Добавил:
kiopkiopkiop18@yandex.ru Вовсе не секретарь, но почту проверяю Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

1 курс / Химия / Osnovnoy_text_Sbornik_zadach_po_analiticheskoy_khimii

.pdf
Скачиваний:
31
Добавлен:
23.03.2024
Размер:
849.93 Кб
Скачать

Содержание

Введение.......................................................................................................................

5

1. Растворы .................................................................................................................

6

Теоретический минимум к разделу.......................................................................

6

Вопросы для самоконтроля ....................................................................................

8

Задачи с решениями ................................................................................................

9

Задачи для самостоятельного решения...............................................................

10

2. Состояние вещества и ионные реакции в разбавленных растворах........

12

Теоретический минимум к разделу.....................................................................

12

Вопросы для самоконтроля ..................................................................................

15

Задачи с решениями ..............................................................................................

16

Задачи для самостоятельного решения...............................................................

17

3. Химическое равновесие в системе «водный раствор-труднорастворимый

электролит» ..............................................................................................................

19

Теоретический минимум к разделу.....................................................................

19

Вопросы для самоконтроля ..................................................................................

30

Задачи с решениями ..............................................................................................

31

Задачи для самостоятельного решения...............................................................

35

4. Окислительно-восстановительные реакции.................................................

40

Теоретический минимум к разделу.....................................................................

40

Вопросы для самоконтроля ..................................................................................

46

Задачи с решениями ..............................................................................................

47

Задачи для самостоятельного решения...............................................................

49

3

5. Кислотно-основное равновесие ........................................................................

54

Теоретический минимум к разделу.....................................................................

54

Вопросы для самоконтроля ..................................................................................

56

Задачи с решениями ..............................................................................................

57

Задачи для самостоятельного решения...............................................................

58

6. Кислотно-основное титрование........................................................................

61

Теоретический минимум к разделу.....................................................................

61

Вопросы для самоконтроля ..................................................................................

63

Задачи с решениями ..............................................................................................

64

Задачи для самостоятельного решения...............................................................

65

Литература .................................................................................................................

68

Приложения ...............................................................................................................

69

4

ВВЕДЕНИЕ

Химику-выпускнику университета необходимо иметь чёткое представление о сути процессов, законов и закономерностей, лежащих в основе современного химического анализа, так как основная задача химических факультетов университетов – это подготовка химиков-исследователей, способных не только овладеть химической наукой, но и творчески развивать ее.

Здесь большая роль принадлежит самостоятельной работе студентов, которой в учебном плане отводится значительное место. Только серьёзная самостоятельная работа на основе конспективно излагаемых лекционных курсов, учебной и научной литературы может дать творческое осмысление теоретического материала.

Настоящий сборник задач предназначен для использования в методическом обеспечении курса аналитической химии: для подготовки к семинарским занятиям, контрольным работам, коллоквиумам, зачетам и экзаменам.

В задачнике обобщен многолетний опыт коллектива кафедры аналитической химии по вопросам важнейших понятий, законов и закономерностей, знание которых обучающимися обязательно для успешного освоения раздела I «Химические методы анализа» дисциплины «Аналитическая химия» (программа дисциплины приведена в Приложениях). К каждому разделу приведен необходимый теоретический минимум, вопросы для самоконтроля или опроса на семинарских занятиях, коллоквиумах, разобраны типовые задачи а также даны задачи для самостоятельного решения. В конце задачника приведен список основной и дополнительной литературы.

Задачник разработан авторским коллективом кафедры аналитической химии ННГУ: Абражеевым Р.В. (темы 1-6), Елипашевой Е.В. (тема 4), Кулешовой Н.В. (темы 1, 2, 6), Лизуновой Г.М. (тема 6), Лукутцовым А.А. (тема 4), Нипрук О.В. (тема 3).

5

1.РАСТВОРЫ

I.Основные понятия: раствор, растворитель, растворенное вещество, растворы истинные и коллоидные, разбавленные и концентрированные, ненасыщенные, насыщенные и пересыщенные, коэффициент растворимости.

II.Способы описания количественного состава растворов: молярная и эквивалентная концентрации, титр, массовая и мольная доля.

III.Приготовление растворов солей, кислот и оснований из индивидуальных веществ, разбавление растворов.

Теоретический минимум к разделу

Раствором называется гомогенная (однородная) система, состоящая, по крайней мере, из двух компонентов – растворителя и растворенного вещества. Растворенных веществ в растворе может быть несколько.

Существуют различные способы описания количественного состава растворов. Важнейшими являются молярная и эквивалентная концентрации.

Молярная концентрация

 

 

показывает какое количество (то есть,

сколько моль)

растворенного

вещества Х содержится в 1 литре раствора и

 

( )

 

 

 

 

 

 

выражается в единицах моль/л (устаревшее сокращенное обозначение – М):

 

 

 

 

 

 

(

)

 

 

 

(1.1)

Эквивалентная

концентрация

.

 

 

или

молярная

 

(

) =

 

название —

нормальная

концентрация

эквивалентов

(

устаревшее

 

 

(

экв( )

)

 

 

концентрация) показывает, сколько моль эквивалентов растворенного вещества Х находится в 1 литре раствора и выражается в единицах моль/л (устаревшее сокращенное обозначение – н.):

Эквивалентом

( экв( )

) =

( экв(

) )

.

(1.2)

 

или

 

 

называется

реальная

условная частица вещества,

которая может присоединять, высвобождать или каким-либо другим образом быть эквивалентна одному иону водорода в кислотно-основных реакциях или одному электрону в окислительно-восстановительных реакциях. Один моль эквивалентов вещества, как и моль любых частиц, содержит 6.02Ч1023 эквивалентов, а молярная масса эквивалента численно равна сумме атомных масс входящих в эквивалент атомов.

Эквивалент одного и того же вещества может быть различным в зависимости от реакции, поэтому при использовании термина «эквивалент» необходимо указывать к какой конкретно реакции он относится.

Эквивалент вещества Х обозначают формулой эквивалента экв( ) , где экв( ) – фактор эквивалентности. Фактор эквивалентности – это число, записанное в форме обыкновенной дроби, показывающее, какую долю

6

реальной частицы вещества (то есть молекулы или иона) либо формульной единицы вещества составляет эквивалент.

Примеры: а)

=

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1/1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и записывается

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

формульной единицы

 

 

 

эквивалент

 

 

соответствует

 

 

 

 

 

 

 

фактор

 

1/1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

эквивалентности

обозначается

 

, моль/л,

 

 

 

 

молярная концентрация

 

 

 

 

 

 

 

 

экв

(

 

 

)

= 1/1

 

(1/1

)

 

 

 

 

 

б)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, моль/л.

эквивалентная концентрация

обозначается

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

)

 

 

 

 

 

 

 

эквивалент

 

 

 

соответствует

 

 

 

 

формульной единицы

 

 

= 2

+

 

 

 

 

 

 

1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

фактор

 

1/2

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и записывается

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

эквивалентности

обозначается

 

;

 

 

, моль/л,

 

 

 

молярная концентрация

 

 

 

 

 

 

 

 

экв

(

 

 

 

 

 

) = 1/2

(1/2

 

)

 

 

 

 

в)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

обозначается

 

 

 

 

эквивалентная концентрация

 

 

 

 

 

 

 

 

(

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

=

+

 

 

1/1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и записывается

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

формульной единицы

 

 

эквивалент

 

 

 

соответствует

 

 

 

 

 

 

фактор

 

1/1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

эквивалентности

обозначается

 

 

, моль/л,

 

 

 

молярная концентрация

 

 

 

 

 

 

 

экв

(

 

 

 

 

)

= 1/1

 

 

 

)

 

 

 

 

 

г)

 

 

 

 

 

 

обозначается

(1/1

 

 

 

 

эквивалентая концентрация

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ 8

+ 5 =

 

 

 

+ 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и записывается

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

1/5

формульной единицы

 

эквивалент

 

 

 

соответствует

 

 

 

 

 

фактор

 

1/5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

эквивалентности

обозначается

 

 

 

, моль/л,

 

 

молярная концентрация

 

 

 

 

 

 

 

экв

(

 

 

 

 

 

 

) = 1/5

 

)

 

 

 

, моль/л.

эквивалентная концентрация

обозначается

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

 

 

 

 

 

)

между собой

 

Молярная

и

 

эквивалентная

 

 

концентрации связаны

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1/5

 

 

 

 

следующим соотношением:

экв(

 

) ∙ ( экв(

) ).

 

 

 

 

 

 

 

Титр

 

 

 

 

 

(

) =

 

 

 

 

 

 

(1.3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

показывает массу вещества Х, растворенного в 1 мл раствора и измеряется в г/мл, однако, обычно размерность титра не указывают. Иногда используют также титр раствора Х по определяемому веществу Y – так

называемый условный титр

с /

. Эта величина показывает массу вещества Y,

способную прореагировать

1 мл раствора вещества Х. Выражение

концентрации через титр используется в массовых анализах, поскольку для нахождения массы вещества достаточно умножить соответствующий титр на объем раствора.

Связь между титром и молярной и эквивалентной концентрациями

определяется следующими формулами:

 

 

 

 

=

=

(

) ∙ ( ) ∙10

;

 

(1.4)

 

;

(1.5)

 

( экв(

)

) ∙ ( экв( )

) ∙10

;

(1.6)

где: М(Х)

молярная масса Х, г/моль;

) ∙10

 

 

/ =

( экв(

)

) ∙ ( экв( )

 

 

7

(

экв(

)

 

– молярная масса эквивалента Х, г/моль;

 

) – молярная масса эквивалента Y, г/моль.

 

Массовая доля показывает отношение массы растворенного вещества

(

экв(

)

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

к общей массе раствора и выражается в долях единицы:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(вещества)

 

 

 

(1.7)

Поэтому,

массовая

доля является безразмерной величиной. Часто

 

=

 

(раствора).

 

 

 

 

массовую долю приводят в процентах:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(вещества)

 

 

 

 

 

(1.8)

Процент не

является единицей измерения!

 

 

 

 

,%

=

(раствора)

∙100,% .

 

 

Для растворов, плотность которых

равна

(г/мл),

справедливы

следующие соотношения:

 

=

 

( ) ∙ ( )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1.9)

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∙1000

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( экв(

)

) ∙ ( экв(

) )

 

(1.10)

Если массовая

доля приводится в процентах, то:

 

 

 

=

 

 

 

 

 

∙1000

.

 

 

 

 

 

 

 

 

,% =

 

( ) ∙ ( )

 

 

 

 

(1.11)

 

 

 

 

 

 

 

)

и ∙10

,%

 

 

 

 

 

 

доля

 

 

( экв(

) ∙ ( экв(

) )

 

 

(1.12)

 

 

 

X

показывает отношение количества вещества к

Мольная

 

,% =

 

 

 

 

 

∙10

 

 

,% .

 

 

количеству смеси:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(вещества)

 

 

 

 

(1.13)

Для

раствора

индивидуального вещества эта формула может быть

 

 

 

 

=

 

 

(смеси)

.

 

 

 

 

записана:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(растворенноговещества)

 

(1.13)

 

способ в аналитической химии применяется относительно редко.

Этот=

(растворенноговещества)

+

 

(растворителя).

 

Вопросы для самоконтроля

1.Что такое «раствор»?

2.Чем отличаются истинные и коллоидные растворы?

3.Что такое «насыщенный раствор»?

4.Чем отличаются разбавленные и концентрированные растворы?

5.Может ли разбавленный раствор быть насыщенным, а концентрированный – ненасыщенным? Если да, приведите примеры.

8

6.Как приготовить пересыщенный раствор и в чем его особенности?

7.Как приготовить раствор желаемой концентрации вещества из твердого вещества и из концентрированного раствора?

8.Как приготовить раствор путем разбавления концентрированного раствора в желаемом объемном соотношении?

Задачи с решениями

1. Рассчитайте массовую долю нитрата натрия в растворе, приготовленном растворением 3.1416 г нитрата натрия в воде и доведением объема в мерной колбе до 1 л. Представьте результат а) в долях единицы и б) в процентах.

Примите плотность раствора равной 1.0 г/мл.

 

(вещества)

(вещества)

Решение

 

3.1416г

 

 

 

3.1416г

 

 

=

(раствора)

=

=

1000мл ∙1.0г/мл

=

1000г

=

= 0.0031416≈ 0.0031.

,% = ∙100% = 0.0031∙100% = 0.31% .

Ответ: а) 0.0031;б) 0.31% .

2. Рассчитайте молярную концентрацию 10.0 % раствора соляной кислоты.

Примите плотность раствора равной 1.05 г/мл.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение

 

 

Для 1 л раствора:

= 1л = 1000мл.

 

 

 

(

) =

 

 

=

(раствора) ∙ ( )

=

∙ ∙ ( )

=

 

 

=

1.05г/мл ∙1000мл ∙0.100

= 2.876моль.

 

 

 

(

36.5

 

2.876моль

 

 

 

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

(

) =

 

 

 

=

 

 

 

 

= 2.876моль/л ≈ 2.88моль/л.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответ:

2.88моль/л.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Рассчитайте эквивалентную концентрацию раствора дихромата калия с молярной концентрацией 0.0020 моль/л, если в реакции дихромат-ионы восстанавливаются до ионов трехвалентного хрома.

Решение

+ 14 + 6 = 2 + 7 .

9

(

 

) =

экв(

) ∙ ( экв( ) ).

(

 

) = 1/6 ∙ (1/6

 

).

6 ∙0.0020моль/л = 0.012моль/л.

(1/6

 

 

) = 6 ∙ (

 

) =

 

 

 

 

 

 

Ответ:

0.012моль/л.

 

 

 

 

 

 

 

4. Рассчитайте мольную долю сахарозы в растворе, полученном при растворении 3.42 г сахарозы в 90 г воды.

(

 

 

H) =

 

 

 

 

 

3.42

 

 

Решение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H

 

 

 

 

 

=

342

= 0.0100моль.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

 

) =

 

=

90

= 5.00моль.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

18

 

(

 

H

 

H)

 

 

 

0.0100моль

 

(

 

 

H) =

 

 

 

 

 

 

=

 

=

H

 

(

 

H

 

H) +

(

)

0.0100моль + 5.00моль

= 0.001996≈ 0.0020.

 

 

 

 

 

Ответ:

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( H H) = 0.0020

Задачи для самостоятельного решения

1. Рассчитайте, какие объемы концентрированной соляной кислоты и воды необходимы для приготовления 500 мл раствора соляной кислоты (1 : 4).

Ответ: 100 мл кислоты и 400 мл воды.

2. Рассчитайте, какую навеску хлорида натрия необходимо взять для приготовления 300 мл физиологического раствора (раствора хлорида натрия с массовой долей 0.90 %).

Примите плотность раствора равной 1.0 г/мл.

Ответ: 2.7 г.

3. Рассчитайте, какой объем 10.0 % раствора йодида калия и воды необходимо взять, чтобы приготовить 1.00 л раствора йодида калия с массовой долей 4.00 %.

Примите плотность раствора равной 1.00 г/мл.

Ответ: 400 мл раствора йодида калия и 600 мл воды.

4. Рассчитайте молярную концентрацию раствора гидроксида натрия, приготовленного растворением навески препарата массой 40 г, содержащего 10 % примесей, в воде и доведенного до объема 0.50 л.

Ответ: 1.8 моль/л.

10

5. Рассчитайте, какой объем раствора азотной кислоты с концентрацией 0.050 моль/л можно получить из 100 мл 1.0 моль/л раствора.

Ответ: 2.0 л.

6.Рассчитайте а) титр, б) молярную и в) эквивалентную концентрацию

15.0% раствора серной кислоты.

Примите плотность раствора равной 1.10 г/мл, кислота диссоциирует необратимо по обеим ступеням.

Ответ: а) 0.150 г/мл; б) 1.68 моль/л; в) 3.36 моль/л.

7. Рассчитайте, какой вместимости должна быть мерная колба для приготовления раствора серной кислоты с эквивалентной концентрацией 0.2 моль/л из фиксанала, содержащего 0.1 моль эквивалентов вещества.

Ответ: 0.5 л.

8. Рассчитайте титр 0.1 моль/л раствора уксусной кислоты.

Ответ: 0.006 г/мл.

9.Рассчитайте навеску дихромата калия, необходимую для

приготовления 0.500 л его раствора с эквивалентной концентрацией 0.100 моль/л, если раствор будет использоваться для окисления железа (II).

Ответ: 2.45 г.

10. Рассчитайте навеску глауберовой соли (десятиводного кристаллогидрата сульфата натрия), необходимую для приготовления 400 г 10.0 % раствора сульфата натрия.

Ответ: 90.7 г.

11. Рассчитайте мольную долю серной кислоты в 45 % растворе. Примите плотность раствора равной 1.35 г/мл.

Ответ: 0.13.

12. Рассчитайте, какие объемы воды и 30 % раствора соляной кислоты необходимо прилить к 2.0 литрам 10 % раствора соляной кислоты, чтобы получить 5.0 кг 14 % раствора соляной кислоты?

Примите плотность 30 % раствора соляной кислоты равной 1.2 г/см3, плотность 10 % раствора соляной кислоты равной 1.1 г/см3.

Ответ: 1.2 л воды и 1.3 л кислоты.

11

2. СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА И ИОННЫЕ РЕАКЦИИ В РАЗБАВЛЕННЫХ РАСТВОРАХ

I.Условия равновесия химической реакции. Активность и коэффициент активности ионов. Концентрационная и термодинамическая константы

равновесия. Общая (аналитическая) и равновесная концентрации.

II.Понятие ионной силы раствора и её вычисление. Влияние солевого эффекта на константу равновесия.

III.Диссоциация полиэлектролитов (кислот и оснований). Уравнение материального баланса и электронейтральности системы. Условные константы. Расчёт равновесных концентраций компонентов растворов

слабых кислот и оснований при заданном значении

J.

 

 

Теоретический минимум к разделу

Для обратимой химической реакции:

(2.2)

 

и

K +

 

M

P+ Q

 

 

 

 

 

 

(2.1)

скорости прямой

 

обратной

реакции определяются уравнениями:

и

 

 

 

=

,

(2.2)

где: k1 – константа скорости

прямой реакции,

 

 

=

 

 

k2 – константа скорости обратной реакции,

молярные концентрации участников реакции.

Всостоянии равновесия скорости прямой и обратной реакции равны,

поэтому концентрационная

константа равновесия

определяется

следующим отношением:

 

 

 

[ ] [ ]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2.3)

 

 

 

 

 

 

Формула

вещества

или иона, заключенная в квадратные скобки

 

=

 

=

[ ] [ ] .

 

 

есть

используется

для обозначения

равновесной концентрации, то

 

[ ]

концентрации конкретной формы вещества в растворе в состоянии равновесия, в отличие от общей, так называемой аналитической, концентрации вещества или иона в растворе – .

 

Термодинамическая константа равновесия

определяется формулой:

 

 

 

 

 

,

(2.4)

где

– активность участников

реакции.

 

 

=

 

 

 

Под активностью

вещества

(иона)

понимают кажущуюся

концентрацию, соответствующую реальным свойствам вещества (иона).

Связь между активностью индивидуального иона и его концентрацией осуществляется через коэффициент активности индивидуального иона :

= .

(2.5)

 

12