Методы и методики количественного анализа. Практическое пособие

Нельзя совместно хранить реактивы, способные при взаимодействии возгораться или выделять большое количество тепла. Например, металлические натрий, калий и литий, а также перекись натрия и белый фосфор нельзя хранить с огнеопасными веществами; металлические натрий, калий, литий и кальций, а также фосфор – с элементарными бромом и йодом.

Бертолетову соль, марганцовокислый калий, перекись натрия, перекись водорода, концентрированную хлорную кислоту и другие окислители нельзя хранить вместе с восстановителями – углем, серой, крахмалом, фосфором и др.

Самовоспламеняющиеся и огнеопасные вещества следует хранить только в соответствующей таре.

Совершенно недопустимо смешивать и растирать бертолетову соль, марганцовокислый калий, перекись натрия и другие окислители с органическими веществами. Очень осторожно следует обращаться с хлорной кислотой, так как пары ее взрываются при соприкосновении с органическими веществами и легко окисляющимися соединениями, например, с солями трехвалентной сурьмы и др. Соли хлорной кислоты также способны взрываться, иногда даже без видимой причины. Все эти вещества требуют особых условий хранения. В лаборатории не должно быть большого запаса таких веществ. Взрывоопасны также ацетилениды серебра и меди, азиды тяжелых металлов, соли гремучей кислоты, некоторые нитросоединения и др.

Не следует путать пробки от склянок, содержащих разные реактивы, во избежание загрязнения последних.

Работники лаборатории должны знать основные свойства применяемых ими реактивов, особенно, степень их ядовитости и способность к образованию взрывоопасных и огнеопасных смесей с другими реактивами.

При работе с реактивами следует исходить из того, что любые химические вещества, даже самые «безобидные», в большей или меньшей степени ядовиты. Особенно опасно систематическое попадание в организм в течение длительного времени даже ничтожных количеств соединений, вызывающее хронические отравления. Тяжелые последствия хронических отравлений усугубляются тем, что их симптомы на первой стадии бывают не ярко выраженными (общая слабость, сонливость, снижение работоспособности и т. п.), и не вызывают особой тревоги до тех пор, пока дальнейшее проникновение ядов в организм не приводит к серьезным трудноизлечимым поражениям.

Для предотвращения попадания химических соединении на кожу, в рот, в дыхательные пути, необходимо соблюдать следующие меры предосторожности:

– в рабочих помещениях не следует создавать запасов реактивов, особенно летучих – через неплотности в упаковке они могут испаряться и отравлять атмосферу в лаборатории. Необходимые для текущей работы реактивы следует держать плотно укупоренными, а наиболее летучие (например, соляную кислоту, раствор аммиака, бром) – на специальных полках в вытяжном шкафу;

– все работы с пылящими и летучими реактивами следует проводить только в вытяжном шкафу. Шкафы, в которых сушат вещества, также обязательно устанавливают под тягой;

– при работе с ядовитыми химическими веществами необходимо быть особенно аккуратными. Просыпанные или пролитые случайно реактивы следует немедленно и тщательно убрать;

– категорически запрещается выбрасывать в раковины несмешивающиеся с водой жидкости и твердые вещества, а также, сильные яды. Отходы подобного рода следует в конце рабочего дня выносить в специально отведенные места для сливов.

При переливании жидкостей из больших бутылей возможно, особенно при небрежной работе, проливание жидкости и попадание ее на одежду и руки. Поэтому в лаборатории нужно обязательно иметь специальные металлические стояки, которые дают возможность легко наклонять бутыли.

Для переливания жидкостей удобно применять насадки на горло больших бутылей или применять сифоны.

При переливании жидкостей нужно обязательно пользоваться воронками.

Некоторые реактивы продаются и сохраняются в запаянных ампулах разного размера. Такую ампулу вскрывают следующим образом. На расстоянии 1 см от конца оттянутой части ампулы очень осторожно делают царапину напильником или специальным ножом. Полезно место надреза предварительно смочить водой. Когда надрез сделан, обтирают оттянутый конец ампулы чистой ватой и, держа ампулу в левой руке так, чтобы открываемый конец ее был направлен в сторону от работающего и от соседей, правой рукой отламывают надрезанную часть быстрым рывком. Если оттянутый конец имеет сравнительно толстые стенки, к царапине нужно прикоснуться раскаленным докрасна концом оттянутой стеклянной палочки или же раскаленной железной проволокой.

Когда в ампуле находится жидкость, нужно быть особенно осторожным при вскрывании – при отламывании кончика ампулу нельзя перевертывать или сильно наклонять. Если после взятия реактива часть его остается в ампуле, последнюю нужно снова запаять на паяльной горелке.

Вылить из ампулы немного жидкости (0,5—1 см3) бывает очень трудно. Чтобы добиться этого, можно пользоваться сифоном из тонко вытянутого стеклянного капилляра диаметром около 0,2—0,25 мм. Жидкость, поднимаясь по трубке капилляра, вытекает из нее каплями. Обращаться с ампулами следует очень осторожно, их лучше всего хранить в картонных коробках завернутыми в гофрированный картон или же переложенными чем-либо мягким.

1.5.3. Растворы химических реактивов

Растворы – это гомогенные (однофазные) системы переменного состава, состоящие из двух или более веществ (компонентов).

По характеру агрегатного состояния растворы могут быть газообразными, жидкими и твердыми. Обычно компонент, который в данных условиях находится в том же агрегатном состоянии, что и образующийся раствор, считают растворителем, остальные составляющие раствора – растворенными веществами. В случае одинакового агрегатного состояния компонентов растворителем считают тот компонент, который преобладает в растворе.

В зависимости от размеров частиц растворы делятся на истинные и коллоидные. В истинных растворах (часто называемых просто растворами) растворенное вещество диспергировано до атомного или молекулярного уровня, частицы растворенного вещества не видимы ни визуально, ни под микроскопом, свободно передвигаются в среде растворителя.

Плотность раствора отличается от плотности растворителя. Раствор кипит при более высокой температуре, чем растворитель. Последним свойством пользуются, применяя солевые бани. Температура замерзания раствора, наоборот, ниже, чем у растворителя.

Растворимость для различных веществ колеблется в значительных пределах и зависит от их природы, взаимодействия частиц растворенного вещества между собой и с молекулами растворителя, а также от внешних условий (давления, температуры и т. д.) Растворимость твердого вещества можно повысить, если раствор нагревать. Однако некоторые соли не подчиняются этому правилу. Растворимость их или понижается с повышением температуры или повышается только до определенной температуры, выше которой растворимость уменьшается.

Скорость растворения твердого вещества зависит от размера его частиц. Чем крупнее куски, тем медленнее идет растворение; наоборот, чем мельче отдельные частицы твердого вещества, тем скорее переходит оно в раствор. Поэтому перед растворением твердого вещества его всегда следует измельчить в ступке и отвешивать для растворения только измельченное вещество. Растворение тонко измельченного вещества значительно легче, но при этом возникают свои трудности. Дело в том, что некоторые порошки при высыпании их в воду не смачиваются и плавают на поверхности воды, образуя тонкую пленку. В подобных случаях порошок вначале обливают небольшим количеством чистого спирта (метилового или этилового), а уже затем приливают воду или высыпают в нее порошок. Явление всплывания порошка при этом не наблюдается. Само собой разумеется, что применять спирт можно лишь в том случае, если он не оказывает химического действия на вещество или на его раствор. Спирта следует брать очень немного, лишь бы он только смочил порошок.

Иногда при растворении твердых веществ, например, кристаллических, их помещают в колбу. При неправильном введении таких веществ (особенно крупных кусков или кристаллов) случается, что колба разбивается. Чтобы не разбить колбу, поступают так: наклоняют ее под углом не больше 45°(лучше меньше) и опускают твердое вещество, чтобы оно скатывалось по горлу и стенке шара колбы. Удобнее сначала налить в колбу часть рассчитанного количества растворителя, например, воды, а затем вводить твердое вещество, как описано выше, иногда встряхивая колбу. Оставшуюся часть растворителя вводят после того, как будет пересыпано все количество твердого вещества, предназначенного для растворения.

Большие трудности встречаются при растворении смолистых веществ, так как их размельчить в порошок нельзя. Такие вещества полезно разрезать (если это возможно) на небольшие куски и постепенно вводить в растворитель.

Почти все газообразные вещества способны в той или иной мере растворяться в воде или органических растворителях. Некоторые из них, например, NH3, HCl, жадно поглощаются водой. Другие же газы (кислород, водород и др.) обладают меньшей или незначительной растворимостью в воде, причем она зависит от температуры воды и внешнего давления, поэтому воду для удаления растворенных в ней газов кипятят.

В химической практике наиболее важны растворы, приготовленные на основе жидкого растворителя. Именно жидкие смеси в химии называют просто растворами. Наиболее широко применяемым неорганическим растворителем является вода. Растворы с другими растворителями называются неводными.

При взаимном растворении жидкостей различаются три случая:

– жидкости практически не растворяются одна в другой, например, вода и масло; при смешивании их они всегда отделяются друг от друга;

– жидкости растворяются одна в другой только в определенных количествах. Например, если смешать воду и эфир, то после взбалтывания и отстаивания раствор разделится на два слоя. Верхний слой представляет раствор воды в эфире, нижний – раствор эфира в воде, причем при определенной температуре концентрации обоих насыщенных растворов всегда имеют определенные значения;

– жидкости растворяются одна в другой в неограниченном количестве. Например, вода и спирт растворяются друг в друге в любом количестве, также ведут себя многие кислоты.

При растворении жидкостей, как и при растворении твердых тел, наблюдается или выделение тепла, или его поглощение. Это явление используют при изготовлении охлаждающих смесей или для химического нагревания.

Нужно также отметить, что иногда при смешивании жидкостей происходит уменьшение объема; если, например, взять 50 объемов воды и 50 объемов спирта, то получится не 100 объемов смеси, а только 96,3 (так называемое явление контракции).

По свойствам вещества можно разделить на два класса: не набухающие при растворении и набухающие.

К первому классу относятся преимущественно вещества, имеющие кристаллическое строение, а ко второму – высокомолекулярные вещества, главным образом органические. При растворении последних в органических растворителях первой стадией процесса всегда будет набухание.

По точности выражения концентрации растворы делят на приблизительные, точные и эмпирические.

Концентрации растворов обычно выражают в массовых (весовых) и объемных (для жидкостей) процентах, в молях или грамм-эквивалентах, содержащихся в единице объема раствора, а также титром и моляльностью.

Концентрации приблизительных растворов большей частью выражают в массовых процентах; точных – в молях, в грамм-эквивалентах, содержащихся в 1 л раствора, или титром.

При выражении концентрации в массовых процентах указывают содержание растворенного вещества (в граммах) в 100 г раствора (но не в 100 мл раствора!).

Пример. Взят 10%-ный раствор поваренной соли NaCl, это значит, что в 100 г раствора (а не в 100 мл его) содержится 10 г поваренной соли и 90 г воды.

Когда дана концентрация раствора, выраженная в массовых процентах (например, 25%-ный раствор NaCl), и хотят взять столько раствора, чтобы в нем содержалось определенное количество растворенного вещества (например, 5 г NaCl), то нужно брать раствор по массе (т. е. 20 г).

Покажем, что будет, если взять не 20 г раствора, а 20 мл. Плотность 25%-ного раствора NaCl равна 1,203 г/мл. Поэтому взяв 20 мл такого раствора, мы возьмем 20 х 1,203 = 24,06 г его. В этом количестве раствора будет содержаться уже не 5 г NaCl, а 25 х 24,06 /100 = 6,1 г

Если известна плотность раствора, то, как указывалось выше, удобнее брать его по объему, а не по массе. Для нашего случая получаем объем, равный V= 20/1,203 = 16,6 мл

Сказанное относится преимущественно к концентрированным растворам; в случае же разбавленных растворов (меньше 1%) получающаяся ошибка незначительна и ею можно пренебречь.

Концентрация раствора, выраженная в молях, содержащихся в 1 л раствора (но не в 1 л растворителя!) называется молярностью. Раствор, содержащий в 1 л 1 моль растворенного вещества, называется одномолярным или просто молярным. Молем (грамм-молекулой) какого-либо вещества называют молекулярный вес его, выраженный в граммах; 0,001 моль называют миллимолем, этой величиной пользуются для выражения концентрации при некоторых исследованиях.

Пример. Моль серной кислоты равен 98,08 г, поэтому молярный раствор ее должен содержать это количество в 1 л раствора (но не в 1 л воды).

Если концентрация выражена числом грамм-эквивалентов, содержащихся в 1 л раствора, то такое выражение концентрации называется нормальностью. Раствор, содержащий в 1 л один грамм-эквивалент вещества, называется однонормальным или часто просто нормальным.

Грамм-эквивалентом вещества является такое количество его, выраженное в граммах, которое в данной реакции соединяется, вытесняет или эквивалентно 1,008 г водорода (т. е. 1 г-атом). Грамм-эквивалент одного и того же вещества может иметь различную величину в зависимости от той химической реакции, в которой это вещество участвует.

Грамм-эквивалент E в реакциях замещения вычисляют путем деления молекулярного веса на основность кислоты или полученной из нее соли, кислотность основания или при окислительно-восстановительных реакциях – на число переходящих электронов n:

Е=М/Н

где: М – молекулярный вес;

Н – основность кислоты или кислотность основания

Ввиду того что нормальные растворы для большинства аналитических целей и работ слишком концентрированы, обычно готовят более разбавленные растворы (полунормальные, децинормальные и т. д.). При записях нормальность обозначают русской буквой Н или латинской буквой N, перед буквенным обозначением ставят число, указывающее, какая часть грамм-эквивалента (или сколько грамм-эквивалентов) взята для приготовления 1 л раствора. Так, полунормальный раствор обозначается 0,5 Н, децинормальный 0,1 Н и т. д.

Титром называют содержание вещества в граммах в 1 мл раствора. Выражая концентрацию раствора при помощи титра, указывают число граммов вещества, содержащихся в 1 мл раствора.

Пример. В 1 л раствора содержится 5,843 г серной кислоты; тогда титр раствора будет равен Т= 5,843/1000 =0,005843 г/мл

Моляльными называют растворы, приготовляемые растворением одного (или части) моля вещества в 1 кг растворителя. Например, для приготовления одномоляльного раствора NaCl растворяют 58,457 г этой соли в 1 кг воды, приведя массу воды в данных условиях к объему. Следует помнить, что при приготовлении моляльных растворов расчет ведут именно на 1 кг растворителя, а не раствора, как в случае молярных или нормальных растворов.

Объемные проценты для выражения концентрации применяют только при смешивании взаимно растворяющихся жидкостей.

Иногда в лабораторной практике приходится пересчитывать молярную концентрацию в нормальную, и наоборот. Если эквивалентная масса вещества равна мольной массе (например, для HCl, KCl, KOH), то нормальная концентрация равна молярной концентрации. Так, 1 Н раствор соляной кислоты будет одновременно 1 M раствором. Однако для большинства соединений эквивалентная масса не равна мольной и, следовательно, нормальная концентрация растворов этих веществ не равна молярной концентрации.

Для пересчета из одной концентрации в другую можно использовать формулы:

M = (Н • Э) / m

Н = (M • m) / Э

Пример. Вычислить нормальную концентрацию 1 М раствора серной кислоты: Н = (1 • 98) / 49 = 2 H

Пример. Вычислить молярную концентрацию 0,5 н. Na2CO3:

M = (0,5 • 53) / 106 = 0,25 M.

1.5.4. Способы приготовления растворов реактивов

По способу приготовления различают первичные и вторичные стандартные растворы.

По точной навеске готовят первичные стандартные растворы, растворы стандартных установочных веществ, которые должны удовлетворять следующим требованиям:

– состав их должен строго соответствовать химической формуле;

– вещества должны быть устойчивыми при хранении в растворе и в сухом виде (не окисляться, не поглощать диоксид углерода, воду, не терять кристаллизационную воду);

– величина молярной массы эквивалента должна быть по возможности наибольшей для уменьшения погрешности взвешивания и титрования.

При приготовлении растворов по точной навеске задаются концентрацией раствора и его объемом.

Основные этапы работы:

– рассчитывают необходимую навеску для взвешивания с точностью до 0,0001 г;

– взвешивают точную навеску на аналитических весах;

– взвешенную навеску количественно переносят в мерную колбу вместимостью, равной объёму раствора, растворяют вещество, доводят до метки дистиллированной водой и перемешивают;

– если взятая навеска отличается от теоретически рассчитанной, то концентрацию раствора пересчитывают.

По приблизительной навеске готовят растворы нестандартных веществ или растворы приблизительной концентрации. Этапы работы такие же, как и при приготовлении растворов по точной навеске, но навеску рассчитывают с точностью не более, чем до 0,01 г и берут ее на технических весах. Точную концентрацию такого раствора устанавливают титрованием (часто растворами первичных стандартов) и рассчитывают по закону эквивалентов:

Сэкв 1·V1 = Cэкв 2·V2

Приготовленные таким образом растворы с точно установленной концентрацией называются вторичными стандартами или титрованными.

Установка титра – одна из важных операций лабораторной техники. От правильности приготовления титрованного раствора зависит и результат анализа. Так как каждый анализ почти всегда сопровождается титрованием, каждый работник лаборатории должен хорошо освоить технику проведения этой операции. Нужно помнить несколько правил, относящихся к титрованным растворам:

– титрованные растворы должны быть по возможности свежими. Длительное хранение их не должно допускаться. Для каждого раствора есть свой предельный срок хранения;

– титрованные растворы при стоянии изменяют свой титр, поэтому их следует иногда проверять. Если же делают особенно ответственный анализ, проверка титра раствора обязательна;

– при приготовлении растворов марганцовокислого калия титр их следует устанавливать не ранее чем через 3—4 дня после приготовления. То же относится ко всём другим растворам, способным изменяться со временем или при соприкосновении с воздухом, стеклом и пр.;

– титрованные растворы щелочей лучше хранить в бутылях, покрытых внутри парафином, а также защищать их от действия двуокиси углерода воздуха (хлоркальциевая трубка с натронной известью или аскаритом);

– все бутыли с титрованными растворами должны иметь четкую надпись с указанием вещества, нормальности, поправки, времени изготовления раствора и даты проверки титра;

– при титровании кислых или щелочных растворов полезно применять так называемый раствор-свидетель.

Во время титрования колбу нужно держать левой рукой, а правой рукой управлять краном бюретки, давая стекать жидкости равномерно. При титровании очень большое значение имеет скорость, поэтому при повторном титровании одного и того же раствора надо сделать так, чтобы скорость добавления раствора из бюретки была по возможности одинаковой, т. е. в одно и то же время вытекало бы определенное количество жидкости. Для перемешивания титруемого раствора очень удобно применять магнитные мешалки. В этом случае титрование можно вести как в обычной конической колбе, так и в специальных, приспособленных для титрования темноокрашенных жидкостей.

Из фиксанала (норма-дозы, стандарт-титра) готовят первичные стандартные растворы точной концентрации. Фиксанал – это заранее приготовленные и запаянные в стеклянных ампулах точно отвешенные количества реактива, необходимые для приготовления 1 л 0,1 н. или 0,01 н. раствора.

Фиксаналы продаются в коробках, содержащих 10 ампул. На каждой ампуле имеется надпись, указывающая, какое вещество или раствор находится в ампуле, и количество вещества (0,1 или 0,01 г-экв).

Содержимое фиксанала количественно переносят в мерную колбу, доводят уровень раствора до метки, раствор перемешивают. Концентрация раствора должна быть задана, а вместимость мерной колбы рассчитывают, используя формулу:

Сэкв. (Х) = nэкв. (х) / Vмерн. колбы

Vмерн. колбы = nэкв. (х) / Сэкв. (Х)

Для приготовления точного раствора вначале теплой водой смывают надпись на ампуле и хорошо обтирают ее. В мерную колбу емкостью 1 л вставляют специальную воронку с вложенным в нее стеклянным бойком (обычно прилагается к каждой коробке фиксанала), острый конец которого должен быть обращен вверх. Если специальной воронки нет, можно пользоваться обычной химической воронкой, вставив в нее стеклянный боек. Когда боек будет правильно уложен в воронке, ампуле с фиксаналом дают свободно падать так, чтобы тонкое дно ампулы разбилось при ударе об острый конец бойка. После этого пробивают боковое углубление ампулы и дают содержимому вытечь. Затем, не изменяя положения ампулы, ее тщательно промывают дистиллированной водой из промывалки. Для промывки рекомендуется употребить не менее чем шестикратное (по емкости ампулы) количество воды.

Промыв ампулу, ее удаляют, а раствор доливают, дистиллированной водой до метки, закрывают колбу пробкой и встряхивают.

Кроме жидких фиксаналов, имеются и сухие. При приготовлении из них растворов ампулу вскрывают так же, как описано выше. Нужно лишь заботиться о том, чтобы воронка была совершенно сухая. Когда ампула будет разбита, все содержимое ее осторожным встряхиванием высыпают в колбу, ампулу промывают дистиллированной водой.

Выпускаются следующие фиксаналы: H2SO4; HCl; NaOH, КОН; Na2CO3; NaHCO3; NaCl; KCl; Na2C2O4; H2C2O4; K2Cr2O7; K2CrO4; Na2S2O3; KMnO4; AgNO3; NH4SCN; KSCN; K2C2O4; NaSCN; (NH4) 2C204; I2; Na2B4O7; BaCl2.

Фиксаналы рекомендуется применять во всех случаях, когда требуется быстро приготовить точный раствор. Щелочные фиксаналы пригодны только в течение определенного срока. Очень старые (2—3-летней давности) щелочные фиксаналы могут оказаться уже неточными в результате загрязнения продуктами выщелачивания стекла. Остальные препараты, в особенности сухие, могут храниться неопределенно долгий срок.

Разбавлением концентрированных растворов готовят растворы многих веществ. В этом случае должны быть заданы объем разбавленного раствора, его концентрация и концентрация концентрированного раствора. Рассчитывают необходимый для разбавления объем концентрированного раствора, затем измеряют рассчитанный объем, переносят в мерную колбу или в мерный стакан, доводят уровень жидкости до метки дистиллированной водой и перемешивают. Если исходный раствор имел точную концентрацию и при его разбавлении использовали точную мерную посуду, то получают раствор точной концентрации. В противном случае получают раствор приблизительной концентрации, все расчеты ведут с точностью не более чем до 0,01, точную концентрацию устанавливают титрованием.

Подведем итог сказанному о приготовлении растворов:

– все водные растворы следует готовить только на дистиллированной воде;

– при приготовлении водных растворов солей заданной концентрации нужно учитывать также кристаллизационную воду;

– приготовляя точные растворы, нельзя наливать в мерную колбу сразу все нужное количество воды;

– мерные колбы калиброваны на определенный объем лишь при температуре, указанной на колбе, поэтому точный объем жидкости можно получить только при стандартной температуре;