Лабораторная работа № 1.
Стандартизация раствора щелочи NaOH
Данная работа служит примером стандартизации раствора вторичного стандарта: определение точной концентрации раствора щелочи NaOH по титрованному раствору соляной кислоты HCl с индикатором метиловым оранжевым или фенолфталеином.
Реактивы . Хлороводородая кислота HCl, 0,05000 моль/дм3 раствор. Гидроксид натрия NaOH. Метиловый оранжевый, 0,1%-й раствор. Фенолфталеин, спиртовой 0,1%-й раствор.
Посуда . Колбы конические (100, 250 см3). Пипетка (10,0 см3). Бюретка (25 см3). Штатив для титрования. Стаканы (50, 100 см3). Воронка. Мерный цилиндр (50 см3). Фильтровальная бумага.
Ход определения. Титрование проводится прямым (1) или инверсным (2) методом. Установите на штативе предварительно вымытую бюретку и ополосните ее 2-3 раза малыми порциями (3-5 см3) приготовленного раствора титранта: раствора соляной кислоты HCl (1) или раствора щелочи NaOH (2). Заполните бюретку раствором титранта в соответствии с Правилами техники титрования .
Добившись изменения окраски раствора от одной капли раствора титранта, сделайте отсчет по бюретке и запишите данные. Проведите два параллельных опыта до получения сходимых результатов.
После выполнения работы в рабочем журнале запишите проделанные вами операции. Все полученные данные занесите в таблицу.
Математическая обработка результатов измерений. По полученным данным определите концентрацию раствора NaOH:
где С(NaOH) – молярная концентрация эквивалента раствора гидроксида натрия, моль/дм3; С(HCl) – молярная концентрация эквивалента раствора соляной кислоты, моль/дм3; Vал (р-ра HCl) – аликвотный объем раствора HCl, см3, Vi (р-ра NaOH) – раствор щелочи NaOH, пошедший на титрование аликвотного объема раствора HCl, см3.
Пример оформления отчета
по лабораторной работе
Лабораторная работа № 1.
Стандартизация раствора щелочи NaOH
Цель работы. Изучение методики стандартизации раствора щелочи NaOH (вторичный стандарт) методом пипетирования.
Ход определения. Титрование проводится прямым (1) или инверсным (2) методом.
1. В коническую колбу на 100 см3 внести отобранную аликвоту стандартизуемого раствора NaOH, 1-2 капли раствора метилового оранжевого. Оттитровать полученную смесь раствором соляной кислоты HCl с молярной концентрацией эквивалента 0,05000 М до перехода оранжево-желтой окраски в оранжевую.
2. В коническую колбу на 100 см3 внести отобранную аликвоту стандартного раствора соляной кислоты HCl с молярной концентрацией эквивалента 0,05000 М, 1-2 капли раствора фенолфталеина. Оттитровать полученную смесь раствором щелочи до появления бледно-розовой окраски, устойчивой в течение 30 сек.
Сделать отсчет по бюретке и записать данные. Провести два параллельных опыта до получения сходимых результатов.
Математическая обработка результатов измерений . Расчет концентрации раствора NaOH по полученным данным:
Расчет расхождения между параллельными измерениями:
Таблица 1. Определение концентрации раствора щелочи NaOH
C(HCl), моль/см3 | Объем аликвоты, см3 | Результаты титрования | Расхождение между параллел. измерениями | Результаты определения, моль/дм3 |
||
X 1 = 0,04950 М |
||||||
X 2 = 0,04902 М |
||||||
X ср = 0,04926 М |
При титровании с метиловым оранжевым удобно пользоваться свидетелями. Для их приготовления в 2 конические колбы для титрования вносят с помощью мерного цилиндра 20 см3 дистиллированной воды, 2-3 капли индикатора. Затем в одну колбу вносят 1-2 капли 0,1 М раствора HCl, в другую – 1-2 капли 0,1 М раствора NaOH.
Сходимыми считаются результаты титрования, отличающиеся друг от друга не более чем на величину цены деления бюретки (как правило, это 0,05 см3 или 0,1 см3 в зависимости от типа бюретки). Если результаты титрования отличаются более чем на величину цены деления бюретки, то оба результата отбрасываются и титрование повторяются заново.
Среди многообразия органических веществ встречаются особые соединения, которым характерны изменения окраски в различной среде. До появления современных электронных pH-метров индикаторы были незаменимыми «инструментами» для определения кислотно-основных показателей среды, и продолжают использоваться в лабораторной практике в качестве вспомогательных веществ в аналитической химии, а также при отсутствии необходимого оборудования.
Для чего нужны индикаторы?
Изначально свойство данных соединений изменять цвет в различной среде широко применялось для визуального определения кислотно-основных свойств веществ в растворе, что помогало определить не только характер среды, но и сделать вывод об образующихся продуктах реакции. Растворы индикаторов продолжают использоваться в лабораторной практике для определения концентрации веществ методом титрования и позволяют научиться использовать подручные способы за неимением современных pH-метров.
Существует несколько десятков подобного рода веществ, каждый из которых чувствителен к довольно узкой области: обычно она не превышает 3 пунктов по шкале информативности. Благодаря такому многообразию хромофоров и их малой активности между собой ученым удалось создать универсальные индикаторы, широко применяемые в лабораторных и производственных условиях.
Наиболее используемые индикаторы pH
Примечательно, что помимо идентификационного свойства, данные соединения обладают хорошей красящей способностью, что позволяет использовать их для покраски тканей в текстильной промышленности. Из большого числа индикаторов цвета в химии самыми известными и используемыми являются метиловый оранжевый (метилоранж) и фенолфталеин. Большинство других хромофоров в настоящее время используются в смеси друг с другом, либо для специфических синтезов и реакции.
Метиловый оранжевый
Многие красители получили название благодаря своим основным цветам в нейтральной среде, что присуще и этому хромофору. Метиловый оранжевый является азокрасителем, имеющим группировку - N = N ‒ в своем составе, которая отвечает за переход цвета индикатора в красный в и в желтый - в щелочной. Сами азосоединения не являются сильными основаниями, однако присутствие электродонорных групп (‒ OH, ‒ NH 2 , ‒ NH (CH 3), ‒ N (CH 3) 2 и др.) увеличивает основность одного из атомов азота, который становится способен присоединять протоны водорода по донорно-акцепторному принципу. Поэтому при изменении концентраций ионов H + в растворе можно наблюдать изменение окраски кислотно-основного индикатора.
Подробнее о получении метилового оранжевого
Получают метиловый оранжевый в реакции с диазотирования сульфаниловой кислоты C 6 H 4 (SO 3 H)NH 2 с последующим сочетанием с диметиланилином C 6 H 5 N(CH 3) 2 . Сульфаниловую кислоту растворяют в растворе натриевой щелочи, добавляя нитрит натрия NaNO 2 , а затем охлаждают льдом для проведения синтеза в максимально близких к 0°C температурах и приливают соляную кислоту HCl. Далее готовят отдельный раствор диметиланилина в HCl, который охлажденным вливают в первый раствор, получая краситель. Его дополнительно подщелачивают, и из раствора выпадают в осадок темно-оранжевые кристаллы, которые по истечении нескольких часов отфильтровывают и сушат на водяной бане.
Фенолфталеин
Свое название данный хромофор получил из сложения наименований двух реагентов, которые участвуют при его синтезе. Цвет индикатора примечателен изменением своей окраски в щелочной среде с приобретением малинового (красно-фиолетового, малиново-красного) оттенка, который обесцвечивается при сильном щелочении раствора. Фенолфталеин может принимать несколько форм в зависимости от показателей pH среды, причем в сильнокислых средах он имеет оранжевую окраску.
Этот хромофор получают путем конденсации фенола и фталиевого ангидрида в присутствии хлорида цинка ZnCl 2 или концентрированной серной кислоты H 2 SO 4 . В твердом состоянии молекулы фенолфталеина являются бесцветными кристаллами.
Ранее фенолфталеин активно использовали при создании слабительных веществ, однако постепенно его применение значительно сократилось в связи с установленными кумулятивными свойствами.
Лакмус
Этот индикатор стал одним из первых реактивов, используемых на твердых носителях. Лакмус является сложной смесью природных соединений, которую получают из некоторых видов лишайников. Его используют не только как но и как средство для определения pH среды. Это один из первых индикаторов, который начал использоваться человеком в химической практике: его применяют в виде водных растворов или пропитанных им полосок фильтровальной бумаги. Лакмус в твердом состоянии является темным порошком со слабым аммиачным запахом. При растворении в чистой воде цвет индикатора принимает фиолетовое окрашивание, а при подкислении дает красный цвет. В щелочной среде лакмус переходит в синий, что позволяет использовать его как универсальный индикатор для общего определения показателя среды.
Точно установить механизм и характер реакции, протекающих при изменении pH в структурах компонентов лакмуса не представляется возможным, так как в него может входить до 15 различных соединений, причем некоторые из них могут быть неразделимыми действующими веществами, что усложняет их индивидуальные исследования химических и физических свойств.
Универсальная индикаторная бумага
С развитием науки и появлением индикаторных бумаг установление показателей среды многократно упростилось, поскольку теперь не нужно было иметь готовые жидкие реактивы для каких-либо полевых исследований, чем до сих пор успешно пользуются ученые и криминалисты. Так, на смену растворам пришли универсальные индикаторные бумаги, которые благодаря широкому спектру действия практически полностью убрали необходимость использования любых других кислотно-основных индикаторов.
Состав пропитанных полосок может отличаться у различных производителей, поэтому примерный список входящих веществ может быть следующим:
- фенолфталеин (0-3,0 и 8,2-11);
- (ди)метиловый желтый (2,9-4,0);
- метиловый оранжевый (3,1-4,4);
- метиловый красный (4,2-6,2);
- бромтимоловый синий (6,0-7,8);
- α‒нафтолфталеин (7,3-8,7);
- тимоловый синий (8,0-9,6);
- крезолфталеин (8,2-9,8).
На упаковке обязательно приведены эталоны цветной шкалы, позволяющие определить pH среды от 0 до 12 (где-то 14) с точностью до одной целой.
Помимо прочего, данные соединения могут использоваться совместно в водных и водно-спиртовых растворах, что делает применение таких смесей очень удобным. Однако некоторые из этих веществ могут быть плохо растворимы в воде, поэтому необходимо подбирать универсальный органический растворитель.
Благодаря своим свойствам кислотно-основные индикаторы нашли свое применение во многих областях науки, а их многообразие позволило создать универсальные смеси, чувствительные к широкой области показателей pH.
Рассмотрим следующие случаи титрования.
Титрование сильной кислоты сильным основанием
HCl + NaOH ® NaCl + H 2 O
H + + OH - ® H 2 O
В точке эквивалентности образуется соль сильной кислоты и сильного основания, которая не подвергается гидролизу. Реакция среды будет нейтральной (рН=7). В данном случае индикатором может служить лакмус.
Титрование слабой кислоты сильным основанием
CH 3 COOH + NaOH ® CH 3 COONa + H 2 O
CH 3 COOH + OH - ® CH 3 COO - + H 2 O
Образующаяся соль слабой кислоты и сильного основания в растворе подвергается гидролизу:
CH 3 COO - + HOH ® CH 3 COOH + OH -
Точка эквивалентности в этом случае будет находиться в щелочной среде, поэтому следует применять индикатор, меняющий окраску при рН>7, например, фенолфталеин.
Титрование слабого основания сильной кислотой
NH 4 OH + HCl ® NH 4 Cl + H 2 O
NH 4 OH + H + ® NH 4 + + H 2 O
Образующаяся соль в растворе подвергается гидролизу:
NH 4 + + HOH ® NH 4 OH + H +
Точка эквивалентности будет находиться в кислой среде, поэтому можно применять метилоранж.
ОБРАЗЕЦ оформления лабораторной работы в
Титриметрическом анализе
Лабораторная работа № ... Дата
“Название лабораторной работы”
Первичный стандарт - С Э (NaOH) = …………моль/л
Определяемое вещество (титрант) - С Э (HCl) = ?, T(HCl) = ?
Индикатор - метилоранж
Условия титрования - (рН среды, нагревание и т.д.)
Уравнение реакции (в молекулярной и ионно-молекулярной формах):
Результаты эксперимента заносятся в таблицу:
Вычисления:
ПРИГОТОВЛЕНИЕ И СТАНДАРТИЗАЦИЯ РАСТВОРОВ ТИТРАНТОВ КИСЛОТНО-ОСНОВНОГО ТИТРОВАНИЯ
1. Приготовление и стандартизация 0,1 М HCl
С помощью ареометра определите плотность выданного Вам концентрированного раствора соляной кислоты (допустим, что r = 1,179 г/мл).
По таблице плотности растворов (приложение табл. 3) найдите массовую долю кислоты в этом растворе (w = 36%). Рассчитайте какой объем 36% раствора HCl Вам нужно взять для приготовления 250 мл 0,1 моль/л раствора.
Молярная масса эквивалента HCl равна 36,46 г/моль, поэтому в 250 мл 0,1 моль/л раствора должно содержаться 0,912 г безводной HCl:
m (HCl) = M Э · С Э · V = 36,46 · 0,1 · 0,25 = 0,912 г
Масса 36% раствора HCl, содержащая это количество кислоты, равна:
Объем исходного раствора кислоты можно найти по формуле:
Отмерьте маленьким мерным цилиндром рассчитанный объем (» 2,0 мл)36% раствора соляной кислоты и перелейте в большой цилиндр. Доведите объем раствора до 250 мл дистиллированной водой, слейте его в склянку на 250 мл и перемешайте.
1.2 Приготовление раствора первичного стандартного вещества
Тетраборат натрия и HCl реагируют между собой следующим образом
Na 2 B 4 O 7 + 2НСl +5H 2 O ® 2NaСl +4Н 3 BO 3
Фактор эквивалентности Na 2 B 4 O 7 в данной реакции равен 1/2, М(1/2 Na 2 B 4 0 7 ×10H 2 O) = 190,686 г/моль.
Для приготовления 100 мл 0,1М 1/2 Na 2 B 4 O 7 необходимо взять m = C×V×M = 0,1×0,1×190,686 = 1,9 г Na 2 B 4 0 7 ×10H 2 O.
Вначале с помощью ручных весов отвешивают около 1,9 г Na 2 B 4 0 7 ×10H 2 O. Массу взятой навески затем уточняют с помощью аналитических весов и растворяют её примерно в 50 мл горячей воды в мерной колбе вместимостью 100 мл. После охлаждения раствор доводят водой, имеющей температуру окружающей среды, до метки и перемешивают. Рассчитывают точную концентрацию тетрабората натрия в растворе
,
где m - масса навески декагидрата тетрабората натрия, измеренная с помощью аналитических весов.
1.3. Титрование раствора первичного стандартного вещества стандартизируемым раствором HCl
В 3 колбы для титрования отмеривают пипеткой по 10,00 мл раствора тетрабората натрия, добавляют в каждую колбу по 2 капли 1% раствора метилового оранжевого и титруют приготовленным раствором HCl. Титрование проводят до того момента, когда чисто жёлтая окраска раствора приобретёт оранжевый оттенок. Для сравнения можно взять 10 мл дистиллированной воды и добавить к ней такое же, как и к анализируемому раствору, количество индикатора. Титрование проводят до появления различия в окрасках обоих растворов.
Молярная концентрация HCl в растворе равна
где 
10,00 мл, 
- среднее значение объёма (мл) раствора HCl, затраченного для титрования.
Метиловый оранжевый
| Метиловый оранжевый | |
 |
|
 |
|
| Общие | |
|---|---|
| Систематическое наименование | 4- (4 - диметиламинофенилазо) бензолсульфонат натрия |
| Традиционные названия | метилоранж |
| Химическая формула | C 14 H 14 N 3 O 3 SNa |
| Физические свойства | |
| Молярная масса | 327.3359 г/моль |
| Плотность | 1.28 г/см³ |
| Термические свойства | |
| Химические свойства | |
| Растворимость в воде | (при 50°С) 0.2 г/100 мл |
| Растворимость в этанол | нерастворим г/100 мл |
Метиловый оранжевый (метилоранж гелиантин, 4-(4-диметиламинофенилазо)бензолсульфонат натрия) - известный кислотно-основной индикатор . Метилоранж является органическим синтетическим красителем из группы азокрасителей.
Свойства
Внешний вид при обычных условиях: оранжево-жёлтые листочки или порошок, чешуйки. Метилоранж растворим в воде 0,2 г. на 100 г., лучше в горячей.
В растворах с рН 2 абсорбирует свет в λmax 505 нм.
Переход окраски в водных растворах от красной к оранжево-жёлтой наблюдается в области рН 3, 1 - 4, 4 (в кислой среде красный, в щелочной - жёлтый).
На интервал перехода окраски влияют: температура, наличие в растворе солей, органических растворителей, белковых веществ и других. Влияние температуры наиболее значительно для индикаторов, являющихся слабыми основаниями : например, для метилового оранжевого при комнатной температуре окраска изменяется в пределах рН 3, 1 - 4, 4, а при 100°С - в пределах рН 2, 5 - 3, 7.
Применение
Метиловый оранжевый
Применяется в качестве кислотно-основного индикатора, титранта при определении сильных окислителей, спектрофотометрическом определении окислителей (хрома , брома).
0,1%-ный водный раствор применяется в аналитической химии как индикатор .
Изменяет цвет от красного в кислотной среде (pH 3,1 до 4,4) к оранжевому в нейтральной и жёлтому в щелочной.
Получение
Лабораторный способ синтеза:
Метиловый оранжевый получают, диазотируя сульфаниловую кислоту, а затем сочетая полученное вещество с диметиланилином.
Методика выполнения:
Навеску сульфаниловой кислоты растворяют в 25 мл 2 М раствора едкого натра (2 г NaOH в 25 мл раствора). В этом же растворе затем растворяют навеску нитрита натрия массой 4 г. После этого раствор охлаждают льдом и приливают к 25 мл 2 М раствора соляной кислоты, охлаждаемого льдом (кроме наружного охлаждения кусочки льда могут быть помещены в раствор). Навеску диметиланилина растворяют в 5 мл 1 М соляной кислоты, охлаждают льдом и к охлажденному раствору приливают полученный выше раствор диазобензолсульфокислоты. Происходит образование красителя. Приливают еще раствор едкого натра до сильнощелочной реакции. Из раствора выделяется натриевая соль красителя в виде оранжево-коричневых лепесткообразных кристаллов. Через несколько часов краситель отфильтровывают с отсасыванием и промывают на воронке 25 мл воды. Затем его тщательно отжимают на фильтровальной бумаге и сушат в фарфоровой чашке на водяной бане.
Мнемоническое правило
Для запоминания цвета индикатора метилового оранжевого в щелочах и кислотах служит мнемоническое стихотворение.
