Лабораторна робота №10. Кислотно-основне титрування

Мета: засвоїти методи кислотно-основного титрування. Визначити концентрацію натрій гідроксиду методом кислотно-основного титрування.

Титрометричні методи аналізу основані на вимірюванні кількості реагенту R, використаного на взаємодію з певною речовиною Х:

X+R=P

Реагент звичайно застосовують в вигляді розчину з точною концентрацією. Такий розчин називають титрованим або робочим розчином. Робочий розчин поступово додають до розчину речовини концентрація якої визначається до тих пір, доки не буде досягнуто еквівалентне співвідношення речовин: С_X=С_R. Вимірюють об’єм робочого розчину, який було використано на титрування і визначають концентрацію речовини за законом еквівалентів:

Речовини реагують в еквівалентних кількостях - V₁C₁=V₂C₂.

Точку еквівалентності визначають експериментальну, індикаторами, вимірюванням електропровідності, потенціалу певного електроду в розчині і т.д.

Хід роботи

1.Приготувати 0, 1 розчин HСl з фіксаналу.

1.1.Приготувати мірну колбу на 1л. та лійку (вимити та сполоснути дистилятом).

1.2.Помістити лійку в горло колби.

1.3.Обмити бойок з кільцем дистилятом і помістити в лійку.

1.4.Обмити фіксанал та бойок без кільця дистилятом.

1.5.Розбити нижню частину ампули об бойок з кільцем.

1.6.Не виймаючи з лійки розбити верхню частину ампули бойком без кільця.

1.7.Вилити розчин в колбу.

1.8.Не виймаючи з лійки три рази промити ампулу дистилятом.

1.9.Вийняти лійку з колби і перемішати розчин.

1.10.Довести розчин до мітки.

1.11.Закрити колбу пробкою і перемішати розчин (притримувати пробку пальцем і перевертати колбу вниз і вверх дном).

2.Заповнити бюретку отриманим розчином соляної кислоти.

2.1. Через лійку залити в бюретку розчин вище нульової мітки.

2.2. Заповнити носик (підняти носик вверх отвором і відкрити повільно затискач, після витіснення з носика повітря і появи перших крапель розчину закрити затискач).

2.3. Зняти лійку.

2.4. Злити розчин в колбу для зливу до нульової мітки (нижня частина меніску повинна бути напроти позначки 0)

3. Відтитрувати виданий Вам розчин NaOH.

3.1. Покласти на штатив кусок білого паперу (для того щоб краще було спостерігати перехід забарвлення індикатору).

3.2. Піпеткою відібрати 10мл розчину і перенести в вимиту конічну колбу.

3.3. Додати 2-3 краплі розчину індикатору метилового оранжевого.

3.4. По краплях додавати при перемішуванні розчин соляної кислоти із бюретки до зміни жовтого забарвлення індикатору на оранжеве.

3.5. Відмітити об’єм кислоти, що пішов на титрування.

4. Розрахувати концентрацію гідроксиду натрію в виданому розчині.

4.1. Розрахувати еквівалентну концентрацію гідроксиду натрію.

4.2. Розрахувати титр гідроксиду натрію.

г/мл

Лабораторна робота №11. Водневий показник – рН

Мета: Навитися визначити рН розчинів та біологічних рідин різними методами. Визначити pH біологічних рідин та розчинів неорганічних речовин.

Для підготовки до заняття скористайтеся методичними рекомендаціями (взяти у бібліотеці) Федченко В.М., Попович Т.М., Святська Т.М., Яковенко В.П. “Водневий показник. Гідроліз солей”, ХДПУ, 1991.

Завдання для самостійної роботи

3. Підготувати досліди №1-2 методичних рекомендацій Федченко В.М., Попович Т.М., Святська Т.М., Яковенко В.П. “Водневий показник. Гідроліз солей”, ХДПУ, 1991.- C28-29.

4. Виконати завдання для самоконтролю №1-7 методичних рекомендацій Федченко В.М., Попович Т.М., Святська Т.М., Яковенко В.П. “Водневий показник. Гідроліз солей”, ХДПУ, 1991.- C26-27.

Лабораторна робота №12. Гідроліз солей

Мета: Засвоїти поняття: реакції гідролізу, гідроліз солей. Ознайомитися з різними випадками гідролізу солей. Навчитися визначати реакцію середовища у водних розчинах солей, ступінь і константу гідролізу, фактори, що зміщують рівновагу гідролізу. Засвоїти роль гідролізу в хімічних та біологічних процесах і процесах вивітрювання мінералів і гірській порід.

Набути умінь: складати рівняння кислотно-основних рівноваг для водних розчинів; обчислювати рН (рОН) розчинів і концентрацію H⁺ (OH^-) іонів у розчинах електролітів; складати рівняння гідролізу солей різних типів; розраховувати рН, ступінь гідролізу і константи гідролізу солей; застосовувати до реакцій гідролізу солей всі основні положення і закони вчення про хімічну рівновагу; пояснювати фактори, що зміщують хімічну рівновагу гідролізу; пояснювати гідроліз солей і амфотерні властивості гідроксидів а точки зору теорії електролітичної дисоціації і протолітичної теорії кислотно-основних рівноваг.

Для підготовки до заняття скористайтеся методичними рекомендаціями (взяти у бібліотеці) Федченко В.М., Попович Т.М., Святська Т.М., Яковенко В.П. “Водневий показник. Гідроліз солей”, ХДПУ, 1991.

Завдання для самостійної роботи

5. Підготувати досліди №3-7 методичних) Федченко В.М., Попович Т.М., Святська Т.М., Яковенко В.П. “Водневий показник. Гідроліз солей”, ХДПУ, 1991.- C29-30.

6. Виконати завдання для самоконтролю №7-15 методичних рекомендацій Федченко В.М., Попович Т.М., Святська Т.М., Яковенко В.П. “Водневий показник. Гідроліз солей”, ХДПУ, 1991.- C26-27.

Лабораторна робота №13. Окисно-відновні реакції

Мета: Виконати запропоновані окисно-відновні реакції. Зробити висновки про зв'язок між окисно-відновним потенціалом речовин та можливістю проходження окисно-відновної реакції; як пов'язано проходження окисно-відновних реакцій з рН середовища.

Реактиви: 2н CuSO₄, залізо (цвях, скрепка), 2н KI, хлорна вода, сірководнева вода, бромна вода, 0, 05н KMnO₄, 0, 05н KMnO₄, 0, 05н Na₂SO₃ 10% H₂SO₄, 10% NaOH

Обладнання: пробірки, штативи для пробірок, скляні палички.

Завдання для самоконтролю

1. Складіть рівняння окисно-відновної реакції, користуючись методом іонно-електронного (електронного) балансу:

а) NaNO₂+KMnO₄+KOH®.

б) Na₂SO₃+KMnO₄+H₂O®.

в) FeSO₄+KMnO₄+ H₂SO₄®.

г) CuS+HNO₃®S¯ +NO+....

в) (NH₄)₂S+K₂Cr₂O₇+H₂O®S¯ +Cr(OH)₃+…

2. В лабораторії є BaO₂, KMnO₄, KNO₃, KClO₃, причому маси їх рівні. Яку із наведених сполук потрібно взяти, що отримати при термічному розкладі максимальну кількість O₂?

3. При взаємодії калій перманганату з гідроґен пероксидом в кислому середовищі утворюються катіони Mn²⁺ та кисень.

MnO₄^-+H₂O₂+6H⁺=2Mn²⁺+3O₂+4H₂O (1),

2MnO₄^-+3H₂O₂+6H⁺=2Mn²⁺+4O₂+6H₂O (2),

2MnO₄^-+5H₂O₂+6H⁺=2Mn²⁺+5O₂+8H₂O (3),

2MnO₄^-+7H₂O₂+6H⁺=2Mn²⁺+6O₂+10H₂O (4).

Вкажіть яке (або які) з рівнянь правильно виражає мольне співвідношення реагентів. Який з реагентів є окисником, а який – відновником.

Розрахуйте масу калій перманганату необхідного для отримання 112мл кисню.

4. При розкладанні 10.47г суміші перманганату калію і бертолетової солі виділилося 1, 568л кисню. Визначіть склад суміші (у %), якщо бертолетова сіль розклалася повністю, а перманганат калію розклався на 70%.

Лабораторна робота №14. Електрохімічний потенціал. Визначення ЕРС гальванічного елемента.

Теоретичний вступ

1. Що таке гальванічний елемент?

Гальванічний елемент — це пристрій, який перетворює хімічну енергію безпосередньо в електричну. Гальванічний елемент складається з двох або більш напівелементів. Найпростішим гальванічним напівелементом є металева пластинка, яка має назву електрод, вона занурена в розчин (найбільш часто водний) солі цього ж металу, (або іншого металу, кислоти, або лугу).

Розглянемо будову гальванічного елемента Якобі-Даніеля, який складається з двох напівелементів: цинкового та мідного. Цинковий напівелемент — цинкова пластинка (рис.1 (3)), занурена в розчин солі цинку (рис.1 (4)), наприклад ZnSO₄, відповідно мідний (рис.1 (1)) напівелемент — пластинка міді, занурена в розчин СuSO₄ (рис.1 (2)). Напівелементи між собою з’єднуються або електричним ключем (солевим містком) (рис.1, (5)), заповненим найчастіше, розчином КСI з агар-агаром, (агар-агар утворює гель і не дає змоги витікати рідині), або ж напівпроникною перегородкою (рис.2, (5)). Як напівпроникну перегородку можна використати, наприклад, білу обпалену глину, азбест, дерево і т.д.. Якщо тепер з’єднати металевим провідником мідну та цинкову пластини через вольтметр, то ми побачимо, що вольтметр покаже певне значення напруги в електричному колі — виникне електричний струм (електрони будуть перетікати від більш електронегативного металу (Zn) до більш електропозитивного (Cu)).

Рис. 1. Будова елемента Якобі-Даніеля з сольовим містком: 1- мідна пластинка, 2-розчин СuSO₄, 3-цинкова пластинка, 4-розчин ZnSO₄, 5-електролітичний ключ — насичений розчин КСI з добавкою агар-агару, 6-металевий провідник, 7-вольтметр.

Рис. 2. Будова елемента Якобі-Даніеля з напівпроникною перегородкою: 1- мідна пластинка, 2-розчин СuSO₄, 3-цинкова пластинка, 4-розчин ZnSO₄, 5- напівпроникна перегородка.

Зважимо цинкову та мідну пластини до початку роботи гальванічного елемента, а також спостерігатимемо за інтенсивністю кольору розчину CuSO₄ в мідному напівелементі. З’єднаємо електроди провідником між собою через амперметр. Через деякий час роботи гальванічного елемента повторне зважування покаже зменшення маси цинкового електроду і збільшення маси мідного електроду, можна також помітити зменшення інтенсивності забарвлення розчину CuSO₄. Коли ж не замикати металевим провідником напівелементи то цинкова та мідні пластини зберігають свою масу, як завгодно довго.

З наведених вище спостережень можна зробити висновки, що на цинковому електроді проходить реакція розчинення (окиснення) цинку:

Zn - 2 ® Zn²⁺ (1)

на мідному відновнення катіонів міді:

Cu²⁺ + 2 ®Cu (2)

Сумарна хімічна реакція матиме вигляд:

Zn + Cu ²⁺ ®Zn²⁺ + Cu або Zn + CuSO₄®ZnSO₄+ Cu (3)

Необхідно звернути увагу, що наявність реакції (3) ще не свідчить про те, що вона протікає в гальванічному елементі. Реакцію (3) можна було провести, кинувши шматочок цинку в розчин сульфату міді. Для протікання хімічної реакції в гальванічному елементі необхідною умовою є відділення простору де проходить реакція окиснення від простору де проходить реакція відновнення.

2. Символічний запис гальванічних ланцюгів.

Розглянемо спочатку символічний запис на прикладі мідно-цинкового елемента, а також деякі загальноприйняті поняття.

Межу розподілу між твердою та рідкою фазами позначають однією вертикальною рискою ½.

Межу розподілу між двома рідкими фазами позначають двома вертикальними рисками ½ ½, межу розподілу твердих фаз - комою. Слід пам’ятати, що у правильно записаного елемента кінці напівелементів зроблені з одного металу, наприклад міді. Це пов’язано з тим, що клеми вимірювального приладу зроблені з одного металу. Замикання третім металом також призводить до виникнення нового стрибка потенціалу. Хоча на практиці, цим потенціалом звичайно нехтують, тому що порівняно з ЕРС гальванічного елемента він як правило дуже малий.

Символічний запис елемента Якобі-Даніеля матиме вигляд:

Цифри під відповідними розчинами вказують на значення концентрацій сульфату цинку і сульфату міді.

Часто наявність міді на кінцях цинкового електрода чи іншого контакту між двома металами, зануреними в розчини своїх солей не позначають. Знак (—) вказує, що електрод є анодом, відповідно знак (+) показує, що електрод — катод.

Рекомендується запис гальванічного елементу починати з більш негативного електрод і закінчувати більш позитивним

В гальванічному елементі на аноді (позитивному електроді) завжди протікають окиснювальні процеси, на катоді (негативному електроді) - відновнювальні. (В електролізері - пристрої, який перетворює електричну енергію на хімічну, на аноді та катоді також протікають відповідні реакції окиснення та відновнення, але анод у електролізера, на відміну від гальванічного елемента, має знак +. Катод -.)

На межі розділу фаз завжди виникає подвійний електричний шар і стрибок потенціалу.

3. Виникнення стрибка потенціалу на межі розділу фаз

При зануренні металу в розчин його солі починається перехід катіонів металу з решітки металу в розчин і з розчину на метал .

Рис. 3. Утворення подвійного шару.

Через деякий час встановлюється рівновага .При цьому може бути реалізована одна із двох можливостей 1) У перший момент швидкість переходу іону з решітки металу в розчин більша за швидкість переходу іону з розчину на метал тобто . 2) У перший момент швидкість переходу іону з розчину в кристалічну решітку металу більша за швидкість переходу іону з кристалічної решітки металу в розчин тобто .

Розглянемо перший випадок. З часом буде зменшуватися, тому що при переході кожного наступного катіону з поверхні металу буде накопичуватися негативний заряд за рахунок електронів які залишаються в кристалічній решітці металу після виходу катіону і в якийсь момент наступить рівновага . На момент рівноваги поверхня металу матиме негативний заряд, шар розчину, що прилягає до металу і в якому знаходяться катіони — позитивний заряд. Таким чином виникає подвійний електричний шар, подібний до того, який виникає на пластинах електричного конденсатора.

Рис.4. Будова подвійного шару.

Подвійний шар складається з щільної частини — щільний шар катіонів на поверхні негативного зарядженого металу та дифузної частини — розмитої частини де концентрація іонів поступово падає і досягає величини рівної концентрації іонів в електроліті. В щільній частині подвійного шару реалізується майже весь стрибок потенціалу.

Стрибок потенціалу на межі метал розчин буде тим більший чим більша поверхнева щільність заряду.

Очевидно що при поверхня металу буде заряджена негативно, а шар рідини біля металу — позитивно.

Прямих експериментальних методів визначення потенціалів на межах розподілу фаз не існує. Можна визначити лише суму стрибків потенціалів в певному гальванічному елементі.

4. Стандартний водневий електрод. Електродний потенціал. Стандартний (нормальний) електродний потенціал

Рис.5. Будова водневого електрода

Спочатку розглянемо будову стандартного водневого електрода.

Електрод складається із покритої електрохімічнo високодисперсною платиною платинової пластинки (5(1)) зануреної в розчин (2) в якому активність катіонів водню 1моль/л (на практиці Cм(H₂SO₄)=1), і на платинову пластинку пропускають при тиску 1атм. водень. При цьому встановлюється рівновага H₂Û 2H⁺+2 (4).

Електродний потенціал такого електрода залежить від концентрації іонів водню і тиску водню на поверхні електроду та температури.

(5)

Електродним потенціалом називають ЕРС гальванічного елемента, одним із напівелементів якого є стандартний (нормальний) водневий електрод (н.в.е.).

Якщо всі стрибки потенціалу, пов’язані з наявністю н.в.е., взяти рівними нулю і якщо елімінувати дифузійний стрибок потенціалу, то можна умовно вважати, що значення електродного потенціалу зводиться до стрибка потенціалу, для металевого електроду, на межі метал-розчин. (Слід підкреслити умовність такого визначення, бо ЕРС з н.в.е. включатиме і контактну різницю потенціалів на межі метал-платина (Pt-Me), але оскільки ця величина незначна нею можна знехтувати.). Елімінувати ж дифузійний стрибок потенціалу (стрибок потенціалу, що виникає із-зі різної швидкості дифузії (рухомості) катіонів і аніонів) можна застосовуючи сольовий місток — розчин в якому рухомості катіонів і аніонів рівні (U_к= U_а). Для цього на практиці застосовують розчин КСl де .

Нормальним (стандартним) електродним потенціалом даного металу називають потенціал електрода виміряний відносно стандартного водневого електрода при активності катіонів цього ж металу в розчині рівній одному молю. Нормальні (стандартні) електродні потенціали можна знайти у відповідних таблицях.

Зрозуміло, що при збільшенні концентрації іонів металу (який є електродом) в електроліті згідно принципу Ле-Шательє кількість катіонів металу які перейдуть на електрод стане більшою (рис.3) - електрод набуде більш позитивного потенціалу. При зменшенні концентрації іонів металу в електроліті навпаки - електрод набуде більш негативного потенціалу. Знаючи стандартний електродний потенціал металу Е₀ - завжди можна розрахувати потенціал за рівнянням Нернста:

де - активність іонів металу в розчині

Для досить розбавлених розчинів активність в рівнянні можна замінити на концентрацію.

Розраховувавши потенціали напівелементів Е₁ та Е₂ легко знайти ЕРС гальванічного елементу як різницю потенціалів: Е_{гальв. елемент.}= Е₂-Е₁.

5.Вимірювання ЕРС гальванічних елементів

Вимоги до вхідного опору вольтметра. Похибки вимірювання.

Гальванічний елемент має певний внутрішній опір R_e. Гальванічний елемент можна зобразити двома послідовно з’єднаними елементами електричної схеми — активним опором R_e і джерелом напруги Е.р.с. (6).

6. Електрична схема, що моделює вимірювання ЕРС гальванічного елемента.

Як прилад для вимірювання напруги застосовують вольтметр. Кожний вольтметр має якийсь певний внутрішній опір R_вх. Зараз для вимірювання ЕРС застосовують найчастіше електронні вольтметри, в яких вхідний опір складає декілька мОм або декілька ГОм.

Застосовуючи закон Ома для зображеного електричного ланцюгу маємо: Е.р.с.=I(R_e+R_вх)=DЕ_е+DЕ_в (25) де DЕ_е іDЕ_в відповідно падіння наруги на гальванічному елементі і на вольтметрі. Вольтметр показує значення DЕ_в, а не ЕРС. Перетворимо вираз (25) розв’язуючи його відносно I отримаємо:

(27) (28)

ОскількиDЕ_е=I R_е, DЕ_в=I R_вх, велична сили струму на послідовно замкнених приладах однакова; опір гальванічного елемента складає від декількох Ом до сотень Ом, а вхідний опір вольтметра складає декілька мОм або декілька кОм то відповідно можна вважати I R_е»0 тоді DЕ_в»Е.р.с.

Оскільки зараз для вимірювання ЕРС застосовують найчастіше електронні вольтметри, в яких вхідний опір складає декілька мОм або декілька ГОм, а опір гальванічного елемента найчастіше лише декілька Ом або декілька десятків Омів, тому велична похибки незначна і складає менше 1%.

6. Абсолютна похибка і відносна похибки