Analiza miareczkowa. Alkalimetryczne oznaczenie kwasu siarkowego (VI) H 2 SO 4 mianowanym roztworem wodorotlenku sodu NaOH

Transkrypt

1 ĆWICZENIE 8 Analiza miareczkowa. Alkalimetryczne oznaczenie kwasu siarkowego (VI) H 2 SO 4 mianowanym roztworem wodorotlenku sodu NaOH 1. Zakres materiału Pojęcia: miareczkowanie alkacymetryczne, krzywa miareczkowania, titrant, analit, miano roztworu, punkt końcowy i równoważnikowy, reakcje stechiometryczne, stężenie molowe, wskaźniki ph, obliczenia rachunkowe w analizie miareczkowej. Proponowane podręczniki: 1. J. Minczewski, Z. Marczenko, Chemia analityczna tom 2, Analiza ilościowa, wydanie V zmienione, PWN Warszawa A. Cygański Chemiczne metody analizy ilościowe,wydawnictwa Naukowo Techniczne, Lipiec UWAGA: Przed ćwiczeniami należy przeczytać całą instrukcję. W zeszycie laboratoryjnym należy przygotować plan pracy Wstęp Chemia analityczna jest działem chemii zajmującym się analizą jakościową, czyli stwierdzeniem jakie składniki (jony, atomy, cząsteczki chemiczne) znajdują się w badanym materiale (analit) oraz analizą ilościową, czyli stwierdzeniem, w jakiej ilości one w nim występują. W chemii analitycznej stosowane są metody chemiczne oraz metody instrumentalne. Metody chemiczne polegają na wzrokowym śledzeniu przebiegu reakcji chemicznych lub przemian fizycznych, w które selektywnie wchodzą składniki badanego materiału, przy użyciu odpowiedniego klasycznego wyposażenia laboratoryjnego (szkło laboratoryjne, wagi, zestawy do destylacji, kolumny chromatograficzne itp.) Metody chemiczne analizy ilościowej w zasadzie dzielą się na metody wagowe oraz metody miareczkowe. Metody wagowe polegają na oznaczeniu zawartości składników na podstawie masy nierozpuszczalnego osadu tego składnika strąconego z roztworu i odpowiednio wysuszonego lub wyprażonego. W metodach miareczkowych zawartość składnika oznaczanego oblicza się w oparciu o liczbę cm 3 tzw. titranta (roztworu mianowanego) dodawanego z biurety do roztworu oznaczanego składnika aż do punktu równoważnikowego reakcji składnika oznaczanego z dodawanym titrantem. Metody instrumentalne polegają na śledzeniu zjawisk fizycznych lub fizykochemicznych z udziałem badanych składników, przy pomocy aparatury elektronicznej o różnym stopniu złożoności (od prostych mierników prądu elektrycznego do wysoko wyspecjalizowanych spektrometrów) Analiza miareczkowa Rys. 1 w uproszczony sposób przedstawia typowy zestaw do analizy miareczkowej. W biurecie (1) z mililitrową podziałką do odczytu objętości znajduje się tzw. titrant (roztwór mianowany) o dokładnie oznaczonym stężeniu, wyrażonym w mol/dm 3. W kolbie stożkowej (2) znajduje się analit, odpowiednio sporządzony (patrz część eksperymentalna) roztwór badanego składnika o nieznanym stężeniu (może to również być zawiesina substancji stałej w 1

2 nieznanej ilości). Miareczkowanie w takim układzie polega na powolnym (najlepiej po kropli) dodawaniu titranta do analitu, połączonym z uważną obserwacją reakcji chemicznej zachodzącej pomiędzy nimi. Zazwyczaj obserwuje się chwilową zmianę barwy analitu w bezpośrednim kontakcie z titrantem, co świadczy o przebiegu reakcji. Miareczkowanie prowadzi się do momentu, gdy po dodaniu jednej kropli (ok cm 3 ) titranta pojawiająca się nowa barwa nie znika, co wskazuje na całkowite przereagowanie badanego składnika analitu i trwałą obecność substancji titrującej w mieszanie. Jest to tzw. punkt końcowy (PK) miareczkowania. Punkt końcowy wyznacza z pewną dokładnością tzw. punkt równoważnikowy (PR) miareczkowania, który wyraża wyidealizowaną sytuację, gdy w kolbie (2) zarówno oznaczany składnik analitu, jak i substancja titrująca są nieobecne. Jeżeli zarówno oznaczany składnik analitu, jak również titrant są bezbarwne, w celu zaobserwowania punktu końcowego stosuje się specjalne wskaźniki, które w obecności co najmniej jednej z wyżej wymienionych substancji barwią mieszaninę na określony kolor. (a) (b) Rys. 1. Typowy zestaw do analizy miareczkowej: (a) biureta wypełniona titrantem do poziomu 0 (miejsce A) ustawiona nad kolbą stożkowa z analitem (roztwór składnika badanego + wskaźnik), (b) punkt końcowy miareczkowania objętość zużytego titranta odczytana z podziałki w miejscu B, trwała zmiana barwy mieszaniny w kolbie. W momencie spostrzeżenia punktu końcowego, miareczkowanie należy przerwać i odczytać objętość zużytego titranta. Do obliczenia zawartości składnika badanego w analicie należy użyć jego objętość początkową (przed rozcieńczeniem), objętość zużytego titranta (wyrażone w cm 3 ) oraz stężenie titranta (wyrażone w mol/dm 3 ). Do dokładnego oznaczenia składnika w analicie wymagane jest co najmniej trójkrotne wykonanie miareczkowania. Jego zawartość w badanej próbce wyznacza się jako średnią arytmetyczną z wyników uzyskanych w poszczególnych eksperymentach. Jak wynika z dotychczasowych rozważań, podstawą miareczkowania jest reakcja chemiczna zachodząca w kolbie stożkowej (2) pomiędzy titrantem a badanym składnikiem analitu. By oznaczenie mogło być odpowiednio dokładne, w metodach miareczkowych należy wykorzystywać reakcje chemiczne: a) które przebiegają ściśle stechiometrycznie (ilościowo), 2

3 b) które przebiegają dostatecznie szybko, c) w których punkt równoważnikowy można wyznaczyć z dostateczną dokładnością, d) w których biorą udział związki chemiczne dające roztwory dostatecznie trwałe w warunkach miareczkowania. Postępowanie mające na celu ustalenie stężenia titranta nazywa się nastawianiem (ustalaniem) miana roztworu. Ustala się je stosując substancje podstawowe lub inny roztwór mianowany. Miano ustawione na substancję podstawową nazywa się mianem bezwzględnym. Substancje podstawowe pełniące w metodach miareczkowych rolę wzorców, muszą spełniać określone wymagania. Powinny to być substancje stałe, o dużym stopniu czystości łatwe do wysuszenia i niehigroskopijne. Przebieg reakcji między substancją podstawową a roztworem, którego miano się ustala musi być oczywiście ściśle stechiometryczny Miareczkowanie alkacymetryczne Jednym z działów analizy miareczkowej jest alkacymetria oparta na reakcjach zobojętnienia pomiędzy kwasami i zasadami np. HCl + NaOH NaCl + H 2 O, (lub też jonowo H + + Cl - + Na + + OH - Na + + Cl - + H 2 O H + + OH - H 2 O) Alkacymetria obejmuje ona alkalimetrię, tj. oznaczanie w roztworze zawartości kwasów za pomocą miareczkowania mianowanym roztworem zasady, oraz acydymetrię, tj. oznaczanie zawartych w badanym roztworze zasad za pomocą miareczkowania mianowanym roztworem kwasu. Metody alkacymetryczne w stosunku do kwasów i zasad, zarówno nieorganicznych, jak i organicznych cechuje szybkość i prostota wykonania. Stanowią m. in. podstawę kontroli analitycznej produkcji kwasu siarkowego, kwasu azotowego, kwasu fosforowego, sody czy oznaczenie tzw. liczby kwasowej olejów w celu ich kwalifikacji np. jako smarów. Ponieważ przeważająca większość popularnych kwasów i zasad nie posiada barwy w roztworze, w celu zaobserwowania punktu końcowego w skład analitu powinien wchodzić określony wskaźnik ph. Przy zmianie środowiska z kwaśnego na zasadowe, dany wskaźnik, w charakteryzującym go zakresie ph zmienia barwę. Związane jest to dominacją dwóch różnych form wskaźnika w zależności od ph. Przykładowo, popularny wskaźnik oranż metylowy występuje w przeważającej postaci formy sprotonowanej poniżej ph 3.1 (barwa czerwona) oraz formy zdeprotonowanej ph = 4.4 (barwa żółta): barwa czerwona barwa żółta co można też zapisać w skrócie jako: InH + OH - H + In 3

4 (gdzie skrót In znaczy indykator, czyli wskaźnik). Inne popularne wskaźniki ph to: fenoloftaleina, błękit bromotymolowy, czerwień krezolowa, dinitrofenol, żółcień alizarynowa, czerwień metylowa i inne. 2. Wykonanie ćwiczenia Sporządzanie i mianowanie roztworu NaOH Mianowany roztwór wodorotlenku sodowego sporządza się przez rozcieńczenie odpowiedniej porcji stężonego (50%) roztworu NaOH wodą destylowaną, świeżo wygotowaną, nie zawierającą CO 2. W tym celu należy pobrać ostrożnie pipetą ok. 1,5 cm 3 (ml) stężonego roztworu NaOH i rozcieńczyć wodą destylowaną do objętości 250 cm 3 w kolbie miarowej na 250 cm 3. Uzyskaną mieszaninę należy dobrze wymieszać. Stężenie otrzymanego w ten sposób roztworu NaOH nie wynosi dokładnie 0,1 mol/dm 3, w związku z tym należy wyznaczyć jego miano. W tym celu należy do kolby stożkowej odmierzyć pipetą 20 cm 3 (lub 25 cm 3 ) kwasu solnego o znanym stężeniu (stężenie odczytać z etykietki na butelce), dodać 2-3 krople wskaźnika 5.1 i dokładnie wymieszać. Biuretę napełnić roztworem uprzednio przygotowanego wodorotlenku sodu. Miareczkować do zmiany barwy roztworu z czerwonej na zieloną. Oznaczenie oparte jest na reakcji: NaOH + HCl = NaCl + H 2 O Miareczkowanie przeprowadzić 3 razy, każdorazowo notując objętość zużytego roztworu NaOH. Obliczyć średnią objętość zużytego roztworu NaOH a następnie na jej podstawie stężenie roztworu wodorotlenku sodu z dokładnością do mol/dm 3. v 1 = v 2 = v śr. = v 3 = c NaOH = c HCl v HCl v NaOH c NaOH =... mol/dm 3 (z dokładnością do 0,0001 mol/dm 3 ) 2.2. Oznaczanie kwasu siarkowego H 2 SO 4 Otrzymany roztwór kwasu siarkowego(vi) (MH 2SO 4 = 98,072 g/mol)) do analizy przenieść ilościowo do kolby miarowej o pojemności 100 cm 3 i dopełnić wodą destylowaną do kreski. Roztwór dokładnie wymieszać. Pipetą odmierzyć 20 cm 3 (lub 25 cm 3 ) tego roztworu, przenieść do kolby stożkowej i dodać wskaźnika 5.1. Miareczkować do zmiany barwy wskaźnika z czerwonej na zieloną. Podczas miareczkowania zachodzi następująca reakcja: H 2 SO 4 + 2NaOH = Na 2 SO 4 + 2H 2 O Miareczkowanie przeprowadzić 3 razy, obliczyć średnią objętość zużytego titranta. v 1 = v 2 = v NaOH = v śr. = v 3 = m H2SO4 = 1 v NaOH c NaOH M H2SO (w 25 cm 3 roztworu) 4

5 m H2SO4 = 5 (lub 4) mh 2 SO 4 (w 100 cm 3 roztworu) m H2SO4 =... g (z dokładnością do 0,0001 g) Zagadnienia do sprawozdania Sprawozdanie należy przygotować wg szczegółowych wskazówek prowadzącego. Poniżej podano ogólne zasady przygotowania sprawozdania z ćwiczenia. Na stronie www dostępny jest szablon, wg którego należy przygotować sprawozdanie. 1. Podać cel ćwiczenia. 2. Opisać (w punktach) przebieg wykonania. 3. Zapisać wszystkie równania reakcji, które zachodziły w czasie wykonywania eksperymentów. 4. Podać wnioski z przeprowadzonego ćwiczenia. 5