Определение меди в растворе внутренним электролизом

 

При использовании метода внутреннего электролиза анализируемый раствор с погруженными в него электродами представляет собой гальванический элемент с собственным током, за счет которого и происходит электролитическое осаждение определяемого металла на взвешенном катоде.

Если в стакан с раствором сульфата меди поместить электроды из платиновой сетки и цинковой пластины, соединенных клеммой, то получится гальванический элемент, в котором металл с меньшим электродным потенциалом, цинк, отдает электроны и переходит в раствор в виде Zn²⁺:

Zn – 2e Zn²⁺

Электроны переходят по проводу к платиновому электроду, который передает их ионам Cu²⁺, восстанавливая их до металлической меди, оседающей на поверхности электрода:

Cu²⁺ + 2e Cu¯

Суммируя оба уравнения, получим:

Zn + Cu²⁺ Cu¯ + Zn²⁺

Таким образом, при работе элемента происходит реакция восстановления ионов меди металлическим цинком. Вместо цинка в качестве анода можно взять и другие металлы, например Al, Fe, Pb и др. Но они обязательно должны иметь меньший потенциал, чем медь. Это позволяет, надлежащим образом выбирая аноды, а также употребляя различные соли и регулируя реакцию среды, добиться четкого разделения металлов даже тогда, когда потенциалы их близки друг к другу. В таблице 6 приведены выбор анода и среды раствора для определения различных катионов по методу внутреннего электролиза.

 

Таблица 6 – Выбор анода и среды для внутреннего электролиза

 

Определяемый элемент	Среда	Анод
Медь	Солянокислая Уксуснокислая Сернокислая	Свинцовый Железный Цинковый Алюминиевый
Кадмий	Уксуснокислая	Цинковый
Никель	Сернокислая	Цинковый
Ртуть	Солянокислая	Медный
Серебро	Азотнокислая	Медный

 

Слабый и очень равномерный ток при внутреннем электролизе дает возможность выделять даже чрезвычайно малые количества металла, металл при этом покрывает катод очень ровным и плотным слоем. Необходимо, чтобы течение тока во время электролиза не прерывалось, поэтому все точки соприкосновения металлов тщательно зачищают наждачной бумагой. Требуется также возможно большая химическая чистота металла анода. Поверхность его должна быть невелика и хорошо отшлифована. Раствор не должен содержать веществ, вызывающих разрушение анода, например сильных кислот в большой концентрации, комплексообразователей и т.д.

 

Оборудование: установка для внутреннего электролиза; аналитические весы; электрическая плитка; термометры; химические стаканы на 250 мл.

Реактивы: спирт этиловый; дистиллированная вода; раствор для электролиза: смешивают 100 мл концентрированной серной кислоты, 5 мл концентрированной азотной кислоты, 0,3-0,5 г сульфата меди (CuSO₄•5H₂O) и разбавляют до 1 л дистиллированной водой.

 

Ход работы

 

100 мл анализируемого раствора наливают в стакан на 250 мл. Нагревают до 60-65^оС. Погружают в него электродную пару, соединенную контактом. Катод предварительно взвешивают на аналитических весах. Поддерживая раствор в горячем состоянии, оставляют в нем электроды на 40-60 мин. Для контроля окончания электролиза доливают раствор водой так, чтобы уровень поднялся на 1-1,5 см, и выдерживают еще 10-15 минут. Если медь больше не выделяется, то, не разъединяя электродов, извлекают их и промывают теплой водой. Далее разъединяют электроды, катод промывают спиртом, высушивают и взвешивают.

Концентрацию меди в растворе вычисляют по формуле:

 

m₂ – m₁

С = ———– • 1000 г/л,

V

 

где m₂ – масса катода после осаждения; m₁ – масса катода до осаждения; V – объем анализируемого раствора.

Медь с катода удаляют растворением в азотной кислоте. Катод тщательно промывают водой, затем спиртом и высушивают.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

К главе 1.

1. Что такое химический анализ, каковы его задачи и классификация?

2. Какие методы применяют в анализе веществ и чем они характеризуются?

3. Каковы основные требования, предъявляемые к аналитическим методам, реакциям и реагентам?

4. Что такое предел обнаружения, чувствительность и избирательность?

5. Как классифицируются ошибки в химическом анализе и каковы пути их преодоления?

 

К главе 2.

1. Какие существуют способы выражения концентраций растворов?

2. Как можно определить концентрацию раствора по его плотности?

3. Каково устройство и особенности использования ареометра?

4. В чем особенности приготовления растворов процентной концентрации?

5. В чем особенности приготовления растворов молярной и эквивалентной концентраций?

 

К главе 3.

1. В чем сущность гравиметрического анализа?

2. Что такое осаждаемая и гравиметрическая формы?

3. Какие операции используют в гравиметрическом анализе?

4. В чем сущность теории осаждения?

5. На какие виды классифицируются осадки и каковы особенности их получения?

6. Как производится выбор осадителя?

7. Каковы достоинства и недостатки гравиметрического метода анализа?

 

К главе 4.

1. В чем сущность титриметрического метода анализа?

2. На какие виды классифицируется титриметрический метод анализа?

3. Что такое титрование, титрант, титр?

4. Какими способами можно приготовить растворы с известной концентрацией?

5. Что такое точка эквивалентности?

6. Какие методы используют для фиксирования точки эквивалентности?

7. Что такое кривые титрования и для чего они используются?

8. Каковы достоинства и недостатки титриметрического метода?

 

К главе 5.

1. Что такое экстракция?

2. Что такое экстрагент, экстракт, разбавитель?

3. Каковы методические приемы проведения экстракции?

К главе 6.

1. В чем сущность хроматографического метода анализа?

2. Как классифицируются методы хроматографии?

3. В чем сущность и методика проведения бумажной хроматографии?

4. В чем сущность и методика проведения колоночной ионообменной хроматографии?

5. Что такое ионообменники?

 

К главе 7.

1. В чем сущность фотометрических методов анализа?

2. В какой области спектра проводятся измерения в спектрофотометрии (фотоэлектроколориметрии)?

3. Выведите закон Бугера-Ламберта-Бера в экспоненциальном и логарифмическом виде, в чем преимущество второй формулы?

4. Какие существуют отклонения от закона Бугера-Ламберта-Бера?

5. Каков физический смысл молярного коэффициента поглощения?

6. Чем определяется выбор оптического прибора и длины кюветы для измерения оптической плотности раствора?

7. Для чего используются светофильтры в фотоэлектроколориметрии?

8. Как осуществляется выбор светофильтра?

9. Какова зависимость оптической плотности и пропускания от концентрации вещества?

10. Дайте определение коэффициента преломления.

11. Чем отличаются абсолютный и относительный показатели преломления?

12. Каковы функции осветительной и измерительной призм?

13. Назовите основные узлы рефрактометра.

14. Какова зависимость показателя преломления от концентрации и плотности вещества?

15. Что такое дисперсия света?

16. Для какой характеристики вещества служит показатель преломления?

17. В каком виде регистрируются спектры ЭПР?

18. Каково условие резонанса?

19. Что такое g-фактор?

20. Какую роль выполняет ДФПГ при записи спектров ЭПР?

21. Сформулируйте правило аддитивности. Для чего оно используется?

22. Что дает процедура накопления спектров?

23. Для чего используется регистрация спектров ЭПР в режиме третьей производной?

24. При каких условиях регистрируется изотропный спектр?

25. В чем причина возникновения анизотропии?

26. Сущность аксиальной и ромбической симметрии?

27. Какова причина возникновения СТС и ДСТС?

28. Как рассчитать число компонент СТС и ДСТС?

29. Какую информацию можно получить, исходя из спектров ЭПР?

 

К главе 8.

1. Какие процессы могут происходить в твердых телах при их нагревании?

2. От каких факторов зависит скорость охлаждения?

3. Чем отличаются кривые охлаждения смесей от кривых охлаждения чистых веществ и чем вызваны эти отличия?

4. Какими особенностями обладают эвтектики?

5. Что можно определить по диаграмме плавкости системы?

6. Приведите примеры экзо- и эндотермических фазовых переходов.

7. Охарактеризуйте метод ДТА.

8. Дайте краткую характеристику ТГА и его особенностям.

9. Перечислите возможности качественного и количественного ДТА.

10. Как в методе ДТА рассчитывают тепловые эффекты превращений?

11. Какую информацию можно получить с помощью кривых потери массы и скорости потери массы?

 

К главе 9.

1. В чем сущность кондуктометрического метода анализа?

2. Для чего предназначены кондуктометры?

3. От каких факторов: а) температура; б) концентрация иона; в) природа иона; г) скорость перемешивания раствора зависит подвижность иона в растворе?

4. Какая зависимость положена в основу кондуктометрического титрования?

5. Какой вид имеют кривые кондуктометрического титрования для реакций: а) кислотно-основного взаимодействия; б) осаждения; в) комплексообразования?

6. Для чего определяется постоянная электрохимической ячейки в кондуктометрии?

7. Каковы достоинства кондуктометрического титрования?

8. Будет ли отличаться кривая кондуктометрического титрования слабой кислоты от кривой титрования сильной кислоты?

9. В чем различие прямой и косвенной кондуктометрии? Какой метод более селективен? Почему?

10. В чем сущность потенциометрического метода анализа?

11. Какого рода определения можно проводить с помощью потенциометрического анализа

12. Принципиальная компенсационная схема измерения ЭДС с помощью pH-метра.

13. Что такое измерительный электрод и электрод сравнения и каково их устройство?

14. Правила ухода за электродами.

15. В чём заключается подготовка pH-метра к работе?

16. Что такое водородный и гидроксильный показатели? Как они связаны с концентрацией катионов водорода и гидроксид-ионов?

17. В чем сущность электрогравиметрии?

18. В чем особенности внутреннего электролиза в электрогравиметрии?

19. Каковы достоинства электрогравиметрического анализа?

 

ЛИТЕРАТУРА

Основная

 

1. Васильев В.П. Аналитическая химия. Кн. 1,2. – М., ВШ., 2002.

2. Дорохова Е.Н., Прохорова Г.В. Аналитическая химия (физико-химические методы анализа). – М., ВШ., 1991.

3. Васильев В.П. Теоретические основы физико-химических методов анализа. – М., ВШ., 1979.

4. Основы аналитической химии. Под ред. Золотова Ю.А. Кн. 1,2. – М., ВШ., 2000.

5. Практикум по физико-химическим методам анализа. Под ред. Петрухина О.М. – М., Химия, 1987.

6. Балезин С.А. Практикум по физической и коллоидной химии. – М., Просвещение, 1980.

7. Киреев А.П. Краткий курс физической химии. – М., ВШ., 1978.

8. Физико-химические методы анализа. Под ред. Алесковского В.Б. – М., ВШ., 1980.

 

Дополнительная

9. Кунце У., Шведт Г. Основы качественного и количественного анализа. – М., Мир, 1997.

10. Балезин С.А. и др. Основы физической и коллоидной химии. – М., ВШ., 1977.

11. Воронов В.К., Сагдеев Р.З. Основы магнитного резонанса. – Иркутск: Изд-во Иркутского гос. ун-та, 1995.

12. Шапиро С.А., Шапиро М.А. Аналитическая химия. – М., ВШ., 1979.

13. Крешков А.П. Основы аналитической химии. Физические и физико-химические методы анализа. – М., ВШ., 1977.

14. Черняк А.С. Методы научных исследований в неорганической химии. – Иркутск: Изд-во Иркутского гос. ун-та, 1986.

15. Гордон А., Форд Р. Спутник химика. – М., Мир, 1976.

16. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. – Изд. «Химия», Ленинградское отделение, 1977.

17. Коростелев П.П. Лабораторная техника химического анализа. – М., Химия, 1981.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ А

 

Таблица 1 - Массовая доля w (%) и плотность растворов кислот (при 15^оС)

 

ω (%)	Плотность раствора г/мл	ω (%)	Плотность раствора г/мл
H2SO4	HCl	CH3COOH	H2SO4	CH3COOH
	1,027 1,055 1,083 1,112 1,143 1,174 1,205 1,238 1,273 1,307 1,342 1,380 1,419	1,019 1,039 1,059 1,079 1,100 1,121 1,142 1,163 1,183	1,0052 1,0113 1,0171 1,0228 1,0284 1,0337 1,0388 1,0436 1,0481 1,0523 1,0562 1,0598 1,0631		1,460 1,503 1,547 1,594 1,640 1,687 1,732 1,776 1,808 1,830 1,840 1,838	1,0660 1,0685 1,0707 1,0725 1,0740 1,0747 1,0748 1,0742 1,0726 1,0696 1,0644 1,0553

 

 

Таблица 2 – Поправочные коэффициенты для расчета дисперсии

 

Z	Δ	δ (10-3) для ∆Z = 0,1	Z
0 9 10 19 20 29 30	1,000 0,999 0,995 0,988 0,978 0,966 0,951 0,934 0,914 0,891 0,866 0,839 0,809 0,777 0,743 0,707 0,669 0,629 0,588 0,545 0,500 0,454 0,407 0,358 0,309 0,259 0,208 0,156 0,104 0,032 0,000	0,1 0,4 0,7 1,0 1,2 1,3 1,7 2,0 2,3 2,5 2,7 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,1 4,3 4,5 4,6 4,7 4,9 4,9 5,0 5,1 5,2 5,2 5,2 5,2	60 51 50 41 40 31 30

 

Для значения "Z" меньше 30, величину "δ" следует брать со знаком плюс, а для значения "Z" больше 30 – со знаком минус.

 

 

Таблица 3 – Значения коэффициентов преломления и поправок для расчета

дисперсии

ND	A	A (10–5) для N = 0,001	В	В (10–5) для N = 0,001	ND
1,300 1,310 1,320 1,330 1,340 1,350 1,360 1,370 1,380 1,390 1,400 1,410 1,420 1,430 1,440 1,450 1,460 1,470 1,480 1,490 1,500 1,510 1,520 1,530 1,540 1,550 1,560 1,570 1,580 1,590 1,600 1,610 1,620 1,630 1,640 1,650 1,660 1,670 1,680 1,690 1,700	0,02487 0,02482 0,02477 0,02473 0,02468 0,02463 0,02459 0,02455 0,02451 0,02447 0,02443 0,02440 0,02437 0,02434 0,02431 0,02428 0,02425 0,02423 0,02421 0,02419 0,02418 0,02417 0,02416 0,02415 0,02415 0,02415 0,05415 0,02416 0,02417 0,02419 0,02421 0,02424 0,02427 0,02431 0,02435 0,02441 0,02448 0,02455 0,02464 0,02475 0,02488	0,5 -0,5 -0,4 -0,5 -0,5 -0,4 -0,4 -0,4 -0,4 -0,4 -0,3 -0,3 -0,3 -0,3 -0,3 -0,3 -0,2 -0,2 -0,2 -0,1 -0,1 -0,1 -0,1 -0,0 -0,0 -0,0 0,1 0,1 0,2 0,2 0,3 0,3 0,4 0,4 0,6 0,7 0,7 0,9 1,1 1,3	0,03271 0,03257 0,03242 0,03225 0,03207 0,03187 0,03165 0,03142 0,03118 0,03092 0,03064 0,03035 0,03004 0,02973 0,02938 0,03902 0,03863 0,02826 0,02765 0,02743 0,02698 0,02652 0,02603 0,02552 0,02499 0,02444 0,02387 0,02327 0,02264 0,02199 0,02130 0,02059 0,01984 0,01905 0,01822 0,01735 0,01643 0,01545 0,01441 0,01329 0,01208	1,4 -1,5 -1,7 -1,8 2,0 -2,2 -2,3 -2,4 -2,6 2,3 -2,9 -3,1 -3,2 -3,4 -3,6 -3,7 3,9 -4,1 -4,2 4,5 -4,6 -4,9 -5,1 -5,3 -5,5 -5,7 -6,0 -6,3 -6,5 -6,9 -7,1 -7,5 -7,9 -8,3 8,7 9,2 9,8 -10,4 -11,2 -12,1	1,300 1,310 1,320 1,330 1,340 1,350 1,360 1,370 1,380 1,390 1,400 1,410 1,420 1,430 1,440 1,450 1,460 1,470 1,480 1,490 1,500 1,510 1,520 1,530 1,540 1,550 1,560 1,570 1,580 1,590 1,600 1,610 1,620 1,630 1,640 1,650 1,660 1,670 1,680 1,690 1,700

 

Таблица 4 – Значения рН (рОН) показателей и концентраций ионов водорода и гидроксид-ионов

pH(ОН)	[H+]; [OН־]	pH(OH)	[H+]; [OH־]	pH(OH)	[H+];[OH־]
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2 4,4 4,6 4,8 5,0	1,0 6,3 10–1 4,0 10–1 2,5 10­–1 1,6 10–1 1,0 10–1 6,3 10–2 4,0 10–2 2,5 10–2 1,6 10–2 1,0 10–2 6,3 10–3 4,0 10–3 2,5 10–3 1,6 10–3 1,0 10–3 6,3 10–4 4,0 10–4 2,5 10–4 1,6 10–4 1,0 10–4 6,3 10–5 4,0 10–5 2,5 10–5 1,6 10–5 1,0 10–5	5,2 5,4 5,6 5,8 6,0 6,2 6,4 6,6 6,8 7,0 7,2 7,4 7,6 7,8 8,0 8,2 8,4 8,6 8,8 9,0 9,2 9,4 9,6 9,8 10,0	6,3 10–6 4,0 10–6 2,5 10–6 1,6 10–6 1,0 10–6 6,3 10–7 4,0 10–7 2,5 10–7 1,6 10–7 1,0 10–7 6,3 10–8 4,0 10–8 2,5 10–8 1,6 10–8 1,0 10–8 6,3 10–9 4,0 10–9 2,5 10–9 1,6 10–9 1,0 10–9 6,3 10–10 4,0 10–10 2,5 10–10 1,6 10–10 1,0 10–10	10,2 10,4 10,6 10,8 11,0 11,2 11,4 11,6 11,8 12,0 12,2 12,4 12,6 12,8 13,0 13,2 13,4 13,6 13,8 14,0	6,3 10–11 4,0 10–11 2,5 10–11 1,6 10–11 1,0 10–11 6,3 10–12 4,0 10–12 2,5 10–12 1,6 10–12 1,0 10–12 6,3 10–13 4,0 10–13 2,5 10–13 1,6 10–13 1,0 10–13 6,3 10–14 4,0 10–14 2,5 10–14 1,6 10–14 1,0 10–14

 

При 10⁰ C pH дистиллированной воды = 7,22; при 22⁰С – 7,00; при 30⁰С – 6,86.

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Предисловие……………………………………………………………………...3

Введение………………………………………………………………………….4

Правила работы и техника безопасности………………………………………5

I Основные понятия химического анализа……………………………………..7

II Приготовление растворов…………………………………………………….13

Лабораторная работа № 1. Приготовление растворов заданных

концентраций………………………………………………………………….15

III Гравиметрический анализ……………………………………………………18

Лабораторная работа № 2. Определение бария в хлориде бария………….18

IV Титриметрический анализ…………………………………………………...22

Лабораторная работа № 3. Определение карбоната натрия в растворе

методом кислотно-основного титрования…………………………………..23

Лабораторная работа № 4. Определение содержания кальция, магния и

общей жесткости воды методом комплексонометрического титрования...25

V Экстракция…………………………………………………………………….29

Лабораторная работа № 5. Разделение смеси катионов Cu(II), Zn(II),

Mg(II), Mn(II), Al(III)………………………………………………………….29

VI Хроматография……………………………………………………………….31

Лабораторная работа № 6. Разделение и обнаружение катионов

методом одномерной бумажной хроматографии…………………………...31

Лабораторная работа № 7. Определение меди в растворе сульфата

меди методом колоночной ионообменной хроматографии………………..33

VII Спектральные методы анализа……………………………………………..35

VII.1 Фотоэлектроколориметрия (ФЭК)……………………………………….38

Лабораторная работа № 8. Определение содержания железа c

сульфосалициловой кислотой………………………………………………..40

Лабораторная работа № 9. Определение нитритов с реактивом Грисса….41

Лабораторная работа №10. Определение аммиака и ионов аммония с

реактивом Несслера…………………………………………………………...42

Лабораторная работа № 11. Определение меди в виде аммиаката………..43

Лабораторная работа № 12. Определение пикриновой кислоты…………..44

VII.2 Радиоспектроскопия. Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР)…46

Лабораторная работа № 13. Регистрация и расчет спектров ЭПР

комплексов меди(II) в условиях магнитного разбавления…………………51

VIII Рефрактометрия………………………………………………………..…...55

Лабораторная работа № 14. Определение показателя преломления с

помощью рефрактометра……………………………………………………..56

IX Термические методы анализа…...…………………………………………...60

Лабораторная работа № 15. Термический анализ системы нафталин-фенол…………………………………………………………………………...62

X Электрохимические методы анализа……….………………………………..64

X.1 Кондуктометрия…………………..………………………………...……….64

Лабораторная работа № 16. Кондуктометрическое титрование…………...67

X.2 Потенциометрия………………………….…………………………………70

Лабораторная работа № 17. Определение водородного показателя и

степени гидролиза солей потенциометрическим методом………………...71

Лабораторная работа № 18. Потенциометрическое титрование…………..73

X.3 Электрогравиметрический анализ………….……………………………...76

Лабораторная работа № 19. Определение меди в растворе сульфата

меди…………………………………………………………………………….77

Лабораторная работа № 20. Определение меди в растворе внутренним

электролизом…………………………………………………………………..78

Контрольные вопросы………………………………………………………...80

Литература.........................................................................................................83

Приложение А....................................................................................................84

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

АМУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Инженерно-физический факультет

 

 

Т.А. Родина, В.И. Митрофанова