Раздел 3. Химические методы анализа

Тема 3.1. Гравиметрический (весовой) анализ

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О РАСЧЕТАХ В ГРАВИМЕТРИЧЕСКОМ АНАЛИЗЕ

Результат гравиметрического анализа рассчитывают по формуле , где х – масса определяемого вещества; m – масса гравиметрической формы; М(х) и М(г.ф.) – соответственно молярные массы определяемого вещества и гравиметрической формы (г/моль). Отношение М(х)/М(г.ф.) = F называют гравиметрическим фактором (гравиметрическим множителем) или фактором пересчета. Следовательно,

При вычислении гравиметрического фактора необходимо учитывать стехиометрические коэффициенты в химических формулах определяемого вещества и гравиметрической формы, чтобы число атомов определяемого компонента в числителе и знаменателе дроби было одинаковым: .

Например, если определяемым веществом является Fe₃O₄, а гравиметрической формой Fe₂O₃, гравиметрический фактор будет равен .

Числовые значения факторов пересчета для большинства практически важных определений рассчитаны с высокой точностью и приведены в справочниках.

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Пример 1. Масса навески известняка m(СаСО3) равна 0,5015г. Анализом установлено содержание оксида кальция m(СаО), равное 0,3248г. Рассчитать %-ное содержание СаО и Са в известняке.

Решение. а) Содержание в известняке СаО (в %) рассчитаем из соотношения X (СаО) = m(СаО) · 100%/m(СаСО3) = 0,3248 · 100%/0,5015 = 64,77% б) Определим массу Са в СаО, используя молекулярные массы этих веществ М(Са) = 40,08; М(СаО) = 56,08; М(Са) - М(Са) · т(Са) /М(СаО) = 40,08 · 0,3248/56,08 = 0,2321г. в) Рассчитаем %-ное содержание Са в известняке X (Са) = m(Са) · 100%/m(СаСО3) = 0,2321 · 100%/0,5015 = 46,29%

Пример 2. При анализе сплава получено 0,5008г. Al2O3. Определить массу алюминия в Al2O3.

Решение. Для вычисления массы А1 в Al2O3 используем молекулярные массы этих веществ М(А1) = 23,96; М(А12О3) = 101,96 т(А1) = 2М(А1) · т(А12О3) /М(А12О3) = 2 · 23,96 · 0,5008/101,96 = 0,2651

В гравиметрическом анализе часто используется химический или аналитический множитель (фактор пересчета) F, показывающий, сколько граммов определяемого вещества содержится в г осадка. Фактор пересчета рассчитывают из отношения атомной или молекулярной массы определяемого вещества к молекулярной массе вещества, находящегося в осадке.

Пример 3. Вычислить фактор пересчета для определения Ва в виде BaSO4.

Решение. FBa/BaSO4 = A(Ba) /M(BaSO4) = 137,33/233,39 = 0,5884

Пример 4. Вычислить фактор пересчета для определения А1 в А12О3.

Решение. Fa1/a1o3 =2А(А1)/М(А12О3) = 2 · 26,98/101,96 = 0,5292 При вычислении учитывается, что на одну молекулу А12Оз приходится два атома А1.

Практическое занятие №6. Выполнение расчетов при гравиметрическом анализе

Цель: научиться производить расчеты, необходимые для проведения гравиметрического анализа.

ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

Задача 1. При анализе сплава получено 0,4942 г AgCl. Определить массу серебра в AgCl.

Задача 2. Рассчитать фактор пересчета для определения Са в CaSO₄.

Контрольные вопросы.

1. Сущность гравиметрического анализа.

2. Основные стадии гравиметрического анализа.

3. Что называют фактором пересчета?

Лабораторная работа №5. Определение содержания карбоната кальция в его смеси с песком.

Работа выполняется на РМС «Стехиометрия» или УРМС.

Цель: определить массовую долю CaCO₃ в его смеси с песком.

Теория. Карбонат кальция, в отличие от песка, способен реагировать с соляной кислотой с выделением газа: CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + H₂O + CO₂↑ По массе выделившегося углекислого газа можно рассчитать массу карбоната кальция, содержащегося в смеси.

Оборудование. Весы, стакан на 100 мл, стакан на 50 мл, 2 кружка фильтровальной бумаги (~10 и 15 см).

Реактивы. Проба смеси CaCO₃ с песком (готовит преподаватель), HCl 4M.

Ход работы. В стакан на 100 мл отбирают навеску смеси CaCO₃ с песком (выдает преподаватель, навеска ~5 г). Для этого ставят стакан на весы, обнуляют тару и отсыпают в нее выданную преподавателем смесь. Значение навески записывают или вводят в соответствующую графу файла с отчетом. На весы также ставят стакан на 50 мл, в котором находится полутора-двухкратный избыток HCl 4М (объем раствора рассчитывают из предположения, что образец представляет собой 100% CaCO₃) и кладут фильтровальную бумагу. Записывают общую массу. Стакан на 100 мл прямо на весах ставят на большой кружок фильтровальной бумаги, переливают в нее соляную кислоту из стакана на 50 мл и прикрывают сверху маленьким кружком. Когда завершится реакция, снова записывают массу того, что находится на весах. По разности масс определяют массу выделившегося СО₂, а по ней – массу чистого CaCO₃, содержащегося в навеске.

Отчет. В отчете привести массу смеси карбоната с песком и соляной кислоты до начала реакции и по окончании реакции. Привести формулу для расчета массовой доли карбоната. В выводе дать массовую долю карбоната.

Контрольные вопросы.

1. Зачем в этом эксперименте нужна фильтровальная бумага?

2. Почему нельзя взвешивать только стакан, в который была насыпана исследуемая смесь?

Лабораторная работа №6. Определение выхода реакции превращения гидрокарбоната в карбонат.

Работа выполняется на РМС «Стехиометрия» или УРМС.

Цель: провести реакцию разложения гидрокарбоната натрия и определить выход процесса.

Теория. При нагревании гидрокарбонат натрия превращается в карбонат, причем образующиеся углекислый газ и вода улетучиваются:

2NaHCO₃ = Na₂CO₃ + H₂O↑ + CO₂↑

При проведении любого процесса часть вещества теряется. Поэтому любой процесс характеризуется выходом – отношением практически полученного количества вещества к теоретически рассчитанному.

Оборудование. Весы, газовая горелка, штатив с муфтой, кольцом и треугольником, чашка для выпаривания, 2 стакана на 100 мл.

Реактивы. NaHCO₃

Ход работы. В чашку для выпаривания отбирают 5-10 г гидрокарбоната натрия. Для этого ставят чашку на весы, обнуляют тару и насыпают в нее гидрокарбонат. Точную массу навески записывают. Чашку ставят в фарфоровый треугольник и 10-15 минут нагревают на газовой

горелке. Остужают и взвешивают. Нагревают еще 5 минут. Еще раз остужают и взвешивают. Если оба раза масса совпала — прекращают опыт. Иначе — нагревают и взвешивают еще раз, и так до тех пор, пока масса не станет постоянной.

Обработка результатов. По уравнению реакции рассчитывают теоретический выход карбоната натрия. Сравнивая его с практическим, определяют выход.

Отчет. В отчете следует привести исходную массу гидрокарбоната, массу полученного карбоната, рассчитать выход и предположить причины потери вещества.

Контрольные вопросы.

1. В каких случаях выход реакции может превысить 100%?

2. За счет чего выход может быть меньше 100%?

Лабораторная работа №7. Определение содержания гидрокарбоната натрия в смеси.

Работа выполняется на РМС «Стехиометрия» или УРМС.

Цель: Определить массовую долю гидрокарбоната натрия в смеси, которую выдаст преподаватель. Другие компоненты смеси при нагревании не изменяются.

Теория. При нагревании гидрокарбонат натрия превращается в карбонат, причем образующиеся углекислый газ и вода улетучиваются: 2NaHCO₃ = Na₂CO₃ + H₂O↑ + CO₂↑.

С другими компонентами при нагревании ничего не происходит. Поэтому по потере массы можно определить массу NaHCO₃ в смеси.

Оборудование. Весы, горелка, штатив с кольцом и фарфоровым треугольником, чашка для выпаривания, стеклянная палочка, ступка фарфоровая с пестиком.

Реактивы. Смесь гидрокарбоната натрия и песка (выдает преподаватель) – около 15 г.

Ход работы. В чашку для выпаривания отбирают навеску ~5 г смеси и записывают точную массу (не забыть обнулить тару!). На кольцо кладут фарфоровый треугольник, ставят на него чашку для выпаривания и нагревают на слабом огне газовой горелки (чтобы смесь не пылила), иногда перемешивая ее стеклянной палочкой. Нагревание прекращают, когда из смеси перестанут выделяться пары воды. После этого чашку остужают и взвешивают. Записывают массу. После взвешивания чашку нагревают еще некоторое время и процедуру взвешивания повторяют. И так до тех пор, пока массы при двух последовательных взвешиваниях не совпадут.

Процедуру проводят три раза, с тремя разными навесками (в трех повторностях).

Обработка результатов. По разности между начальной и конечной массой находят массу потерянной воды и углекислого газа. Из них находят массу гидрокарбоната натрия. Зная массу исходной навески, вычисляют массовую долю гидрокарбоната. Результаты, полученные в трех повторностях, усредняют.

Отчет. В отчете привести таблицу, в который указать исходную массу смеси, массу смеси после нагревания, массу гидрокарбоната натрия в исходной смеси, его массовую долю. В выводе привести среднее значение массовой доли, по возможности – с доверительным интервалом.

Контрольные вопросы.

1. Запишите определение массовой доли вещества в смеси.

2. Почему нельзя ставить чашку для выпаривания непосредственно на железное кольцо?

3. За счет чего полученный Вами результат может не совпадать с действительным?

4. Будут ли эти причины совпадать с причинами расхождения результатов в трех повторностях?

Лабораторная работа №8. Определение содержания воды в кристаллогидрате

Работа выполняется на РМС «Стехиометрия» или УРМС.

Цель: определить состав кристаллогидрата, то есть количество молекул воды, приходящееся на одну формульную единицу.

О борудование. Весы, горелка, штатив с кольцом и фарфоровым треугольником, чашка для выпаривания, стеклянная палочка, желательно – эксикатор.

Реактивы. Кристаллогидрат, содержание воды в котором предполагается определить (выдает преподаватель).

Ход работы. Закрепляют в штативе кольцо, кладут на него фарфоровый треугольник. Ставят на весы чашку для выпаривания и обнуляют тару. В чашку отбирают навеску ~10 г кристаллогидрата и записывают точную массу. После этого тару обнулять нежелательно.

Ч

Рис. Разложение кристаллогидрата.

1 – газовая горелка, 2 – регулятор расхода газа в горелке, 3 – кольцо, регулирующее приток воздуха в горелку, 4 – штатив, 5 – кольцо, 6 – фарфоровый треугольник, 7 – чашка для выпаривания

ашку для выпаривания с веществом ставят на фарфоровый треугольник и нагревают на газовой горелке (рис.), иногда перемешивая кристаллы стеклянной палочкой. Если кристаллы плавятся, нагревают их аккуратно, не допуская бурного кипения с разбрызгиванием. Нагревание прекращают, когда вещество в чашке для выпаривания закристаллизуется или все кристаллы равномерно изменят цвет. После этого чашку остужают (желательно в эксикаторе) и взвешивают. Записывают массу. После взвешивания чашку нагревают еще некоторое время и процедуру взвешивания повторяют. И так до тех пор, пока массы при двух последовательных взвешиваниях не совпадут.

Обработка результатов. По разности между начальной и конечной массой находят массу потерянной воды, а из нее, зная массу исходной навески – состав кристаллогидрата (сколько молекул воды приходится на одну формульную единицу).

Отчет. В отчете должно быть указание, состав какого кристаллогидрата необходимо было определить, приведены общие формулы для расчета. Должны быть указаны исходная навеска кристаллогидрата и его масса после прокаливания. В выводе дается формула кристаллогидрата с указанием количества молекул воды в одной формульной единице. Также следует отметить возможные причины расхождения найденного содержания воды с истинным.

Контрольные вопросы.

1. Почему нельзя ставить чашку для выпаривания непосредственно на железное кольцо?

2. Может ли число молекул воды, приходящееся на одну формульную единицу, быть не целым?

3. За счет чего определенное Вами число молекул воды может отличаться от реальности?