5.12: Титрування - Вимірювання родимок за об'ємом розчину

Last updated
Save as PDF

Page ID: 18648

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Маси зазвичай вимірюють за допомогою лабораторних ваг, який реєструється в грамах. Маси промислових хімікатів вимірюються з набагато більшими промисловими масштабами, які зазвичай дають маси в кілограмах або тонн. Роблячи лабораторні стехіометричні вимірювання з видами в розчині, часто зручно вимірювати обсяги розчину, а не маси реагентів. Можна приготувати розчини, які містять відоме число молів на одиницю об'єму розчину. Обсяг реагенту, який необхідно додати до іншого реагенту для проходження певної реакції, можна виміряти за допомогою пристрою, званого бюретом. Бюрет показаний на малюнку 5.3. Вимірюючи об'єм розчину відомої концентрації розчиненої речовини, необхідної для реакції з іншим реагентом, можна розрахувати кількість молів розчиненої речовини, що вступає в реакцію, і на основі реакції можуть бути виконані стехіометричні розрахунки. Ця процедура зазвичай використовується в хімічному аналізі і називається титруванням.

Малюнок 5.3. Бюрет складається з вузької скляної трубки, розміченої в поділах мілілітрів (мл), далі підрозділяється на десяті частки мл, зазвичай загальною ємністю 50 мл. Це дозволяє точно виміряти обсяги розчину, що подається через запірний кран, оцінений до найближчих 0,01 мл. Піпетка подає фіксований обсяг розчину. Об'ємна колба містить фіксований об'єм розчину.

Особливо легко співвідносити обсяги розчинів стехіометрично, коли концентрації розчину виражаються як молярна концентрація, М. Ця одиниця концентрації визначається як

\[\textrm{M} = \frac{\textrm{moles of solute}}{\textrm{number of liters of solution}}\]

Кількість молей речовини, в даному випадку моль розчиненого речовини, пов'язане з масою речовини по

\[\textrm{Moles of solute} = \frac{\textrm{moles of solute}}{\textrm{molar mass of solute, g/mol}}\]

Ці два відносини можуть бути об'єднані, щоб дати наступне корисне рівняння:

\[\textrm{M} = \frac{\textrm{mass of solute}}{\textrm{(molar mass of solute)} \times \textrm{(number of liters of solution)}}\]

Розчин відомої концентрації, який додають в реакційну суміш під час процедури титрування, є стандартним розчином. Одним з найпоширеніших з них є стандартний базовий розчин гідроксиду натрію, NaOH. Зазвичай концентрація гідроксиду натрію в такому стандартному розчині становить 0,100 моль/л. припустимо, що бажано зробити рівно 2 літри розчину 0,100моль/л гідроксиду натрію. Яка маса NaOH, молярна маса 40,0 г/моль, розчинена в цьому розчині? Для цього розрахунку використовуйте рівняння 5.12.3, переставлене для вирішення маси розчиненої речовини:

\[\textrm{Mass NaOH} = \textrm{M} \times \textrm{(molar mass NaOH)} \times \textrm{(liters NaOH)}\]

\[\textrm{Mass NaOH} = 0.100 \textrm{ mol/L} \times 40.0 \textrm{ g/mol} \times 2.00 \textrm{ L} = 8.00 \textrm{ g NaOH}\]

Поширеною процедурою титрування є використання стандартного розчину основи для титрування невідомого розчину кислоти або використання стандартної кислоти для визначення основи. Як приклад розглянемо аналіз на кислоту зразка води, що використовується для очищення відпрацьованих газів з лікарні спалювальної установки. Вода є кислою через присутність соляної кислоти, що утворюється очищенням газу HCl з паливного газу, де HCl вироблявся при спалюванні полівінілхлориду в сміттєспалювальній установці. Припустимо, що проба 100 мл води скрубера була взята для титрування зі стандартом NaOH 0,125 моль/л і що обсяг стандартного споживаного NaOH становив 11,7 мл. Якою була молярна концентрація HCl у воді газового скрубера? Для вирішення цієї проблеми необхідно знати, що реакція між NaOH і HCl є,

\[\ce{NaOH + HCl \rightarrow NaCl + H2O}\]

реакція нейтралізації, в якій утворюються вода і сіль, NaCl. Дослідження реакції показує, що 1 моль HCl реагує на кожну моль NaOH. Рівняння 5.12.1 застосовується як до стандартного розчину NaOH, так і до титруваного розчину HCl, що призводить до наступних рівнянь:

\[M_{HCl} = \frac{moles_{HCl}}{liters_{HCl}} = \textrm{and M}_{NaOH} = \frac{moles_{NaOH}}{liters_{NaOH}}\]

Коли точно достатньо NaOH було додано, щоб реагувати з усіма присутніми HCl, реакція завершена без надлишку ні HCl, ні NaOH. При титруванні ця кінцева точка зазвичай відображається зміною кольору барвника, який називається індикатором, розчиненим у розчині, що титрується. У кінцевій точці молі HCl= молі NaOH і два рівняння вище можуть бути вирішені дати,

\[\textrm{M}_{\textrm{HCl}} \times \textrm{liters}_{\textrm{HCl}} = \textrm{M}_{\textrm{NaOH}} \times \textrm{liters}_{\textrm{NaOH}}\]

які можуть бути використані для додання молярної концентрації HCl:

\[\textrm{M}_{\textrm{HCl}} = \frac{\textrm{M}_{\textrm{NaOH}} \times \textrm{liters}_{\textrm{NaOH}}}{\textrm{liters}_{\textrm{HCl}}}\]

Перетворення обсягів, заданих від mL до літрів і заміщення в це рівняння дає молярну концентрацію HCl у воді скрубера сміттєспалювальної установки:

\[\textrm{M}_{\textrm{HCl}} = \frac{0.125 \textrm{mol/L} \times 0.0117 \textrm{L}}{0.100 \textrm{ L}} = 0.0146 \textrm{mol/L}\]

Визначення процентного складу титруванням

Корисним застосуванням титрування, або титриметричного аналізу, як його називають, є визначення відсотка речовини в твердому зразку, яке буде реагувати з титрантом. Щоб подивитися, як це робиться, розглянемо зразок, що складається з основної вапна, Са (ОН) ₂, і бруду масою 1,26 м За допомогою титрування стандартним розчином кислоти можна визначити масу основного Са (ОН) ₂ в зразку і з цього розрахувати відсоток Са (ОН) ₂в зразку. Припустимо, що твердий зразок поміщають у воду і титрують 0,112 моль/л стандартного HCl, обсяг 42,2 мл (0,0422 л) кислоти необхідний для досягнення кінцевої точки. Са (ОН) ₂ реагує з HCl

\[\ce{Ca(OH)2 + 2HCl \rightarrow CaCl2 + 2H2O}\]

тоді як бруд не реагує. Дослідження цієї реакції показує, що в кінцевій точці моль співвідношення

\[\frac{\textrm{1 mol Ca(OH)}_{2}}{\textrm{2 mol HCl}}\]

застосовується. У кінцевій точці кількість родимок HCl можна обчислити з

\[\textrm{Mol}_{\textrm{HCl}} = \textrm{liters}_{\textrm{HCl}} \times \textrm{M}_{\textrm{HCl}}\]

і, так як молярна маса Са (ОН) ₂ дорівнює 74,1 (з урахуванням атомних мас 40,1, 16,0 і 1,0 для Ca, O і H відповідно), маса Ca (OH) ₂ задається

\[\textrm{Mass}_{\textrm{Ca(OH)}_{2}} = \textrm{moles}_{\textrm{Ca(OH)}_{2}} \times \textrm{molar mass}_{\textrm{Ca(OH)}_{2}}\]

За допомогою цієї інформації тепер можна обчислити масу Са (ОН) ₂:

\[\textrm{Mass}_{\textrm{Ca(OH)}_{2}} = \textrm{mol}_{\textrm{Ca(OH)}_{2}} \times \frac{\textrm{74.1 g Ca(OH)}_{2}}{\textrm{1 mol Ca(OH)}_{2}}\]

\[\textrm{Mass}_{\textrm{Ca(OH)}_{2}} = \underbrace{\textrm{Liters}_{\textrm{HCl}} \times \textrm{M}_{\textrm{HCl}}}_{\textrm{Moles HCl reacting}} \times \underbrace{\frac{\textrm{1 mol Ca(OH)}_{2}}{\textrm{2 mol HCl}}}_{\textrm{Converts from moles HCl to moles Ca(OH)}_{2}} \times \underbrace{\frac{\textrm{74.1 g Ca(OH)}_{2}}{\textrm{1 mol Ca(OH)}_{2}}}_{\textrm{Gives mass Ca(OH)}_{2} \textrm{from moles Ca(OH)}_{2}}\]

\[\textrm{Mass}_{\textrm{Ca(OH)}_{2}} = 0.0422 \textrm{L HCl} \times \frac{\textrm{0.112 mol HCl}}{\textrm{1 L HCl}} \times \frac{\textrm{1 mol Ca(OH)}_{2}}{\textrm{2 mol HCl}} \times \frac{\textrm{74.1 g Ca(OH)}_{2}}{\textrm{1 mol Ca(OH)}_{2}}\]

\[\textrm{Mass Ca(OH)}_{2} = 0.175 \: g\]

\[\textrm{Percent}_{\textrm{Ca(OH)}_{2}} = \frac{\textrm{mass Ca(OH)}_{2}}{\textrm{mass sample}} \times \frac{0.175g}{1.26g} \times 100 = 13.9 \%\]

Вправа

Вправа: 0.638 г зразка, що складається з щавлевої кислоти, H ₂ _{C 2} O4 та оксалату натрію, Na ₂ C ₂ O ₄ розчиняли і титрували 0,116 моль/л гідроксиду натрію, з яких потрібно 47,6 мл (0,0476 л). Кожна молекула H ₂ C ₂ O ₄ виділяє 2 іони Н ⁺. Розрахуйте відсоток щавлевої кислоти в пробі.

Відповідь: 38,9%