УЧЕБНАЯ КНИГА ПО ХИМИИ

ДЛЯ УЧИТЕЛЕЙ СРЕДНИХ ШКОЛ,
СТУДЕНТОВ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ВУЗОВ И ШКОЛЬНИКОВ 9–10 КЛАССОВ,
РЕШИВШИХ ПОСВЯТИТЬ СЕБЯ ХИМИИ И ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ

УЧЕБНИКЗАДАЧНИКЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМНАУЧНЫЕ РАССКАЗЫ ДЛЯ ЧТЕНИЯ

Продолжение. См. № 4–14, 16–28, 30–34, 37–44, 47, 48/2002;
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23,
24, 25-26, 27-28, 29, 30, 31, 32, 35, 36, 37, 39, 41, 42, 43, 44, 46, 47/2003;
1, 2/2004

§ 7.1. Сильные кислоты и основания

(окончание)

Лабораторные исследования

1. Определение среды раствора набором индикаторов.
Определение рН растворов с помощью индикаторов состоит в последовательном фиксировании изменения окраски нескольких индикаторов в отдельных пробах раствора, рН которого требуется установить. Испытание следует начинать с индикатора, имеющего интервал рН перехода окраски в нейтральной среде.
Как проводится определение рН раствора, смотрите в тексте этого раздела, где также приведены окраски некоторых индикаторов в различных средах.
При определении среды раствора набором индикаторов следует пользоваться маленькими пробирками, отбирая в них пробы испытуемого раствора не более чем по 1 мл и прибавляя
по 1–2 капли раствора индикатора. После прибавления одного индикатора к пробе раствор сохраняется в штативе для пробирок. Ни в коем случае нельзя в тот же раствор добавлять другой индикатор. Его вносят только в свежие порции изучаемого раствора. После определения среды раствора все пробирки следует показать учителю, рассказать (обязательно!), как был сделан вывод, и, если ответ правильный, вылить растворы и пробирки промыть.

2. Определение среды раствора универсальным индикатором.
Для быстрого определения рН удобно пользоваться раствором универсального индикатора, который придает раствору окраску, зависящую от рН в пределах от 1 до 10.
При изучении раствора к 2–3 мл приливают из капельницы 1–2 капли универсального индикатора и по окраске раствора определяют рН.

3. Исследование чая.
Это самостоятельное, но очень простое исследование. Продумайте выполнение эксперимента, выполните его, объясните результаты (в самом общем виде) и, самое главное, очень точно, подробно изложите все письменно.
Если в стакан с крепким чаем поместить ломтик лимона, чай почти обесцветится. Ваша задача заключается в том, чтобы экспериментально определить причину обесцвечивания раствора: красящее вещество чая играет роль индикатора, приобретающего слабо-желтую окраску в кислотной среде, или реагирует с лимонной кислотой, образуя почти бесцветное вещество.

4. Определение концентрации раствора гидроксида натрия титрованием.
Среди многочисленных методов определения концентрации раствора особое место занимает титрование. Титрование представляет собой постепенное приливание раствора жидкости известной концентрации – стандартного раствора – к раствору другой жидкости неизвестной концентрации, но точно известного объема.
Приливание стандартного раствора производится при помощи бюретки. Бюретка – узкая трубка с делениями, указывающими объем вылитой из нее жидкости. Наиболее распространены бюретки с притертыми кранами (рис. 7.1, а), но в учебных лабораториях предпочитают вместо кранов использовать резиновые трубки с металлическим зажимом или с «бусинкой» в резиновой трубке (рис. 7.1, б).

«Бусинка» – маленький стеклянный шарик диаметром чуть больше внутреннего диаметра резиновой трубки, препятствует выливанию жидкости из бюретки. Для вытекания жидкости резину вокруг бусинки сжимают большим и указательным пальцами, чтобы образовалась складка, через которую и вытекает жидкость. Изменяя нажим на бусинку, регулируют скорость вытекания жидкости.
Бюретку заполняют жидкостью через воронку немного ниже нулевой отметки (2–4 малых деления) и записывают положение мениска жидкости. Если вы заполнили бюретку выше нулевой отметки, следует по каплям слить жидкость чуть ниже нулевой отметки. После титрования вновь запишите положение мениска и вычитанием из конечного значения начального получите объем израсходованной жидкости.
Запомните: показания уровня жидкости в бюретке следует снимать с максимально доступной вашему глазу и опыту точностью. Глаз должен находиться на одной горизонтальной линии с нижним краем мениска, если жидкость прозрачна (рис. 7.2), и верхним, если жидкость непрозрачна.

Иногда ученики записывают в своих тетрадях только целочисленные, указанные на самой бюретке, цифры, например 18 мл. Это совершенно неправильно. На глаз всегда можно разделить самое маленькое деление на 3–4 части, а это значит, что объем жидкости может быть измерен с точностью до двух-трех сотых долей миллилитра, т. е., например, 16,55 мл.

Отсчеты по бюретке с цветной полоской на белом фоне позволяют снимать показания еще более точно, т. к. прозрачный мениск преломляет изображение полоски, и она как бы разрывается в одной точке. Именно по этой точке и производят отсчет.

При работе с бюреткой важно обратить внимание, чтобы в нижней части бюретки не оставалось пузырьков воздуха. У бюретки с носиком (стеклянная трубка с оттянутым в капилляр концом) и бусинкой или зажимом достаточно загнуть носик бюретки вверх и, ослабив зажим, вытеснить воздух протекающей жидкостью. Из бюретки со стеклянным краном удалить пузырек воздуха труднее. Следует на мгновение полностью открыть кран и сильной струей жидкости вытолкнуть пузырек. Если пузырек не удаляется и прилип к стеклу, значит, бюретка плохо промыта.
При работе в школьной лаборатории неудаляющийся пузырек можно оставить, но нужно следить, чтобы во время титрования он не оторвался и не проскочил вниз вместе с жидкостью или не поднялся вверх.
Если нет специальных зажимов для крепления бюретки, то ее закрепляют двумя лапками в обычном штативе. На внутренних поверхностях лапок должны быть наклеены кусочки кожи или резины, чтобы стекло не треснуло. Можно на бюретку в местах ее зажима надеть кусочки резиновой трубки длиной 2–3 см, разрезанные вдоль, или обернуть эти места полосками бумаги.
После того как бюретка укреплена и заполнена жидкостью, следует налить в колбу с плоским дном точно отмеренный объем другой жидкости. Обычно рекомендуют раствор щелочи наливать в бюретку, а раствор кислоты – в колбу. Но мы нальем кислоту в бюретку, а раствор щелочи – в колбу. Это вызвано тем, что отмыть от щелочи бюретку (особенно если она с краном) труднее, чем от кислоты. Однако следует помнить, что щелочь в колбе, особенно при перемешивании, может поглотить значительное количество углекислого газа из воздуха. Кроме того, при добавлении фенолфталеина в раствор щелочи титрование проводится до обесцвечивания раствора, что зафиксировать труднее по сравнению с появлением окраски от одной капли титрующего раствора.
Небольшим количеством раствора соляной кислоты точно известной концентрации (заранее приготовлен учителем) ополосните бюретку для удаления капель воды с ее стенок. Укрепите бюретку в штативе двумя лапками. Заполните через маленькую воронку бюретку раствором соляной кислоты до положения нижнего края мениска чуть ниже нулевой отметки и запишите с точностью до сотых долей миллилитра начальное положение раствора.
Теперь следует перенести в коническую колбу вместимостью 200–250 мл точно отмеренный объем раствора щелочи неизвестной концентрации. Не забудьте предварительно промыть колбу дистиллированной водой, сушить ее необязательно. Почему? Отмерьте чистой и просушенной пипеткой 10 мл (или 5 мл) анализируемого раствора щелочи.
В этом опыте можно использовать простую пипетку для отмеривания строго определенного объема жидкости, указанного на самой пипетке (рис. 7.3, см. с. 10). Простая пипетка представляет собой стеклянную трубку с расширением посредине. В верхней части трубки над расширением находится риска, соответствующая вместимости пипетки, указанной на расширении.

Для наполнении пипетки на ее верхний конец надевают резиновую грушу, а нижний конец опускают в сосуд с жидкостью. Сжиманием груши из пипетки вытесняют такой объем воздуха, который после разжатия груши будет замещен немного большим объемом жидкости. Подняв нижний край пипетки над поверхностью жидкости в сосуде, слегка сжимая грушу, выливают из пипетки по каплям жидкость, чтобы остался обозначенный на пипетке объем жидкости, который и переносят в колбу.
Иногда поступают по-другому. Жидкость грушей набирают в пипетку на 5–7 см выше риски, затем быстро снимают грушу, закрывают верхнее отверстие пипетки указательным пальцем, придерживая пипетку средним и большим пальцами (см. рис. 7.3). Слегка ослабляя нажим указательного пальца, позволяют жидкости медленно по каплям вытекать из пипетки. Когда мениск жидкости опустится до риски, нажимом пальца прекращают сливание жидкости. Глаз должен находиться на уровне нижнего края мениска (на одной горизонтальной линии). Из-за неправильного расположения глаза ошибка в отмеривании нужного объема жидкости может достигать 0,2 мл. Если на конце пипетки осталась капля жидкости, ее удаляют прикосновением к стенке сосуда.
Не ослабляя нажима пальца, быстро вынимают пипетку из сосуда и вставляют носик пипетки в колбу. Отводят указательный палец от края пипетки, давая жидкости свободно вылиться в колбу. При сливании жидкости пипетку держат вертикально, прислоняя ее кончик к стенке сосуда. После вытекания жидкости пипетку не встряхивают и не продувают для удаления оставшейся на стенках жидкости.
Освоить правильную работу с пипеткой довольно трудно, поэтому рекомендуем предварительно потренироваться, выполняя операции с пипеткой, используя воду.
При работе с пипетками следует следить, чтобы они были чистыми и тщательно высушенными. В противном случае результаты анализов будут неверными.
В коническую колбу с раствором гидроксида натрия неизвестной концентрации внесите 2–3 капли раствора индикатора фенолфталеина. В щелочной среде раствор окрашивается в красный цвет.
Под бюретку с раствором соляной кислоты известной концентрации на белый лист бумаги поставьте коническую колбу с раствором гидроксида натрия так, чтобы носик бюретки немного входил внутрь колбы.
Еще раз запишите с точностью до 0,02–0,03 мл положение нижнего края мениска раствора в бюретке. Одной рукой немного приоткрыв кран или слегка сжимая резину вокруг бусинки, начинайте приливать раствор кислоты к раствору щелочи. Другой рукой, держа колбу за горло, вращательными движениями постоянно перемешивайте жидкость.
При появлении в красном растворе бесцветных «облаков» скорость приливания кислоты из бюретки надо замедлить. Титровать следует до того момента, когда добавление одной капли кислоты вызовет устойчивое обесцвечивание раствора. Запишите с точностью до 0,02 мл положение уровня раствора в бюретке.
В научном исследовании титрование повторяется три раза. Объемы израсходованной кислоты не должны отличаться более чем на 0,02 мл. Если первое титрование сильно отличается от двух последующих, проводят еще одно-два титрования.
Теперь приступим к расчету концентрации раствора гидроксида натрия. Приливание раствора из бюретки заканчивается в момент, когда вещества растворов бюретки и колбы полностью прореагируют в соответствии с уравнением реакции (это обязательное условие подобного количественного анализа!). Этот момент окончания титрования называется точкой эквивалентности, т.к. при этом количества стандартного (точно известного) и анализируемого веществ становятся эквивалентными.
В этом опыте вы титровали сильное однокислотное основание раствором сильной одноосновной кислоты, что представляет собой реакцию нейтрализации:

Н⁺ + ОН^– = Н₂О.

Объемы растворов реагирующих веществ обратно пропорциональны мольным концентрациям ионов водорода и гидроксида, или, что то же самое, мольным концентрациям кислоты и основания:

V(кисл.)•с(кисл.) = V(осн.)•с(осн.).

Вычислите концентрацию раствора гидроксида натрия. Если другие ученики анализировали тот же раствор, соберите их результаты и вычислите среднее значение концентрации. Тот, кто увлекается математикой, может вычислить погрешность эксперимента (статистическая обработка результатов).

Советы учителю. Для опыта следует приготовить стандартный раствор соляной кислоты и раствор гидроксида натрия примерно той же концентрации. Раствор соляной кислоты концентрации 0,100М удобнее приготовить из фиксаналов (стандарт-титры). Одна ампула рассчитана на приготовление 1 л 0,100М раствора. Если нет мерной колбы на 1 л, а есть на 100 мл, то в ней приготовляется 1М раствор кислоты, который затем при помощи пипетки и другой мерной колбы разбавляют водой до нужной концентрации.
Раствор гидроксида натрия (калия) концентрации приблизительно 0,1М приготовляют внесением в однолитровую мерную колбу, заполненную на 3/4 водой, отвешенного в фарфоровой чашке (бюксе, стаканчике) требуемого количества кристаллического гидроксида.
Работать в очках и резиновых перчатках! Брать гидроксид натрия только шпателем или ложкой! Взвешивание можно проводить на технических весах.
Подробнее см.: Зайцев О.С. Исследовательский практикум по общей химии.
М.: Изд-во МГУ, 1994.

При добавлении к раствору основания раствора кислоты или наоборот среда раствора изменяется. График зависимости рН от объема добавляемого раствора называется кривой титрования
(рис. 7.4). На рисунке показаны две кривые титрования: 10 мл 0,1М раствора НСl 0,1М раствором NаОН и 10 мл 0,001М раствора HCl 0,001М раствором NаОН, а также интервалы переходов индикаторов фенолфталеина и метилового оранжевого. По рисунку видно, что чем меньше концентрации растворов кислоты и основания, тем у'же интервал скачка рН.

О.С.ЗАЙЦЕВ