Лабораторная работа № 2. Кондуктометрический анализ растворов. Определение солесодержания воды

 Цель работы:

1. Изучить теорию и практическое применение кондуктометрического метода исследования растворов;
2. Определить концентрацию раствора соляной кислоты методом кондуктометрического титрования;
3. Определить общее солесодержание различных проб воды методом прямой кондуктометрии.

Теоретическая часть

Растворы способны проводить электрический ток за счет диссоциации молекул на ионы и миграции ионов под действием внешнегонапряжения.

NaCL ó Na⁺ + Cl-

H₂OóH⁺ + OH-

Кондуктометрический метод анализа основан на измерении электропроводности раствора, т.е. способности проводить электрический ток(χ) в процессе титрования.

Электропроводность раствора электролита обратно пропорциональна его сопротивлениюR, она измеряется в сименсах (См), причем 1 См = 1 Ом-1.

(1)

На практике возможно измерить величину так называемой удельной электропроводности (χ). На ее влияют: природа электролита (степень диссоциации и подвижности ионов); природа растворителя (диэлектрическая проницаемость и вязкость); температура и концентрация электролита.

Удельная электропроводность () – электропроводность 1 см³ раствора, помещенного между электродами площадью 1 см², расположенными на расстоянии 1 см.

Эквивалентная электропроводность (λ) – электропроводность раствора, содержащего 1 моль-эквивалент электролита, измеренная на расстоянии между электродами 1 см.

 

Рис. 1. Электрохимическая ячейка

Аналитический сигнал формируется в пространстве между двумяидентичными электродами, подсоединенными к внешнему источникунапряжения.

Методом кондуктометрии можно анализировать только растворыэлектролитов. При этом электропроводность обусловлена наличиемвсех типов ионов в растворе, поэтому аналитический сигнал методанеселективен.

Прямые кондуктометрические измерения применяются редко, чтосвязано с малой селективностью метода. При этом для определенияконцентрации могут быть использованы метод градуировочного графика или расчетный метод.

Гораздо большее применение находят косвенные кондуктометрические определения – кондуктометрическое титрование, при которомизмеряют электропроводность анализируемого раствора в ходе титрования и строят кривую титрования. Обычно такая кривая является линейной, а точки эквивалентности определяют по изломам на ней.

Чтобы получить надежные результаты, в кондуктометрическом титровании важно правильно подобрать тип реакции и титрант. Для точного определения точки эквивалентности излом на кривой титрования должен быть четким. Этого можно добиться, если подвижности ионов, вступающих в реакцию и образующихся в ходе реакции, значительно различаются между собой.

В процессе титрования постепенное прибавление титранта приводит к изменению состава раствора из-за протекания химической реакции.

При титровании сильной одноосновной кислоты, например соляной, раствором щелочи NaOH протекает реакция

HCl + NaOH = NaCl + H₂O,

или в ионном виде

Н+ + Сl– + Na+ + OH– = Na+ + Сl– + H₂O.

При этом высокоподвижные ионы Н+ связываются  в мало диссоциированные молекулы воды. Общее число ионов в растворе не меняется, так как в него вводится эквивалентное число ионов натрия Na+.

Однако ионы натрия имеют меньшую подвижность, чем ионы Н⁺.

При титровании до точки эквивалентности электропроводность уменьшается (рис. 2).

Рис. 2. Общий вид кривой кондуктометрического титрования соляной

кислоты раствором щелочи

 

После точки эквивалентности (когда вся соляная кислота прореагировала со щелочью) электропроводность раствора возрастает, таккак в него вводятся дополнительные ионы титранта (Na⁺ и ОН^‾). На кривой титрования наблюдается резкий излом, по которому рассчитывают концентрацию и массу кислоты. Для этого графическим способом находят объем щелочи в конечной точке титрования (Vк.т.т).

При определении уксусной кислоты кондуктометрическим титрованием щелочью необходимо учитывать, что определяемое вещество – слабый электролит (K_а(СH₃COOH) = 1,75 ∙ 10^‾5). В данном случае протекает следующая реакция:

СH₃COOH + NaOH = СH₃COONa + H₂O,

или в ионном виде

СH₃COOH + Na⁺ + OH^–= Na⁺+ СH₃COO^–+ H₂O.

При постепенном добавлении титранта в растворе уменьшается концентрация слабого электролита – уксусной кислоты и увеличивается концентрация сильного электролита – ацетата натрия. За счет общего увеличения числа ионов до точки эквивалентности электропроводность раствора несколько увеличивается (рис. 3).

Рис. 3. Общий вид кривой кондуктометрического титрования уксусной

кислоты раствором щелочи

 

После точки эквивалентности (когда вся уксусная кислота прореагировала со щелочью) электропроводность раствора резко возрастает, так как в него вводятся ионы титранта (Na+ и ОН‾). На кривой титрования наблюдается излом, по которому рассчитывают концентрацию и массу кислоты.

При титровании уксусной кислоты излом на кривой титрованиябудет менее четким, чем в случае титрования соляной кислоты. Этосвязано с тем, что уксусная кислота является слабой.

 

Реактивы и оборудование

1. 0,1000 M стандартный раствор гидроксида натрия или калия (NaOH или KОН);
2. Бюретка;
3. Стакан для титрования;
4. УЛК «Химия», модуль «Электрохимия»;
5. Магнитная мешалка;
6. Исследуемый раствор соляной кислоты (0,1 М);
7. Цифровой кондуктометр «Hanna»;
8. Пробы воды.

 

Экспериментальная часть

 

Опыт 1. Определение точной концентрации раствора соляной кислоты методом кондуктометрического титрования

1. Подготовка бюретки к работе.

Приступая к выполнению работы, необходимо подготовить бюретку к титрованию. Для этого ее промывают водой, а затем ополаскивают 0,1000 М раствором щелочи и заполняют этим раствором). Удаляют воздух из нижнего капилляра, уровень жидкости выставляют на нулевое деление.

2. Проведение кондуктометрического титрования.

Получают у лаборантов анализируемый раствор (10 или 20 мл) соляной кислоты в стакан вместимостью 50 мл и, если необходимо, добавляют 10 мл дистиллированной воды.В стакан с полученным раствором кислоты помещают стержень магнитной мешалки и датчик кондуктометра (опускают как можно ближе ко дну), при этом следят за тем, чтобы стержень мешалки вращался свободно.

Внимание, электроды кондуктометра должны быть полностью погружены в раствор. Если объем раствора недостаточен, то добавляют дополнительные порции дистиллированной воды. Избегайте добавления большого избытка воды! Из отверстий в верхней части датчика удаляют воздух: датчик слегка поворачивают и покачивают в зажиме.

Включают магнитную мешалку. Включают кондуктометр кнопкой «ON», устанавливают необходимый диапазон измерения электропроводности нажатием кнопки «19,99 mS».

Проводят титрование, добавляя щелочь из бюретки порциями по0,2–0,5 мл и фиксируя показания кондуктометра после добавления каждой порции титранта. Полученные экспериментальные данные записывают в таблицу 1.

 

Таблица 1. Экспериментальные данные кондуктометрического титрования

 

№	VNaOH, мл	ϰ, мСм/см	VNaOH, мл	ϰ, мСм/см
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21

 

Примечание. V_NaOH – объем прибавленной щелочи при титровании, мл;

χ – соответствующее показание кондуктометра, мСм/см.

 

3. Расчет результатов анализа.

По полученным экспериментальным данным строят кривую титрования в координатах χ, мСм/см – V(NaOH), мл.

 

 

 

 

 

По кривой определяют объем титранта (V_NaOH,мл), необходимый для достижения конечной точки титрования (V_к.т.т, мл.).

Используя полученноезначение, находят точную концентрацию раствора соляной кислоты по выражению:

 

.                          (15)

 

Если необходимо определить массу cоляной кислоты m(НCl), мг, в выданной дляанализа пробе, то ее рассчитывают следующим образом, используя закон эквивалентов.

В точке эквивалетности:

n(HCl) = n(NaOH) = С(NaОН) ∙ Vк.т.т,(16)

где С(NaОН) – концентрация стандартного раствора щелочи (моль/л);

Поэтому масса HCl равна:

m(НCl) = С(NaОН) ∙ Vк.т.т*M(HCl), (17)

где M(НCl) – молярная масса соляной кислоты, г/моль.

 

 

Опыт 2. Определение общего содержания солей в воде с помощью кондуктометра (солемера)

 

Общее содержание солей в воде является одним из показателей качества воды. Общее солесодержание (ОСС или TDS, Totaldissolvedsolids) – представляет собой общее количество растворенных частиц, которое в промышленности или в быту определяется по величине удельной электропроводности воды с использованием солемеров различных марок.

Например, солемер TDS-3(Рис.8), измеряет общего количество растворенных в воде солей в ppm (parts per million, 1ppm=1 мг/л), а также для измерения температуры воды.  Принцип действия TDS-метра основан на прямой зависимости электропроводности (в микросименсах, мкСм)раствора от количества растворенных в воде соединений солей жесткости.

 

 

Рис. 4.Солемер TDS-3

 

Солемеры помогают проводить эффективную диагностику работы бытовых фильтров и магистралей очистительных систем, и помогают легко определить степень пригодности воды для использования в бытовых и промышленных целях.

В данном опыте для анализа используют набор различных типов воды: дистиллированную, водопроводную, после бытового фильтра, питьевую бутилированную, артезианскую и др.

Порядок измерение уровня общей жесткости с помощью солемера TDS-3:

1. Снимите защитный колпачок.
2. Включите прибор нажатием кнопки ON/OFF.
3. Опустите в жидкость до максимального уровня (5см).
4. Слегка помешивайте для избавления от воздушных пузырьков.
5. Дождитесь стабилизации показаний (примерно 10 секунд) и запишите показания прибора.
6. После использования стряхните остатки жидкости и закройте защитный колпачок.

Результаты измерений электропроводности занесите в таблицу 8 и рассчитайте величину общего солесодержания по выражению:

ОСС=К*X_i,

где К – калибровочный коэффициент прибора, равный 1754мг/л*мСм

Пользуясь приведенной ниже шкалой, оцените качество воды.

 

Таблица 2. Результаты определения солесодержания в воде

 

Наименование пробы воды	Показания солемера,  мСм				Общее солесодержание, мг/л	Вывод о качестве воды
	Xi			Xср,
Дистиллированная вода	0,00	0,00	0,00
Водопроводная вода, ауд. 106, кафедра химии ВГЛТУ	0,56	0,57	0,58
Фильтр-кувшин «Аквафор»	0,42	0,44	0,43
Скважина, г. Павловск	1,16	1,22	1,22

 

Таблица 3. Условная шкала качества питьевой воды по общему солесодержанию (1 мСм = 500 ррm=500 мг/л), регламентируется нормами СанПиНа Минздрава РФ

 

Идеальная питьевая вода из обратного осмоса

Приемлемая вода после угольного фильтра

Ограниченно приемлемая вода из водопровода

Жесткая вода из водоёмов и других источников

Предельно допустимая жесткость питьевой воды

Опасная для жизни

0                230780 1370   1830                2280       >2280

 

 

В конце работы сформулируйте вывод по каждому опыту:

1) по опыту 1 – укажите величину точной концентрации изученного раствора и метод, использованный для ее определения;

2) по опыту 2 –  укажите что определили, для каких проб воды, каким методом, каков общий вывод о качестве воды из этого следует.

В конце отчета сформулируйте ответы на вопросы для самоконтроля.

 

Вопросы для самоконтроля и повторения

 

1. Какие существуют методы электрохимического анализа и контроля объектов окружающей среды?
2. Какая величина является аналитическим сигналом в этих методах и методе кондуктометрического титрования?
3. Перечислите основные показатели качества питьевой воды (физические, химические, биохимические).
4. Чем обусловлена постоянная и временная жесткость воды?
5. Каковы нормативы общего солесодержания для питьевой воды согласно актуальным нормативным документам?