₂, а роданид-ионы – на Fe³⁺.