Аналитическая химия

Аналитическая химия

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени М.В. Ломоносова

Химический факультет

Зачетная задача

студента 2 курса 210 группы

Сулимова Никиты Алексеевича

Преподаватель:

к. х. н., доцент Пасекова Нина Александровна

Москва - 2015

Содержание

Введение

Раздел 1

.1 Описание объекта

.2 Качественный анализ

.3 Вывод

Раздел 2. Обоснование выбора методики для проведения количественного анализа образца

Раздел 3

.1 Расчет массы навески

.2 Схема определения

.3 Растворение образца

3.4 Приготовление стандартного раствора дихромата калия

3.5 Количественное определение железа

.6 Вывод

Список литературы

Введение

Целью данной работы является проведение качественного и количественного анализа выданного образца, представляющего собой природный или промышленный объект, а именно, определение его состава и нахождение процентного содержания одного из составляющих элементов исследуемого образца по выбранной методике.

Раздел 1

.1 Описание объекта

Объект представляет собой мелкодисперсный порошок бордово-коричневого цвета. Предположительно это измельченная руда или минерал.

.2 Качественный анализ

По результатам предварительных испытаний не было выявлено ни одного катиона, входящих в состав данного образца. Для определения качественного состава был использован систематический анализ (кислотно-щелочной метод). Ход анализа представлен в приведенной ниже таблице 1.

Таблица 1. Качественный анализ образца

титрование раствор дихромат

1.3 Вывод

В образце присутствуют: Fe3+, Mg2+, Ca2+. Ca2+ и Mg2+ присутствуют в маленьком количестве. Данный образец представляет собой железную руду - бурые железняки с содержанием Fe ≈ 60% и примесями Mg2+, Ca2+ и SiO2.

Раздел 2. Обоснование выбора методики для проведения количественного анализа образца

Основным компонентом смеси, который был выбран для количественного анализа, является Fe3+. Главным требованием к анализу было использование гравиметрической или титриметрической методики.

Гравиметрические

Осаждение в виде гидроксида железа (III)

Железо осаждают в виде водного гидроксида, смещая вправо протолитические реакции добавлением аммиака:

[Fe(H2O)6]3+ + H2O = [Fe(OH)(H2O)5]2+ + H3O+

[Fe(OH)(H2O)5]2+ + H2O = [Fe(OH)2(H2O)4]+ + H3O+

[Fe(OH)2(H2O)4]+ + H2O = [Fe(OH)3(H2O)3] + H3O+

Гидроксид железа прокаливают на горелке при температуре 800oC до оксида Fe2O3, гравиметрический фактор FFe = 0,6994. Прокаливание осадка при температуре около 1200oC может привести к погрешностям определения за счет реакции:

Fe2O3 = 4Fe3O4 + O2

Если анализируемый раствор содержит железо(II), то его предварительно окисляют азотной кислотой.

Титриметрические

Комплексонометрическое титрование

В сильнокислой среде при pH < 0,9 комплексы железа(III) с ЭДТА образуются в соответствии с уравнением:

Fe3+ + H5Y+ = FeHY + 4H+

При pH > 1,3 преобладает комплекс FeY- c Kуст = 1,26·1025 (ионная сила 0,1; 20oC).

Комплексонат железа(II) значительно менее устойчив (Kуст = 2,0·1014 в тех же условиях) и крайне неустойчив по отношению к окислителям. Уже кислородом воздуха окисляется до комплексоната железа(III). Поэтому комплексонометрически определяют только железо(III). В качестве металлоиндикаторов используют тайрон, салициловую или сульфосалициловую кислоты, гидроксамовые кислоты. Эти индикаторы в растворах бесцветны, но образуют с железом(III) интенсивно окрашенные комплексы: красного цвета с тайроном, фиолетового цвета с салициловой или сульфосалициловой кислотами, сине-фиолетового - с гидроксамовой кислотой.

Окислительно-восстановительное титрование

1.   Дихроматометрия

Титрование железа (II) основано на реакции:

6Fe2+ + Cr2O72- + 14H+ = 6Fe3+ + 2 Cr3+ + 7H2O

В процессе титрования повышается концентрация ионов железа(III), и потенциал системы Fe3+/Fe2+ возрастает, что приводит к преждевременному окислению индикатора дифениламина. Если прибавить к титруемому раствору фосфорную кислоту, то окраска индикатора изменяется резко в конечной точке титрования. Фосфорная кислота понижает окслительно-восстановительный потенциал системы Fe3+/Fe2+, образуя устойчивый комплекс с ионами железа(III).

Растворы солей железа(II) часто содержат ионы железа(III), поэтому перед титрованием ионы железа(III) необходимо восстановить. Для восстановления применяются металлы (Zn, Cd и др.), SnCl2, H2S, SO2 и другие восстановители.

2.   Перманганатометрия

Титрование железа (II) основано на реакции

5Fe2+ + MnO4- + 8H+ = 5Fe3+ + Mn2+ + 4H2O

Титровать можно в сернокислой или солянокислой средах. В первом случае не наблюдается никаких осложнений. Присутствие в титруемом растворе хлорид-ионов приводит к перерасходу перманганата и получению нечеткого конца титрования. Это вызвано тем, что реакция между железом(II) и перманганатом индуцирует реакцию между MnO4- и хлорид-ионами. Индуцированной реакции не возникает, если в растворе присутствуют в достаточных количествах фосфорная кислота и марганец(II). Поэтому перед титрованием в раствор добавляют смесь Рейнгарда-Циммермана, состоящую из серной, фосфорной кислот и сульфата марганца(II). Присутствие в этой смеси H2SO4 создает требуемую концентрацию протонов в титруемом растворе, H3PO4 необходима для связывания железа(III) в бесцветный комплекс (если железо не маскировать, то окраска его комплексных хлоридов будет затруднять наблюдение в конце титрования бледно-розовой окраски перманганата) и образования фосфатных комплексов марганца(III). Железо(III) перед титрованием необходимо восстановить до железа(II).

В данной работе было отдано предпочтение окислительно-восстановительному (дихроматному) методу определения железа. Такой выбор обусловлен несколькими причинами:

1.   Гравиметрический метод сложно осуществим из-за своих условий проведения (очень высокие температуры), очень трудоемок и затрачивает большое количество времени.

2.                                                                                                                                    Перманганатометрический метод неудобен тем, что для начала необходимо стандартизовать раствор перманганата калия, и только потом проводить титрование железа. К тому же при титровании в солянокислых средах наблюдаются некоторые осложнения.

3.                                                                                                                                      Комплексонометрический метод мог бы тоже быть использован, но условия проведения дихроматного метода оказались более удобными.

.1 Расчет массы навески

Образец содержит примерно 60% железа. Так как реакция строго стехиометрична, то отношение количеств прореагировавших веществ будет равно единице. Тогда найдем необходимую массу по следующей формуле

Находим массу чистого железа:

В таком случае масса навески равна:

Измерение массы выданной навески:

m1 (бюкса с навеской) = 9,2723г

m2 (бюкса) = 8,9946г

m0 (навески) = 0,2777г

.2 Схема определения

Навеска

Растворение в смеси кислот HCl + HNO3

Раствор (подготовленный для титрования)

Отбор аликвоты

Титриметрическое определение железа

Расчет содержания железа

3.3 Растворение образца

Следующим этапом являлось растворение пробы. В данной работе был выбран следующий ход анализа:

1.  растворение точно взвешенного количества руды;

2.                                                                                                                                     доведение до метки в мерной колбе;

.                                                                                                                                отбор аликвоты на титриметрическое определение.

Масса навески анализируемого объекта на аналитических весах составила 0,2777г.

Растворение проводили по следующей методике [1]:

Навеску анализируемого материала поместили в жаростойкий стакан вместимостью 300 мл, прибавили 40 мл HCl(1:4), закрыли часовым стеклом и растворили при нагревании на песочной бане. Затем добавили 5 мл конц. HNO3 и продолжили нагревание. Растворение пробы считалось законченным, когда на дне стакана остался серый осадок, состоящий, по-видимому, в основном из кремниевой кислоты и угля. Выпарили до влажных солей, остаток обработали 10 мл конц. HCl и снова выпарили раствор. Операцию выпаривания с конц. HCl повторили два раза, затем добавили 4 мл конц. HCl и разбавили горячей водой примерно до 50 мл. Раствор отфильтровали через фильтр «белая лента» в мерную колбу вместимостью 200.0 мл. Хорошо промыли фильтр горячей 0.05 М HCl, разбавили водой до метки и перемешали.

FeO + 2HCl = FeCl2 + H2O

Fe2O3 + 6HCl = 2FeCl3 + 3H2O+ 2HCl = CaCl2 + H2O+ 2HCl = MgCl2 + H2O

FeCl2 + 4HNO3конц. = Fe(NO3)3 + 2HCl + NO2↑ + H2O

3.4 Приготовление стандартного раствора дихромата калия

0,05M раствор K2Cr2O7 в 200 мл содержит 0,4903 г сухого дихромата калия.

Готовим навеску:

m (пустого стакана) = 8,220 г;

m (стакан + вещество) = 8,71 г (на аналитических весах 8,7069 г);

Пересыпаем вещество в колбу 200 мл;

m (пустого стакана на аналитических весах) = 8,2203 г;(навески) = 0,4866 г.

Получается, что концентрация дихромата в 200 мл раствора равна 0, 04962M.

.5 Количественное определение железа

Аликвотную часть раствора 10,00 мл пипеткой переносят в коническую колбу, вместимостью 100мл, добавляют 5 мл конц. HCl. Закрывают колбу маленькой воронкой, вносят в колбу 5-6 гранул металлического цинка, нагревают на песочной бане до обесцвечивания раствора и полного растворения цинка. Охлаждают струей воды под краном, добавляют 3 - 4 мл H2SO4, снова охлаждают, вводят 5 мл H3PO4, 15 - 20 мл воды, 2 капли раствора дифениламина и медленно титруют раствором дихромата калия до появления синей окраски раствора.

Таблица 2. Результаты титрования

Масса железа рассчитывается по формуле:

Тогда процентное содержание Fe в навеске равно:

.6 Выводы

По результатам проведенного количественного анализа можно сделать вывод, что содержание железа в образце составляет 64,52%.

Список литературы

1.    Основы аналитической химии. Практическое руководство: Учебное пособие для вузов/ В. И. Фадеева, Т. Н. Шеховцова, В. М. Иванов и др.; Под ред. Ю. А. Золотова. - 2-е изд., испр. - М.: Высш. шк., 2003. - 463с.: ил.

2.                                                                                                                                                              Сырокомский В.С. Методы анализа железных и марганцевых руд. Сверд.-М.: Металлургиздат, 1950. 240с.

3.                                                                                                                                                                    Пономарев А. И. Методы химического анализа железных, титаномагнетитовых и хромовых руд. М.: Наука, 1966. 406с.