Алкалиметрия. Определение содержания фосфорной кислоты

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» (НИУ)

Факультет «Химический»

Кафедра «Аналитическая химия»

 

 

 

Лабораторная работа №3.

 

Алкалиметрия. Определение содержания фосфорной кислоты.

 

 

 

 

 

 

                                                                       Выполнила: Ермакова В.А

                                                       Группа Хим-261

                                                          23 сентября 2015 г

                                                                                 Проверил: доцент Иняев И.В

                                                                                 «___» ___________2015 г.

                            

Челябинск 2015

 

1. Теоретическая часть.

1. Сущность метода. 

Алкалиметрия – группа титриметрических методов количественного анализа, основанных на использовании стандартных растворов сильных оснований в качестве титрантов.

 

2. Реакция в основе метода.

В водных растворах в основе алкалиметрии лежит реакция взаимодействия гидроксид иона с ионом водорода:

OH– + H+ → H2O

Реакция в растворах протекает при нормальных условиях, с высокой скоростью и до конца.

3. Точка конца титрования.

Конечную точку титрования определяют с помощью кислотно-основных индикаторов.

Кислотно-основными индикаторами – называют вещества, меняющие свою окраску в определенной области значений pH раствора. Индикаторами могут быть слабые органические кислоты и основания, молекулы и ионы которых имеют разную окраску. 

Причина изменения цвета — изменения в строении молекул индикатора в кислой и щелочной среде, что приводит к изменению спектра поглощения раствора.

Таблица 1. Примеры индикаторов

№	Название	Структурная формула	Изменение окраски	pH изменения окраски
1	Фенолфталеин		от малинового к бесцветному	8,3 - 10

 

2	Метиловый оранжевый		от желтого к красному	3.1 - 4.4
3	Лакмус		от синего к красному	4.5 - 8.3

 

Подбирают индикатор так, чтобы интервал перехода окраски индикатора лежал внутри диапазона скачка pH в точке эквивалентности.

4. Основные титранты.

Титрантами обычно служат стандартные растворы сильных оснований(щелочей).

Примеры титрантов:

NaOH – гидроксид натрия, Э(NaOH) = 39,997 г/моль.

KOH – гидроксид калия , Э(KOH) = 56 г/моль.

Ba(OH)2  – гидроксид бария , Э(Ba(OH)2) = 85,67 г/моль.

Первичные стандартные растворы – это растворы веществ, имеющих точный отвечающий формуле состав и устойчивых на воздухе, а также имеющих большую молекулярную массу эквивалента. Первичные стандартные растворы  готовятся растворением точной навески тщательно очищенного вещества в определенном объеме воды.

Вторичные стандартные растворы – это растворы, которые невозможно приготовить точно и поэтому их готовят с приблизительной концентрацией, а затем стандартизируют с помощью первичных стандартов.

 

Растворы щелочей не являются первичными растворами, поэтому сначала готовят растворы с приблизительной концентрацией, а затем их стандартизируют титрованием первичным стандартными  растворами или вторичными стандартными растворами, заранее стандартизированными.

Для стандартизации щелочей используют стандартные растворы бензойной кислоты, щавелевой кислоты, соляной кислоты и тд.

5. Основные определяемые вещества.

Алкалиметрия используется для количественного определения солей и кислот.

Например:

H3PO4 – фосфорная кислота.

CH3COOH – уксусная кислота.

C6H5СООН – бензойная кислота.

2. Практическая часть.

1. Приготовление раствора гидроксида натрия.

Необходимо рассчитать примерную навеску NaOH для приготовления раствора с примерной концентрацией 0,1 н. и объемом 1л.

m(NaOH) = V(NaOH) ⋅ N(NaOH) ⋅ Э(NaOH) = 1л ⋅ 0,1н. ⋅ 40,00 г/моль = 4 (г).

Для приготовления раствора взвесить 4 г NaOH на технических химических весах. Необходимо отобрать немного больше, так как в веществе содержатся примеси карбонатов. Навеску переносят в химический стакан, содержащий немного воды и перемешивая добавляют воду.

Для того чтобы удалить примеси карбонат – ионов необходимо осадить его раствором хлорида бария. Чтобы понять полностью ли осадились карбонат – ионы, к нескольким миллилитрам раствора необходимо прилить серной кислоты. По образованию осадка можно понять полностью ли осадились карбонат – ионы. Если образовался белый осадок, то карбонат – ионы полностью удалены из раствора. Также можно удалить карбонаты путем растворения навески в воде объемом численно равным весу навески и последующим фильтрованием или декантацией полученного раствора. При этом карбонаты останутся в осадке, так как карбонат натрия плохо растворим в концентрированном растворе гидроксида натрия, а гидроксид натрия перейдет в маточный раствор. Для более полного осаждения карбоната раствор необходимо выдержать несколько дней. После удаления карбоната натрия маточный раствор желательно растворить в заранее прокипяченной воде, так как вода содержит примесь углекислого газа, удаляющегося при кипячении.

2. Установка титра гидроксида натрия по хлористоводородной кислоте.

Установка титра раствора гидроксида натрия по 0,1 н. раствору хлористоводородной кислоты, предварительно стандартизованной по тетраборату натрия, может быть выполнена в присутствии различных индикаторов: метилового оранжевого, метилового красного, 
фенолфталеина и т. д. Так как в растворе едкого натра присутствуют 
карбонаты, которые разлагаются при титровании сильными кислотами с образованием угольной кислоты, определяемой с фенолфталеином, титрование лучше проводить в присутствии кислотных индикаторов. Однако если предполагается в дальнейшем проводить определение какого-либо вещества титрованием по фенолфталеину, лучше иметь данные о концентрации NaOH, установленной в тех же условиях.   

Метод отличается быстротой и удобством, но имеет тот недостаток, что на 
результате определения сказываются все погрешности, допущенные при установке титра HCl.

 
Для выполнения точных определений следует защищать полученный раствор от поглощения СО2 воздуха непосредственно при определении. Для этого 
бутыль с NaOH и бюретку закрывают пробками, в которые вставлены специальные поглотительные трубки с натронной известью (или аскаритом), адсорбирующие диоксид углерода.

Для стандартизации раствора NaOH необходимо заполнить бюретку раствором NaOH.

В коническую колбу для титрования отбирают 25,00 мл раствора HCl известной концентрации, добавляют 1–2 капли метилового оранжевого и оттитровывают щелочью до желтой окраски.

Титрование повторяют не менее трех раз. Как отдельный эксперимент проводят титрование кислоты щелочью по фенолфталеину (до появления розовой окраски, не исчезающей в течение 30 секунд перемешивания). По приведенным ранее формулам определяют нормальность, титр и коэффициент NaOH отдельно для каждого индикатора.

При титровании в присутствии фенолфталеина присутствие карбонатов натрия приводит к систематической погрешности, которая связана с тем, что диапазон изменения окраски фенофталеина лежит в области перехода карбонат ионов и гидрокарбонат ионы. Это приводит к увеличению молярной концентрации раствора, так как гидрокарбонаты могут оттитровываться до карбонатов.

Таблица 2. Результаты титрования стандартного раствора HCl гидроксидом натрия в присутствии фенолфталеина.

№	V(NaOH), мл	N(NaOH), н.	T(NaOH), г/мл	K
1
2
3
x

 

                                           

где NHCl – нормальность стандартизованного раствора хлористоводородной кислоты; 
Vа – объем аликвотной части раствора хлористоводородной кислоты, взятой 
для титрования (25,00 мл); 
VNaOH – среднее значение объема гидроксида натрия, израсходованного на титрование; 
ЭNaOH – молярная масса эквивалента гидроксида натрия (равна молярной массе, т. е. 39,9998 г/моль).

 

3. Определение содержания фосфорной кислоты.
1. Сущность метода

Фосфорная кислота диссоциирует по нескольким ступеням, поэтому нейтрализация гидроксидом натрия проходит в несколько стадий.

Первая константа диссоциации фосфорной кислоты достаточно велика 
(рК1 = 1,96), поэтому ее можно титровать в присутствии метилового оранжевого, что соответствует уравнению: 
                                     H3PO4 + NaOH = NaH2PO4 + H2O.

Молярная масса эквивалента фосфорной кислоты в этом случае равна ее 
молекулярной массе: Э = М = 97,9953 г/моль.

 

Вторая константа диссоциации фосфорной кислоты мала (рК2 = 6,7). Поэтому фосфорную кислоту по второй ступени следует титровать в присутствии фенолфталеина. Уравнение реакции взаимодействия фосфорной кислоты как двухосновной со щелочью: 
                                     H3PO4 + 2 NaOH = Na2HPO4 + 2 H2O.

В этом случае молярная масса эквивалента фосфорной кислоты равна половине молекулярной массы: Э = М/2 = 48,99 г/моль.

 

                                     H3PO4 + 3 NaOH = Na3PO4 + H2O.

Можно оттитровать фосфорную кислоту и по третьей ступени, но в водном 
растворе этой реакции сильно мешает гидролиз продукта – среднего фосфата натрия Na3РО4. Но если фосфат-ион осадить в виде какой-либо малорастворимой соли (например, фосфата кальция), то тогда оказывается возможным оттитровать H3РО4 как трехосновную кислоту (по фенолфталеину), когда молярная масса эквивалента будет составлять треть молекулярной массы.

Погрешность определения H3PO4 меньше, если вести его в присутствии того 
же индикатора, который использовался при стандартизации NaOH.

 

Раствор NaH2PO4, образующийся на первой ступени титрования, имеет кислую реакцию среды.

 

 

Для определения точки конца титрования с рН равной 4,7 используют метиловый оранжевый, так как интервал изменения окраски метилового оранжевого лежит примерно в этой области.

 

Раствор Na2HPO4 при титровании имеет щелочную реакцию среды.

 

 

Для определения точки конца титрования с рН равной 9,7 используют фенолфталеин, так как интервал изменения окраски фенолфталеина лежит примерно в этой области. В случае если при определении концентрации гидроксида натрия использовался фенолфталеин, при титровании фосфорной кислоты в присутствии фенолфталеина систематическая погрешность, связанная с присутствием карбоната натрия, должна компенсироваться.

 

Ход работы:

Из полученного у преподавателя контрольного раствора приготовить раствор объемом 250 мл, разбавив его дистиллированной водой в мерной колбе вместимостью 250 мл. С помощью пипетки отобрать аликвотную часть 25,00 мл и перенести в колбу для титрования. Добавить в раствор 1– 2 капли метилового оранжевого и оттитровать до перехода окраски индикатора от красной к желтой. Титрование повторить 3 раза, а затем провести еще 3 титрования в присутствии фенолфталеина. Для этого в раствор добавить 2– 3 капли индикатора и оттитровать до перехода бесцветной окраски в розовую.

 

Таблица 3. Результаты титрования фосфорной кислоты гидроксидом натрия в присутствии метилового оранжевого.

№	V(H3PO4), мл	V(NaOH), мл	m(H3PO4), мг
1
2
3
x

 

m(H3PO4) = N(NaOH) * V(NaOH) * fa * M(H3PO4)

 

где N(NaOH) – нормальность раствора щелочи (отдельные значения для титрования с фенолфталеином и метилоранжем); 
V(NaOH) – объем щелочи, израсходованный на титрование аликвотной пробы, измеренный бюреткой, мл; 
M(H3PO4) – молярная масса эквивалента фосфорной