Объемный анализ и его методы. Концентрации растворов: титр, нормальная концентрация

2.2.ТЕХНИКА ПРИГОТОВЛЕНИЯ РАСТВОРОВ

Независимо от того, какие приготовляют растворы, применять следует только чистые растворители. Если растворителем служит вода, то можно применять только дистиллированную или деминерализованную воду, а в отдельных случаях даже бидистиллят или специально очищенную дистиллированную воду.

Предварительно подготавливают соответствующей емкости посуду (см. ниже), в которой будут готовить и хранить получаемый раствор. Посуда должна быть чистой. Если есть опасение, что водный раствор может взаимодействовать с материалом посуды, то посуду внутри следует покрыть церезином, парафином или другими химически стойкими веществами.
Пример. Если нужно приготовить I л какого-то раствора, то для растворения следует взять посуду емкостью не больше 1,5 л. Если готовят 10 л раствора, то бутыль должна быть емкостью не больше 12—13 л.
Перед приготовлением растворов нужно подготовить по возможности два одинаковых сосуда: один — для растворения, а другой — для хранения раствора. Может случиться, что раствор нужно будет отфильтровывать от какого-либо осадка или примеси, не растворившейся в данных условиях.
Вымытый сосуд полезно предварительно проградуировать (рис. 347). Это особенно касается бутылей большой емкости. Градуирование проводят следующим образом: мерным цилиндром отмеривают 1 л воды и переливают ее в бутыль. На стенке бутыли восковым карандашом проводят черту, совпадающую с уровнем воды в бутыли, и ставят цифру 1. Затем наливают второй литр воды и уровень отмечают цифрой 2, Так проделывают до тех пор, пока бутыль не будет заполнена до плеча. Расстояние между цифрами, обозначающими целые литры, можно разделить пополам более короткой чертой. Каждая такая черта будет соответствовать 0,5 л.
Для растворения следует применять по возможности чистые вещества. Готовые растворы обязательно проверяют на содержание нужного вещества и, если это будет необходимо, поправляют растворы, т. е. добавляют в них недостающее количество вещества или воды.
Нужно принимать меры для защиты приготовленных растворов от попадания в них пыли или газов, с которыми могут реагировать некоторые растворы. Так, Щелочи следует защищать от двуокиси углерода, для этого бутыль с щелочью снабжают хлоркальциевой трубкой, заполненной натронной щелочью или аскаритом.

Рис. 1. Градуированная бутыль. 
Рис. 2. Приспособление для хранения растворов в атмосфере двуокиси углерода: 1— стеклянное волокно; 2 —мрамор; 3- раствор соляной кислоты.

Как во время приготовления растворов, так и при их хранении бутыли или другая посуда обязательно должны быть закрыты предварительно подобранными пробками.

При особо точных и ответственных анализах следует обязательно принимать во внимание возможность выщелачивания стекла и применять, если это допустимо, кварцевую посуду или такую, стекло которой не содержало бы искомый элемент. Так, неизбежна ошибка при определении бора, цинка, алюминия, свинца и некоторых других элементов в посуде из стекла, содержащего эти элементы.
В некоторых случаях растворы следует хранить в атмосфере инертного газа, как азот, или в атмосфере двуокиси углерода. Для этого существуют специальные устройства или особые бюретки, приспособленные для каждого случая титрования.
Для хранения растворов в атмосфере двуокиси углерода в бутыль с раствором вставляют на пробке прибор, изображенный на рис. 348. В среднюю, расширенную, часть его насыпают куски мрамора среднего размера (как для аппарата Киппа), верхний шар заполняют стеклянным волокном. Через боковую воронку в прибор наливают раствор соляной кислоты, разбавленной 1 :2. Если из бутыли через тубус выливать жидкость, то над уровнем жидкости создается вакуум, и раствор соляной кислоты перемещается в средний шар. В результате начинается реакция с мрамором и образовавшаяся двуокись углерода поступает в бутыль. Когда в бутыли создается небольшое давление, соляная кислота переместится в нижний шар и выделение газа прекратится.
Щелочные растворы нельзя оставлять надолго в фарфоровой и особенно — в стеклянной посуде. Если приходится их оставлять, то необходимо вначале нейтрализовать растворы, потом немного подкислить и хранить только подкисленные растворы. При этом растворы лучше оставлять в фарфоровой посуде, а не в стеклянной.
Алгоритм приготовления приблизительного раствора соли
1. Рассчитать массу соли с точностью до десятых долей грамма, объем воды с точностью до целых миллилитров.
2. Взять навеску соли на технохимических весах точностью до десятых долей грамма.
3. Отмерить рассчитанное количество воды мерным цилиндром.
4. Растворить соль в воде:
a) насыпать соль в стакан или колбу;
b) добавить примерно половину отмеренного количества воды, энергично перемешать до полного растворения соли (если соль не растворяется, раствор подогреть);
c) добавить остальное количество воды, тщательно перемешать.
5. Перелить раствор в посуду для хранения (если раствор получился мутным, то отфильтровать его через складчатый фильтр).
6. Подписать склянку с раствором или наклеить этикетку.
Алгоритм приготовления приблизительного раствора кислоты
1. Рассчитать объемы концентрированной кислоты и воды с точностью до целых миллилитров.
2. Отмерить рассчитанное количество воды мерным цилиндром и перелить в колбу для приготовления раствора.
3. Отмерить рассчитанное количество кислоты мерным цилиндром и тонкой струйкой, при постоянном перемешивании, добавить в воду.
4. Остудить полученный раствор и перелить в бутыль для хранения, наклеить этикетку.
Алгоритм приготовления приблизительного раствора щёлочи
1. Рассчитать массу щёлочи и объем воды (с такой же точностью, как при приготовлении раствора соли).
2. Взять навеску щёлочи в фарфоровой чашке (на 2-3% больше рассчитанной) на технохимических весах с точностью до десятых долей грамма.
3. Отмерить рассчитанное количество воды мерным цилиндром.
4. В вытяжном шкафу растворить щёлочь в фарфоровой чашке или стакане:
a) прилить небольшое количество воды (примерно в 1,5 – 2 раза больше массы щёлочи);
b) помешивая стеклянной палочкой, добиться растворения щёлочи;
c) дать полученному раствору остыть;
d) осторожно слить остывший раствор щёлочи в другой сосуд, оставив осадок на дне фарфоровой чашки;
e) прилить оставшуюся воду, тщательно перемешать.
5. Оформить этикетку.
Алгоритм приготовления точного раствора по точно взятой навеске
Рассчитать массу растворенного вещества.
2. Взять точную навеску вещества на аналитических весах.
3. Точную навеску вещества количественно перенести в мерную колбу нужного объема:
a) перенести навеску через чистую, сухую воронку;
b) обмыть тару из-под навески, воронку, носик воронки, горло мерной колбы (промывные воды не должны занимать более 1/2 объема мерной колбы).
4. Содержимое колбы перемешать до полного растворения навески.
5. Довести уровень воды в мерной колбе до метки на горле.
6. Закрыть колбу пробкой, раствор тщательно перемешать путем переворачивания и встряхивания колбы (10 – 12 раз).
7. Раствор перелить в колбу для хранения, оформить этикетку.
Приготовление раствора из фиксанала (ампула, содержащая строго определенное количество вещества)
В мерную колбу емкостью 1 литр вставляют чистую воронку с бойком. На узкую часть трубки воронки надевают резиновое кольцо.
С ампулы фиксанала удаляют этикетку и надписи, моют дистиллированной водой и вставляют в воронку так, чтобы тонкостенное, втянутое внутрь дно ампулы касалось острия бойка.
Резким, но не сильным ударом разбивают дно ампулы о боек и дают всему содержимому вылиться в колбу.
Другим стеклянным бойком продавливают верхнее отверстие ампулы.
Ампулу промывают снаружи и изнутри дистиллированной водой над воронкой.
Вынимают воронку и споласкивают снаружи ее нижнюю часть; промывную воду собирают в ту же колбу.
В колбу добавляют воду до метки и перемешивают раствор (Рис.3). Полученный раствор имеет точную концентрацию.
Моль–количество вещества, которое содержит столько определенных структурных единиц (молекул, атомов, ионов и т.д.), сколько атомов содержится в 0,012 кг изотопа углерода-12.
При использовании термина моль следует указывать частицы, к которым относится этот термин. Соответственно, можно говорить «моль молекул», «моль атомов», «моль ионов» и т.д. (например, моль молекул водорода, моль атомов водорода, моль ионов водорода). Так как 0,012 кг углерода-12 содержит ~ 6,022х1023атомов углерода (постоянная Авогадро = число Авогадро), то моль– такое количество вещества, которое содержит 6,022х1023структурных элементов (молекул, атомов, ионов и др.).
Отношение массы вещества к количеству вещества называют молярной массой.
M (X) = m (X) / n(X)
То есть, молярная масса (М) – это масса одного моля вещества. Основной системной (в международной системе единиц СИ) единицей молярной массы является кг/моль, а на практике – г/моль. Например, молярная масса самого легкого металла лития М (Li) = 6,939 г/моль, молярная масса газа метана М (СН4) = 16,043 г/моль. Молярная масса серной кислоты рассчитывается следующим образом M (Н2SО4) = 196 г / 2 моль = 96 г/моль.
Молярная масса М (Х) -- масса одного моля молекул вещества (г/моль). M(X)=mx/n (X), где mx – масса вещества, г; n (X) – количество вещества, моль. Молярная масса вещества Х численно равна относительной молекулярной массе Mr (в случае молекул) или относительной атомной массе (в случае атомов).
Любое соединение (вещество), кроме молярной массы, характеризуется относительной молекулярной или атомной массой. Существует и эквивалентная масса Е, равная молекулярной, умноженной на фактор эквивалентности (см. далее).
Относительная молекулярная масса (Mr) –это молярная масса соединения, отнесенная к 1/12 молярной массы атома углерода-12.
Например,Мr(СН4) = 16,043. Относительная молекулярная масса – величина безразмерная.
Относительная атомная масса (Ar) –это молярная масса атома вещества, отнесенная к 1/12 молярной массы атома углерода-12.
Например, Ar(Li) = 6,039.
Концентрация. Отношение количества или массы вещества, содержащегося в системе, к объему или массе этой системы называют концентрацией. Известно несколько способов выражения концентрации. В России чаще всего концентрацию обозначают заглавной буквой С, имея в виду прежде всего массовую концентрацию, которая по праву считается наиболее часто применяемой в экологическом мониторинге форма выражения концентрации (именно в ней измеряют величины ПДК).
Массовая концентрация (С или β) –отношение массы компонента, содержащегося в системе (растворе), к объему этой системы (V). Это самая распространенная у российских аналитиков форма выражения концентрации.
β(Х) =m (X) / V(смеси)
Единица измерения массовой концентрации – кг/м3 или г/м3, кг/дм3или г/дм3(г/л), кг/см3, или г/см3 (г/мл), мкг/л или мкг/мл и т.д. Арифметические пересчеты из одних размерностей в другие не представляет большой сложности, но требуют внимательности. Например, массовая концентрация хлористоводородной (соляной) кислотыС(HCl) = 40 г / 1 л = 40 г/л = 0,04 г/мл = 4·10–5мкг/л и т.д. Обозначение массовой концентрации С нельзя путать с обозначением мольной концентрации (с), которая рассматривается далее.
Типичными являются соотношения β(Х): 1000 мкг/л = 1 мкг/мл = 0,001 мг/мл.