Lab_rab_2 эквиваленты

Лабораторная работа «Определение молярной массы эквивалентов вещества в реакциях обмена».

Цель работы: Определение молярной массы эквивалентов кислоты методом кондуктометрического титрования щелочью.

Идентификация кислоты. Расчет ошибку (погрешности) определения молярной массы эквивалентов кислоты.

1.Теоретическая часть.

Химическим эквивалентом (Э(В)) (по рекомендациям ИЮПАК) называется условная или реальная частица, равная или в целое число раз меньшая соответствующей ей формульной единице:

где «В» – формульная единица вещества: реально существующая частица, такая как атом (Cu, Na, C), молекула (N₂, KOH, Al₂(SO₄)₃, CO₂), ионы (OH^-, SO₄^2-, Cu²⁺), радикалы (-NО₂, С₂Н₅-), условные молекулы кристаллических веществ и полимеров, любые другие частицы вещества.

- эквивалентное число, показывающее какое число эквивалентов вещества «В» условно содержится в данной формульной единице этого вещества.

= f_экв. - фактор эквивалентности.

Эквивалентное число Z всегда больше или равно 1 и является безразмерной величиной.

Расчет эквивалентного числа различных формульных единиц представлен в таблице 1.1.

Таблица 1.1. Расчет эквивалентного числа Z вещества.

частица	эквивалентное число Z	Пример
Элемент	Z(Э) = В(Э), где В(Э) – валентность элемента	Z(S)H2SO4 = 6 Z(C)CO2 = 4
Простое вещество	Z(в-ва) = n(Э)∙В(Э), где n(Э) – число атомов элемента В(Э) – валентность элемента	Z(O2) = 2∙2=4 Z(Cl2) = 2∙1=2
Оксид	Z(Э2Ох) = n(Э)∙В(Э), где n(Э) – число атомов элемента В(Э) – валентность элемента	Z(Н2О) = 2∙1=2 Z(SО2) = 1∙4=4 Z(Al2О3) = 2∙3=6
Кислота	Z(к-ты) = n(Н+), где n(Н+) – число отданных в ходе реакции ионов Н+ (основность кислоты)	Z(Н2SО4) = 1 – основность равна 1 Z(Н2SО4) = 2 – основность равна 2
Основание	Z(осн-я) = n(ОН-), где n(ОН-) – число отданных в ходе реакции гидроксид ионов ОН- (кислотность основания)	Z(Са(ОН)2 = 1 – кислотность равна 1 Z(Са(ОН)2) =2 – кислотность равна 2
Соль	Z(соли) = n(Ме)∙В(Ме) = n(А)∙В(А), где n(Ме), В(Ме) – число атомов металла и его валентность n(А), В(А) – число кислотных остатков и их валентность	Z(Na2SО4) = 2∙1=1∙2=2 Z(Al2(CO3)3) = 2∙3=3∙2=6
Частица в ОВР	Z(частицы) = nе, где n е – число электронов, участвующих в процессе, на одну формульную единицу	SO42-+2H++ +2e→SO32-+H2O Z(SО42-)=2, Z(H+)=1 2Cl- - 2e→Cl2 Z(Cl-)=1, Z(Cl2)=2
ион	Z(иона) = n, где n – заряд иона	Z(SО42-) = 2

Величины эквивалентного числа, а, следовательно, и эквивалента зависят от химической реакции, в которой участвует данное вещество.

Например, в реакции нейтрализации фосфорной кислоты, эквивалентное число (эквивалент) кислоты меняется в зависимости от полноты протекания реакции.

Для реакции H₃PO₄ + 3KOH → K₃PO₄ + 3H₂O эквивалентное число Z(H₃PO₄) = n(Н⁺) = 3, т.к. в реакции участвуют три иона Н⁺ фосфорной кислоты, и эквивалентом H₃PO₄ будет являться условная частица 1/3H₃PO₄ (Э(H₃PO₄) = 1/3H₃PO₄).

В реакции H₃PO₄ + KOH → KН₂PO₄ + H₂O замещается только один ион водорода Н⁺ и поэтому Z(H₃PO₄) = n(Н⁺) = 1, а эквивалентом кислоты является частица H₃PO₄ (Э(H₃PO₄)= 1H₃PO₄).

В обменных реакциях эквивалентное число (эквивалент) определяется стехиометрией реакции. Находят наименьшее общее кратное всех стехиометрических коэффициентов в уравнении реакции и делят стехиометрические коэффициенты на найденное наименьшее общее кратное.

Например, в реакции Cr₂(SO₄)₃ + 6KOH → 2Cr(OH)₃ + 3K₂SO₄

наименьшее общее кратное всех стехиометрических коэффициентов равно 6:

1/6Cr₂(SO₄)₃ + KOH → 1/3Cr(OH)₆ + 1/2K₂SO₄

Следовательно, эквивалентное число Z(Cr₂(SO₄)₃) = 6, Z(КОН) = 1, Z(Cr(OH)₃) = 3, а Z(K₂SO₄) = 2. Эквивалентом Cr₂(SO₄)₃ будет являться условная частица 1/6Cr₂(SO₄)₃, Э(КОН)=1КОН, Э(Cr(OH)₃) = 1/3Cr(OH)₃, Э(K₂SO₄) = 1/2K₂SO₄.

Эквивалент, как частица, может быть охарактеризован молярной массой М_э(В), молярным объемом V_э(В) и определенным количеством вещества n_э(В).

Количество вещества эквивалента (n_э) – величина, пропорциональная отношению числа эквивалентов вещества (N_э) к числу Авогадро (N_А), равному 6,02∙10²³ формульных единиц (ф.е.):

n_э = N_э/ N_А , [моль]

(по аналогии с количеством вещества: n = N/ N_А, [моль])

Так как в одной формульной единице (атоме, молекуле, радикале и т.д.) содержится Z(В) эквивалентов вещества, то число химических эквивалентов вещества N_э равно произведению Z(В) на N_ф.е.,

N_э = Z(В) ∙ N_ф.е

и, соответственно,

n_э = Z(В) ∙ n, [моль]

Таким образом, моль эквивалентов вещества – это количество вещества, содержащее 6,02∙10²³ эквивалентов.

Молярной массой эквивалентов вещества (М_э(В)) называется масса одного моль эквивалентов вещества В, равная отношению массы вещества (m(В)) к количеству вещества эквивалентов (n_э(В)) :

М_э(В) = m(В)/ n_э(В); [г/моль] или [кг/моль]

Взаимосвязь между молярной массой вещества М(В) и молярной массой его эквивалентов М_э(В) выражается соотношением:

М_э(В) = М(В) / Z(В),

т.е. молярная масса эквивалентов вещества всегда в Z раз меньше молярной массы этого вещества.

Молярную массу эквивалентов сложного вещества можно представить, как сумму молярных масс эквивалентов образующих его составных частей. Например,

М_э(оксида) = М_э(элемента) + М_э(кислорода);

М_э(кислоты) = М_э(Н⁺) + М_э(кислотного остатка);

Например, молярная масса эквивалентов основной соли сульфата кальция равна: М_э((CaOH)₂SO₄) = М_э((CaOH)⁺) + М_э(SO₄^2-)=

=

Молярным объемом эквивалентов газообразного вещества V_э(В) называется объем одного моль эквивалентов газообразного вещества, равный отношению объема данного газообразного вещества (V_газ) к количеству вещества эквивалентов газообразного вещества:

V_э(газа) = V_газ / n_э , [л/моль]

Учитывая, что для газов, принимаемых условно за идеальные, n = V / V_М,

где V_М = 22,414 л/моль – объем одного моль любого газа при нормальных условиях (н.у.: Т=273,15К, р=1,01325∙10⁵ Па или 1 атм, или 760 мм рт.ст.), тогда молярный объем эквивалентов любого газа равен:

V_э(газа) = V_М/ Z(В) = 22,414 / Z(В) , л/моль.

Закон эквивалентов (И.Рихтер 1792г.): количества вещества эквивалентов всех участвующих в реакции веществ равны .

Например, для реакции аА + вВ → сС + dD будут справедливы равенства:

n_э(А) = n_э(В) = n_э(С) = n_э(D)

или

Если вещества газообразные, то закон эквивалентов принимает вид:

Закон эквивалентов для реагирующих веществ, находящихся в растворе выражается, как равенство:

с_э(А)∙V_р-ра(А) = с_э(В)∙V_р-ра(В),

где с_э(i) = моль/л - молярная концентрация эквивалента i вещества, равная отношению количества вещества эквивалента n_э(i) к объему раствора вещества V_p-pa(i).

Одним из методов определения концентрации раствора является метод кондуктометрического титрования. Кондуктометрическое титрование – метод определения точки эквивалентности по изменению величины электропроводности раствора. Суть метода заключается в том, что в точный объем анализируемого раствора добавляют титрант и определяют изменение электропроводности раствора. Электропроводность – способность вещества проводить электрический ток. Количественной мерой этой способности является удельная электропроводность κ (каппа):

κ =1/RS [1/(Ом∙м) = См/м (сименс/м)],

где R – электрическое сопротивление проводника (Ом), длина которого l (м) и площадь поперечного сечения S (м²). В химии чаще используют мСм·см^-1 (миллисименс/см).

В данной работе используется титрование сильной кислоты сильным основанием. В начале титрования электропроводность раствора высокая, т.к. сильная кислота практически полностью диссоциирована на ионы. Известно, что самой большой подвижностью обладают ионы Н⁺ и ОН^- . В процессе титрования сильной кислоты щелочью происходит замещение ионов водорода менее подвижными ионами натрия, при этом количество ионов Н⁺ падает за счет связывания с ионами гидроксила в мало диссоциированную воду Н⁺ + ОН^- = Н₂О. Следовательно, в процессе нейтрализации электропроводность раствора постепенно убывает, пока все ионы Н⁺ не будут замещены ионами Na⁺ , т.е. пока кислота не будет полностью нейтрализована. В этот момент электропроводность достигает минимального значения и данная точка называется точкой эквивалентности. При дальнейшем добавлении щелочи ионы ОН- перестают связываться, общее число ионов увеличивается и электропроводность начинает расти. Подъем линии электропроводности после точки эквивалентности менее крутой, т.к. подвижность ионов ОН^- меньше, чем ионов Н⁺ (см.рис.1).

Рис.1. Изменение электропроводности раствора при кондуктометрическом титровании сильной кислоты сильным основанием.

В точке эквивалентности выполняется закон эквивалентов

n_э(к) = n_э(щ) или с_э(к)∙V_р-ра(к) = с_э(щ)∙V_р-ра(щ). (1)

Зная объем раствора исследуемой кислоты V(к) , объем раствора щелочи, пошедший на титрование V(щ) и ее исходную концентрацию, можно вычислить молярную концентрацию эквивалентов кислоты с_э(к):

. (2)

Если к тому же известна масса растворенной кислоты (например, титр), можно найти молярную массу эквивалента кислоты.

Титр (Т) – один из способов выражения концентрации раствора, показывающий массу (г) растворенного вещества в 1 мл раствора:

Т = m/V , г/мл.

Молярная масса эквивалентов кислоты может быть вычислена из соотношений:

(3)

Экспериментальная часть

Оборудование.

Компьютер, датчик электропроводности, датчик объема жидкого реагента, магнитная мешалка, мерный цилиндр на 100 мл, шприц на 10 мл, химический штатив, штатив для электродов, химический стакан на 50 мл.

Реактивы.

Растворы кислот (HCl, H₂SO₄, HNO₃) с указанным значением титра, Т г/мл, титрант - раствор щелочи КОН или NaOH с_э = 0.1 моль/л, спиртовой раствор фенолфталеина.

Ход работы.

1.Возьмите у преподавателя две-три склянки с растворами кислот известных титров. Запишите в ст.1 табл.1 титры выданных кислот.

Рис.2. Установка для кондуктометрического титрования

2.1 – датчик объема жидкого реагента;

2.2 - штатива для электродов;

2.3 – датчик электропроводности;

2.4 – химический стакан;

2.5 – магнитная мешалка;

2.6 – шприц;

2.7 – колесико датчика объема жидкого реагента;

2. Соберите установку для кондуктометрического титрования, как показано на рис.2.

3.Закрепите датчик объема жидкого реагента (рис.2.1) в лапке химического штатива.

4.Поместите в держателе штатива для электродов (рис.2.2) датчик электропроводности (рис.2.3).

5. Отберите мерным цилиндром 20 мл кислоты с заданным титром и перенесите в стакан на 50 мл (рис.2.4), туда же добавьте 1-2 капли фенолфталеина. Стакан поставьте на магнитную мешалку (рис.2.5).

6.Заполните шприц (рис.2.6) полностью титрантом (0,1н раствор NaOH) , закройте колпачком и установите в датчик объема жидкого реагента. Подкручивая колесико в датчике (рис.2.7), подведите толкатель к поршню шприца. Установите датчик так, чтобы титрант из шприца попадал в стакан с кислотой.

7. Опустите датчик электропроводности в стакан с кислотой, так чтобы он не касался ни стенок, ни дна.

8. Подключите через USB- разъемы к компьютеру датчики жидкого реагента и электропроводности.

9.Включите мешалку.

10.Включите компьютер и запустите программу «Химия-практикум» (рис.1.8).

11.После обнаружения датчиков, на экране появится 2 шаблона графиков: зависимости электропроводности от времени и количества добавленного титранта от времени. В окне измерений выберите режим – «Зависимость одного от другого по нажатию». Должен появиться шаблон графика, отображающий зависимость текущего значения электропроводности от количества добавленного титранта.

12.Установите параметры датчиков:

пределы по осям координат: по абсциссе (Х) - (0 – 12) мл,

по ординате (У) - ( 0 - 1 мСм·см^-1.

13.Нажмите кнопку « Запустить измерение» и начинайте добавлять в стакан с помощью датчика жидкого реагента определенные объемы титранта. Начинайте добавлять с объема порядка 0,1 мл. Титруйте до тех пор, пока электропроводность, которая вначале падала, не будет увеличиваться и раствор не приобретет устойчивый розовый цвет.

14.Первое титрование является прикидочным. На основании его результатов оптимизируйте условия следующего точного титрования. Добавьте в пробу объем титранта на 1-2 мл меньше, чем необходим объем в точке эквивалентности. Затем титруйте с шагом 0,1-0,2 мл и заканчивайте титрование на 1-2 мл больше, чем необходимо в точке эквивалентности.

15.Нажмите кнопку «Остановить измерение».

16.Нажмите кнопку «Экспорт данных во внешний файл». Выберите место сохранения файла - создайте папку.

17.Сразу после окончания эксперимента вылейте содержимое стакана. Ополосните щуп датчика электропроводности и стакан дистиллированной водой.

Обработка экспериментальных данных

Таблица 1. Экспериментальные данные

Титр, Т, г/мл	V(щ), мл	Сэ(щ), моль/л	Мээксп(к), моль/л	Мэтеор(к), моль/л
1	2	3	4	5

1. Файлы с результатами измерений откройте в программе «MS Excel». В них содержатся два столбца: первый – объем введенного титранта, второй – электропроводность при этом объеме.

2.Постройте график зависимости электропроводности от объема добавленного титранта (см. рис.1).

3.Определите точку эквивалентности: проведите аппроксимирующие прямые на графике до их пересечения и определите объем, соответствующий точке пересечения (на оси абсцисс). Запишите объем щелочи V(щ) в ст.2 табл.1.

4. Запишите три уравнения возможных реакций в молекулярном и ионном видах:

NaOH + НСl →

NaOH + H₂SO₄ →

NaOH +HNO₃ →

4. Рассчитайте теоретические значения молярных масс эквивалентов трех кислот по формуле: М_э(к) = М(к) / Z(Н⁺).

5. Рассчитайте по закону эквивалентов (2) значение молярной концентрации эквивалентов выданной кислоты.

6.Рассчитайте значение молярной массы эквивалентов выданной кислоты из экспериментальных данных по уравнению (3).

7. Сравните экспериментальное значение М_э(к) с рассчитанными теоретическими значениями и идентифицируйте кислоту.

8. Рассчитайте абсолютную и относительную ошибки определения М_э(к) по формулам:

- абсолютная ошибка: Δ =│ М_э^теор(к) - М_э^эксп(к)│

- относительная ошибка: δ =

Контрольные вопросы.

1.Какой раствор является титрантом?

2.Какой раствор является индикатором? Как изменяется его цвет в точке эквивалентности?

3.Что такое точка эквивалентности?

4.Почему при точном титровании кривую титрования не записывают с самого начала?

5.Объясните ход кривой титрования кислоты щелочью.

6.Изменится ли ход кривой титрования, если титровать щелочь кислотой?

Знания и навыки, необходимые для защиты лабораторной работы:

1. Понятия: химический эквивалент, фактор эквивалентности, эквивалентное число, количество вещества эквивалента, молярная масса эквивалента, молярный объем эквивалента.

2. Расчет эквивалентного числа.

3. Расчет молярной массы и молярного объема эквивалента.

4. Закон эквивалентов.

5. Выражение концентрации - титр.