Методические рекомендации по предмету «Основы аналитической химии и химического анализа»: «Алгоритмы решения задач по гравиметрическому (весовому) анализу»
методическая разработка на тему

ГБПОУ «Березниковский политехнический техникум»

Методические рекомендации

по предмету

«Основы аналитической химии и

химического анализа»:

«Алгоритмы решения задач по гравиметрическому (весовому) анализу»

Подготовила: Полозова Ольга

Александровна,                                                                                

преподаватель высшей квалификационной категории

Пояснительная записка

    В настоящее время новые учебники по аналитической химии содержат в основном теоретический материал, поэтому преподаватели и студенты испытывают дефицит наглядных пособий по практическим материалам.

    Предлагаемые методические рекомендации «Алгоритмы решения задач по гравиметрическому (весовому) анализу» предназначено для студентов политехнического техникума дневного и заочного отделений, обучающихся по  специальности «Технология неорганических веществ», изучающих аналитическую химию. В пособии рассмотрены основные типы расчётных задач по весовому анализу согласно образовательной программе по предмету (нахождение массы навески и осадителя, объёма осадителя, определение процентного состава вещества и определение влажности осадков).

    При решении задач рассматриваются основные формулы, уравнения химических реакций. Данные рекомендации можно использовать на уроках теоретического и практического обучения, при выполнении домашнего задания.

    Цель рекомендаций – оказать помощь студентам при подготовке к практическим и контрольным работам. Алгоритмы решения задач позволят лучше проработать способы решения задач, самостоятельно справиться с предложенными практическими заданиями.

1. Алгоритмы решения задач по гравиметрическому (весовому) анализу: расчёт навески и осадителя

1.1. Расчёт навески.

Определение. Навеской называется весовое количество образца, необходимое для анализа.

Алгоритм решения:

1. Составляется уравнение реакции, расставляются коэффициенты.

2. Рассчитываются молярные массы веществ. Данные подставляются в уравнение реакции.

3. Составляется пропорция и по массе осадка находят массу навески (g).

Задача 1.

Определить массу навески образца кристаллического бария BaCI2∙2H2O, если необходимо получить осадок BaSO4 массой 0,5 г при осаждении хлорида бария серной кислотой.

Дано:                             Решение:

m BaSO4 = 0,5 г              1. Составляется уравнение реакции, расставляются BaCI2∙2H2O                  коэффициенты:

                                      BaCI2∙2H2O + H2SO4 → BaSO4 ↓ +  2 HCI + 2H2O

g BaCI2∙2H2O -?

                                      2. Рассчитываем молярные массы веществ:

М BaCI2∙2H2O = 137,34 + 2 ∙ 35,453 + 4 ∙ 1,00797 + 15,9994 =244,28 г/моль

М BaSO4 = 137,34 + 32,064 + 4 ∙ 15,9994 = 233,40 г/моль

3. В уравнение реакции подставляем значения М (молярных масс) и данные по условию задачи:

        х г                             0,5 г

BaCI2∙2H2O + H2SO4 → BaSO4 ↓ +  2 HCI + 2H2O

М = 244,28                      М = 233,40 г/моль

г/моль            

ν = 1 моль                       ν = 1 моль  

m = 244,28г                    m = 233,40г

4. Составляем пропорцию:

Из х г BaCI2∙2H2O образуется 0,5г BaSO4, а

Из 244,28 г BaCI2∙2H2O образуется 233,40 г BaSO4 (по уравнению реакции).

5. Находим массу навески:

     BaCI2∙2H2O

Ответ: масса навески -  g BaCI2∙2H2O = 0,52 г.

Задача 2.

При осаждении хлорида железа (III) едкой щёлочью NaOH выпал осадок Fe2O3 массой 0,6 г. Найдите навеску FeCI3.

Дано:                                 Решение:

m ос. Fe2O3 = 0,6 г       1. Составляем уравнение реакции, расставляем коэффициенты:

g FeCI3 = ?                   2FeCI3 + 6NaOH = 6NaCI + Fe2O3↓ + 3H2O

                                  2. Рассчитываем молярные массы:                                  

                             М FeCI3 = 55,847 + 3 ∙ 35,453 = 162,206 г/моль

                                  М  Fe2O3 = 2 ∙ 55,847 + 3 ∙ 15,9994 = 159,69 г/моль

3. В уравнение реакции подставляем молярные массы и исходные данные:

х г                                            0,6 г

2FeCI3 + 6NaOH = 6NaCI + Fe2O3↓ + 3H2O

М = 162,206 г/моль              М = 159,69 г/моль

 ν = 2 моль                             ν = 1 моль

 m = 324,412г                         m = 159,69 г

4. Составляем пропорцию:

Из х г FeCI3   образуется 0,6г Fe2O3, а

Из 324,412 г FeCI3  образуется 159,69 г Fe2O3 (по уравнению реакции).

5. Находим массу навески:

     FeCI3

Ответ: масса навески -  g FeCI3= 1,2189 г.

Задача 3.

Какова должна быть навеска AgNO3, чтобы при осаждении её соляной кислотой образовался осадок хлорида серебра массой 0,1 г.

Дано:                                                      Решение:

m ос. AgNO3 = 0,1 г       1. Составляем уравнение реакции, расставляем коэффициенты:

                                                    AgNO3 + HCI = AgCI↓+ HNO3

g AgNO3 = ?

                                    2. Рассчитываем молярные массы исходного вещества AgNO3  

                                    и осадка AgCI:

М AgNO3 = 107,868 + 14,007 + 3 ∙ 15,9994 = 169,87г/моль

М  AgCI  = 107,868 + 35,453 = 143,32 г/моль

3. В уравнение реакции подставляем молярные массы и исходные данные:

 х г                              0,1 г

AgNO3  +  HCI   =   AgCI↓ +  HNO3

М = 169,87 г/моль  М = 143,32 г/моль

 ν = 1 моль               ν = 1 моль

 m = 169,87г            m = 143,32 г

4. Составляем пропорцию:

Из х г  AgNO3   образуется 0,1г AgCI, а

из 169,86 г AgNO3   образуется  143,32 г AgCI (по уравнению реакции).

5. Находим массу навески:

    AgNO3 

Ответ: масса навески -  g AgNO3 = 0,1185г.

1.2.  Расчет осадителя

Расчет осадителя проводится после расчета навески

1. Составляется пропорция и по массе навески находят массу осадителя.

2. По определению молярной массы эквивалента находят объем осадителя.

Молярная масса эквивалента – это масса 1 моля эквивалента вещества, равная произведению фактора эквивалентности на молекулярную массу вещества.

Пример. Молярная масса эквивалента нитрата ртути:

fэкв. Hg(NO3)2  ∙ МHg(NO3)2  = 1/2 ∙ 292,6 = 146,3г

  Факторы эквивалентности и молярные массы эквивалентов кислот, щелочей и солей зависят от реакций, в которых они участвуют.

Пример (в кислотно-основных реакциях):

H3PO4  + NaOH  → NaH2PO4 + H2O

f экв.H3PO4 = 1(замещен один атом водорода)

H3PO4 + 2NaOH → Na2HPO4 + 2H2O

f экв. H3PO4 = 1/2 (замещены 2 атома водорода)

H3PO4 + 3NaOH → Na3PO4 + 3H2O

f экв. H3PO4 = 1/3 (замещены 3 атома водорода)

Задача 4.

Какова должна быть навеска AgNO3, чтобы при осаждении ее соляной кислотой образовался осадок AgC1 массой 0,2г. Сколько мл 0,5 молярного раствора HC1 необходимо взять для осаждения навески соли нитрата серебра AgNO3.

Дано:                                        Решение:

mосадка AgC1 = 0,2г                  1. Составляем уравнение реакции:

MHC1 = 0,5 моль/дм3

                                                  AgNO3+HC1→AgC1↓+HNO3     

V HC1 = ?                                

 2. Находим молярные массы участвующих в реакции веществ                                                                                                                            M AgC1 = 107,868 + 35,453 = 143,32г/моль

М AgNO3 = 107,868 + 14,007 +3 ∙ 15,9994 = 169,87г/моль

М HC1 = 1,00797 + 35,453 = 36,46097 г/моль

3.  Подставляем данные по условию задачи и значения молярных масс в уравнение реакции:

          x г                      0,2г

    AgNO3   +   HC1  =  AgC1 + HNO3

   М = 169,87 г/моль  М = 143,32 г/моль

    ν = 1 моль               ν = 1 моль

    m = 169,87г            m = 143,32 г

4. Составляем пропорцию:

    Из х г AgNO3 образуется 0,2 г AgNO2

    А из 169,87г AgNO3 образуется 143,32г AgCl  

    х = 169,87 ∙ 0,2/143,32 = 0,247 г AgNO3 – масса навески

5. По массе навески находим массу осадителя соляной кислоты (за у - обозначим массу НCI):

    0,247г            у г

    AgNO3    +     HC1  =   AgCl  +   HNO3

М = 169,87 г/мольМ = 36,46097 г/моль

ν = 1 моль              ν = 1 моль

m = 169,87г           m = 36,46097 г

Составляем пропорцию:

На 0,247г AgNO3 расходуется у г  HC1

а на 169,87г AgNO3 расходуется 36,46097г HC1

   HC1

6. Находим объём осадителя - соляной кислоты:

fэкв. HC1=1, а молярная масса эквивалента соляной кислоты:

m fэкв. HC1 =  fэкв. HC1 ∙ МHCl = 1 ∙ 36,46097 г/моль = 36,46097 г

Составляем пропорцию, исходя из определения молярной концентрации:

В 1000 мл 0,5 молярного раствора HC1 содержится 36,46097 ∙ 0,5 = 18,23 г HCl

а в z мл 0,5 молярного раствора HC1 содержится 0,053г HC1

z =  мл HC1        

Ответ: для осаждения 0,247 г нитрата серебра требуется 2,9 мл HC1.

Задача 5.

    При осаждении хлорида кальция 0,5 молярным раствором гидроксида натрия выпал осадок СаО массой 0,1124 г. Определить массу навески и объём осадителя гидроксида натрия.

Дано:                                        Решение:

mосадка СаО = 0,1124г                  1. Составляем уравнение реакции:

MNaOH = 0,5 моль/дм3

                                               CaСI2 + 2NaOH = CaO ↓ + H2O + 2NaCI    

VNaOH = ?                                

 2. Находим молярные массы участвующих в реакции веществ                                                                                                                            M CaC12 = 40,08 + 2 ∙ 35,453  = 110,99г/моль

М CaO = 40,08 + 15,9994 = 56,0794 ≈ 56,08 г/моль

М NaOH = 22,990 + 15,9994 + 1,00797 = 39,99737 ≈ 40 г/моль

3.  Подставляем данные по условию задачи и значения молярных масс в уравнение реакции:

    x г                      0,1124г

CaСI2 + 2NaOH = CaO ↓ + H2O + 2NaCI    

М = 110,99 г/моль М = 56,08 г/моль

ν = 1 моль               ν = 1 моль

m = 110,99г            m = 56,08 г

4. Составляем пропорцию:

Из х г CaСI2  образуется 0,1124 г CaO ,

а из 110,99г CaСI2  образуется 56,08г CaO.

    х = 110,99 ∙ 0,1124 / 56,08 = 0,2225 г – масса навески CaСI2.

5. По массе навески находим массу осадителя гидроксида натрия (за у - обозначим массу NaOH ):

0,2225г         у г

CaСI2   +   2NaOH = CaO ↓ + H2O + 2NaCI    

М = 110,99 М = 40 г/моль

г/моль

ν = 1 моль   ν = 2 моль

m = 110,99г m = 80 г

Составляем пропорцию:

На 0,2225г CaСI2 расходуется у г  NaOH

а на 110,99г CaСI2 расходуется 80г NaOH

   NaOH

6. Находим объём осадителя - NaOH:

fэкв. NaOH =1, а молярная масса эквивалента:

m fэкв. NaOH  =  fэкв. NaOH  ∙ М NaOH = 1 ∙ 40 г/моль = 40 г    

   Составляем пропорцию, исходя из определения молярной концентрации:

В 1000 мл 0,5 молярного раствора NaOH содержится  40 ∙ 0,5 = 20 г NaOH

а в z мл 0,5 молярного раствора NaOH  содержится 0,1604г NaOH

z = NaOH      

Ответ: для осаждения 0,2225г СаСI2 требуется 8,02 мл NaOH.

2. Вычисление процентного состава (содержания) определяемого элемента в навеске

    1) Процентное содержание (массовая доля) определяемого элемента в навеске рассчитывается по формуле:

    Эта формула используется, если формулы определяемого вещества и осадка совпадают.

    2) Если формулы определяемого вещества и осадка не совпадают, то используют фактор перерасчёта F (аналитический множитель):

      ,

где А – атомная масса определяемого элемента в граммах;

М – молярная масса осадка в граммах.

Для второго случая формула выглядит так:

    Кроме того, если в формуле определяемого осадка и вещества не совпадают количество атомов элемента, то формулу для расчёта х(%) домножают на необходимое число.

Например, осадок получили в виде AI2O3, а требуется определить % содержание AI в пробе, тогда:

Задача 6.

    Взято 0,8715 г кристаллического сульфата магния. Получено 0,3942 г Mg2P2O7. Найти процентное содержание Мg в кристаллическом сульфате магния.

Дано:                                     Решение:

g = mMgSO4 =0,8715 г           1. Находим молярную массу Mg2P2O7:

mMg2P2O7 = 0,3942 г              М Mg2P2O7 = 2 ∙ 24,312 + 2 ∙ 30,974 + 7 ∙ 15,9994 = 222,57 г/моль

% Mg-?                                 2. Находим % содержание магния по формуле:

Ответ: 9,88% магния содержится в кристаллическом сульфате магния.

Задача 7.

    При анализе образца массой 0,9000г получено 0,0420 г Fe2O3 и 0,0582 г СаО. Вычислите процентное содержание окиси железа и окиси кальция, железа и кальция в образце.

Дано:                                 Решение:

g = mобразца = 0,9000 г           1. Найдём молекулярные массы:

mосадка СаО = 0,0582 г             М Fe2O3 = 2 ∙ 55,847 + 3 ∙ 15,9994 = 111,694 +47,9982 =  

mосадка Fe2O3 = 0,0420 г          159,6922 ≈ 159,69 г/моль

                                               МСаО = 40,08 + 15,9994 = 56,08 г/моль

% Fe2O3 -?                             А Fe = 55,847 г/моль

% Fe -?    

%СаО -?                                 А Са = 40,08 г/моль

%Са -?

Ответ: Содержание в образце  Fe2O3  - 4,67%;  Fe – 2,94%; СаО – 6,47%; Са – 4,62%.

3. Задачи на определение влажности осадков

Главное при решении этих задач – внимательность. Частые ошибки при решениях возникают, когда путают массу бюкса пустого, с влажной и сухой навесками.

mН2О = mбюкса с влажным осадком – m бюкса с сухим осадком

mсухого осадка = mбюкса с сухим осадком – mпустого бюкса

mвлажного осадка = mбюкса с влажным осадком – mпустого бюкса

(или масса навески)

Задача 8.

    Определить процентное содержание влаги в образце по следующим данным: масса бюкса 8,1748г; масса бюкса с навеской образца до высушивания 11,8245 г; масса бюкса после высушивания с образцом – 11,3248 г.

Дано:                                             Решение:

m п.б. = 8,1748г    

m б. с вл. ос. = 11,8245г                  Влажность осадка рассчитывается по формуле:

m б. с сух. ос.= 11,3248г

(w) %H2O -?

Ответ: влажность осадка 13,69%.

Задача 9.

В каменном угле определена влажность 2,88%. Масса воды составила 0,2000 г. Определить массу навески угля.

Дано:                                     Решение:

mН2О = 0,2000 г               1. Из формулы влажности выведем массу навески:

wугля = 2,88%

gугля -?                              

Ответ: масса навески угля составляет 6,94 г.

Заключение

   В настоящее время студентам трудно самостоятельно изучать материал из-за нехватки литературы, поэтому данное пособие должно стать помощником при решении аналитических задач по гравиметрическому анализу.

   Надеемся, что данное пособие позволит избежать многих ошибок при решении расчётных и практических задач по аналитической химии по весовому анализу и явится залогом успеха на зачётах и экзаменах.

Список литературы

1.  Аналитическая химия. В 2-х кн. Физико-химические методы анализа: Учебник для химико-технологической специальности вузов.-М.: Высш. Шк.,-1989.

2. Глубоков Ю.М. Аналитическая химия: учебник для студ. сред. проф. учеб. заведений / Ю.М.Глубоков, В.А. Головачёва, Ю.А. Ефимова. – М.: Издательский центр «Академия», 2004.

3. Аналитическая химия. Учебное пособие для техникумов / И.А. Попадич, С.Е. Траубенберг, Н.В.Осташенкова, Ф.А. Лысюк.-М.: Химия,- 1989.

4. Основы аналитической химии. В 2-х кн. Методы химического анализа: Учеб. Для вузов / Ю.А. Золотов, Е.Н.Дорохова, В.И. Фадеева и др. Под ред. Ю.А.Золотова.- М.: Высш. шк.,- 2002.

5. Шапиро С.А., Шапиро М.А. Аналитическая химия. Учебник для техникумов.- М.: Высш. шк., -1971.