Лабораторна робота № 2.3

Титрування сумішей NaOH, Na₂CO₃, NaHCO₃

Мета роботи: Здобути практичні навички титрування скла­дних сумішей.

1. Попередні зауваження

Якщо, готуючи систему до титрування, суміш NaOH, Na₂CO₃, NaHCO₃ переведено у розчин, то проблема визначення всіх трьох речовин втрачає сенс. Розчинені реагенти реагують один із одним

HCO₃^‑ + OH^‑ Û CO₃^2‑ + H₂O, lg K_a2 ‑ lg K_w = 3,67 [I=0],

або через «молекулярні формули» реагентів

NaHCO₃ + NaOH Û Na₂CO₃ + H₂O.

Неможливо розрізнити Na₂CO₃, що був внесений у систему, і що утво­рено за ре­ак­ці­єю. У термінах компонентів, вживаних у хі­міч­ній тер­мо­ди­на­мі­ці, проблему формулюємо так. На додаток до роз­чин­ни­ка H₂O система містить ще 2 ком­по­нен­ти, кон­цен­тра­ції яких ви­зна­ча­ють склад си­сте­ми в цілому. Як ком­по­нен­ти при­дат­на вибрати будь-яка пара ре­чо­вин − NaOH і Na₂CO₃, або NaOH і NaHCO₃, або Na₂CO₃ і NaHCO₃, на­віть NaOH і CO₂. У цьому абстрактно ма­те­ма­ти­зо­ва­но­му термодинамічному під­ході декого з технолоґів може шокувати, як­що деякі з концентрацій від’ємні. Тому пі­дбираю­ть компоненти з до­дат­ним, і, може, ну­льо­вими концентраціями. Правда, якщо не­від­'єм­ніс­ть по­ру­ше­но, лег­ко пе­ре­ос­мис­лити від­по­відь у ба­жа­но­му нап­рям­кі. За тра­ди­ці­єю, у ре­зуль­та­тах аналізу не­дос­та­тньо то­го, що кон­цен­тра­ції компонентів невід’ємні. Дійсно, завжди не­від’­єм­ні концентрації для компонентів NaOH і CO₂, або, в межах умо­ви, де CO₂ не фі­ґу­рує, NaOH і NaHCO₃. Але такі ком­по­нен­ти одночасно не пе­ре­ва­жа­ють, бо їх ан­іони ре­а­ґу­ють один з од­ним. Які з про­дук­тів у певних об­ла­стях рН переважають, наочно пред­став­ля­ють ґрафіки КЛД. Із них видно також можливість тит­ру­ван­ня до певних кін­це­вих точок. Теоретично досліджуючи зміст ро­бо­ти, сту­ден­то­ві корисно по­бу­ду­ва­ти та дослі­дити ескіз КЛД для від­нос­но ве­ли­кої загальної кон­цен­тра­ції кар­бонатів, що ха­рак­тер­на для тит­ри­мет­рії.

Отже, титриметричний ана­ліз має визначити 2 пе­ре­ва­жа­ю­чих ком­­по­нен­ти: карбонат Na₂CO₃ (як ви­хід­ний, так і ут­во­рений за на­ве­деною ре­ак­ці­єю), а також NaOH або NaHCO₃ (тільки надлишок). Це і є варіанти тра­ди­цій­но­го ви­бо­ру. Ви­зна­ча­ю­чи ком­по­нен­ти, викори­стовують 2 кінцеві точки тит­ру­ван­ня з різ­ни­ми ін­ди­ка­то­ра­ми. Пер­шим титруємо NaOH, проте різ­ких змін рН тут не спо­сте­рі­га­єть­ся (поясніть це, спираючись на КЛД!), і фік­су­ємо наступну сте­хі­о­мет­рич­ну точку. Їй від­по­ві­дає як NaOH (якщо він був у системі), так і Na₂CO₃,

OH^‑ + H⁺ Û H₂O, (1)

CO₃^2‑ + H⁺ Û HCO₃^‑. (2)

Далі додаючи кислоту, титруємо HCO₃^‑ − як утворений у по­пе­ред­ній реакції, так і внесений з NaHCO₃

HCO₃^‑ + H⁺ Û H₂O + CO₂. (3)

Щоб зра­зу виб­ра­ти ком­по­нен­ти, по­рів­ню­ємо об­’є­ми V₁, що від­повідає ре­ак­ці­ям (1) і (2), та V₂, що відповідають всім трьом ре­ак­ці­ям. Реакції (3) відповідає різниця (V₂ – V₁). А тоді:

(а) якщо V₁ = (V₂ – V₁), то у системі був тільки Na₂CO₃, витрати кислоти на який за реакціями (2) та (3) однакові;

(б) якщо V₁ > (V₂ – V₁), то у системі не було NaHCO₃, а були Na₂CO₃ та NaOH, на останній пішла додаткова частина об’­є­му V₁ за реакцією (1);

(в) якщо V₁ < (V₂ – V₁), то у системі не було NaOH, а були Na₂CO₃ та NaHCO₃, на останній пішла додаткова частина різ­ни­ці об’ємів (V₂ – V₁) за реакцією (3).

Об’єми V₁ та V₂ можна визначати як відповідні кінцевим точ­кам за різ­ни­ми індикаторами. У точній роботі краще ко­рис­туватися окремими алі­кво­та­ми, і V₂ визначати як у ла­бо­ра­тор­ній роботі № 2, а для V₁ використовувати змішаний ін­ди­ка­тор: взяту для спів­відношення об’ємів 3:1 суміш розчинів з ма­со­ви­ми частками 0,1 % індикаторів тимолового синього і кре­зо­ло­во­го червоного (пур­пу­ро­ве тру­до­міст­кістю) V₁ та V₂ визначаємо з однієї аліквоти: V₁ за фенол­фта­леїном, що зне­барв­лю­ється і не заважає фіксувати V₂ за доданим забарвленням у розчині карбонату переходить у синє, з проміжним ро­жевим у кінцевій точці. У на­шій роботі (менш точно, але і з меншою (після V₁) бром­кре­зо­ло­вим зе­ле­ним. Кип’ятіння, на відміну від лабораторної роботи № 2, не застосовуємо.

2. Реактиви й обладнання

Хлороводнева кислота, c(HCl) » 0,1 моль/л, точну концентрацію якої вста­нов­ле­но у попередній роботі;

Бромкрезоловий зелений, розчин з масовою часткою w » 0,1 % у водно-ета­ноль­ній суміші (склад розчинника 8:2 за об’ємом);

Фенолфталеїн, розчин із масовою часткою w » 0,1% у водно-етанольній суміші (склад розчинника 4:6 за об’ємом);

Дистильована вода;

Конічні колби місткістю 250-300 мл;

Терези аналітичні;

Штатив, муфта, лапки;

Пробірки, шпателі.

3. Хід роботи

Якщо для аналізу запропоновано тверду речовину, беремо її наважку з тим, щоб розчинити у колбі і в подальшому пра­цю­ва­ти з аліквотами. Якщо для аналізу запропоновано розчин, то відповідно до його концентрації, або без­по­се­ред­ньо відбираємо проби піпеткою, або розводимо відібраний об’єм, щоб у по­даль­шо­му працювати з аліквотами. В усіх випадках бажано, щоб на повне тит­ру­ван­ня відібраної проби чи аліквоти пішло не більше ніж 25 мл розчину титранту.

До конічних колб відбирають піпеткою проби чи аліквоти об’єкта, додають кілька крапель розчину фе­нол­фта­ле­ї­ну і тит­ру­ють стандартизованим розчином HCl. Знебарвленню індикатору від­по­ві­дає об’єм v₁, см³. Додають кілька крапель розчину бром­кре­зо­ло­во­го зеленого і тит­ру­ють далі до зеленого забарвлення, і фіксують об’єм v₂, см³.

4. Обробка результатів

Менша з величинv₁ та (v₂ ‑ v₁),

v(Na₂CO₃) = min {v₁, (v₂ ‑ v₁)},

для будь-яких компонентів, відповідає карбонатові. Маса кар­бо­на­ту у порції, що ми титрували, m (Na₂CO₃) г, дорівнює

m(Na₂CO₃) = 0,105989 · {v₁ – v(Na₂CO₃)},

оскільки молярна маса карбонату M(Na₂CO₃) = 105,9890 г/моль.

Якщо v₁ > v(Na₂CO₃), то у системі наявний NaOH. Його маса, m(NaOH) , г, дорівнює m(NaOH) = 0,040·{v₁ – v(Na₂CO₃)},

оскіль­ки молярна маса гідроксиду M (NaOH) = 40,00 г/моль.

Якщо (v₂ – v₁) > v(Na₂CO₃), то у системі наявний NaHCO₃. Його маса, m (NaHCO₃) г, дорівнює m(NaHCO₃) = 0,084·{(v₂ – v₁) – v(Na₂CO₃)},

оскільки молярна маса гідроксиду M (NaHCO₃) = 84,00 г/моль.

Залежно від постановки задачі, ці маси перераховуємо, зважа­ючи на те:

(1) чи відбирали аліквоту – якщо так, всі маси поділяємо на алі­квот­не відношення, (V_п/V_к);

(2) чи використовували наважку − якщо так, усі маси (вра­хо­ву­ючи пункт 1) поділяємо на масу наважки, переходячи до масової част­ки;

(3) чи вимірювали об’єм порції вихідного розчину, якщо так, усі маси (з урахуванням пункту 1) поділяємо на цей об’єм.

Результати паралельних титрувань піддають статистичній об­роб­ці.