Объемный метод анализа растворов.
Кислотно-­основное титрование

11 класс

Занятие элективного курса
«Решение расчетных и экспериментальных
химических задач»

 

Цели.

1. Познакомить учащихся с основами одного из методов количественного анализа; показать практическое значение кислотно-основного титрования.

2. Развивать навыки работы с химическим оборудованием; развивать навыки самостоятельного решения экспериментальных химических задач.

3. Воспитывать умение работать самостоятельно и в группе, помогая друг другу и дополняя друг друга.

Методы. На этапе актуализации знаний – репродуктивная беседа и самостоятельная работа в группе; на этапе изучения нового материала – наглядно-иллюстративный; на этапе практической работы – квазиисследовательский и проблемно-репродуктивный.

Формы взаимодействия. Беседы: фронтальная, коллективно-распределенная и индивидуальная.

Организация рабочих мест. Несколько групп по четыре человека. Рабочее место группы: две ученические парты, торцом к учителю, доске и кафедре (рис. 1), на столах – оборудование для практической работы (бюретка и лоток с растворами), конспекты урока, теоретические задания для самостоятельного решения, инструкция к практической работе (см. приложение 1).

Наглядность. Плакаты: «Молярность и нормальность», «Найди неизвестные величины», «Реакция нейтрализации», «Эквиваленты» (см. приложение 2), «Правила сотрудничества» и «Правила ТБ при работе с кислотами и щелочами». На стенде для дополнительного материала по изучаемой теме – бюллетень «Из истории изучаемого вопроса» об открытии закона эквивалентов Рихтера.

Оборудование и реактивы. На столе учителя – колокольчик для ограничения времени работы группы, фиксанал одноосновной кислоты, боек и мерная колба на 1 л.

На каждом рабочем месте – лоток с растворами, штатив с промытой бюреткой и воронкой в бюретке, две конические колбы на 250 мл, колба мерная на 25 мл, химический стакан на 250 мл, капельница; раствор NаОН неуказанной концентрации (примерно 0,1 н.), примерно 1 л 1 н. раствора НСl, в капельницах – раствор индикатора фенолфталеина.

Занятие рассчитано на 1,5 – 2 академических часа. Первый час – комбинированный урок, второй – практическая работа групп.

План урока

1. Вводное слово учителя. Повторение правил сотрудничества (2 мин.).

2. Актуализация знаний. Повторение основных понятий, используемых на уроке (10 мин.).

3. Изучение нового материала:

эвристическая беседа о правилах эквивалентного взаимодействия растворов кислот и оснований (10 мин.);

применение правила в расчетах, решение задач (работа в группах);

отчеты о работе групп (10 мин.).

4. Рассказ учителя и демонстрация применения объемного метода анализа растворов путем кислотно-основного титрования (13 мин.).

(Конец первого академического часа. Продолжение после перемены.)

5. Актуализация знаний о правилах техники безопасности при работе с растворами кислот и щелочей. Изучение инструкции. Проверка понимания цели работы и порядка ее выполнения (5 мин.).

6. Выполнение практической работы (15–20 мин.).

7. Анализ и самооценивание результатов работы групп (20–25 мин.).

ХОД УРОКА

Учитель. На предыдущих занятиях элективного курса мы познакомились с некоторыми способами выражения концентраций растворов и научились использовать эти знания для приготовления растворов заданной концентрации. Сегодня вы познакомитесь с основами объемного анализа и узнаете, какие способы выражения концентрации растворов наиболее часто применяются на производстве в химических лабораториях.

Поскольку наше занятие организовано как групповое, вспомним правила сотрудничества в группе.

Опрос: какие правила помнят учащиеся. Обращение к плакату на доске «Правила сотрудничества».

Учитель.

– Какие способы выражения концентрации растворов вы знаете?

– Что показывает массовая доля и как она выражается?

– Что показывает молярность и как она выражается?

– Что показывает нормальность и как она выражается?

– А что такое эквивалент?

– В чем сущность закона эквивалентов? Кто его открыл? Обратите внимание на стенд дополнительного материала к уроку. Здесь вы найдете интересный материал об авторе закона эквивалентов – И.В.Рихтере.

Учитель. Проверим правильность ответов по таблице «Молярность и нормальность» (плакат 1, см. приложение 2).

Прошу вспомнить, как определяется молярность и нормальность раствора с известной массой вещества (кислоты и основания).

Решите устные задачи по таблице «Найди неизвестные величины» (плакат 2).

Работа в группах. Группа решает задачу 1. Прием ответов по знаку готовности, но не более чем через 2 мин. Сигналами обратной связи показывается согласие или несогласие других групп с предложенным решением.

Учитель. Реакция нейтрализации – что это за реакция? (Плакат 3.)

В каких количествах взаимодействуют между собой растворимые основания и кислоты в реакции нейтрализации? (Предполагаемый ответ: в эквивалентных количествах, т.к. сущность процесса нейтрализации в том, что один ион водорода и один ион гидроксида образуют одну молекулу воды.) (Плакат 4.)

А теперь обратим внимание, как соотносятся объемы растворов основания и кислоты с известными нормальностями.

Рассмотрим реакцию нейтрализации, идущую до конца, т.е. до точки эквивалентности:

Если мы возьмем для этой реакции растворы NаОН и Н₂SО₄ одинаковой нормальности, например 1 н., то:

N₁ = 1 н. р-р NaOH, значит в 1 л содержится 1 эквивалент ионов OH^–;

N₂ = 1 н. р-р H₂SO₄, значит в 1 л содержится 1 эквивалент ионов H⁺.

На взаимодействие с 0,5 л 1 н. р-р NaOH нужно взять 0,5 л 1 н. р-ра Н₂SО₄.

На взаимодействие с 2 л 1 н. р-ра NаОН нужно взять 2 л 1 н. р-ра Н₂SО₄ и т.д.

А теперь подумайте, сколько эквивалентов NаОН в 2 л 1 н. раствора?

Ученик. Два эквивалента.

Учитель. А сколько эквивалентов в 0,5 л 1 н. раствора?

Ученик. Половина, т.е. 0,5 эквивалента.

Учитель. Попробуйте выразить математически открытую вами только что закономерность, чему же равно число эквивалентов в заданном объеме раствора известной нормальности?

Ученик. Число эквивалентов = N•V.

Число эквивалентов вещества в его растворе равно произведению его нормальности на его объем.

Учитель. А как будет выглядеть эта закономерность для анализируемой нами реакции? Ведь мы обнаружили, что число эквивалентов щелочи равно числу эквивалентов кислоты в реакции полной нейтрализации.

N₁•V₁ = N₂•V₂.

Как будет работать эта формула, если мы возьмем для этой же реакции растворы щелочи и кислоты разной нормальности?

Ученик. Тогда на 1 л щелочи нужно 0,5 л кислоты, на 2 л щелочи нужно 1 л кислоты и т.д.

Теперь, когда вы открыли применение закона эквивалентов к взаимодействию растворов кислот и щелочей, найдите на столе карточки с задачами и решите одну из них. Даю вам на это 5 минут. Когда решите, покажите на пальцах номер ответа вашей задачи.

Правильный ответ любой задачи – номер 2.

Учитель. А теперь я расскажу вам, что такое объемный метод анализа растворов, покажу сущность кислотно-основного титрования.

Химики определяют относительные количества реагентов двумя экспериментальными методами: взвешиванием на очень точных весах или путем измерения объемов и концентраций растворов.

Метод определения объема раствора, необходимого для реакции с заданным весовым количеством или объемом исследуемого образца, называется титрованием.

Запишите определение понятия «титрование» (диктует определение).

В нашей практической работе мы количественно исследуем реакцию между кислотой и основанием, т.е. проведем кислотно-основное титрование. Для определения конечной точки титрования, когда кислота и основание достигают эквивалентных количеств и происходит полная нейтрализация, используются кислотно-основные индикаторы. Если мы титруем раствор основания раствором кислоты, то какой мы возьмем индикатор? Конечно, фенолфталеин, окраска которого исчезает, когда в растворе исчезает основание.

Вся посуда и бюретка для количественного анализа отмываются перед работой до совершенно чистого состояния специальными растворами и большим количеством дистиллированной воды.

Растворы для титрования из бюретки готовят с помощью мерной колбы и очень точно приготовленной навески безводного вещества – фиксанала, на его запаянной ампуле всегда обозначено, сколько именно кислоты (или основания) в нем содержится.

В мерную колбу вставляем воронку, в нее – боек, разбиваем с его помощью фиксанал и осторожно смываем дистиллированной водой через ампулу все, что в ней было, в мерную колбу. Добавляем дистиллированной воды до метки.

При доведении объема кислоты до 1 л в мерной колбе мы следим за мениском и 1 литр отмеряем по его нижнему положению.

Приготовленный раствор сливаем в чистую приготовленную посуду.

Перед заполнением бюреток промываем их раствором, выпускаем из носика воздух. Доводим уровень кислоты в бюретке до отметки «0» (рис. 2).

Отмеряем мерной колбой 25 мл исследуемого раствора NaОН неизвестной концентрации, выливаем его в коническую колбу, можно промыть мерную колбу дистиллированной водой из химического стакана, чтобы смыть весь гидроксид натрия.

Добавляем в коническую колбу с исследуемым раствором 3–4 капли фенолфталеина из капельницы и начинаем титрование.

Сначала выпускаем из краника порции раствора примерно в 1 мл, каждый раз взбалтывая раствор. Заметив, что окраска индикатора стала исчезать, далее титруем по каплям.

В момент достижения точки эквивалентности замечаем объем израсходованной кислоты.

В т о р о й  ч а с  з а н я т и я (после перемены).

Учитель. Прошу ознакомиться с инструкцией и приступить к работе в группе. Попробуйте в каждой группе провести не менее трех титрований, чтобы получить среднее арифметическое – более точный результат. Решите одну задачу на группу (с более точным результатом титрования).

Оформление решения задачи закончите по моему звонку.

Учащиеся проводят практическую работу, вычисляют нормальность раствора щелочи.

Учитель. Пожалуйста, доложите ваши результаты, по очереди.

Группы докладывают результаты: объемы израсходованных на титрование растворов и вычисленную нормальность исследуемого образца.

Учитель. Запишем ваши результаты и сверим их с выданным образцом.

Теперь можно оценить вашу работу, насколько хорошо вы смогли за один урок научиться титрованию. Прошу сдать тетради с решением индивидуальных заданий и листки инструкций с вычислениями групп, подписанные номером группы и фамилиями ее состава.

---

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Конспект урока

Число эквивалентов вещества в растворе равно: N•V, где N – нормальность, V – объем раствора. По закону эквивалентов N₁•V₁ = N₂•V₂, т.е. зная использованный на нейтрализацию объем раствора кислоты и его нормальность, можно вычислить число эквивалентов основания в растворе. N₁ и N₂ – нормальности растворов кислоты и основания, V₁ и V₂ – их объемы в момент нейтрализации.

Теоретические задания

Решите самостоятельно (в тетради) одну из задач.

Задача 1 (1 балл). При титровании 30 мл раствора гидроксида натрия для его нейтрализации потребовалось 60 мл 0,5 н. раствора соляной кислоты. Вычислите нормальность и молярность раствора гидроксида натрия.

Выберите правильный ответ:

1) 0,1 н.; 0,1 М; 2) 1 н.; 1 М; 3) 0,2 н.; 0,2 М.

Задача 2 (3 балла). Сколько мл 0,2 н. раствора соляной кислоты потребуется для нейтрализации 40 мл 0,1 н. раствора гидроксида натрия?

Выберите правильный ответ:

1) 40 мл; 2) 20 мл; 3) 10 мл.

Задача 3 (5 баллов). Сколько мл 0,02 н. раствора серной кислоты потребуется для осаждения ионов бария в виде соли из 50 мл 0,02 н. раствора гидроксида бария?

Выберите правильный ответ:

1) 25 мл; 2) 50 мл; 3) 100 мл.

Инструкция к практической работе

Химики часто используют титрование для определения концентрации химических веществ в кислотных или щелочных растворах.

Постепенно прибавляя из бюретки (см. рис. 2) раствор кислоты известной концентрации к анализируемому образцу растворимого основания, вы в конце концов достигнете конечной точки титрования, когда количество эквивалентов кислоты точно совпадает с количеством эквивалентов основания в растворе.

Конечная точка титрования определяется при помощи кислотно-основного индикатора.

Указанием того, что титрование приблизилось к конечной точке, является появление или исчезновение при размешивании окраски, которую индикатор должен приобрести после нейтрализации.

По уровню жидкости в бюретке, соответствующему конечной точке титрования, определяют полное количество кислоты, потребовавшейся для анализируемого раствора щелочи.

Задание

1. Отмерьте мерной колбой 25 мл данного вам раствора гидроксида натрия неизвестной концентрации. Вылейте в коническую колбу, не забыв снять последнюю каплю. Промойте мерную колбу небольшим количеством дистиллированной воды, вылейте в ту же коническую колбу.

2. Добавьте в коническую колбу 3–4 капли индикатора фенолфталеина из капельницы.

3. Заполните бюретку раствором соляной кислоты известной вам нормальности (см. на склянке).

4. Установите нижний край мениска на отметку «0» бюретки. Проведите титрование до точки нейтрализации.

5. Запишите объем кислоты, израсходованный на титрование.

6. Ответьте на вопросы (ответ запишите в тетрадь): как вы определили конечную точку титрования? Какой объем кислоты израсходован вами на титрование?

7. Составьте по своим данным задачу и решите ее. Какова нормальность и молярность выданного вам раствора гидроксида натрия?

Текст задачи и решение запишите в тетрадь.

---

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Плакат 1

(Выполняется на листе ватмана.)

Плакат 2

«Найди неизвестные величины»

(Выполняется на листе ватмана.)

 

Плакат 3

(Выполняется на листе ватмана.)

 

Плакат 4

(Выполняется на половине листа ватмана.)

И.М.КОСТИКОВА,
учитель химии средней школы № 4
(ЗАТО г. Большой Камень,
Приморский край)