Основи розчинення та його використання в хімічному аналізі

«Основи розчинення та його використання в хімічному аналізі» ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ ПРО РОЗЧИНИ На практиці частіше доводиться мати справу з розчинами твердих речовин у воді. Кількість твердої речовини, яку можна розчинити в даному об'ємі води, має межу, яка залежить від властивостей речовин і від умов, при яких відбувається розчинення. Коли межа досягнута, то утворюється насичений розчин.

Концентрація насиченого розчину називається розчинністю. При нагріванні розчинність багатьох твердих речовин збільшується. Проте деякі солі не підлягають цьому правилу: їх розчинність або зменшується з підвищенням температури, або підвищується до певної межі. Наприклад, максимальна розчинність вуглекислого натрію Ма2СО3 у воді спостерігається при 35,2 °С і становить 51г солі на 100г води.

Розчинність вуглекислого літію при 100°С в 2 рази вища, ніж при 20°С. Згідно з принципом Ле-Шателье, якщо розчинна речовина при розчиненні поглинає тепло, розчинність збільшується з підвищенням температури. Якщо ж розчинення супроводжується виділенням тепла, то розчинність при нагріванні зменшується. Розчин називається пересиченим, коли в ньому міститься значно більше розчинної речовини, ніж її потрібно для насичення при даній температурі.

Такий розчин може утворитися при повільному охолодженні насиченого розчину речовини, розчинність якої знижується з температурою. Пересичені розчини нестійкі, здатні до існування лише при відсутності системи у розчині твердих часток розчинної речовини. У спокійному стані вони можуть роками залишатися без змін. Густина розчину відрізняється від густини розчинника.

Розчин кипить при більш високій температурі, а температура замерзання його нижча, ніж розчинника. Швидкість розчинення твердої речовини залежить від розміру часток—великі шматки твердої речовини слід подрібнювати в ступці. Проте гігроскопічні речовини не подрібнюють перед розчиненням. Якщо порошок при висипанні у воду спливає і не змочується, то його спочатку слід змочити етиловим спиртом, а потім доливати воду. Смолисті речовини перед розчиненням слід розрізати на невеликі шматочки

і вводити до розчинника поступово. РОЗЧИННІСТЬ РІДИН На практиці спостерігаються три типи розчинення рідини у рідині: 1. Рідини практично не розчиняються одна в другій, наприклад вода і масло. При змішуванні вони завжди відокремлюються одна від другої. 2. Рідини розчиняються одна в другій в певних об'ємах.

Наприклад, вода і ефір, вода і бензол. При змішуванні води і ефіру утворюються два шари. Верхній — це розчин води в ефірі, нижній — розчин ефіру у воді. 3. Рідини розчиняються одна в другій в необмежених об'ємах. Наприклад вода і спирт, багато кислот і вода. Високомолекулярні речовини при розчиненні спочатку набухають. КЛАСИФІКАЦІЯ І КОНЦЕНТРАЦІЯ РОЗЧИНІВ Розрізняють водні та неводні розчини.

До останніх належать розчини в органічних розчинниках. Розчини солей, кислот і лугів в основному водні. За точністю вираження концентрації розчини поділяють на приблизні, точні та емпіричні. Концентрацією розчину називається масовий (об'ємний) вміст розчиненої, речовини в певній кількості або в певному об'ємі розчину. Концентрації розчинів звичайно виражають у масових та об'ємних (для рідин) процентах, у молях, які

містяться в одиниці об'єму розчину, а також титром і моляльністю. Розчини з високою концентрацією розчиненої речовини називаються концентрованими, з низькою - розбавленими. Концентрації приблизних розчинів звичайно виражають у масових процентах, точних - в молях, які містяться в 1 кг розчину, або титром. При вираженні концентрації в масових процентах вказують вміст розчиненої речовини по підношенню до всього об'єму розчину.

Наприклад, 20%-ний розчин повареної солі NаС1 - це такий, в 100г якого міститься 20г NаСІ і 80г води. Концентрація розчину, виражена числом молей розчиненої речовини, які містяться в 1 дм3 розчину, називається молярністю. Молем (грам-молекулою) якої-небудь речовини називають її молекулярну масу, виражену в грамах. Молярні розчини позначаються буквою М, попереду якої ставиться коефіцієнт — число молів, що містяться в 1 дм3 розчину.

Наприклад, 2М розчин містить в 1 дм3 розчину два молі розчиненої речовини, 0,5М розчин містить в одному дм3 розчину п'ять десятих моля і т. д. Інколи концентрацію розчину виражають числом молів розчиненої речовини, які містяться в 1000г розчинника. Такі розчини називають моляльними. Концентрацію розчинів часто виражають числом грамів розчиненої речовини, яка міститься в 1 см3 .розчину. Виражена таким чином концентрація називається титром.

ТЕХНІКА ПРИГОТУВАННЯ РОЗЧИНІВ Для приготування розчинів застосовують тільки чисті розчинники. Посуд повинен бути також чистим. Слід підготувати дві посудини: одну - для розчинення, другу - для зберігання. Необхідно запобігти потраплянню в приготовлені розчини пилу чи газів, з якими можуть реагувати деякі розчини. Пляшки або інший посуд повинні бути закриті добре підігнаними пробками. Розчини лугів захищають від двоокису вуглецю, обладнавши пляшки хлоркальцієвою трубкою, яка заповнюється

натронним лугом. Лужні розчини не можна залишати надовго у фарфоровому і особливо в скляному посуді. РОЗРАХУНКИ ПРИ ПРИГОТУВАННІ ВОДНИХ РОЗЧИНІВ Приблизні розчини. При приготуванні приблизних розчинів кількість речовин, які повинні бути взяті для цього, обчислюють з приблизною точністю. Атомні маси елементів можна брати округленими до цілих одиниць.

Речовини зважують на технічних терезах. Кількість приготовленого розчину виражають або в одиницях маси (г, кг), або в одиницях об'єму (см3, дм3). У зв'язку з цим і розрахунок кількості розчиненої речовини проводять по-різному. Приклад: потрібно приготувати 0,5кг 24%-ного розчину NаСІ. Заздалегідь обчислимо кількість солі за пропорцією:

100г - 24г 500г - х х=24х500/100=120г тобто якщо в 100г розчину міститься 24г солі (24 %), то скільки її потрібно для 500г розчину? Згідно з розрахунком потрібно зважити 120г солі, тоді води необхідно взяти 500—120 ==380 г. Якщо потрібно приготувати 0,5 дм3 24%-ного розчину солі, то в цьому випадку з довідника беруть його густину, останню множать на об'єм розчину і знаходять його масу. Далі розрахунок аналогічний вищенаведеному. Так, густина 24%-ного розчину

NаСІ при 20 °С дорівнює 1,180 г/см3. Отже, маса 500 см3 становить: 500х1,180=590 г, тобто 100—24 590— х х =24х509/100=141,6г Для приготування 0,5 дм3 розчину потрібно зважити більшу кількість солі, ніж для 0,5кг розчину. На практиці часто необхідно розбавити приготовлений раніше розчин або змішати два розчини для приготування розчину іншої концентрації. Для цього можна користуватися простим

і ефективним способом розрахунку (правило хреста). Розбавлення розчину до необхідної концентрації додаванням розчинника. Концентрацію розчину записують у місці перетину двох ліній, ліворуч внизу—нуль, зліва зверху—вихідну концентрацію. На кожній лінії віднімають одне число, яке стоїть на ній, від іншого і різницю записують біля вільного кінця тієї ж лінії.

Отримані числа (розташовані праворуч) показують, скільки вагових частин розчину і скільки розчинника слід взяти. Приклад: щоб розбавити 40%-ний водний розчин до 25%-ного, на 25 вагових частин розчину необхідно 15 частин води: 40 25 25 0 15 Отримання розчину необхідної концентрації змішуванням двох даних розчинів. Роблять так само, тільки концентрації розчинів пишуть біля кінців обох ліній ліворуч.

Отримані числа праворуч свідчать, скільки вагових частин кожного розчину слід взяти, щоб отримати розчин необхідної концентрації. Приклад:для тримання 40%-ного розчину з 90%-ного . ,та 20%-ного слід взяти на 20 вагових частин 90%-ного розчину 50 вагових частин 20%-ного 90 20 40 20 50 Ця схема дає наближені результати і нею користуються для приготування приблизних розчинів. Точні розчини Точні розчини. При приготуванні точних розчинів обчислення кількостей потрібних речовин

проводять з достатнім ступенем точності. Атомні маси елементів беруть з таблиці з точними їх значеннями. Речовини зважують тільки на аналітичних терезах на годинниковому склі або бюксі. Зважену речовину висипають у чисту суху лійку невеликими порціями. Із промивалки кілька разів промивають над .лійкою годинникове скло або бюкс. Лійку промивають водою також кілька разів. Розчинник повинен займати не більше половини місткості колби.

Закривши колбу пробкою, струшують її до повного розчинення речовини. Після цього доводять об'єм водою до мітки нижнього меніска і старанно перемішують. Подібним чином готують молярні розчини. Якщо необхідно приготувати менше 1 дм3 розчину, то розчиняють меншу кількість солі у відповідному об'ємі води. Після приготування розчину його концентрацію обов'язково перевіряють титруванням відповідним розчином

іншої речовини з відомою молярністю. Якщо приготовлений розчин не відповідає заданій молярності, то вводять поправку. Стандартними називають розчини з точно визначеними концентраціями, їх використовують у колориметрії, в хроматографії для кількісного визначення речовин. Спочатку готують вихідний розчин з найбільшою концентрацією, інші розчини готують розбавленням приготовленого вихідного розчину.

Об'єм стандартних розчинів не перевищує 100—200 см3. РОЗЧИНИ СОЛЕЙ Приблизні розчини солей готують, як вказано вище. Концентрацію приготовленого розчину слід перевіряти. Звичайно визначають густину розчину ареометром і порівнюють отримане значення з табличними даними. Якщо розчин має концентрацію меншу заданої, то до нього додають необхідну кількість солі, якщо концентрація

більша заданої — додають воду. Точні розчини солей готують для аналітичних цілей, як правило, молярної концентрації. При зберіганні багато точних розчинів можуть змінюватися під дією світла, кисню повітря чи інших домішок, які містяться в повітрі. Такі точні розчини періодично перевіряють. Розчини світлочутливих речовин зберігають у склянках з темного скла. Від світла змінюються розчини AgNO3, КМnO4, К2СrО7,

KJ. При зберіганні точного розчину сіркуватистокислого натрію часто спостерігається випадання пластівців сірки. РОЗЧИНИ ЛУГІВ Приблизні розчини. В лабораторній практиці найчастіше доводиться готувати розчини їдкого натру NаОН, їдке калі використовується менше. Розчини аміаку бувають майже завжди готовими. При розчиненні лугу відбувається сильне виділення тепла, тому розчин потрібно весь час перемішувати скляною паличкою.

Концентровані луги роз'їдають шкіру, взуття та одяг. Шматки лугу слід брати щипцями, пінцетом або в гумових рукавицях. Рекомендується готувати спочатку концентровані розчини лугу густиною 1,35—1,45 г/см3, тобто 32—40%-ні. Домішки в таких концентрованих розчинах осідають на дно. Відстояний розчин обережно переливають в інший посуд.

Ареометром визначають густину розчину і відшукують у таблиці концентрацію лугу. Розбавлення проводять, використовуючи описані вище способи розрахунку. Оскільки концентровані розчини лугів дуже видужують скло бутлів, слід внутрішню їх поверхню покрити парафіном. Точні розчини готують з хімічно чистих лугів, які практично не містять домішок. Луг розчиняють, як вказано вище, і установлюють концентрацію за допомогою титрування точним

розчином кислоти. Титр розчину лугу краще всього встановлювати за розчином щавлевої кислоти (С2Н2O4-2Н20). Щавлеву кислоту слід два рази перекристалізувати, перш ніж з неї готувати точний розчин. Якщо потрібно встановити титр 0,5М розчину NаОН, то слід приготувати 0,5М розчин щавлевої кислоти. Для титрування достатньо 100—250 см3 розчину. Еквівалентна маса щавлевої кислоти дорівнює половині молекулярної, тобто 63,0333. Для приготування 100 см3 0,5М розчину слід взяти 63,0333/2*10=3,1517г щавлевої

кислоти. Коли розчин буде готовий, з нього піпеткою відбирають 20 см3, переносять у конічну колбу, додають 1—2 краплі індикатора (фенолфталеїну) і титрують приготовленим розчином лугу до появи слабо-рожевого забарвлення, яке не зникає протягом 1 хв. Щоб обчислити молярність лугу, слід скористатися співвідношенням V1хМ1=V2хМ2, тобто добуток об'єму на молярність відомого розчину дорівнює добутку об'єму на молярність невідомого розчину. Нехай на титрування витрачено 24,5 см3 розчину лугу, тоді 20х0,5=24,5•х, де х=20х0,5/24,5=0,4082

Молярність розчину лугу дорівнює 0,4082. РОЗЧИНИ КИСЛОТ Приблизні розчини. Звичайно в лабораторії готують розчини соляної, сірчаної, азотної, оцтової кислот. Концентрована соляна кислота (39,11%) на повітрі димить, тому з нею потрібно працювати у витяжній шафі. При приготуванні розчинів сірчаної кислоти слід пам'ятати, що потрібно доливати кислоту до води, а не навпаки» оскільки при розбавленні відбувається сильне нагрівання»

і якщо долити воду до кислоти, можливе бурхливе закипання і викид бризок з посуду на одяг, шкіру, і т. д. Сірчана кислота викликає сильні опіки. Якщо бризки попали на одяг або шкіру, треба їх змити водою і нейтралізувати содою. При розбавленні азотної кислоти відбувається також нагрівання, тому слід вливати кислоту у воду. Точні розчини кислот готують з хімічно чистих реактивів.

Необхідну кількість концентрованих кислот беруть по об'єму, обчисленому на основі густини. Відміряють концентровані кислоти циліндром. Точні розчини зберігають у щільно закритих колбах. Для перевірки нормальності кислоти застосовують кислий вуглекислий калій КНСОз. ФІКСАНАЛИ Фіксанали — це заздалегідь приготовлені та запаяні в скляні ампули точно зважені кількості реактиву, необхідного для приготування 1 дм3 0,1 М або 0,01М розчину.

Щоб приготувати точний розчин, необхідно спочатку старанно обмити ампулу та витерти її. В мірну колбу місткістю 1 дм3 вставляють лійку з вкладеним у неї бойком, гострий кінець якого спрямований вверх. Ампулі дають вільно падати, щоб дно її розбилося об гострий кінець бойка. Потім цю ампулу старанно промивають дистильованою водою і доводять розчин до мітки. Лужні фіксанали придатні протягом певного строку, який вказується на етикетці.

Сухі препарати можуть зберігатися необмежений час. ПОНЯТТЯ ПРО ТИТРУВАННЯ Титрування — це поступове контрольоване доливання розчину з точно відомою концентрацією до певного об'єму іншого розчину. Під час титрування колбу треба тримати правою рукою, а лівою управляти краном бюретки, щоб рідина стікала рівномірно. При титруванні велике значення має швидкість додавання розчину. Для перемішування титрованого розчину зручно застосовувати магнітні мішалки.

Кінець титрування визначають за зміною забарвлення розчину. Слід пам'ятати кілька правил титрування. 1. Титровані розчини повинні бути свіжими. Не дозволяється їх тривале зберігання. 2. Титровані розчини при зберіганні змінюють свій титр, тому його слід періодично перевіряти. 3. Титр розчинів КМп04 потрібно установлювати не раніше, ніж через 3—4 дні після приготування. 4. Титровані розчини лугів потрібно зберігати в бутлях, покритих всередині парафіном,

і захищати від дії двоокису вуглецю. Індикаторами називають речовини, як застосовують для визначення реакції. Індикатори готують у вигляді водних, водно-спиртових або спиртових розчинів. Зміна забарвлення індикатора залежить від зміни концентрації іонів водню, причому кожний індикатор змінює забарвлення лише в певних інтервалах рН. Кінець титрування визначають або за зміною забарвлення (метиловий оранжевий), або за

зникненням чи його появою (фенолфталеїн). Для визначення реакції середовища використовують індикаторний папір. Для цього на нього наносять краплю розчину за допомогою скляної палички або тонкого капіляра. Індикаторний папір універсальний і дозволяє визначати рН в інтервалі 1—10. АВТОМАТИЧНЕ ТИТРУВАННЯ Автоматизація процесів титрування має ряд переваг—усувається індивідуальна помилка працюючого, прискорюється процес титрування, можна проводити автоматичний запис

кривих титрування. В даний час апарати для автоматичного титрування пристосовані в основному для потенціометричного титрування, при якому кольорові індикатори не використовують. Апарати складаються з двох частин: електронного пристрою і пристосування для перемішування. Дія високочастотного лабораторного титратора ТВ-6Л1 ґрунтується на використанні методу високочастотної кондуктометрії.

Зменшення напруги в комірці титрування, а, отже, і зменшення електропровідності залежить від зміни концентрації розчину. Цей прилад призначений для титрування водних та неводних розчинів кислот, лугів, солей, забарвлених розчинів, розчинів, забруднених випадаючими осадами. Титратор ТФЛ-46 з фотоелектричною індикацією кінця титрування—напівавтоматичний прилад. Всі операції, крім підготування проб для аналізу, автоматизовані.

Аналізатор ТЛ-ФП-67/571 має фотоелектричну і потенціометричну фіксацію точки еквівалентності. Прилад обладнаний змінними бюретками місткістю від 2 до 50 см3. Блочний пристрій приладу дозволяє використовувати самостійно окремі вузли приладу, магнітну мішалку, рН-метр, фотоабсорбціометр. НЕВОДНІ РОЗЧИНИ Розчини, в яких розчинниками є органічні речовини (спирти, ефіри, бензол, ацетон та

ін.), називаються неводними. В органічних розчинниках розчиняють рідкі або тверді органічні речовини, наприклад жири, смоли і рідше—неорганічні речовини, наприклад деякі солі, луги, мінеральні масла. Розчинники застосовують або технічні, або хімічно чисті. Дуже багато розчинників, які використовують в лабораторіях, вогненебезпечні: діетиловий ефір, спирти, ацетон, бензол, петролейний ефір, гексан, сірковуглець.

В лабораторії не дозволяється тримати запас розчинників більше добової потреби. Зберігати та працювати з ними треба у витяжній шафі. Концентрацію розчиненої речовини обчислюють або в масових процентах, або в грамах на дм3 та в молях органічної речовини так, як і для водних розчинів. Розчинення в органічних розчинниках проводять при дотриманні заходів безпеки.

ФІЛЬТРУВАННЯ Для механічного відокремлення твердої фази від рідкої або газоподібної користуються фільтруванням. Перед фільтруванням доцільно використовувати декантацію, тобто промивку осаду шляхом його розбавлення і наступним зливанням розчинника над осілим осадом. На ефективність фільтрування, яка характеризується швидкістю стікання фільтрату і повнотою відокремлення осаду від рідкої фази, впливають такі фактори: розмір пор фільтра; співвідношення

між розмірами пор фільтра і розмірами частин осаду; площа фільтрувальної поверхні; характер осаду; різниця тисків по обидва боки фільтра; в'язкість рідкої фази. В'язкість розчину, в свою чергу, залежить від температури та концентрації розчиненої речовини. Правильний вибір матеріалу, який фільтрується, та умов фільтрування дозволяє використовувати всі сприятливо діючі фактори та забезпечити успішний результат. ФІЛЬТРУВАЛЬНІ

МАТЕРІАЛИ Фільтрувальні матеріали поділяють на сипкі і пористі, неорганічні та органічні. В лабораторіях найчастіше застосовують уже готові фільтрувальні матеріали: кварцовий пісок, карборунд з різним за діаметром зерном, якщо метою фільтрування є отримання прозорого фільтрату, а не осаду. Бажано, щоб пори фільтра були менші найдрібніших часток відфільтрованого осаду. Оскільки розмір пор фільтра

є одним з найбільш суттєвих показників, які визначають ефективність фільтрування, корисно знати характеристики фільтрувальних засобів . Розмір пор фільтрувальних матеріалів Фільтрувальний матеріал Розмір пор, мм Волосяні сита До 33 Скляні пористі фільтри 100—5 Звичайний фільтрувальний папір 5-2 Цупкий фільтрувальний папір 1,7—0,8 Фарфорові або глиняні фільтри 0,5—0,2

Пергамент 0,026—0,021 Ультрафільтри 0,005—0,001 Фільтрувальний папір, який використовують у лабораторіях, розрізняється за якістю, щільністю, ступенем зольності і т. п. Так звані беззольні фільтри розрізняються за щільністю, від чого, природно, залежить і швидкість фільтрування. З червоною або чорною стрічкою випускаються фільтри найменшої щільності, з білою—фільтри з паперу середньої щільності, з синьою — фільтри з цупкого паперу.

Інколи для фільтрування з відсмоктуванням як фільтри використовують бавовняні, шерстяні тканини. Повсть і скляні тканини використовують для фільтрування сильнокислих розчинів. Для фільтрування газів використовують вату. Дуже зручні лійки і тиглі з упаяною пластинкою з пористого скла, яке характеризується різною величиною пор, що позначається відповідними номерами фільтра: Номер фільтра 1 2 3 4

Середній розмір пор, мк 120—100 50—40 30—20 10—5 Дрібнопористі фільтри із скла мають великий опір. Для фільтрування колоїдних розчинів користуються спеціальними ультрафільтрами. СПОСОБИ ФІЛЬТРУВАННЯ Фільтруванням при звичайному тиску називають процес, при якому рідина проходить через фільтрувальний матеріал лише під тиском маси фільтруючої рідини і в ряді випадків при слабкому відсмоктуванні, яке відбувається за рахунок стікання фільтрату, що заповнює

трубку лійки. Для прискорення фільтрування через звичайний фільтр потрібно, щоб трубка лійки була довшою звичайної з відрізаним (не скошеним) сплавленим кінцем. Можна також використовувати лійку, трубка якої зігнута петлею—таким чином при фільтруванні утворюється рідинний затвор При дотриманні цих умов процес фільтрування може бути значно прискорений. Фільтрування гарячої рідини буває потрібне для перекристалізації, а також в тих випадках, коли при

кімнатній температурі рідина має значну в'язкість і фільтрується повільно, з цією метою користуються спеціальними лійками для гарячого фільтрування, часто з електричним обігріванням парою через змійовик та ін. ДИСТИЛЯЦІЯ Тиск насиченої пари рідини є постійною величиною при даній температурі. При підвищенні температури рідини шляхом її нагрівання, тиск насиченої пари підвищується доти, доки він не стане однаковим із зовнішнім (атмосферним) тиском.

Після цього тиск насиченої пари не змінюється, як би не нагрівали рідину. Надлишок теплової енергії переходить повністю в теплоту паротворення (випаровування), а температура буде залишатись постійною до того часу, поки вся рідина не випарується. Температура кипіння—індивідуальна величина для кожної хімічно чистої речовини (може змінюватись тільки із зміною зовнішнього тиску), для ідентифікації чистої речовини та визначення

її чистоти. При зменшенні зовнішнього тиску знижується також температура кипіння рідини, тому то нормальна температура кипіння рідини та, при якій рідина кипить, знаходячись під дією нормального тиску 101 324,72 Па, або 760мм рт. ст. Властивість рідини змінювати температуру кипіння при зміні зовнішнього тиску використовують часто при перегонці речовин. Так, якщо речовина при нагріванні і нормальному тиску розкладається, то застосовують перегонку при зменшеному тиску, що дозволяє перегнати

рідину без її розкладу. Пари, які утворюються при кипінні, конденсуються при охолодженні на стінках посуду, відвідних трубках та ін. Процес кипіння рідини з утворенням парів і їх здатністю конденсуватися називається дистиляцією або перегонкою. Перегонка є одним з способів очищення хімічних речовин. Розрізняють три способи перегонки рідини: при звичайному тиску, при зменшеному тиску

і з водяною парою.