Основи розчинення та його використання в хімічному аналізі

Реферат на тему ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ ПРО РОЗЧИНИ умов, при яких вiдбувається розчинення. Коли межа досягнута, то утворюється насичений розчин. Концентрацiя насиченого розчину називається розчиннiстю. Наприклад, максимальна розчиннiсть вуглекислого натрiю Ма2 СО3 у водi спостерiгається при 35,2 °С i становить 51г солi на 100г води. Розчиннiсть вуглекислого лiтiю при 100°С в 2 рази вища, нiж при 20°С. Згiдно з принципом Ле-Шателье, якщо розчинна речовина при розчиненнi поглинає тепло, розчиннiсть збiльшується з пiдвищенням температури. Якщо ж розчинення супроводжується видiленням тепла, то розчиннiсть при нагрiваннi зменшується. Розчин називається пересиченим, коли в ньому мiститься значно бiльше розчинної речовини, нiж її потрiбно для насичення при данiй температурi. Такий розчин може утворитися при повiльному охолодженнi насиченого розчину речовини, розчиннiсть якої знижується з температурою. Пересиченi розчини нестiйкi, здатнi до iснування лише при вiдсутностi системи у розчинi твердих часток розчинної речовини. У спокiйному станi вони можуть роками залишатися без змiн. Швидкiсть розчинення твердої речовини залежить вiд розмiру часток—великi шматки твердої речовини слiд подрiбнювати в ступцi. Проте гiгроскопiчнi речовини не подрiбнюють перед розчиненням. Якщо порошок при висипаннi у воду спливає i не змочується, то його спочатку слiд змочити етиловим спиртом, а потiм доливати воду. Смолистi речовини перед розчиненням слiд розрiзати наневеликi шматочки i вводити до розчинника поступово. РОЗЧИННІСТЬ РІДИН 1. Рiдини практично не розчиняються одна в другiй, наприклад вода i масло. При змiшуваннi вони завжди вiдокремлюються одна вiд другої. 2. Рiдини розчиняються одна в другiй в певних об'ємах. Наприклад, вода i ефiр, вода i бензол. При змiшуваннi води i ефiру утворюються два шари. Верхнiй — це розчин води в ефiрi, нижнiй — розчин ефiру у водi. 3. Рiдини розчиняються одна в другiй в необмежених об'ємах. Наприклад вода i спирт, багато кислот i вода. КЛАСИФІКАЦІЯ І КОНЦЕНТРАЦІЯ РОЗЧИНІВ Розрiзняють воднi та неводнi розчини. До останнiх належать розчини в органiчних розчинниках. Розчини солей, кислот i лугiв в основному воднi. За точнiстю вираження концентрацiї розчини подiляють на приблизнi, точнi та емпiричнi. Концентрацiєю розчину називається масовий (об'ємний) вмiст розчиненої, речовини в певнiй кiлькостi або в певному об'ємi розчину. Концентрацiї розчинiв звичайно виражають у масових та об'ємних (для рiдин) процентах, у молях, якi мiстяться в одиницi об'єму розчину, а також титром i моляльнiстю. Розчини з високою концентрацiєю розчиненої речовини називаються концентрованими, з низькою - розбавленими. При вираженнi концентрацiї в масових процентах вказують вмiст розчиненої речовини по пiдношенню до всього об'єму розчину. Наприклад, 20%-ний розчин повареної солi NаС1 - це такий, в 100г якого мiститься 20г NаСІ i 80г води. Концентрацiя розчину, виражена числом молей розчиненої речовини, якi мiстяться в 1 дм3 — число молiв, що мiстяться в 1 дм3 33 Інколи концентрацiю розчину виражають числом молiв розчиненої речовини, якi мiстяться в 1000г розчинника. Такi розчини називають моляльними. Концентрацiю розчинiв часто виражають числом грамiв розчиненої речовини, яка мiститься в 1 см3 . розчину. Виражена таким чином концентрацiя називається титром. ТЕХНІКА ПРИГОТУВАННЯ РОЗЧИНІВ Для приготування розчинiв застосовують тiльки чистi розчинники. Посуд повинен бути також чистим. Слiд пiдготувати двi посудини: одну - для розчинення, другу - для зберiгання. Необхiдно запобiгти потраплянню в приготовленi розчини пилу чи газiв, з якими можуть реагувати деякi розчини. Пляшки або iнший посуд повиннi бути закритi добре пiдiгнаними пробками. Розчини лугiв захищають вiд двоокису вуглецю, обладнавши пляшки хлоркальцiєвою трубкою, яка заповнюється натронним лугом. Лужнi розчини не можна залишати надовго у фарфоровому i особливо в скляному посудi. РОЗРАХУНКИ ПРИ ПРИГОТУВАННІ ВОДНИХ РОЗЧИНІВ Приблизнi розчини. При приготуваннi приблизних розчинiв кiлькiсть речовин, якi повиннi бути взятi для цього, обчислюють з приблизною точнiстю. Атомнi маси елементiв можна брати округленими до цiлих одиниць. Речовини зважують на технiчних терезах. Кiлькiсть приготовленого розчину виражають або в одиницях маси (г, кг), або в одиницях об'єму (см3 , дм3 ). У зв'язку з цим i розрахунок кiлькостi розчиненої речовини проводять по-рiзному. Приклад: потрiбно приготувати 0,5кг 24%-ного розчину NаСІ. Заздалегiдь обчислимо кiлькiсть солi за пропорцiєю: 100г - 24г 500г - х х=24х500/100=120г тобто якщо в 100г розчину мiститься 24г солi (24 %), то скiльки її потрiбно для 500г розчину? Якщо потрiбно приготувати 0,5 дм3 24%-ного розчину солi, то в цьому випадку з довiдника беруть його густину, останню множать на об'єм розчину i знаходять його масу. Далi розрахунок аналогiчний вищенаведеному. Так, густина 24%-ного розчину NаСІ при 20 °С дорiвнює 1,180 г/см3 . Отже, маса 500 см3 становить: 500х1,180=590 г, тобто х =24х509/100=141,6г Для приготування 0,5 дм3 розчину потрiбно зважити бiльшу кiлькiсть солi, нiж для 0,5кг розчину. (правило хреста). Розбавлення розчину до необхiдної концентрацiї додаванням розчинника. Концентрацiю розчину записують у мiсцi перетину двох лiнiй, лiворуч внизу—нуль, злiва зверху—вихiдну концентрацiю. На кожнiй лiнiї вiднiмають одне число, яке стоїть на нiй, вiд iншого i рiзницю записують бiля вiльного кiнця тiєї ж лiнiї. Отриманi числа (розташованi праворуч) показують, скiльки вагових частин розчину i скiльки розчинника слiд взяти. 40 25 25 0 15 Отримання розчину необхiдної концентрацiї змiшуванням двох даних розчинiв. Роблять так само, тiльки концентрацiї розчинiв пишуть бiля кiнцiв обох лiнiй лiворуч. Отриманi числа праворуч свiдчать, скiльки вагових частин кожного розчину слiд взяти, щоб отримати розчин необхiдної концентрацiї. Приклад:для тримання 40%-ного розчину з 90%-ного. ,та 20%-ного слiд взяти на 20 вагових частин 90%-ного розчину 50 вагових частин 20%-ного 90 20 40 20 50 Точнi розчини Точнi розчини. При приготуваннi точних розчинiв обчислення кiлькостей потрiбних речовин проводять з достатнiм ступенем точностi. Атомнi маси елементiв беруть з таблицi з точними їх значеннями. Речовини зважують тiльки на аналiтичних терезах на годинниковому склi або бюксi. Зважену речовину висипають у чисту суху лiйку невеликими порцiями. Із промивалки кiлька разiв промивають над. лiйкою годинникове скло або бюкс. Лiйку промивають водою також кiлька разiв. Розчинник повинен займати не бiльше половини мiсткостi колби. Закривши колбу пробкою, струшують її до повного розчинення речовини. Пiсля цього доводять об'єм водою до мiтки нижнього менiска i старанно перемiшують. Подiбним чином готують молярнi розчини. Якщо необхiдно приготувати менше 1 дм3 вводять поправку. Стандартними називають розчини з точно визначеними концентрацiями, їх використовують у колориметрiї, в хроматографiї для кiлькiсного визначення речовин. Спочатку готують вихiдний розчин з найбiльшою концентрацiєю, iншi розчини готують розбавленням приготовленого вихiдного розчину. Об'єм стандартних розчинiв не перевищує 100—200 см3 . Приблизнi розчини солей готують, як вказано вище. Концентрацiю приготовленого розчину слiд перевiряти. Звичайно визначають густину розчину ареометром i порiвнюють отримане значення з табличними даними. Якщо розчин має концентрацiю меншу заданої, то до нього додають необхiдну кiлькiсть солi, якщо концентрацiя бiльша заданої — додають воду. в повiтрi. Такi точнi розчини перiодично перевiряють. Розчини свiтлочутливих речовин зберiгають у склянках з темного скла. Вiд свiтла змiнюються розчини AgNO3 , КМnO42 СrО7 РОЗЧИНИ ЛУГІВ Приблизнi розчини. В лабораторнiй практицi найчастiше доводиться готувати розчини їдкого натру NаОН, їдке калiвикористовується менше. Розчини амiаку бувають майжезавжди готовими. пiнцетом або в гумових рукавицях. Рекомендується готувати спочатку концентрованi розчини лугу густиною 1,35—1,45 г/см3 лугу. Розбавлення проводять, використовуючи описанi вище способирозрахунку. Оскiльки концентрованi розчини лугiв дужевидужують скло бутлiв, слiд внутрiшню їх поверхню покрити парафiном. Титр розчину лугу краще всього встановлювати за розчином щавлевої кислоти (С2Н2O4-2Н20). Щавлеву кислотуслiд два рази перекристалiзувати, перш нiж з неї готуватиточний розчин. Якщо потрiбно встановити титр 0,5М розчину NаОН,то слiд приготувати 0,5М розчин щавлевої кислоти. Для титрування достатньо 100—250 см3 розчину. Еквiвалентна маса щавлевої кислоти дорiвнює половинi молекулярної, тобто 63,0333. Для приготування 100 см3 0,5М розчину слiд взяти 63,0333/2*10=3,1517г щавлевої кислоти. 3 , переносять у конiчну колбу, додають 1—2 краплi iндикатора (фенолфталеїну) i титрують приготовленим розчином лугу до появи слабо-рожевого забарвлення, яке не зникає протягом 1 хв. Щоб обчислити молярнiсть лугу, слiд скористатися спiввiдношенням V1 хМ1 =V2 хМ2 , тобто добуток об'єму на молярнiсть вiдомого розчину дорiвнює добутку об'єму на молярнiсть невiдомого розчину. Нехай на титрування витрачено 24,5 см3 розчину лугу, тодi 20х0,5=24,5·х, де х=20х0,5/24,5=0,4082 Молярнiсть розчину лугу дорiвнює 0,4082. РОЗЧИНИ КИСЛОТ При приготуваннi розчинiв сiрчаної кислоти слiд пам'ятати, що потрiбно доливати кислоту до води, а не навпаки» оскiльки при розбавленнi вiдбувається сильне нагрiвання» i якщо долити воду до кислоти, можливе бурхливе закипання i викид бризок з посуду на одяг, шкiру, i т. д. Сiрчана кислота викликає сильнi опiки. Якщо бризки попали на одяг або шкiру, треба їх змити водою i нейтралiзуватисодою. При розбавленнi азотної кислоти вiдбувається також нагрiвання, тому слiд вливати кислоту у воду. Точнi розчини кислот готують з хiмiчно чистих реактивiв. Необхiдну кiлькiсть концентрованих кислот беруть по об'єму, обчисленому на основi густини. Вiдмiряють концентрованi кислоти цилiндром. Точнi розчини зберiгають у щiльно закритих колбах. Для перевiрки нормальностi кислоти застосовують кислий вуглекислий калiй КНСОз. ФІКСАНАЛИ Фiксанали — це заздалегiдь приготовленi та запаянi в склянi ампули точно зваженi кiлькостi реактиву, необхiдного для приготування 1 дм3 0,1 М або 0,01М розчину. Щоб приготувати точний розчин, необхiдно спочатку старанно обмити ампулу та витерти її. В мiрну колбу мiсткiстю 1 дм3 вставляють лiйку з вкладеним у неї бойком, гострий кiнець якого спрямований вверх. Ампулi дають вiльно падати, щоб дно її розбилося об гострий кiнець бойка. Потiм цю ампулу старанно промивають дистильованою водою i доводять розчин до мiтки. Лужнi фiксанали придатнi протягом певного строку, який вказується на етикетцi. Сухi препарати можуть зберiгатися необмежений час. ПОНЯТТЯ ПРО ТИТРУВАННЯ Титрування — це поступове контрольоване доливання розчину з точно вiдомою концентрацiєю до певного об'єму iншого розчину. Пiд час титрування колбу треба тримати правою рукою, а лiвою управляти краном бюретки, щоб рiдина стiкала рiвномiрно. При титруваннi велике значення має швидкiсть додавання розчину. Для перемiшування титрованого розчину зручно застосовувати магнiтнi мiшалки. Кiнець титрування визначають за змiною забарвлення розчину. Слiд пам'ятати кiлька правил титрування. 1. Титрованi розчини повиннi бути свiжими. Не дозволяється їх тривале зберiгання. 2. Титрованi розчини при зберiганнi змiнюють свiй титр, тому його слiд перiодично перевiряти. 3. Титр розчинiв КМп04 потрiбно установлювати не ранiше, нiж через 3—4 днi пiсля приготування. 4. Титрованi розчини лугiв потрiбно зберiгати в бутлях, покритих всерединi парафiном, i захищати вiд дiї двоокису вуглецю. Індикаторами називають речовини, як застосовують для визначення реакцiї. Індикатори готують у виглядi водних, водно-спиртових або спиртових розчинiв. Змiна забарвлення iндикатора залежить вiд змiни концентрацiї iонiв водню, причому кожний iндикатор змiнює забарвлення лише в певних iнтервалах рН. Кiнець титрування визначають або за змiною забарвлення (метиловий оранжевий), або за зникненням чи його появою (фенолфталеїн). Для визначення реакцiї середовища використовують iндикаторний папiр. Для цього на нього наносять краплю розчину за допомогою скляної палички або тонкого капiляра. Індикаторний папiр унiверсальний i дозволяє визначати рН в iнтервалi 1—10. АВТОМАТИЧНЕ ТИТРУВАННЯ Автоматизацiя процесiв титрування має ряд переваг—усувається iндивiдуальна помилка працюючого, прискорюється процес титрування, можна проводити автоматичний запис кривих титрування. В даний час апарати для автоматичного титрування пристосованi в основному для потенцiометричного титрування, при якому кольоровi iндикатори не використовують. Апарати складаються з двох частин:електронного пристрою i пристосування для перемiшування. Дiя високочастотного лабораторного титратора ТВ-6Л1 ґрунтується на використаннi методу високочастотної кондуктометрiї. Зменшення напруги в комiрцi титрування, а, отже, i зменшення електропровiдностi залежить вiд змiни концентрацiї розчину. Цей прилад призначений для титрування водних та неводних розчинiв кислот, лугiв, солей, забарвлених розчинiв, розчинiв, забруднених випадаючими осадами. Титратор ТФЛ-46 з фотоелектричною iндикацiєю кiнця титрування—напiвавтоматичний прилад. Всi операцiї, крiм пiдготування проб для аналiзу, автоматизованi. Аналiзатор ТЛ-ФП-67/571 має фотоелектричну i потенцiометричну фiксацiю точки еквiвалентностi. Прилад обладнаний змiнними бюретками мiсткiстю вiд 2 до 50 см3 . Блочний пристрiй приладу дозволяє використовувати самостiйно окремi вузли приладу, магнiтну мiшалку, рН-метр, фотоабсорбцiометр. НЕВОДНІ РОЗЧИНИ Розчини, в яких розчинниками є органiчнi речовини (спирти, ефiри, бензол, ацетон та iн.), називаються неводними. В органiчних розчинниках розчиняють рiдкi або твердi органiчнi речовини, наприклад жири, смоли i рiдше—неорганiчнi речовини, наприклад деякi солi, луги, мiнеральнi масла. Розчинники застосовують або технiчнi, або хiмiчно чистi. Дуже багато розчинникiв, якi використовують в лабораторiях, вогненебезпечнi: дiетиловий ефiр, спирти, ацетон, бензол, петролейний ефiр, гексан, сiрковуглець. Концентрацiю розчиненої речовини обчислюють або в масових процентах, або в грамах на дм3 та в молях органiчної речовини так, як i для водних розчинiв. Розчинення в органiчних розчинниках проводять при дотриманнi заходiв безпеки. ФІЛЬТРУВАННЯ Для механiчного вiдокремлення твердої фази вiд рiдкої або газоподiбної користуються фiльтруванням. Перед фiльтруванням доцiльно використовувати декантацiю, тобто промивку осаду шляхом його розбавлення i наступним зливанням розчинника над осiлим осадом. На ефективнiсть фiльтрування, яка характеризується швидкiстю стiкання фiльтрату i повнотою вiдокремлення осаду вiд рiдкої фази, впливають такi фактори: розмiр пор фiльтра; спiввiдношення мiж розмiрами пор фiльтра i розмiрами частин осаду; площа фiльтрувальної поверхнi; характер осаду; рiзниця тискiв по обидва боки фiльтра; в'язкiсть рiдкої фази. В'язкiсть розчину, в свою чергу, залежить вiд температури та концентрацiї розчиненої речовини. Правильний вибiр матерiалу, який фiльтрується, та умов фiльтрування дозволяє використовувати всi сприятливо дiючi фактори та забезпечити успiшний результат. ФІЛЬТРУВАЛЬНІ МАТЕРІАЛИ Фiльтрувальнi матерiали подiляють на сипкi i пористi, неорганiчнi та органiчнi. В лабораторiях найчастiше застосовують уже готовi фiльтрувальнi матерiали: кварцовий пiсок, карборунд з рiзним за дiаметром зерном, якщо метою фiльтрування є отримання прозорого фiльтрату, а не осаду. Бажано, щоб пори фiльтра були меншi найдрiбнiших часток вiдфiльтрованого осаду. Оскiльки розмiр пор фiльтра є одним з найбiльш суттєвих показникiв, якi визначають ефективнiсть фiльтрування, корисно знати характеристики фiльтрувальних засобiв. Розмiр пор фiльтрувальних матерiалiв Фiльтрувальний матерiал Розмiр пор, мм Волосянi сита До 33 Склянi пористi фiльтри 100—5 Звичайний фiльтрувальнийпапiр 5-2 Цупкий фiльтрувальний папiр Фарфоровi або глинянi фiльтри 0,5—0,2 Пергамент 0,026—0,021 Ультрафiльтри 0,005—0,001 Фiльтрувальний папiр, який використовують у лабораторiях, розрiзняється за якiстю, щiльнiстю, ступенем зольностi i т. п. Так званi беззольнi фiльтри розрiзняються за щiльнiстю, вiд чого, природно, залежить i швидкiсть фiльтрування. З червоною або чорною стрiчкою випускаються фiльтри найменшої щiльностi, з бiлою—фiльтри з паперу середньої щiльностi, з синьою — фiльтри з цупкого паперу. вату. Дуже зручнi лiйки i тиглi з упаяною пластинкою з пористого скла, яке характеризується рiзною величиною пор, що позначається вiдповiдними номерами фiльтра: Номер фiльтра 1 2 3 4 Середнiй розмiр пор, мк 120—100 50—40 30—20 10—5 Дрiбнопористi фiльтри iз скла мають великий опiр. Для фiльтрування колоїдних розчинiв користуються спецiальними ультрафiльтрами. СПОСОБИ ФІЛЬТРУВАННЯ Фiльтруванням при звичайному тиску називають процес, при якому рiдина проходить через фiльтрувальний матерiал лише пiд тиском маси фiльтруючої рiдини i в рядi випадкiв при слабкому вiдсмоктуваннi, яке вiдбувається за рахунок стiкання фiльтрату, що заповнює трубку лiйки. Для прискорення фiльтрування через звичайний фiльтр потрiбно, щоб трубка лiйки була довшою звичайної з вiдрiзаним (не скошеним) сплавленим кiнцем. Можна також використовувати лiйку, трубка якої зiгнута петлею—таким чином при фiльтруваннi утворюється рiдинний затвор При дотриманнi цих умов процес фiльтрування може бути значно прискорений. Фiльтрування гарячої рiдини буває потрiбне для перекристалiзацiї, а також в тих випадках, коли при кiмнатнiй температурi рiдина має значну в'язкiсть i фiльтрується повiльно, з цiєю метою користуються спецiальними лiйками для гарячого фiльтрування, часто з електричним обiгрiванням парою через змiйовик та iн. ДИСТИЛЯЦІЯ Тиск насиченої пари рiдини є постiйною величиною при данiй температурi. При пiдвищеннi температури рiдини шляхом її нагрiвання, тиск насиченої пари пiдвищується доти, доки вiн не стане однаковим iз зовнiшнiм (атмосферним) тиском. Пiсля цього тиск насиченої пари не змiнюється, як би не нагрiвали рiдину. Надлишок теплової енергiї переходить повнiстю в теплоту паротворення (випаровування), а температура буде залишатись постiйною до того часу, поки вся рiдина не випарується. Температура кипiння—iндивiдуальна величина для кожної хiмiчно чистої речовини (може змiнюватись тiльки iз змiною зовнiшнього тиску), для iдентифiкацiї чистої речовини та визначення її чистоти. При зменшеннi зовнiшнього тиску знижується також температура кипiння рiдини, тому то нормальна температура кипiння рiдини та, при якiй рiдина кипить, знаходячись пiд дiєю нормального тиску 101 324,72 Па, або 760мм рт. ст. Властивiсть рiдини змiнювати температуру кипiння при змiнi зовнiшнього тиску використовують часто при перегонцi речовин. Так, якщо речовина при нагрiваннi i нормальному тиску розкладається, то застосовують перегонку при зменшеному тиску, що дозволяє перегнати рiдину без її розкладу. Пари, якi утворюються при кипiннi, конденсуються при охолодженнi на стiнках посуду, вiдвiдних трубках та iн. Процес кипiння рiдини з утворенням парiв i їх здатнiстю конденсуватися називається дистиляцiєю або перегонкою. Перегонка є одним з способiв очищення хiмiчних речовин. Розрiзняють три способи перегонки рiдини: при звичайному тиску, при зменшеному тиску i з водяною парою.