1. Лабораторная работа. Определение кальция в карбонате кальция

Определение кальция в карбонате кальция

Оглавление

• Теоретическая часть
• Экспериментальная часть
•         1. Подготовка эксперимента
•         2. Порядок выполнения работы
•         3. Обработка результатов анализа
•         4. Контрольные вопросы

Теоретическая часть

 Определение кальция в карбонатных породах основано на растворении в кислоте определённой навески исходного карбоната и последующем осаждении ионов кальция в виде оксалата CaC₂O₄·H₂O.

Уравнения реакций:

CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + H₂O +CO₂

CaCl₂ + 2HCl + 2(NH₄)₂C₂O₄ = Ca(HC₂O₄)₂ + 4NH₄Cl

Ca(HC₂O₄)₂ + 2NH₄OH = CaC₂O₄ ·H₂O + H₂O + (NH₄)₂C₂O₄

Осаждённая форма CaC₂O₄·H₂ O может быть получена при определённых условиях в виде кристаллического осадка.

Условия осаждения

1. Начинать осаждение лучше при рН=7, оканчивать - при рН=6-6,5 или даже несколько больше 7 (в слабо аммиачной среде).
2. Нагревание способствует осаждению, поэтому раствор нагревают до температуры кипения.
3. Для получения кристаллического осадка реактив прибавляют по каплям, после выделения осадка и подщелачивания добавляют избыток осадителя ПР(CaC₂O₄·H₂O) = 2,29·10^-9 . При осаждении осадителем, взятым в избыточном объёме по сравнению со стехиометрическим, достигается более полное осаждение кальция, так как концентрация его в растворе понижается, она вычисляется как:

[Ca²⁺]=ПР(CaC₂O₄ ·H₂O)/ [C₂O₄ ^2-]

В качестве весовой формы при рассматриваемом определениии получается обычно окись кальция СаО, образующаяся из CaC₂O₄ ·H₂O при 900-1200 ⁰С, реакция протекает по уравнению

CaC₂O₄ ·H₂O → СаО + СО₂↑ + СО↑ + H₂O

Недостатком СаО как весовой формы является ее гигроскопичность и способность поглощать из воздуха СО₂, поэтому при взвешивании необходимо соблюдение ряда предосторожностей. Кроме того, процентное содержание Са в СаО (и, следовательно, фактор пересчета) велико, что также невыгодно.

Вследствие этих недостатков СаО как весовой формы, иногда предпочитают превращать CaC₂O₄ ·H₂O в СаСО₃ прокаливанием при температуре около 500 ⁰С.

 

Экспериментальная часть

Цель работы:  на примере определения кальция изучить теоретические основы метода осаждения в гравиметрии, уметь провести подготовку к эксперименту, освоить технику и методику эксперимента, теорию и методику расчетов.

 Задачи: провести определение кальция во взятой навеске карбоната кальция, вычислить массовую долю кальция в образце, рассчитать абсолютную и относительную погрешности анализа.

 Оборудование и реактивы: технические и аналитические весы, муфельная печь, фарфоровый тигель, стакан, плитка электрическая, водяная баня, эксикатор, тигельные щипцы, фильтр Шотта, колба Бюнзена, вакуумный насос, карбонат кальция CaCO_3, 1 М раствор НСl, индикатор метиловый оранжевый, раствор оксалата аммония (NH₄)₂C₂O₄ с концентрацией 0,25 моль/л, раствор аммиака с концентрацией 6 моль/л.

 Техника безопасности: при работе с вакуумным насосом колба Бюнзена должна быть соединена с насосом через предохранительную склянку и обёрнута полотенцем или закрыта брезентом, или металлическим кожухом. Включение и выключение насоса производится резким нажатием до отказа кнопок «ПУСК» (черного цвета) и, соответственно, «СТОП» (красного цвета). После выключения насоса систему разгерметизировать.

 

Подготовка эксперимента

1. Расчет массы навески карбоната кальция (записать условия и решение задачи в тетрадь).
2. Взятие навески карбоната кальция на аналитических весах,

              m(CaCO₃) =

         3. Расчёт объёма раствора хлороводородной кислоты с конценцентрацией 1 моль/л, необходимый для растворения навески (записать условие задачи и решение в тетрадь).

         4. Расчет объёма осадителя, необходимого для данной навески карбоната кальция (записать условие задачи и решение в тетрадь).

 

Порядок выполнения работы

1. Взятие навески.

В стакан (емкостью 300 мл) с носиком помещают точную навеску карбоната кальция массой примерно 0,3 – 0,4 г. Взвешивание проводят на аналитических весах. Числовое значение массы записывают в тетрадь.

           2. Растворение навески.

Приливают  в стакан 3-5 мл дистиллированной воды и, накрыв его часовым стеклом (для задержания капелек жидкости, уносимых выделяющимися при растворении газами), чуть-чуть приподнимая стекло, осторожно, по стенке стакана, вливают при помощи пипетки каплями хлороводородную кислоту с концентрацией 1 моль/л в объёме, рассчитанном по уравнению реакции.  После прибавления каждой капли несколько времени плавным круговым движением перемешивают содержимое стакана.

            3. Осаждение, получение осаждаемой формы.

Когда навеска растворится, смывают струей воды из промывалки брызги жидкости со стенок в стакан. Добавляют в стакан 2 капли индикатора метилового оранжевого. Содержимое стакана нагревают до температуры 70-80 ºC.

В другом стакане до такой же температуры нагревают раствор оксалата аммония (осадителя) с концентрацией 0,25 моль/л, в объёме, необходимом для полного осаждения кальция и рассчитанном по уравнению реакции с учётом избытка осадителя 25%.

Медленно, по каплям, при непрерывном перемешивании приливают нагретый раствор оксалата аммония к нагретому раствору определяемого вещества.

Затем по каплям прибавляют раствор аммиака (с=6 моль/л) до перехода розовой окраски раствора в желтую.

По окончании осаждения раствор с осадком оставляют стоять на кипящей водяной бане в течение 30 минут. После отстаивания осадка проводят пробу на полноту осаждения! (Не забывать!)

             4. Промывание осадка, отделение его от раствора.

Отстоявшуюся прозрачную жидкость с осадка, не взмучивая его, декантируют в фильтр – фильтрующий тигель с пористой стеклянной пластинкой (фильтр Шотта), который соединён с колбой Бюнзена, а  колбу соединяют с вакуумным насосом.

Осадок СаС₂О₄ довольно хорошо растворим в воде, промывание чистой водой вызвало бы заметную потерю его. Поэтому в промывную жидкость необходимо вводить С₂О₄^2- - ионы, понижающие растворимость осадка. Для промывания используют тот же раствор оксалата аммония, но разбавленный в 6 раз. Промывают осадок способом декантации.

После окончания декантации осадок количественно переносят на фильтр и промывают до практически полного удаления Сl^-.

Промывание заканчивают, когда будут полностью удалены хлорид-ионы (проба AgNO₃). Удаляя Сl^- промыванием, предотвращают потерю при прокаливании осадка вследствие образования летучего CaCl₂. Промытый осадок подсушивают в сушильном шкафу.

                  5. Получение гравиметрической формы.

Подготавливают тигель: высушивают его до постоянной массы в сушильном шкафу и взвешивают на аналитических весах. Массу тигля записывают в тетрадь.

Подсушенный осадок вместе с фильтром переносят в тигель и, поместив последний в треугольник на кольцо штатива, обугливают фильтр на маленьком пламени горелки. После этого некоторое время осторожно прокаливают тигель с осадком, очень медленно повышая температуру во избежание разбрасывания осадка вследствие слишком бурного выделения газов (СО₂ и СО) и паров воды. После выгорания угля переносят тигль с осадком в муфельную печь и прокаливают его там при температуре 500 ºC в течение 1 часа. Затем охлаждают тигель с осадком в эксикаторе и взвешивают.

Повторные прокаливания (около получаса) продолжают до получения постоянной массы, что достигается не сразу, так как оксалат кальция является одним из наиболее трудно разлагающихся осадков.

 

Обработка результатов анализа

Исходные данные:

m(стакана) + (СаСО₃)                                m(тигля) + CaO=

m(стакана)                                                   m(тигля)=

m(CaCO₃)                                                     m (CaO)=

 

Вычислить: m(Ca²⁺), ω(Ca²⁺)

Расчеты:

m(Ca²⁺ )_пр. = m(CaO) * F (Ca/CaO),

где F – гравиметрический фактор, F = Ar (Ca) / Mr (CaO)

m(Ca²⁺ )_теор. = (Ar(Ca) / M(CaCO_³))  * m(CaCO₃)

ω(Ca²⁺ ) = m(Ca)_практ./m(CaCO₃)·100%

Абсолютная ошибка:  ∆m(Ca) = m(Ca)_пр. - m(Ca)_теор.

Относительная ошибка:  D % = ∆m / m _теор.·100%

Сделать заключение о точности анализа по его результатам.

 

 Контрольные вопросы:

1. В чем заключается сущность гравиметрического анализа?

2. Что является аналитическим сигналом в гравиметрии?

3. Назовите существующие методы гравиметрического анализа.

4. Какие операции различают в ходе гравиметрического определения?

5. Что является недостатком данного метода?

6. Как рассчитываются абсолютная и относительная ошибки определения?

 7. Процессы разделения, концентрирования, выделения: понятие, значение, области применения.

8. Метрологические основы химического анализа, вычисление массы навески карбоната кальция для определения кальция в нем, вычисление объема растворителя, объема осадителя (оксалата аммония с концентрацией 0,025 моль/л).

9. Обработка результатов гравиметрических определений, установление химических формул веществ по данным анализа.

10. Как выполнить пробу на полноту осаждения?

11. Как выполнить пробу на полноту промывания?

 

2. Лабораторная работа. Определение кристаллизационной воды в кристаллогидрате хлорида бария

Определение кристаллизационной воды в кристаллогидрате  хлорида бария

Оглавление

• Теоретическая часть
• Экспериментальная часть
•           1. Порядок выполнения работы
•           2. Обработка результатов анализа

Теоретическая часть

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 ВаС1₂·2Н₂0, Н₂С₂0₄·2Н₂0, CuS0₄·5H₂0, Na₂S0₄ ·10Н₂О. Могут быть и более сложные кристаллогидраты, как, например, оксихинолят магния Mg(C₉H₆ON)₂·2Н₂0.

Кристаллогидраты могут терять кристаллизационную воду при стоянии на воздухе - выветриваться, например Na₂S0₄·10Н₂О, Na₂C0₃·10Н₂О. Некоторые кристаллогидраты могут даже поглощать водяные пары из воздуха, например СаС1₂·2Н₂0, 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 CuS0₄·5H₂0 теряет воду при 140-150°С, Na₂CO₃·10H₂O - при температуре около 270° С, a Na₂SO₄·10H₂O - при температуре выше 300° С. Определение воды в кристаллогидратах основано на их способности полностью терять ее при определенной температуре. Кристаллогидрат хлорида бария полностью теряет кристаллизационную воду при 115-125° С:

 ВаС1₂ ·2Н₂0 = ВаС1₂ + 2Н₂0

Экспериментальная часть 

Цель работы: освоить методику определения кристаллизационной воды на примере хлорида бария  ВаС1₂·2Н₂0 гравиметрическим методом.

 Задачи: определить процентное содержание кристаллизационной воды в ВаС1₂·2Н₂0, рассчитать абсолютную и относительную ошибки.

 Оборудование и реактивы: технические и аналитические весы, сушильный шкаф, стеклянный бюкс с крышкой, эксикатор, тигельные щипцы, свежеперекристаллизованный кристаллогидрат хлорида бария ВаС1₂·2Н₂0.

 

Порядок выполнения работы

1. Взятие навески

Тщательно вымытый бюкс высушивают в сушильном шкафу при 115—125° С, и не закрывая крышкой,  охлаждают, поставив на 20 мин в эксикатор (бюкс переносят тигельными щипцами). После этого точно взвешивают бюкс вместе с крышкой на технических весах, а затем на аналитических. Результат взвешивания сразу записывают в лабораторный журнал. Затем помещают в бюкс около 1,5 г ВаС1₂ ·2Н₂0 и, закрыв крышкой, снова точно взвешивают.

 2. Высушивание 

Открыв бюкс, помещают крышку сверху бюкса боком (т.е. перевернув на ребро) и ставят на полку (не на дно) сушильного шкафа. Выдерживают бюкс в шкафу при температуре около 125ºС приблизительно 2 ч. Затем тигельными щипцами переносят бюкс и крышку его в эксикатор на 20 мин, после чего бюкс вынимают и, закрыв крышкой, точно взвешивают. Далее снова ставят бюкс с веществом в сушильный шкаф и выдерживают его там (открыв крышку) еще около 1 ч, повторно охлаждают в эксикаторе и снова взвешивают.

Если второе взвешивание дает тот же самый результат, что и первое, или отличается от него не более чем на 0,0002 г, кристаллизационную воду можно считать удаленной практически полностью. В противном случае высушивание с периодическим взвешиванием повторяют до тех пор, пока не будет достигнуто постоянство массы. Результаты всех повторных взвешиваний обязательно записывают в лабораторный журнал, даже если они одинаковые.

 

Обработка результатов анализа

 Пример порядка записи в журнале и ход вычислений. 

Масса бюкса, г	8,1320
Масса бюкса с веществом, г	9,5895
Масса навески ВаС12 ·2Н20, г	1,4575
Масса бюкса с веществом после высушивания, г
1-е взвешивание	9,3758
2-е взвешивание	9,3747
3-е взвешивание	9,3749
Среднее значение	9,3748

 

Отбросив результат первого взвешивания (9,3758), находят количество кристаллизационной воды в навеске, взяв среднее значение:

 9,5895 – 9,3748 = 0,2147 г Н₂0

 Содержание ее выражают в массовых долях (%):

 ω(Н₂0) = m(Н₂0)/m(образца),

ω(Н₂0) = 0,2147/1,4575 = 0,1473 (14,73%)

 Для проверки точности определения найденную величину сравнивают с теоретически вычисленным значением процентного содержания  Н₂0 в  ВаС1₂·2Н₂0. Зная, что в 1 моль (244,3 г) ВаС1₂·2Н₂0 содержится 2 моль воды, т.е. 36,03 г  Н₂0, можно составить следующую пропорцию:

   В 244,3  г анализируемого вещества содержится 36,03 г Н₂0

   в 100   г              »              »             »              »          х    г Н₂0    

 х = 36,03·100 / 244,3

х = 14,75%

Абсолютная ошибка составляет:   ∆ω = 14,73 – 14,75 = – 0,02%

 Относительная ошибка:   D =  (– 0,02 / 14,75) 100 =  – 0,14 %