Министерство образования Российской Федерации
Тюменская государственная архитектурно-строительная академия
Кафедра Общей и специальной химии
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к лабораторной работе по теме:
«ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИСТАЛЛИЗАЦИОННОЙ ВОДЫ В КРИСТАЛЛОГИДРАТЕ ВЕСОВЫМ МЕТОДОМ»
по курсу «АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХИМИЯ И ФХМА »
для студентов специальности ООС-2 курса
Тюмень-2003
Определение кристаллизационной воды в кристаллогидрате: ст. преподаватель ПОЛЕЩУК И. Н., ассистент ДОЛМАТОВА Н. Н., методическое указание для студентов специальности ООС, дневное отделение – 2 курс, 4 семестр, Тюмень: ТюмГАСА, 2003 год, стр.15.
Рецензент: к. х.н., доцент
(степень, звание, Фамилия, Имя, Отчество)
Учебно-методический материал утвержден на заседании кафедры:
Протокол № _____ от «___»________________2003 г.
Учебно-методический материал утвержден на УМС академии:
Протокол №_____ от «____»_______________2003 г.
Тираж__________экземпляров
ВВЕДЕНИЕ
Целью выполнения данной работы является:
1. Ознакомление студентов с практическим применением весового анализа для определения кристаллизационной воды в кристаллогидрате.
2. Приобретение навыков работы с аналитической посудой и оборудованием, применяемым в весовом анализе: эксикатор, аналитические весы, сушильный шкаф с терморегулятором, муфельные и тигельные печи и др.
3. Закрепление полученных знаний при выполнении контрольных заданий.
ПРАВИЛА РАБОТЫ В ЛАБОРАТОРИИ
Студент должен соблюдать правила работы в химической лаборатории:
1. Во время работы в лаборатории необходимо соблюдать чистоту, тишину и порядок.
2. Для получения более точных результатов эксперимента в работе следует использовать незагрязненные реактивы, чистую химическую посуду.
3. Не следует брать реактивов больше требуемого количества.
4. При работе с аналитическими и электронными весами необходимо соблюдать аккуратность, не допускать перегрузки весов, избегать попадания воды в весы.
5. Электроприборы включать в сеть, напряжение которой соответствует напряжению, указанному на пластинке прибора (обычно электроприборы рассчитаны на напряжение 127 и 220 В).
6. Электроприбор ставить на толстую асбестовую прокладку или на лист из теплоизолирующего материала.
7. Содержать электроприбор в чистоте.
8. Проводить анализ следует строго в той последовательности, которая указана в руководстве.
9. По окончании работы необходимо вымыть посуду, тщательно убрать рабочее место.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Весовой метод это один из методов количественного анализа, задачей которого является определение количественных соотношений составных частей в веществе, например, определение процентного состава вещества, концентрации раствора, содержание кристаллизационной воды в кристаллогидрате и т. п.
Суть метода состоит в том, что из определенного взвешенного количества (навески) вещества выделяют составную часть посредством соответствующих химических реакций в виде осадка. Этот осадок отделяют от раствора (фильтрование) и после прокаливания или высушивания взвешивают на аналитических весах. Наряду с осаждением применяют и другие методы, например метод отгонки, при помощи которого определяют количество летучих составных частей вещества (Н2О, СО2 и т. д.). Во всех методах весового анализа количество определяемого компонента вычисляют исходя из результатов взвешивания. Весовой анализ должен выполняться более тщательно, чем качественный анализ.
Весовой анализ методом осаждения включает следующие характерные операции:
1. Подготовка средней пробы вещества.
2. Отвешивание небольшого количества вещества (взятие «навески»).
3. Перевод навески в раствор.
4. Отделение мешающих элементов
5. Осаждение определяемой составной части вещества.
6. Отфильтровывание осадка.
7. Сжигание фильтра и прокаливание осадка.
8. Взвешивание осадка.
9. Вычисление результатов анализа.
Весы и взвешивание. Приступающему к весовому количественному анализу, прежде всего, следует ознакомиться с правилами взвешивания на аналитических весах:
1. Никогда не нагружать весы сверх предельной нагрузки.
2. Никогда не ставить на чашку весов теплые или холодные предметы; взвешиваемый предмет должен быть предварительно охлажден или нагрет до температуры весов.
3. Перед взвешиванием необходимо установить и проверить нулевую точку весов.
4. Устанавливаемый на чашку весов предмет не должен быть загрязнен.
5. При взвешивании дверцы весов должны быть закрыты.
Взятие средней пробы. В лаборатории среднюю пробу отбирают методом кватрования, после того как образец измельчен до однородного порошка. Измельчение производят в фарфоровой или агатовой ступке.
Взятие навески. Размер навески, удобный для анализа, чаще устанавливается опытным путем и обычно указывается в руководстве. Количество вещества не должно быть слишком маленьким или, наоборот, слишком большим. В первом случае неизбежные потери, погрешности анализа и т. п. внесут слишком большую ошибку; во втором случае, при очень большой навеске при осаждении получится такое количество осадка, которое будет трудно тщательно промыть, что также приведет к неточности анализа.
Растворение навески. Взятую навеску растворяют, в зависимости от исследуемого вещества, в воде, в кислотах и т. п., причем в момент растворения стакан должен быть накрыт часовым стеклом во избежание потерь, если растворение сопряжено с выделением газов или с парообразованием, а также для защиты от пыли.
Осаждение. Условия, в которых производят осаждение, т. е. порядок приливания реактивов, их количества и концентрации, температура и время осаждения, обычно указываются в методике проведения анализа. Важно совершенно точно придерживаться этих прописей, т. к. даже малейшие изменения методики часто могут привести к серьезным ошибкам.
Фильтрование. Для отфильтровывания осадка в количественном анализе обычно применяют беззольные фильтры (обработанные слабой соляной и плавиковой кислотами, для удаления веществ, остающихся после прокаливания в виде золы). При фильтровании необходимо соблюдать определенные операции: правильное укладывание фильтра, декантирование – сливание жидкости на фильтр, перенесение осадка на фильтр, промывание осадка. Необходимо отметить, что вся операция фильтрования и промывания осадка должна быть проведена в один прием без перерывов.
Сжигание фильтра и прокаливание осадка. Прежде чем приступить к сжиганию осадок необходимо высушить в сушильном шкафу при температуре 60-80оС. Далее подготовить соответствующим образом тигель: промыть его, прокалить в тех же условиях, в каких будет прокаливаться осадок, охладить в эксикаторе и взвесить. Тигли переносят специальными тигельными щипцами, имеющими плоские загнутые кверху концы. Тигель захватывают щипцами за край (не следует обхватывать тигель щипцами). Высушенный фильтр с осадком свернуть определенным образом, уложить в тигель и приступить к сжиганию фильтра и прокаливанию осадка. Прокаливание непременно повторяют, после чего тигель охлаждают в эксикаторе и взвешивают.
Эксикатор – это толстостенный стеклянный сосуд, сужающийся книзу и закрывающийся пришлифованной крышкой. Шлифованные края эксикатора смазывают тонким слоем вазелина. В суженную часть эксикатора помещают гигроскопическое водопоглощающее вещество: свежепрокаленную окись кальция, прокаленный хлористый кальций или концентрированную (не менее 85 %) серную кислоту. Кислота поглощает влагу значительно интенсивнее, чем окись и хлорид кальция. Однако эксикатор, который во время работы приходится переносить, удобнее заполнять свежепрокаленной известью или хлоридом кальция. При переноске эксикатор берут обеими руками таким образом, чтобы большие пальцы плотно прижимали крышку. Открывая эксикатор, нельзя поднимать крышку вверх. Поддерживая эксикатор левой рукой, сдвигают крышку в горизонтальном направлении правой рукой. Крышку эксикатора следует класть на стол внутренней стороной вверх. Ввиду гигроскопичности поглотителя эксикатор можно открывать только на очень короткие промежутки времени.
Вместо прокаливания осадков нередко применяют высушивание их при сравнительно невысокой температуре в сушильных шкафах. В лаборатории обычно используют электрические сушильные шкафы с терморегулятором, позволяющим установить любую температуру до 250оС. Шкаф имеет двойные стенки, между которыми помещена никелиновая или нихромовая спираль. Внутри шкафа находятся металлические полки с круглыми отверстиями диаметром около 1 см. На полки ставят бюксы, стаканчики, часовые стекла и т. п. Воронки вставляют непосредственно в отверстия полок. Сушильные шкафы укрепляют на стене или ставят на теплоизолирующей подставке на стол. В случае высушивания осадок должен быть отфильтрован не на бумажный фильтр, а на стеклянный с дном из пористого стекла. Фильтрат удаляется при помощи специальной колбы Бунзена в разреженное пространство. Осадок, собранный на стеклянный фильтр, промывают сначала как обычно, а затем тремя порциями по 5 мл 96% спирта и высушивают в токе воздуха. Выдерживание осадка в эксикаторе в этом случае не производится, осадок взвешивают на фильтре в весовом стаканчике. Такое высушивание происходит значительно быстрее, чем прокаливание и заканчивается через 15 мин.
Результаты взвешивания заносятся в лабораторный журнал.
При определении кристаллизационной воды методом весового анализа количество приемов уменьшается за счет того, что нет операций растворения и фильтрования осадков.
Кристаллизационной водой называют воду, которая входит в структуру кристаллических веществ. Такие вещества, в структуру которых входит вода, называют кристаллогидратами. Содержание кристаллизационной воды отражается в химических формулах, например: BaCl2.2H2O, H2C2O4.2H2O, CuSO4 .5H2O, Na2SO4 .10H2O. Могут быть и более сложные кристаллогидраты, как, например, оксихинолят магния Mg(C9H6ON)2 .2H2O.
Кристаллогидраты могут терять кристаллизационную воду при стоянии на воздухе - выветривание, например Na2SO4 .10H2O, Na2CO3 .10H2O. Некоторые кристаллогидраты могут даже поглощать водяные пары из воздуха, например CaCl2 .2H2O, что используют для осушения газов. Прочность связи между основным веществом и водой может быть различной. Поэтому та температура, при которой теряется кристаллизационная вода, бывает неодинаковой. Кристаллогидрат CuSO4.5H2O, теряет воду при 140–150⁰С, Na2CO3 .10H2O - при температуре около 270⁰С, а Na2SO4 .10H2O – при температуре выше 300⁰С. Определение воды в кристаллогидратах основано на их способности полностью терять ее при определенной температуре. Кристаллогидрат хлорида бария полностью теряет кристаллизационную воду при ⁰С:
BaCl2 .2H2O = BaCl2 + 2H2O.
Определение кристаллизационной воды содержит меньшее число операций, т. к. отпадает необходимость в растворении и прокаливании осадка исследуемого вещества. В экспериментальной части методики подробно изложен порядок анализа.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИСТАЛЛИЗАЦИОННОЙ ВОДЫ В КРИСТАЛЛОГИДРАТЕ ХЛОРИДА БАРИЯ
Предварительная подготовка. Для проведения работы необходимо подготовить бюкс диаметром не менее 3 – 4 см. Его тщательно моют и споласкивают дистиллированной водой. Снаружи вытирают чистым полотенцем. На шлифе твердым простым карандашом записывают свой условный номер (или инициалы) и ставят на определенное место в сушильный шкаф. Этого места следует придерживаться постоянно, так как это исключает возможность спутать свой бюкс с бюксами работающих рядом. Бюкс выдерживают при температуре 115 – 125⁰С около 1 ч в сушильном шкафу, при этом крышку бюкса кладут на ребро. По истечению указанного срока бюкс переносят тигельными щипцами в эксикатор, поднесенный к сушильному шкафу, закрывают крышку бюкса, затем крышку эксикатора и выдерживают бюкс в эксикаторе около 30 мин. После этого взвешивают бюкс на технохимических весах, а затем на аналитических. Результат взвешивания сразу записывают в лабораторный журнал. Затем вновь помещают бюкс в сушильный шкаф на 25 – 30 мин, не забывая поставить крышку на ребро. Затем вновь охлаждают бюкс в эксикаторе и взвешивают на тех же аналитических весах, используя тот же разновес. Повторные высушивания ведут до тех пор, пока не доведут бюкс до постоянной массы. В этом случае результаты двух последних взвешиваний не должны различаться более чем на 0,0002г, записи в лабораторном журнале должны зафиксировать изменение массы пустого бюкса после каждого высушивания.
Расчет навески. Удаляемая или выделяемая составная часть при гравиметрических определениях имеет массу 0,01 – 0,1 г. В данном случае удаляемой составной частью является вода. Масса удаляемой воды может быть принята равной около 0,1г. Один моль кристаллогидрата BaCl2 .2H2O выделяет 2 моль Н2О.
Найдем, сколько граммов кристаллогидрата выделяет 0,1 г воды:
BaCl2 .2H2O - 2H₂O
244 г - 36 г
х - 0,1 
г.
Если в бюксе можно распределить тонким слоем большое количество соли, то размер навески можно увеличить до 1 г и даже несколько больше. Это будет способствовать большей точности определения.
Взятие навески. На технохимических весах тарируют, т. е. уравновешивают, пустой бюкс и добавляют около 1 г, но не менее 0,7г. хч кристаллогидрата хлорида бария. В лабораторном журнале записывают массу бюкса с навеской.
Высушивание навески. Высушивание навески проводят так же как высушивание пустого бюкса с открытой крышкой. Первый раз бюкс с навеской выдерживают в сушильном шкафу около 2 часов. Затем охлаждают в эксикаторе, не забывая при этом закрыть крышку, и взвешивают, фиксируя массу бюкса в лабораторном журнале. Затем ставят бюкс с навеской в сушильный шкаф на 1 час, охлаждают в эксикаторе, взвешивают и фиксируют массу в лабораторном журнале. Каждый раз несколько сокращая время высушивания, доводят бюкс с навеской до постоянной массы.
Образец записи в лабораторном журнале.
Определение кристаллизационной воды в кристаллогидрате хлорида бария:
1. 9.00ч. Масса пустого бюкса после первого высушивания 21,8403г.
2. 10.00ч. Масса пустого бюкса после второго высушивания 21,8403г.
3. 10ч. 45мин. Масса пустого бюкса после третьего высушивания
21,8401г.
4. Окончательная масса пустого бюкса 21,8401г.
5. 11.00ч. Масса бюкса с навеской до высушивания 22,7365г.
6. Масса навески 0,8964г.
7. 13ч.30мин. Масса бюкса с навеской после первого высушивания 22,6082г.
8. 15.00ч. Масса бюкса с навеской после второго высушивания 22,6039г.
9. 16.00ч. Масса бюкса с навеской после третьего высушивания 22,6038г.
10. Окончательная масса бюкса с навеской после высушивания 22,6038г.
11. Масса кристаллизационной воды 0,1327г.
Как видно из приведенных записей, массу кристаллизационной воды определяют по разности между массой бюкса с навеской до высушивания и массой бюкса с навеской после высушивания.
Расчет результата анализа. Из полученных данных можно рассчитать содержание кристаллизационной воды в навеске х (в %):
0,8964г BaCl2.2H2O содержат 0,1327 г. H2O
100г BaCl2.2H2O - х H2O
х = 
= 
находят теоретическое содержание воды в кристаллогидрате хлорида бария
у (в %):
244,28г BaCl2.2H2O содержат 36,03 г. H2O
100 г BaCl2.2H2O - у H2O
.
где 244,28г. - молярная масса BaCl2.2H2O ; 36,03 – молярная масса 2H2О.
Разность между найденным значением и теоретическим содержанием (х-у) составляет абсолютную ошибку опыта:
14,80-14,75=0,05%.
Относительную ошибку Δхотн (в %) находим из пропорции:
14,75 - 0,05
100 - Δхотн Δхотн
%.
Погрешность измерения: 14,80
0,05.
Как видно из бюджета времени, определение кристаллизационной воды требует значительных затрат времени. За одно занятие работу выполнить нельзя. Но данную работу можно прекратить на любой стадии. В этом случае бюкс с навеской (или без нее) закрывают крышкой и помещают в эксикатор до следующего занятия.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. В каких условиях происходит осаждение кристаллических осадков? Аморфных осадков?
2. Что называется осаждаемой и весовой формами осадка?
3. Требования, предъявляемые к осаждаемой и весовой формам осадка?
4. Какие операции включает весовой анализ в методе осаждения?
5. Какое количество осадителя (эквивалентное или избыточное) применяют в весовом анализе?
6. Почему осадки промывают не чистой водой, а разбавленным раствором соли, содержащей одноименный с осадком ион?
7. Как влияет соотношение скоростей агрегации и ориентации на форму и структуру осадка?
8. Какие процессы происходят при созревании кристаллического осадка?
9. Что называют соосаждением? Чем оно обусловлено? Укажите типы соосаждения?
10. В чем заключается сущность адсорбции? Какие осадки, кристаллические или аморфные, лучше адсорбируют растворенные вещества? Как очистить осадок от адсорбированных загрязнений?
11. В чем сущность окклюзии? Привести примеры. Как освобождают осадки от окклюдированных примесей?
12. В чем сущность изоморфного соосаждения? Объясните, почему нельзя получить чистый осадок BaSO4 в присутствии солей стронция?
13. Как производят высушивание, сжигание и прокаливание осадков? Что такое «постоянный вес»?
14. Как определяют содержание влаги в анализируемом образце?
ЛИТЕРАТУРА
1. Крешков аналитической химии. В 3-х томах. –М.: Химия, 1971. Т.с.
2. Алексеев анализ. –М.: Химия, 1972. – 504 с.
3. Основы аналитической химии. В 2-х кн. Под ред. . - М.: Высшая школа, 2000. – 420 с.
4. Пономарев химия. Ч. 1,2. – М.: Высшая школа, 1982. – 564 с.
СОДЕРЖАНИЕ
1. Введение 3
2. Правила работы в лаборатории 4
3. Теоретическая часть 5
4. Экспериментальная часть 10
5. Контрольные вопросы 13
6. Литература 14
