Ананьева О.А., Бурухин С.Б., Мачула А.А. и т.д
..pdfОбразующийся углекислый газ остается в растворе в виде Н2СО3, т.к. его количество невелико. Раствору СО2 в воде соответствует рН ≈, поэтому точку эквивалентности определяют по изменению окраски метилового оранжевого, которая при рН = 4 переходит из желтой в оранжевую.
Общую жесткость воды можно определить с помощью раствора двухзамещенной натриевой соли этилендиаминтетерауксусной кислоты (комплексон III, Na2ЭДТА или трилон – В):
Это вещество за счет свободных электронных пар образует донорно–акцепторные связи с комплексообразователями, в качестве которых выступают ионы Са2+ и Mg2+. При образовании комплекса происходит замена двух ионов водорода соли на 1 ион металла: Са2+ + Н2ЭДТА2- →[Са(ЭДТА)]2- + 2Н+
Mg2++ Н2ЭДТА2- →[ Mg(ЭДТА)]2- + 2Н+.
Образующиеся комплексы очень устойчивы (КН ≈ 1 10-11 для первого, КН ≈ 1 10-9 для второго), т.к. число донорно-акцепторных связей 1 иона металла с 1 молекулой – лигандом (дентантность) равно 6. При титровании трилон – В реагирует с ионами металлов до тех пор, пока все ионы Са2+ и Mg2+ не окажутся связанными.
Индикатором точки эквивалентности служат соединения, дающие с ионами Са2+ или Mg2+ окрашенные комплексы, менее прочные, чем комплексы с Na2H2ЭДТА. Таким индикатором является эриохром черный (ЭТ-00). Это органический краситель, дающий с Mg2+ комплексную соль красно-фиолетового цвета.
Таким образом, если к жесткой воде прибавить несколько капель спиртового раствора ЭТ–00, то вода окрасится в краснофиолетовый цвет вследствие присутствия в ней ионов магния. Если же затем понемногу прибавлять раствор комплексона III с известной концентрацией, в первую очередь, будет образовываться наиболее прочный комплекс с ионами кальция, а затем менее прочный комплекс с ионами магния. При этом комплекс ионов магния с индикатором, как наименее прочный, распадется и цвет воды перейдет из красно-фиолетового в синий (точка эквивалентности).
Следует иметь в виду, что эриохром черный имеет синий цвет только при pH = 7 – 11, а в кислой среде он принимает вишневокрасный цвет. Поэтому титрование ведут в присутствии буферного
51
раствора NH4ОН – NH4Cl, для которого pH = 9 – 10. Буфер нейтрализует кислоту, выделяющуюся при титровании.
Лабораторная работа
Цель работы
Определение жесткости водопроводной воды.
Приборы и посуда
Колбы конические 150 мл – 3 шт., 250 мл – 1 шт. Бюретки 50 мл – 2 шт.
Мерный стаканчик на 10 мл – 1 шт. Мерный цилиндр на 50 – 100 мл.
Реактивы:
0,01н НС1; 0,02н Na2H2ЭДТА; буферная смесь NH3 + NH4Cl;
раствор метилового оранжевого; раствор ЭТ−00.
Выполнение работы
По указанию преподавателя работа проводится с горячей или холодной водопроводной водой. Для проведения экспериментов необходимо не менее 300 мл воды. Ее нужно отобрать сразу, т.к. жесткость водопроводной воды со временем может меняться. Отберите воду в колбу на 250 мл и в мерный цилиндр.
А. Определение карбонатной жесткости.
В три колбы емкостью по 150 мл залейте по 50 мл отобранной воды с помощью мерного цилиндра.
Добавьте в каждую по 1 капле индикатора метилоранжа. Заполните 1 бюретку 0,01н раствором НС1.
Титруйте воду в первой колбе 0,01н раствором НС1, постоянно взбалтывая раствор. Прекратить титрование при переходе желтого цвета в оранжевый (сравнить со «свидетелем»). Объем прибавленной кислоты записать.
Оттитруйте в двух оставшихся колбах воду до цвета «свидетеля», учитывая при этом объем раствора кислоты, пошедший на первое титрование; последние 1–2 мл добавлять по каплям. Объем прибавленной кислоты записать.
Найти средний объем (Vср, мл) раствора кислоты, пошедший на два последних титрования. Рассчитать карбонатную жесткость:
Жк = 1000 СN(НС1) Vср/50,
52
где СN(НС1) – нормальность раствора НС1, моль/л; 50 – объем исследуемого раствора, мл.
Б. Общая жесткость.
В3 вымытые дистиллированной водой колбы V по 150 мл каждая влить по 50 мл исследуемой воды с помощью мерного цилиндра.
Вкаждую колбу с помощью мерного стаканчика добавить по ≈ 6 мл буферной смеси и 4 капли индикатора ЭТ–00.
Заполните вторую бюретку 0,02н раствором комплексона III. Титруйте воду в первой колбе раствором комплексона III до перехода красно-фиолетового цвета в синий («свидетель»!). Объем
раствора записать.
Оттитруйте содержимое двух оставшихся колб с учетом результата первого титрования. Объемы растворов комплексона III записать.
Найти средний объем (Vср, мл) раствора комплексона III, пошедший на титрование двух последних растворов. Рассчитать общую жесткость:
Жо = 1000 СN(Na2H2ЭДТА) Vср/50.
В. Некарбонатная жесткость
Жн.к. = Жо – Жк.
Контрольные вопросы
1.Какую воду называют жесткой?
2.Почему карбонатную жесткость называют временной?
3.Чем обусловлена некарбонатная жесткость и почему ее называют постоянной?
4.Приведите уравнения реакций термического разложения гидрокарбонатов кальция и магния.
5.Напишите уравнения взаимодействия гидрокарбонатов и хлоридов кальция и магния с гашеной известью и Na2CO3.
6.В каких единицах выражается жесткость?
7.Объясните строение комплексных соединений.
8.Что такое дентантность?
9.Приведите схему диссоциации комплексного соединения
[Cu(NH3)2]Cl. Что такое константа нестойкости? Константа устойчивости?
10. Объясните сущность химических процессов, лежащих в основе метода определения общей жесткости воды.
53
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОХИМИИ. ГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Лабораторная работа
Цель работы
Определение ЭДС гальванических элементов и расчет работы, изменения свободной энергии Гиббса и константы равновесия реакций, протекающих в гальванических элементах.
Оборудование и реактивы
Милливольтметр. U-образный электролитический мостик. Химические стаканы. Пробирки. Пластинки меди, цинка, железа, свинца. Растворы: хлорида калия (насыщ.), сульфата меди (II) (1М), сульфата цинка (1М, 0,1М, 0,01М), сульфата железа (II) (1М), хлорида олова (II) (1М), хлорида кадмия (1М), нитрата серебра (0,1М).
Опыт 1. Сравнительная активность металлов
Налить в отдельные пробирки по 1 мл растворов солей цинка, железа (II), олова, кадмия, меди (II) и серебра. Опустить в растворы (кроме раствора с одноименными ионами) пластинки металлического цинка. Отметить наблюдения. Повторить опыты с пластинками железа, свинца и меди. Из каких растворов вытесняются металлы? Написать уравнения соответствующих реакций. Записать металлы по убыванию их восстановительной способности, определенной экспериментально. Выписать значения их стандартных электродных потенциалов. Соответствует ли экспериментальный ряд металлов их положению в электрохимическом ряду напряжений?
Опыт 2. Измерение ЭДС гальванического элемента и определение ∆G в окислительно-восстановительной реакции
Собрать гальванический элемент по схеме: (-) Zn|ZnSO4 || CuSO4|Cu(+)
1M 1M
при заданных концентрациях солей ZnS04 и CuS04.
В указанном гальваническом элементе протекает процесс: Zn + Сu2+ = Zn2+ + Сu.
Для этого в стаканы с растворами солей металлов опустить пластины соответствующих металлов, замкнуть полуэлементы соле-
54
вым мостиком и соединить электроды с помощью проводников с милливольтметром. Измерить ЭДС после установления стационарного значения напряжения на шкале прибора.
Сравнить опытные данные с теоретически вычисленными. Определить процент ошибки.
По найденному значению ЭДС гальванического элемента рассчитать изменение энергии Гиббса в окислительновосстановительной реакции.
Результаты измерений и рассчитанные данные представить в форме протокола:
Концентрация раствора ZnSO4, моль/л ...
Концентрация раствора CuSO4, моль/л ...
ЭДСэксп медно-цинкового элемента, В ...
∆Gэксп, Дж …
ЭДСтеор, медно-цинкового элемента, В ...
Погрешность П, % ...
∆Gтеор, Дж ... .
Погрешность П, % ...
Опыт 3. Исследование зависимости ЭДС гальванического элемента от концентрации соли
Работу проводят с гальваническим элементом
Zn0 | Zn2+|| Си2+ | Си0.
В стакан налить – 10–20 мл 1 М раствора CuSO4, концентрация которого в ходе измерений не изменяется. В остальные стаканы налить растворы ZnSO4 в порядке возрастания концентрации (0,01, 0,1 и 1М). В раствор CuSO4 опустить медный электрод; цинковый электрод опустить в раствор ZnSO4 наименьшей концентрации. Полуэлементы соединить солевым мостиком и измерить ЭДС гальванического элемента с помощью милливольтметра.
Не отключая милливольтметр, перенести цинковый электрод и соответствующий конец солевого мостика в более концентрированный раствор ZnSO4 и снова измерить ЭДС, затем тоже проделать с 1 М раствором ZnSO4.
Результаты измерений и рассчитанные данные записать в таблицу по форме:
55
СCu2' |
CZn2+' |
∆Еэксп, В |
∆Gэксп, В |
∆Етеор, В |
∆Gтеор, В |
П, % |
моль/л |
моль/л |
|
|
|
|
|
1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
0,1 |
|
|
|
|
|
|
0,01 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Какой из факторов – природа металла или концентрация его ионов в растворе в большей мере определяет значение электродного потенциала металла и, следовательно, ЭДС гальванического элемента?
Контрольные вопросы и упражнения
1.Вычислить электродный потенциал серебра, опущенного в раствор его соли концентрацией 0,001 моль/л.
2.Составить схему работы гальванического элемента, составленного из пластин железа и свинца, опущенных в растворы их солей концентрацией 0,002 моль/л. Рассчитать ЭДС элемента и изменение свободной энергии Гиббса.
3.В каком направлении будут перемещаться электроны во
внешней цепи следующих гальванических элементов: a) Mg | Mg2+ || Pb2+ | Pb;
б) Сu | Сu2+ || Ag+ | Ag, если все растворы электролитов одномолярные? Какой металл будет растворяться в каждом из этих случаев?
4. Вычислить потенциал водородного электрода, погруженного: а) в дистиллированную воду; б) в раствор с рН 4; в) в раствор с
рН 11.
5.Электродвижущая сила элемента, состоящего из медного и свинцового электродов, опущенных в молярные растворы соответствующих солей, равна 0,47 В. Изменится ли ЭДС, если взять растворы с концентрацией 0,001 моль/л? Ответы подтвердить расчетом.
6.В гальваническом элементе, состоящем из нормального медного полуэлемента и нормального цинкового полуэлемента, растворилось 0,65 г цинка. Определить работу А (Дж) данного гальванического элемента.
56
ПРИЛОЖЕНИЯ
1.Константы диссоциации воды и некоторых слабых кислот
иоснований в водных растворах (0.1н)
Соединение |
|
Ступень |
|
|
К |
|
|
Вода Н2О |
|
|
1,8 10-16 |
||||
Борная кислота (орто) Н3ВО3 |
|
I |
5,3 10-10 |
||||
|
|
I |
1,8 10-13 |
||||
|
|
III |
1,6 10-14 |
||||
Ванадиевая кислота (мета) HVO |
|
3 |
|
10 |
-5 |
||
|
3 |
|
|
|
|||
Водорода перекись Н2О2 |
|
|
2,4 10-12 |
||||
Вольфрамовая кислота H WO |
4 |
I |
1 |
|
|
-13 |
|
2 |
|
|
10 |
|
|||
Германиевая кислота H2GeO3 |
|
I |
2,6 |
10-9 |
|||
|
|
II |
1,9 |
10-3 |
|||
Кремневая кислота (мета) H2SiO3 |
I |
2 10-3 |
|||||
|
|
II |
1 10-12 |
||||
Молибденовая кислота Н МоО |
I |
1 |
|
10 |
-2 |
||
2 |
4 |
|
|
|
|||
Сернистая кислота H2SO3 |
|
I |
1,7 |
10-2 |
|||
|
|
II |
6,8 |
10-8 |
|||
Теллуровая кислота Н2ТеО4 |
|
I |
2,9 |
10-7 |
|||
|
|
II |
6,5 10-12 |
||||
Фосфорная кислота (орто) Н РО |
I |
7,9 |
|
|
-3 |
||
3 |
4 |
|
|
10 |
|||
|
|
II |
1 10-7 |
||||
|
|
III |
4,5 10-12 |
||||
Хлорноватистая кислота НС1О |
|
3,2 |
10-8 |
||||
Хромовая кислота Н2CrO4 |
|
I |
1,8 10-10 |
||||
|
|
II |
3,2 10-17 |
||||
Циановодородная кислота HCN |
|
4,8 10-10 |
|||||
Угольная кислота Н2СО3 |
|
I |
4,3 |
10-7 |
|||
|
|
II |
5,6 10-11 |
||||
Уксусная кислота СН3СООН |
|
|
1,76 10-5 |
||||
Щавелевая кислота Н2С2О4 |
|
I |
5,9 |
10-2 |
|||
|
|
II |
6,4 |
10-5 |
|||
Сероводородная кислота H2S |
|
I |
8,7 10-8 |
||||
|
|
II |
3,6 10-13 |
||||
Гидроксид аммония NH4OH |
|
|
1,79 10-5 |
||||
Гидроксид бериллия Ве(ОН)2 |
|
I |
5 10-11 |
||||
Гидроксид серебра AgOH |
|
|
5,3 |
10-3 |
|||
57
Гидроксид свинца Pb(OH)2 |
I |
1 10-3 |
|
II |
2 10-8 |
Гидроксид цинка Zn(OH)2 |
I |
4 10-5 |
2. Произведение растворимости труднорастворимых в воде веществ при 25оС
Вещество |
|
ПР |
|
||||
AgBr |
|
|
7,7 10-13 |
||||
AgCl |
|
|
1,7 10-10 |
||||
Ag2CO3 |
|
5 |
10-12 |
||||
BaCO3 |
|
8 10-9 |
|||||
BaSO4 |
|
1 |
10-10 |
||||
Be(OH)2 |
|
2,7 10-10 |
|||||
CaCO3 |
|
4,8 |
10-9 |
||||
CaC2O4 |
|
2,6 |
10-9 |
||||
CaF2 |
|
|
3,2 10-11 |
||||
CaSO |
|
|
1 |
|
10 |
-5 |
|
|
4 |
|
|
|
|||
CdCO3 |
|
2,5 10-14 |
|||||
Ce(OH)3 |
|
1 |
10-21 |
||||
Co(OH)2 |
|
2 |
10-16 |
||||
CoCO3 |
|
1 |
10-12 |
||||
Cu2S |
|
|
2 |
10-14 |
|||
CuS |
|
|
4 |
10-38 |
|||
Fe(OH)2 |
|
4,8 10-16 |
|||||
Fe(OH)3 |
|
4 |
10-38 |
||||
|
FeS |
|
|
4 |
10-19 |
||
La(OH)3 |
|
5 |
10-21 |
||||
La (C O ) |
3 |
2 |
|
-28 |
|||
2 |
2 |
4 |
|
10 |
|
||
Li2CO3 |
|
1,7 |
10-3 |
||||
MgCO |
3 |
|
1 |
|
10 |
-5 |
|
|
|
|
|
|
|||
Mg(OH)2 |
3,2 10-11 |
||||||
MgNH4PO4 |
2,5 10-13 |
||||||
MnS |
|
|
5,6 10-16 |
||||
Ni(OH)2 |
|
1,6 10-14 |
|||||
Sc(OH)3 |
|
1 |
10-28 |
||||
SrSO4 |
|
2,8 |
10-7 |
||||
TlCl |
|
|
1,5 |
10-4 |
|||
58
3. Константы нестойкости некоторых комплексных ионов
Комплексный ион |
KН |
[Fe(CN)6]4- |
1 10-27 |
[Fe(CN)6]3- |
1 10-44 |
[Fe(SCN)]2+ |
5 10-3 |
[Co (NH3)6]2+ |
8 10-6 |
[Co (NH3)6]3+ |
6 10-36 |
[Co (CN)4]2- |
8 10-20 |
[Ni (NH3)6]2+ |
2 10-9 |
[Zn (CN)4]2- |
2 10-17 |
[Cd (NH3)4]2+ |
8 10-8 |
[Cd (CN)4]2- |
1 10-17 |
[CdCl4]2- |
9 10-3 |
[CdI4]2- |
5 1017 |
[Ni (CN)6]2- |
3 10-16 |
[Cu (NH3)4]2+ |
5 10-14 |
[Cu (CN)4]3- |
5 10-28 |
[Ag (NH3)2]+ |
9 10-8 |
[Ag (CN)]2- |
1 10-21 |
[Ag (S2O3)2]3- |
1 10-13 |
[Zn (NH3)4]2+ |
4 10-10 |
[Hg (CN)4]2- |
4 10-41 |
[Hg (SCN)4]2- |
1 10-22 |
[HgBr4]2- |
2 10-22 |
[HgCl4]2- |
6 10-17 |
[HgI4]2- |
5 10-31 |
59
Литература
1.Глинка Н.Л. Общая химия. – Л.:Химия, 1989.
2.Васильева З.Г., Грановская А.А., Таперова А.Л. Лабораторные работы по общей и неорганической химии. – М.:Химия, 1979.
3.Глушков Ю.М. Лабораторный практикум по курсу «Химия». − Обнинск: ИАТЭ, 1990.
4.Глинка Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии. – Л.: Химия,
1985.
Содержание |
|
Важнейшие классы неорганических соединений …………….............. |
3 |
Основы объемного химического анализа ......…………………............ 14 |
|
Химическая кинетика ..................................……………………............ 16 |
|
Ионные реакции в растворах …………...……………………............... 22 |
|
Водородный показатель ……………………………………….............. 28 |
|
Гидролиз солей ............................................……………………............. 31 |
|
Окислительно-восстановительные реакции …...................................... 37 |
|
Комплексные соединения ………………………................................... 42 |
|
Тепловые эффекты химических процессов ……................................... 44 |
|
Жесткость воды ........................................................................…............ 49 |
|
Основы электрохимии. Гальванические элементы……………........... 54 |
|
Приложения............................................................................................... |
57 |
Литература ................................................................................................ |
60 |
Редактор О.Ю.Волошенко Компьютерная верстка Е.Л.Борисенко
ЛР № 020713 от 27.04.1998
Подписано к печати |
|
Формат бумаги 60х84/16 |
Печать ризограф. |
Бумага KYMLUX |
Печ.л. 3,75 |
Заказ № |
Тираж 200 экз. |
Цена договорная |
Отдел множительной техники ИАТЭ 249035, г. Обнинск, Студгородок, 1
60