Титрование смеси 0,1 Н соляной и 0,1 Н янтарной кислот

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тольяттинский государственный университет

Институт Химии и Инженерной Экологии

Кафедра "Химия, химические технологии и процессы"

Отчёт

о лабораторной работе

Кислотно-основное титрование

Титрование смеси 0,1 Н соляной и 0,1 Н янтарной кислот

Студент: Щеголева А.И.

Группа: ХИМб-1202

Преподаватель: к.х.н., доцент, Писарева В. С.

Тольятти, 2015 г

Теоретическая часть

титрование кислотный щелочь раствор

В методах кислотно-основного титрования основной является реакция передачи протона от титранта (рабочего раствора) титруемому веществу или от титруемого вещества титранту.

Кислотно-основное титрование подразделяется на два вида:

Алкалиметрия - метод, в котором в качестве рабочего раствора используется щелочь.

Ацидиметрия - метод, в котором в качестве рабочего раствора используется сильная кислота.

Для установления точных растворов титрантов используют точные навески исходных (установочных) веществ - это твердые, хорошо растворимые в воде кислоты и соли.

Так для определения титра рабочего раствора щелочи используется химически чистая щавелевая кислота, янтарная кислота; для определения титра раствора сильной кислоты - карбонат натрия, бура и др.

Техника определения сводится к тому, что к определенному объему раствора основания (кислоты) постепенно прибавляют из бюретки титрованный раствор кислоты (щелочи) до наступления точки эквивалентности.

По израсходованному на нейтрализацию объему титрованного раствора кислоты (щелочи) вычисляют содержание определяемого вещества.

Для определения конца титрования используют кислотно-основные индикаторы. Для правильного выбора индикатора необходимо определить pH в точке эквивалентности.

Значения pН титруемого раствора рассчитывают по формулам для расчета pH в растворах сильных и слабых кислот и оснований, буферных растворах, растворах гидролизующихся солей (табл.1).

Возможность применения кислотно-основного титрования и выбор индикатора определяют по кривым титрования (рис. 1), т.е. по зависимости pН раствора от объема добавленного титранта.

Таблица 1

Формулы для расчета рН

Электролит	Пример	pH
Сильная кислота	HNO3	- lg Cкисл
Сильное основание	NaOH	14 + lg Cосн
Слабая кислота	HCN	1/2 рKкисл - 1/2 lg Cкисл
Слабое основание	NH4OH	14 - 1/2 рKосн + 1/2 lg Cосн
Смесь слабой кислоты с ее солью	HCN+NaCN	рКкисл - lg (Cкисл / Cсоли)
Смесь слабого основания с его солью	NH4OH+NH4Cl	14 - рКосн + lg (Cосн / Cсоли)
Соль из слабого основания и сильной кислоты	NH4OH+HCl	7 - 1/2 рКосн - 1/2 lg Cсоли
Соль из слабой кислоты и сильного основания	HCN + NaOH	7 + 1/2 рКкисл + 1/2 lg Cсоли
Соль из слабого основания и слабой кислоты	NH4CN	7 +1/2 рКкисл - 1/2 рКосн

Каждый индикатор имеет свою область рН раствора, при которой происходит изменение его цвета. Эта область изменения цвета индикатора связана с константой диссоциации индикатора. Чтобы правильно подобрать индикатор для того или иного случая титрования, необходимо рассчитать рН в момент эквивалентности и подобрать индикатор, показатель титрования которого соответствует рН эквивалентной точки.

В таблице 2 приведены области перехода окраски индикаторов, применяемых в кислотно-основном титровании.



Рисунок 1. Кривая титрования 100,0 мл 0,1 М NaOH 0,1 М раствором HCl

Таблица 2

Кислотно-основные индикаторы

Индикатор	Область рН перехода	рKa	Изменение окраски
Метиловый фиолетовый	0 - 1,8	-	Желтая - фиолетовая
Тимоловый синий	1,2 - 2,8	1,65	Красная - желтая
Метиловый оранжевый	3,1 - 4,4	3,36	Красная - желтая
Бромкрезоловый зеленый	3,9 - 5,4	4,90	Желтая - синяя
Метиловый красный	4,2 - 6,2	5,00	Красная - желтая
Бромтимоловый синий	6,0 - 7,6	7,30	Желтая - синяя
Феноловый красный	6,4 - 8,2	8,00	Желтая - красная
Тимоловый синий	8,0 - 9,6	9,20	Желтая - синяя
Фенолфталеин	8,2 - 9,8	9,53	Бесцветная - красная
Тимолфталеин	9,3 - 10,5	9,60	Бесцветная - синяя
Ализариновыйжелтый	9,7 - 10,8	-	Желтая - красная

Ошибки титрования

Пригодность того или иного индикатора для данного титрования можно количественно характеризовать индикаторной ошибкой титрования, возникающей из-за несовпадения рТ и рН в точке эквивалентности.

При титровании сильной кислоты сильным основанием и наоборот ошибка может быть водородной и гидроксидной. Водородная, или Н⁺-ошибка, возникает, если рТ < 7, т.е. когда при титровании сильной кислоты щелочью в растворе после окончания титрования остается некоторое количество неоттитрованной кислоты. Для гидроксидной ошибки при титровании сильной кислоты характерно рТ > 7, что указывает на избыточное содержание в растворе сильного основания по сравнению с эквивалентным. Водородную ошибку можно оценить, рассчитав количество ионов Н⁺, которое составит:

10^-рТ•(V_щ+V_к)/ V_щ•1000.

Процентное отношение этой величины к исходному количеству кислоты равно Н⁺ -ошибке, %:

д Н⁺ = 10^-рТ•(V_щ+V_к)•100/ V_щ•с,

где с- концентрация кислоты.

Гидроксидная ошибка рассчитывается аналогично. Концентрация ионов водорода после окончания титрования равна 10^-рТ, а концентрация гидроксид-ионов будет равна 1,0•10^{-(14 -рТ)}. Следовательно, в растворе по окончании титрования содержится 1,0•10^{-(14 -рТ)}•(V_щ+V_к)/ V_щ•1000 моль щелочи. Гидроксидная ошибка (%) составляет:

д ОН^- = 1,0•10^{-(14 -рТ)}•(V_щ+V_к)•100/ V_щ•с.

При титровании слабой кислоты может возникнуть гидроксидная и кислотная индикаторные ошибки. Гидроксидная ошибка рассчитывается по формуле:



(V_NaOH + V_HCl)/c(V_NaOH)•1.0•10^-(14-pT)•100.

Кислотная, или HA-ошибка определяется как 10^рК-рТ.

Цель работы: титрование смеси 0,1 Н соляной и 0,1 Н янтарной кислот кислотно-основным методом.

Задачи:

Приготовить рабочий раствор смеси двух кислот, произведя необходимые расчеты.

Приготовить титрованный раствор щелочи.

Приготовить рабочий раствор щелочи.

Приготовить титрованный раствор соляной кислоты (стандартизировать 0,1 Н раствором тетрабората натрия).

Подобрать индикатор для титрования щелочи соляной кислотой, провести кислотно-основное титрование и определить точную концентрацию щелочи в исследуемом растворе.

Подобрать индикаторы для титрования смеси двух кислот и провести титрование.

Определить точные концентрации кислот в исследуемом растворе, рассчитать погрешности и ошибки титрования, сделать выводы о проделанной работе.

Расчетная часть

Приготовление растворов

Для выполнения лабораторной работы необходимо приготовить:

50 мл раствора соляной и янтарной кислот 0,1 Н концентрации;

200 мл 0,1 Н раствора соляной кислоты.

Готовые растворы, имеющиеся в лаборатории:

раствор щелочи NaOH приблизительной концентрации 0,1 Н

раствор тетрабората натрия 0,1000 Н (приготовленный из фиксанала)

концентрированный раствор соляной кислоты с = 1,18 г/мл.

Готовим раствор 0,1 Н соляной кислоты. Процентное содержание кислоты в исходном растворе определяется по таблице плотностей водных растворов соляной кислоты (см. таблицу 3).

Таблица 3

Плотности некоторых водных растворов соляной кислоты

с, г/мл	щ, %	См, моль/л
1,1187	24	7,3650
1,1239	25	7,7070
1,1290	26	8,0500
1,1341	27	8,3980
1,1392	28	8,7490
1,1443	29	9,1030
1,1493	30	9,4570
1,1543	31	9,8130
1,1593	32	10,1800
1,1642	33	10,5400
1,1691	34	10,9000
1,1740	35	11,2700
1,1789	36	11,6400
1,1837	37	12,0100
1,1885	38	12,3900
1,1933	39	12,7600
1,1980	40	13,1400

Отсюда, содержание соляной кислоты в растворе равно 36%. Титр данного раствора:

Т = = = 0,4248 г/мл

Масса соляной кислоты в 200 мл 0,1 Н раствора:



m = = = 0,73 г

Тогда объем исходного раствора соляной кислоты, необходимый для приготовления 200 мл 0,1 Н раствора:

V = = 1,72 мл

Для приготовления смеси янтарной и соляной кислот необходимо отобрать 50 мл приготовленного раствора соляной кислоты и растворить в нем навеску янтарной кислоты. Рассчитаем, какую массу янтарной кислоты необходимо взять на 50 мл 0,1 Н раствора:

m = = 0,2952 г

Стандартизации раствора соляной кислоты 0,1 Н раствором тетрабората натрия.

Стандартизация раствора щелочи проводится стандартным раствором соляной кислоты. Для этого приготовленный раствор HCl необходимо стандартизовать раствором тетрабората натрия концентрацией 0,1000 Н, приготовленным из фиксанала. Будем титровать аликвоту 10 мл тетрабората натрия рабочим раствором соляной кислоты с целью установления ее концентрации. Для подбора индикатора для титрования необходимо построить кривую титрования и определить точку эквивалентности (рис. 2).

Расчет pH до точки эквивалентности производится по следующей формуле:

pH = 7 - lgKa + lgC_ТБН

Справочные данные Ka = 1,8 10^-4 .

После точки эквивалентности:



pH = -lg С_т

Результаты расчетов приведены в таблице 4, градуировочный график по этим данным изображен на рисунке 2.

Таблица 4

Результаты расчетов pH для титрования раствора 10 мл 0,1 Н Na₂B₄O₇ 0,1 Н раствором HCl

Vтитранта, мл	pH	Vтитранта, мл	pH
0	8,37	10,5	2,61
1	8,35	11	2,32
3	8,29	12	2,04
6	8,17	13	1,88
8	8,02	14	1,78
9	7,87	16	1,64
9,5	7,72	18	1,54

По графику видно, что точке эквивалентности соответствует объем затраченного раствора соляной кислоты 10 мл, pH имеет значение 5,0. Для титрования был выбран индикатор метиловый красный (4,2 - 6,2), изменяющий цвет с красного на желтый.

Рисунок 2. Кривая титрования 10 мл 0,1 Н Na₂B₄O₇ 0,1 Н раствором HCl



Стандартизация раствора щелочи

Устанавливаем точную концентрацию раствора щелочи титрованным раствором 0,1 Н соляной кислоты. Рассчитываем pH раствора в процессе титрования и строим на основании этих данных градуировочный график.

Расчет pH до точки эквивалентности производится по следующей формуле:

pH = 14 + lg С_т )

После точки эквивалентности:

pH = - lg ( С_т )

Результаты расчетов приведены в таблице 5, градуировочный график по этим данным изображен на рисунке 3.

По графику видно, что точке эквивалентности соответствует объем затраченного раствора соляной кислоты 10 мл, pH имеет значение 7,0.

Таблица 5

Результаты расчетов pH для титрования раствора 10 мл 0,1 Н NaOH

0,1 Н раствором HCl

Vтитранта, мл	pH	Vтитранта, мл	pH
0	13,0	10,5	2,6
1	12,9	11	2,3
3	12,7	12	1,9
6	12,4	13	1,8
8	12,0	14	1,6
9	11,7	16	1,5
9,5	11,4	18	2,6

Для титрования был выбран индикатор бромтимоловый синий (6,0 - 7,6), изменяющий цвет с желтого на синий, при pH=7 приобретает травянисто-зеленый оттенок.

Титрование смеси соляной и янтарной кислот

Раствор смеси кислот, содержащий 0,1 Н янтарную и 0,1 Н соляную кислоты, титруется приготовленным и стандартизированным раствором щелочи NaOH 0,1 Н. Константы диссоциации приведенных кислот:

Ka_(сол) = 1•10⁷ Ka_I(янт) = 7,4 •10^-5 Ka_II(янт) = 4,6•10^-6

Соляная кислота - сильная кислота и титруется первой. Янтарная кислота начнет титроваться после того, как полностью оттитруется HCl. Несмотря на то, что янтарная кислота - двухосновная, ее титрование идет в одну стадию сразу по двум ступеням, что обусловлено небольшой разницей в константах диссоциации I и II ступеней (менее 4 порядков).

Таким образом, кривая титрования будет рассчитана по следующим формулам.

Рисунок 3. Кривая титрования 10 мл 0,1 Н NaOH 0,1 Н раствором HCl

До точки эквивалентности:



pH = -lg (C_HCl + C_янт)

После первой точки эквивалентности:

pH = Ѕ Ka_I • + Ѕ Ka_II •

После второй точки эквивалентности:

pH = • С_т

Результаты расчетов приведены в таблице 6, градуировочный график изображен на рисунке 4.

По графику видно, что точке эквивалентности I, соответствующей оттитровке соляной кислоты, соответствует объем затраченного титранта 10 мл, pH имеет значение 2,7. Точке эквивалентности II, соответствующей оттитровке янтарной кислоты, соответствует объем затраченного титранта 20 мл, pH равен 8,2. Для титрования был выбран индикатор тимоловый синий, имеющий два перехода окраски:

1й переход: 1,2 - 2,8 (красный - желтый);

2й переход: 8,0 - 9,6 (желтый - синий).

Таблица 6

Результаты расчетов pH для титрования 10 мл смеси

0,1 Н соляной и 0,1Н янтарной кислот 0,1 Н раствором NaOH

Vтитранта, мл	pH	Vтитранта, мл	pH
0	0,99	15	4,41
1	1,07	17	4,77
3	1,25	18	5,01
5	1,44	19	5,36
7	1,69	21	11,39
9	2,10	22	11,68
9,5	2,28	24	11,96
10,5	3,13	26	12,12
11	3,45	28	12,22
13	4,04	29	12,26

Рисунок 4. Кривая титрования 10 мл смеси 0,1 Н соляной и 0,1 Н янтарной кислот 10 мл раствора 0,1 Н NaOH

Экспериментальная часть

Реактивы: раствор HCl 36%, янтарная кислота (тв.), раствор щелочи 0,1 Н, раствор тетрабората натрия 0,1000 Н, кислотно-основные индикаторы: метиловый красный, бромтимоловый синий, тимоловый синий.

Химическая посуда и приборы: мерные колбы на 200 мл, 50 мл; пипетки на 10 мл, 2 мл (со шкалой); бюретка на 25 мл; плоскодонные колбы на 50 мл; химический стакан; аналитические весы.

Стандартизация растворов

Необходимо провести титрование смеси 0,1 Н янтарной и 0,1 Н соляной кислот 0,1 Н раствором щелочи. Для этого необходимо провести стандартизацию рабочего раствора щелочи. Стандартизацию будем проводить 0,1 Н раствором соляной кислоты.

Приготовление раствора 0,1 Н соляной кислоты. В мерную колбу на 200 мл наливаем немного дистиллированной воды, отмеряем пипеткой 1,72 мл концентрированной соляной кислоты и доводим дистиллированной водой до метки.

Стандартизация приготовленного раствора соляной кислоты 0,1000 Н раствором тетрабората натрия. Бюретку на 25 мл промываем дистиллированной водой, затем приготовленным раствором соляной кислоты, заполняем раствором соляной кислоты, избавляясь от пузырьков воздуха, и доводим до нулевой отметки. Берем аликвоту 10 мл 0,1000 Н раствора тетрабората натрия и помещаем в титровальную колбу, добавляем три капли индикатора метилового красного, приобретающего желтый цвет. В точке эквивалентности с pH=4,6 индикатор приобретет красно-оранжевый цвет. Титруем раствор до установления устойчивой окраски. Проводим последовательно три титрования, полученные данные заносим в таблицу 7.

Расчет концентрации раствора соляной кислоты. Расчет точной концентрации раствора производим по следующей формуле:

C_ТБН•V_ТБН = C_HCl•V_HCl, отсюда C_HCl = 0,1000 Н • 10 мл / 9,6 мл = 0,1042 Н

(K = 1,042).

Таблица 7. Стандартизация раствора 0,1 Н HCl раствором 0,1 Н Na₂B₄O₇

V (Na2B4O7 0,1 Н), мл	V (HCl 0,1 Н), мл	Vср (HCl), мл
10	9,6	9,6
10	9,6
10	9,6

Стандартизация раствора щелочи. Заполняем бюретку титрованным раствором соляной кислоты до нулевой отметки. Берем аликвоту щелочи 10 мл примерной концентрации 0,1 Н, помещаем в титровальную колбу. Добавляем три капли индикатора бромтимолового синего и титруем раствор до установления устойчивой зеленой окраски. Проводим титрование три раза, полученные данные заносим в таблицу 8.

Таблица 8. Стандартизация раствора щелочи.

V (NaOH 0,1 Н), мл	V (HCl 0,1042 Н), мл	Vср (HCl), мл
10	9,1	9,0
10	9,0
10	8,9

Расчет концентрации раствора щелочи. Расчет точной концентрации раствора производим по следующей формуле:

C_NaOH•V_NaOH = C_HCl•V_HCl, отсюда C_NaOH = 0,1042 Н • 9 мл / 10 мл = 0,0938 Н (K = 0,938).

Расчет погрешностей и индикаторных ошибок.

Абсолютная погрешность:

? (HCl) = | Спр - Стеор | = 0,1042 - 0,1 = 0, 0042

Относительная погрешность:

д (HCl) = ? / mтеор • 100% = 0,0042/0,1 • 100% = 4,2 %

Индикаторная ошибка:

д Н⁺ = 10^-рТ • (V_тбн + V_к) • 100 / V_тбн • С_кисл = 10^-5 • (10+9,6) • 100 / 10 • 0,1042 = 0,02%



Абсолюная погрешность:

? (NaOH) = | Спр - Стеор | = |0,0938 - 0,1| = 0, 0062

Относительная погрешность:

д (NaOH) = ? / mтеор • 100% = 0,0062/0,1 • 100% = 6,2 %

Индикаторная ошибка:

д OН^- = 1,0 • 10^-(14-рТ) • (V_щ + V_к) • 100 / V_щ • С_кисл = 1,0 •10^-7 • (10+9,0) • 100 / 10 • 0,1042 = 0,0002%

Титрование смеси кислот

Приготовление анализируемого раствора смеси янтарной и соляной кислот 0,1 Н концентрации. Взвешиваем навеску янтарной кислоты на аналитических весах - 0,297 г. Растворяем навеску в небольшом количестве раствора 0,1 Н соляной кислоты, приготовленного ранее, заливаем смесь в мерную колбу на 50 мл и доводим раствором соляной кислоты до метки.

Титрование смеси кислот. Промываем бюретку дважды дистиллированной водой, затем раствором 0,1 Н щелочи (K=1,359), избавляемся от пузырьков воздуха и доводим уровень раствора титранта до нулевой отметки. Берем аликвоту раствора смеси кислот 10 мл, добавляем три капли индикатора тимолового синего, приобретающего красный цвет. Постепенно, при постоянном перемешивании, вливаем титрант до установления ярко-оранжевой окраски раствора.

Фиксируем расход титранта и заносим в таблицу 9. Продолжаем титрование до следующей точки эквивалентности - до установления устойчивой синей окраски. Фиксируем расход титранта и заносим значение в таблицу 9. Проводим титрование три раза для более точного установления концентраций.

Таблица 9. Титрование смеси кислот

№	Vсм, мл	VэI наHCl, мл	VэII на (CH2COOH)2, мл
1	10	8,0	16,3
2	10	7,8	16,1
3	10	7,9	16,2
Vср	10	7,9	16,2

Расчет концентраций соляной и янтарной кислот в исследуемом растворе. Расчет точной концентрации раствора производим по следующей формуле:

C_к-ты•V_к-ты = C_NaOH•V_NaOH, отсюда

C_HCl = 0,1359 Н • 7,9 мл / 10 мл = 0,1074 Н (K=1,074);

C_янт.к. = 0,1359 Н • (16,2 мл - 7,9 мл) / 10 мл = 0,1128 Н (K=1,128).

Расчет погрешностей и индикаторных ошибок.

? (HCl) = | Спр - Стеор | = 0,1074 - 0,1 = 0, 0074

Относительная погрешность:

д (HCl) = ? / mтеор • 100% = 0,0074/0,1 • 100% = 7,4 %

Индикаторная ошибка:

д Н⁺ = 10^-рТ • (V_к + V_NaOH) • 100 / V_NaOH • С_к-ты = 10^-2,7 • (10+7,9) • 100 / 7,9 • 0,1074 = 0,048%



Абсолюная погрешность:

? (янт.к-та) = | Спр - Стеор | = 0,1128 - 0,1 = 0, 0128

Относительная погрешность:

д (янт.к-та) = ? / mтеор • 100% = 0,0128/0,1 • 100% = 12,8 %

Индикаторная ошибка:

д ОН^- = 1,0•10^{-(14 -рТ)}•(V_щ+V_к)•100 / V_щ • С_к-ты = 1,0 • 10^-(14-8,2) • (8,3+10) • 100 / 8,3 • 0,1128 = 0,00004%



Выводы

В результате работы был усвоен и изучен титриметрический метод анализа: кислотно-основное титрование. С помощью данного метода были стандартизированы растворы кислоты и щелочи, определены концентрации двух кислот: соляной и янтарной - при их совместном присутствии в растворе.

Стандартизация соляной кислоты производилась 0,1 Н (K = 1,000) раствором тетрабората натрия, приготовленным из фиксонала, в присутствии индикатора метилового красного. На титрование было затрачено 9,6 мл раствора Na₂B₄O₇, концентрация кислоты составила C_N = 0,1042 Н.

Стандартизация щелочи производилась по ранее стандартизированному раствору соляной кислоты в присутствии индикатора бромтимолового синего. На титрование было затрачено 9,0 мл раствора 0,1 Н (K=1,042) соляной кислоты, концентрация щелочи составила C_N = 0,0938 Н.

Были проведены расчеты относительной погрешности по определению концентрации растворов:

д (HCl) = 4,2%

д (NaOH) = 6,2%

Также были определены индикаторные ошибки, которые не превышают значения 0,1%, что говорит о верном подборе индикаторов:

д Н⁺ = 0,02%

д OН^- = 0,0002%

Определение концентраций соляной и янтарной кислот при их совместном присутствии производилось раствором 0,1 Н щелочи (K=1,359). Титрование компонентов происходило индифферентно, в присутствии индикатора тимолового синего, имеющего два перехода окраски, интервал pH которых совпадает с рассчитанными точками эквивалентности. На титрование соляной кислоты ушло 7,9 мл раствора титранта, на титрование янтарной кислоты - 8,3 мл. Концентрации кислот в исследуемом растворе составили:

C_{солян. к-ты} = 0,1074 Н (m = 3,9 г/л);

C_{янт.к-ты} = 0,1128 Н (m = 6,6 г/л).

Были проведены расчеты относительной погрешности по определению концентрации растворов:

д (HCl) = 7,4%

д (янт.к.) = 12,8%

Также были определены индикаторные ошибки, которые не превышают значения 0,1%, что говорит о верном подборе индикаторов:

д Н⁺ = 0,048%

д OН^- = 0,00004%



Литература

Писарева В.С., Аналитическая химия. Количественный анализ, уч-мет. пособие для студ. - Тольятти: ТГУ, 2014. - 4 с.

Васильев В.П., Аналитическая химия. В 2 ч. Ч. 1. Гравиметрический и титриметрический методы анализа: Учеб. для химико-технол. спец. вузов. - М.: Высш. Шк., 1989. - 189 с.

Основы аналитической химии. В 2 кн. Кн. 2. Методы химического анализа: Учеб. для вузов/Ю.А.Золотов, Е.Н. Дорохова, В.И. Фадеева и др. / Под ред. Ю.А. Золотова. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. Шк., 2004. - 48 с.

Размещено на Allbest.ru

...