Определение концентрации растворенного в воде кислорода

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ. Для выполнения лабораторной работы «Определение концентрации растворенного в воде кислорода» необходимо знать основы окислительно-восстановительных процессов, основные понятия и приемы титриметрического метода анализа.

КРАТКОЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ. Природная вода находится в непрерывном взаимодействии с окружающей средой. Она растворяет органические и неорганичес­кие примеси, содержащиеся в почве, атмосфере, растительности и т.п. Среди растворенных примесей в воде есть кислород О₂, являющийся необходимым для жизни всех представителей водной фауны и флоры. Однако кислород — сильный окислитель, в его присутствии значительно возрастает скорость коррозии металлического оборудования, находящегося в контакте с природной водой. Поэтому его содержание в воде строго регламентируется и тщательно контролируется.

Контроль над содержанием растворенного кислорода осуществляется титриметрическим иодометрическим методом, основанным на способности соединений марганца количественно связывать кислород в щелочной среде:

MnCl ₂ +2 NaOH — > Mn ( OH )₂ + 2 NaCI

М n (ОН)₂ + 1/2О₂ + H ₂ О—> М n О₂•2Н₂О

Дигидрат диоксида марганца МnО₂•2Н₂О (малорастворимое соединение коричневого цвета) является сильным окислителем. Он образуется в количестве, строго эквивалентном содержанию растворенного кислорода. Определив количество образовавшегося дигидрата, рассчитывают содержание в воде О₂. Определение МnО₂•2Н₂О основано на взаимодействии последнего с иодидом калия в кислой среде, протекающем с выделением свободного иода:

М n О ₂ •2 Н ₂ О + 2KI + 2H₂SO₄ à MnSO₄+K₂S О ₄ + I₂ + 4H₂ О

Количество образующегося иода эквивалентно количеству реагирующего дигидрата диоксида марганца.

Иодометрическое определение содержания О₂ в воде заканчивают титрованием свободного иода раствором тиосульфата натрия в присутствии крахмала до исчезновения синей окраски:     

                2 Na ₂ S ₂ О₃ + I ₂ --> Na ₂ S ₄ O ₆ + 2 NaI

Целью работы является определение концентрации растворенного в воде кислорода  титриметрическим методом

 

Выполнение работы:

    В коническую колбу вместимостью 250 мл мерным цилиндром наливают 100 мл водопроводной воды. Пипеткой отмерюют 1 мл раствора хлорида марганца  и добавляют его в колбу с анализируемой пробой. Чистой пипеткой отмеряют 1 мл щелочного раствора иодида калия (KI+KOH) и вносят его в анализируемую пробу. Колбу закрывают пробкой и тщательно, но осторожно перемешивают раствор. Оставляют колбу на столе на 3-4 минуты. Составляют уравнения протекающих реакций.

    Из бюретки добавляют в колбу с анализируемой пробой 3 мл раствора серной кислоты, закрывают пробкой и, осторожно перемешивая содержимое, добиваются полного растворения осадка. Оставляют колбу на столе на 2-3 минуты. Составляют уравнения протекающих реакций.

    Приготовленную колбу оттитровывают раствором тиосульфата натрия, добавляют его к анализируемой пробе по каплям до тех пор, пока цвет раствора не станет бледно-желтым. Затем вводят в колбу несколько капель растворенного крахмала и продолжают титрование до исчезновения окраски.

    Повторяют опыт 3 раза. Результаты титрований не должны отличаться друг от друга более чем на 0.2 мл. Находят средний объем раствора тиосульфата натрия, израсходованный на титрование пробы, V₂. Рассчитывают молярную концентрацию эквивалентов кислорода в анализируемой пробе С_экв(1), моль/л.

Концентрацию растворенного кислорода рассчитывают исходя из соотношения, устанавливающего эквивалентность реагентов в химических реакциях, протекающих в водных растворах: V₁С_экв(1)= V ₂ C _экв(2), где V₁—объем анализируемой пробы воды, мл; V₂—объем раство­ра Na₂S₂О_3, израсходованный на титрование пробы, мл; С_экв(1) — молярная концентрация эквивалентов кислорода, растворенного в воде - С(1/4О₂), моль/л; С_экв(2) —молярная концентрация эквива­лентов раствора Na₂S₂О₃ — С (Na₂S₂О₃), моль/л. 

Результаты измерений сведят в таблицу:

V2 Na2S2O3 , мл	Сэкв(2) Na2S2O3, моль/л	V1, мл	С экв(1), моль/л

Зная молярную концентрацию молярной массы эквивалента кислорода, растворенного в воде, определяют его массу в мкг/л и делают вывод об экологической пригодности воды.

 

2.3.Физико-химические методы анализа

2.3.1.Лабораторная работа №6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОЧВЫ потенциометрическим методом

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ. Для выполнения лабораторной работы “Определение экологического состояния почвы” по ГОСТ 26423-85 необходимо знать теорию растворов электролитов, основы электрохимии.

КРАТКОЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ.  Анализ водной вытяжки из почвы дает сведения о составе и количестве в ней легко растворимых веществ и позволяет установить степень и характер засоления почвы.

При действии воды на почву происходит растворение минеральных соединений и частично гумусовых веществ, а в некоторых случаях идет также процесс разложения сложных силикатов. В дальнейшем почва взаимодействует уже не с водой, а с образовавшимся сложным раствором, где могут протекать реакции взаимного обмена между катионами вытяжки и катионами поглощающего комплекса почвы.

Важной характеристикой свойств почвы является величина рН водной суспензии. По рН солевой вытяжки из почвы судят о степени ее кислотности и необходимости известкования. Считают, что при рН 3-4 почва сильнокислая, 4-5- кислая, 5-6- слабокислая, 7 -нейтральная, 7-8 -слабощелочная, 8-9- щелочная, 9-11- сильнощелочная. Почвы с рН солевой вытяжки меньше 4.5 нуждаются в известковании. 

Для определения рН водной суспензии почвы используют потенциометрический анализ, основанный на определении концентрации иона по электродвижущей силе (ЭДС) гальванического элемента, с использованием компенсационной схемы, в которой измеряемая ЭДС уравновешивается известной ЭДС источника постоянного тока.

Для измерения рН составляют ячейку из хлорсеребряного электрода, потенциал которого постоянен, заранее известен и не зависит от состава раствора, являющегося электродом сравнения, и индикаторного электрода, потенциал которого, зависящий от концентрации определяемого иона, измеряется относительно электрода сравнения. В качестве индикаторного при определении рН используют стеклянный электрод, представляющий собой тонкостенный шарик из литиевого стекла, при погружении в раствор которого происходит обмен ионами между раствором и поверхностью шарика, т.е. ионы лития проникают из стекла в раствор, а ионы водорода из раствора в стекло. Таким образом, на поверхности стеклянного электрода устанавливается потенциал, величина которого определяется концентрацией водородных ионов.

Целью работы  является ознакомление с одним из методов электрохимического анализа, определение кислотности и солесодержания почвы.

 

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ pH

Приготовление водной вытяжки из почвы. Пробу почвы массой 30 г помещают в коническую колбу с пробкой вместимостью 250 см³, приливают 150 см³ дистиллированной воды. Почву с водой перемешивают в течение трех минут и оставляют на 5 минут для отстаивания. Часть почвенной суспензии объемом 15-20 см³ сливают в химический стакан вместимостью 50 см³ и используют для измерения рН. Измерение рН водной вытяжки почвы проводят с помощью рН-метра.

Для измерения рН почвенной суспензии стеклянный и хлорсеребряный электроды рН-метра погружают в стакан с испытуемым раствором. Перед каждым погружением в испытуемый раствор электроды тщательно промывают дистиллированной водой и затем чрезвычайно осторожно удаляют воду с их поверхности фильтровальной бумагой. Показания прибора считывают не ранее, чем через 1.5 минут после погружения электродов в измеряемую среду после прекращения дрейфа измерительного прибора. Полученные экспериментальные данные сводят в таблицу:

Ai	ni	`A	S	P при a=0.95	D

где А_i - показания рН-метра; n_i  - число определений; А - среднее значение;    t_a - критерий Стьюдента;    a - доверительная вероятность; S - стандартное отклонение; P-правильность анализа; D - доверительный интервал.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ СОЛЕЙ В ПОЧВЕ

Фильтрование суспензий. Оставшуюся после определения рН часть почвенной суспензию взбалтывают и, не давая ей отстояться, фильтруют через двойной складчатый фильтр. В качестве приемника используют сухой химический стакан емкостью 150 см³ . Если первые порции фильтрата окажутся мутными, то его следует перефильтровать через этот же фильтр сразу, не дожидаясь конца фильтрования.

После того, как весь раствор будет отфильтрован, из приемника отбирают пипеткой 25 см³ фильтрата, помещают в высушенную и взвешенную с точностью 0.01 г фарфоровую чашку и ставят на водяную баню для выпаривания фильтрата. По окончании выпаривания чашку помещают в термостат, выдерживают в нем в течение 30 минут при температуре 105° С, охлаждают в эксикаторе и взвешивают с погрешностью до 0.01 г.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ:

Содержание солей в почве (Х ) в процентах вычисляют по формуле:

где    m₁ - масса чашки с остатком, г; m - масса пустой чашки, г; 500 - коэффициент пересчета;   25 - объем вытяжки, см³

 

2.3.2.Лабораторная работа №7

ФОТОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТИТАНА В МЕДЬСОДЕРЖАЩИХ СПЛАВАХ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ. Для выполнения лабораторной работы «ФОТОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТИТАНА В МЕДЬСОДЕРЖАЩИХ СПЛАВАХ» по ГОСТ 15027.14-77 необходимо знать теорию растворов, основные принципы фотометрического метода анализа.

КРАТКОЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ. Фотометрический анализ - это группа методов, используемых в химическом анализе, основанных на измерении поглощения электромагнитного излучения в видимой и ближней УФ-области спектра растворами анализируемых веществ. При этом определяемый компонент сначала переводят в окрашенное соединение. При прохождении света через слой окрашенного вещества и, в частности, через окрашенный раствор происходит поглощение некоторой части его энергии. Остальная часть света проходит через раствор. Интенсивность монохроматического излучения, проходящего через исследуемый раствор, зависит от концентрации и толщины слоя раствора. Эта зависимость выражается законом Ламберта-Бугера-Бера A = e . C. l, где A - оптическая плотность раствора; e - коэффициент молярного поглощения л/моль см; С - концентрация раствора, моль/л, l - толщина слоя раствора, см.

Оптическая плотность раствора - безразмерная величина, определяемая из соотношения  A = lg I₀ / I, где I₀ - интенсивность падающего на раствор потока излучения, I - интенсивность прошедшего через раствор потока излучения.

Коэффициент молярного поглощения равен оптической плотности 1 М раствора толщиной 1 см. Величина e зависит от длины волны падающего излучения, температуры раствора, природы исследуемого вещества и не зависит от толщины поглощающего слоя и концентрации. Для определения концентрации окрашенного раствора измеряют его оптическую плотность с помощью фотометра.

 Колориметрический метод определения титана основан на сравнении окраски раствора, полученной от действия пероксида водорода в разбавленном сернокислом растворе исследуемого вещества, с окраской, получаемой в стандартном растворе сульфата титана. Пероксид водорода в присутствии серной кислоты вызывает желто-оранжевое окрашивание, обусловленное образованием комплексной пероксидисульфотитановой кислоты:

H₂[TiO(SO₄)₂] + H₂O₂ -----> H₂[TiO(H₂O₂)(SO₄)₂]

Целью работы является определение   содержания титана в медьсодержащем сплаве фотометрическим методом.

 

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ:

Приготовление стандартного раствора. Навеску 0.201 г металлического титана растворяют при нагревании (под тягой!) в 100 мл серной кислоты (1:4), добавляют при кипячении по каплям азотную кислоту (1:1) до обесцвечивания раствора и продолжают кипятить еще в течение 2-3 минут. Полученный раствор переводят в мерную колбу вместимостью 500 см³, доливают до метки водой, перемешивают.

Построение градуировочного графика. В мерные колбы вместимостью 50 см³ пипеткой вносят 0; 1.0; 2.0; 3.0; 4.0; 5.0 и 6.0 мл стандартного раствора титана, добавляют в каждую по 25 мл серной кислоты , 5 мл фосфорной кислоты и 1 мл пероксида водорода, доводят до метки водой, перемешивают и измеряют оптическую плотность растворов на фотометре (рис.1). Раствором сравнения служит раствор, не содержащий титана.

ПОРЯДОК РАБОТЫ НА ФОТОМЕТРЕ «ЭКСПЕРТ-003»

Рис.1. Клавиатура фотометра «Эксперт-003».

 

1. Включение фотометра

1.1 Включите фотометр нажатием (и удержанием в течение 1 секунды) кнопки «ВКЛ» до появления на индикаторе сообщения, сопровождаемого коротким звуковым сигналом. Фотометр готов к работе.

2.Градуировка (калибровка) фотометра

2.1 Нажмите кнопку «КЛБ». Прибор переходит в режим калибровки и на дисплей выводится сообщение: в верхней строке указана рабочая длина волны, во второй строке – номер градуировочного графика, в двух нижних строках – координаты градуировочной точки (значения концентрации и оптической плотности). В правом нижнем углу указан номер текущей градуировочной точки и общее число точек градуировки.  

2.2 Присвойте номер градуировочного графика, выбрав один из 20 возможных кнопками « » и « ».

2.3 Нажмите кнопку «N», кнопками « » и « » установите количество точек градуировки, соответствующее числу градуировочных растворов, нажмите кнопку «ВВОД». Установленное число точек градуировки отразится в правом нижнем углу экрана после дробной черты.

2.4 Установите требуемые единицы измерения путем многократного нажатия кнопки «СОЛЬ» (мг/л). Далее кнопками « » и « » выберите первую точку градуировки n1.

2.5 Для ввода значения концентрации первого градуировочного раствора нажмите кнопку «ЧИСЛ», на дисплее появится сообщение: «ВВЕДИТЕ ЧИСЛО». Наберите на клавиатуре число, соответствующее концентрации раствора в выбранных единицах измерения, и нажмите кнопку «ВВОД». Для подтверждения запроса нажмите «ВВОД» еще раз. Введенное значение отобразится в третьей строке.

2.6 Нажмите кнопку «ИЗМ». Поместите кювету с дистиллированной водой (или раствором сравнения) в ячейку фотометра и нажмите «Ф1». Убедитесь, что показание оптической плотности составляет «0,000 Б». извлеките кювету с дистиллированной водой (или раствором сравнения) и вставьте кювету с первым градуировочным раствором с концентрацией, соответствующей введенному значению для точки n1.

2.7 После того, как значение установится (скорость изменения оптической плотности не более 0,005 Б/мин), нажмите кнопку «ВВОД» 2 раза. При этом в обозначении номера градуировочного графика вместо индекса «ХХХ» впишется значение длины волны.

2.8 Извлеките кювету, промойте ее дистиллированной водой и сполосните раствором, который собираетесь поместить в кювету.

2.9 Перейдите ко второй точке градуировки. Для этого кнопкой « » установите на дисплее окно с обозначением n2 в нижней строке. Ввод значения концентрации и градуировка по второму и остальным градуировочным растворам производится так же, как и для первого раствора (см. пункты 2.5 - 2.8).

2.10 После окончания градуировки нажмите кнопку «ОТМ».

3. Выполнение измерений

3.1 Нажмите кнопку «ИЗМ». Прибор автоматически активирует градуировочный график, построенный на заданной длине волны. Номер графика отразится во второй строке. Если графиков на данной длине волны несколько, то будет активирован последний использованный (для перехода к другим градуировочным графикам, в случае работы по предварительно построенной градуировке на данной длине волны, используйте кнопки « » и « »).

3.2 Поместите кювету с дистиллированной водой (или раствором сравнения) в ячейку фотометра и нажмите «Ф1». Убедитесь, что показание оптической плотности составляет «0,000 Б», извлеките кювету с дистиллированной водой (или раствором сравнения) и вставьте кювету с анализируемым раствором.

3.3 После того, как значение установится (скорость изменения оптической плотности не более 0,005 Б/мин), произведите считывание результатов измерения.

3.4 Проведите три параллельных измерения оптической плотности анализируемого раствора, аналогично первому измерению (см. пункты 3.2-3.3).

3.4 Для выхода из режима измерения нажмите кнопку «ОТМ»

4. Выключение фотометра

4.1 После завершения работы отключите фотометр нажатием кнопки «ОТКЛ».

Полученные экспериментальные величины оптической плотности в зависимости от содержания титана в стандартных растворах вносят в таблицу 1.

                                                                           Таблица 1

          Экспериментальные данные (n = 7)

Х	Количество титана, мг	4.0× 10-4	8.0× 10-4	1.2× 10-3	1.6× 10-3	2.0× 10-3	2.4× 10-3	0
У	Оптическая плотность раствора, А

Для определения правильного хода градуировочного графика из-за значительного разброса результатов измерения их обрабатывают методом наименьших квадратов. При этом рассчитывают a и b, где

и получают зависимость оптической плотности раствора от концентрации титана в медьсодержащем сплаве в виде Y = aХ + b, по которой строят градуировочный график, откладывая по оси абсцисс содержание титана в мг, а по оси ординат - соответствующие им оптические плотности растворов (рис.2).

Определение титана в медьсодержащем сплаве. Навеску медьсодержащего сплава массой 0.5 г помещают в стакан, приливают 10 мл азотной кислоты и растворяют при нагревании (под тягой!). К раствору прибавляют 10 мл серной кислоты, выпаривают до выделения белого дыма серной кислоты, охлаждают, остаток растворяют в воде, раствор переносят в мерную колбу вместимостью 50 см³, прибавляют 5 мл фосфорной кислоты, 1 мл пероксида водорода, доливают до метки водой, перемешивают и проводят три параллельных измерения оптической плотности исследуемого раствора на ФОТОМЕТРЕ «ЭКСПЕРТ-003» Раствором сравнения служит раствор, полученный при растворении анализируемого сплава, проведенный через все стадии анализа, но без добавления пероксида водорода. Содержание титана в исследуемом растворе определяют по градуировочному графику.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ:

Массовую долю титана (Х) в медьсодержащем сплаве рассчитывают в соответствии с (3):

где m - масса титана, определенная по градуировочному графику, г., m₁ - масса навески медьсодержащего сплава, г., взятого для анализа.

Полученные результаты обрабатывают методом математической статистики и сводят в таблицу 2.

                                                                       Таблица 2

Ai	ni	`A	S	P при a=0.95	D

где A_i - массовая доля титана в сплаве, n_i - число определений,   A - среднее значение; t_a - критерий Стьюдента; a - доверительная вероятность; S- стандартное отклонение; P - правильность анализа; D - доверительный интервал.