Основно съдържание

Химична библиотека

Курс: Химична библиотека > Раздел 5

Урок 3: Стехиометрия при ограничаващ реагент

Въведение в гравиметричния анализ: Изпарителна гравиметрия

Въведение в изпарителната гравиметрия и утаителната гравиметрия. Пример за приложението на изпратителна гравиметрия за определяне на чистотата на смес от метален хидрат.

Какво е гравиметричен анализ?

Гравиметричният анализ е клас лабораторни методи, използван за определяне на масата или концентрацията на вещество чрез измерване на промяната в масата. Веществото, което се опитваме да намерим, понякога се нарича анализирано вещество или аналит. Можем да използваме гравиметричен анализ, за да отговорим на въпроси като:

Каква е концентрацията на анализираното вещество в разтвора?
Колко чиста е нашата проба? Пробата може да е твърдо вещество или разтвор.

[Какво означава думата "гравиметричен"?]

Има

2

често срещани типа гравиметричен анализ. И двата включват промяна на фазата на анализираното вещество, за да се отдели от останалата част на сместа, което води до промяна в масата. И двата метода могат да бъдат наречени "гравиметричен анализ", както и по-описателните имена по-долу.

Обикновено не е препоръчително да пиеш мистериозни течности! Може би Алиса е използвала гравиметричен анализ, за да разбере какво има в бутилката. Как би проверила тя за наличието на разтворими сребърни соли? Илюстрация на Алиса от Wikimedia Commons, обществено достояние

Изпарителната гравиметрия включва разделяне на компонентите на сместа чрез загряване или чрез химическо разлагане на пробата. При загряването или химическото разлагане се отделят всички летливи съединения, а това води до промяна в масата, която можем да измерим. Ще разгледаме подробно пример за изпарителна гравиметрия в следващата част на тази статия!

[Какво означава "летлив" в химията?]

При утаечната гравиметрия се използва реакцията утаяване, за да се отдели една или повече части от разтвора под формата на твърдо вещество. Получава се промяна на фазата, тъй като анализираното вещество в началото е в течна фаза, а след това реагира и образува твърда утайка. Твърдото вещество може да се отдели от течните компоненти чрез филтрация. Масата на твърдото вещество може да се използва, за да се изчисли количеството или концентрацията на йонните съединения в разтвора.

В тази статия ще разгледаме пример за прилагането на изпарителна гравиметрия в химична лаборатория. Също така ще обсъдим нещата, които могат да се объркат по време на експеримента с гравиметричен анализ и как могат да се отразят върху нашите резултати.

Пример: Определяне чистотата на смес на метален хидрат с помощта на изпарителна гравиметрия

Лоши новини! Нашият асистент Игор току-що ни информира, че случайно сме замърсили бутилката с металния хидрат

{BaCl}_{2} \cdot 2 H_{2} O

с неизвестно количество

KCl

. За да намерим чистотата на нашия

{BaCl}_{2} \cdot 2 H_{2} O

, загряваме

9, 51 g

от сместа на металния хидрат, за да премахнем водата от пробата. След като го загреем, масата на пробата намалява на

9, 14 g

Какъв е масовият процент на ${BaCl}_{2} \cdot 2 H_{2} O$ ‍ в изходната смес?

Задачите с гравиметричен анализ са всъщност стехиометрични задачи с няколко допълнителни стъпки. Надявам се, че помниш, че за да правим стехиометрични изчисления, ни трябват коефициентите от балансираното химично уравнение.

Нека първо да анализираме какво се случва, когато загреем пробата. Премахваме водата от

{BaCl}_{2} \cdot 2 H_{2} O

, за да образуваме анхидриден

{BaCl}_{2}

и водна пара

H_{2} O

. До края на процеса на загряване трябва да остане само смес от анхидриден

{BaCl}_{2}

KCl

. В следващите изчисления ще направим няколко заключения:

За разлика от други декомпозиционни процеси, цялата загуба на маса от пробата се дължи на изпарена $H_{2} O$ ‍.
Цялата вода идва от дехидратацията на ${BaCl}_{2} \cdot 2 H_{2} O$ ‍.

Забележка: Не знаем нищо за това колко замърсител

KCl

има в сместа. Може да е от

0 - 100 % KCl

като маса! Вероятно не е

100 % KCl

, тъй като след загряването изгубихме вода.

Можем да изразим реакцията на дехидратация чрез балансираното химично уравнение:

{BaCl}_{2} \cdot 2 H_{2} O \to {BaCl}_{2} + 2 H_{2} O

Според изравненото уравнение по-горе очакваме да получим

2 {mol H}_{2} O (g)

за всеки

1 {мола BaCl}_{2} \cdot 2 H_{2} O

. Ще използваме това стехиометрично отношение в нашите изчисления, за да превърнем моловете загубена вода в молове

{BaCl}_{2} \cdot 2 H_{2} O

в изходната проба.

[Защо не включваме KCl в уравнението?]

Да направим изчисленията стъпка по стъпка.

Стъпка $1$ ‍: Изчисляване на промяната на масата на пробата

Можем да намерим количеството вода, загубено в процеса на нагряване, като изчислим промяната в масата на нашата проба.

\begin{aligned} Маса на H_{2} O & = Изходна маса на пробата - Крайна маса на пробата \\ = 9, 51 g - 9, 14 g \\ = 0, 37 {g H}_{2} O \end{aligned}

Стъпка $2$ ‍: Превръщане на масата на изпарената вода в молове

За да превърнем количеството изгубена вода в количеството

{BaCl}_{2} \cdot 2 H_{2} O

, използвайки моларното отношение, трябва да превърнем масата на изпарената вода в молове. Можем да направим това, като използваме молекулното тегло на водата –

18, 02 g/mol

Маса на водата = 0, 37 {g H}_{2} O \cdot \frac{1 {мол H}_{2} O}{18, 02 {g H}_{2} O} = 2, 05 \cdot 10^{- 2} {mol H}_{2} O

Стъпка $3$ ‍: Превръщане на моловете вода в молове ${BaCl}_{2} \cdot 2 H_{2} O$ ‍

Можем да превърнем моловете вода в молове

{BaCl}_{2} \cdot 2 H_{2} O

, като използваме моларното отношение от балансираната реакция.

{молове BaCl}_{2} \cdot 2 H_{2} O = 2, 05 \cdot 10^{- 2} {мола H}_{2} O \cdot \frac{1 {мол BaCl}_{2} \cdot 2 H_{2} O}{2 {мола H}_{2} O} = 1, 03 \cdot 10^{- 2} {мола BaCl}_{2} \cdot 2 H_{2} O

Стъпка $4$ ‍: Превръщане на моловете ${BaCl}_{2} \cdot 2 H_{2} O$ ‍ в маса в грамове

Тъй като искаме да намерим масовия процент на

{BaCl}_{2} \cdot 2 H_{2} O

, трябва да знаем масата на

{BaCl}_{2} \cdot 2 H_{2} O

в изходната проба. Можем да превърнем моловете

{BaCl}_{2} \cdot 2 H_{2} O

в маса в грамове, като използваме молекулното тегло на

{BaCl}_{2} \cdot 2 H_{2} O

{Маса на BaCl}_{2} \cdot 2 H_{2} O = 1, 03 \cdot 10^{- 2} {мола BaCl}_{2} \cdot 2 H_{2} O \cdot \frac{244, 47 {g BaCl}_{2} \cdot 2 H_{2} O}{1 {мол BaCl}_{2} \cdot 2 H_{2} O} = 2, 51 {g BaCl}_{2} \cdot 2 H_{2} O

Стъпка $5$ ‍: Изчисляване на масовия процент на ${BaCl}_{2} \cdot 2 H_{2} O$ ‍ в първоначалната проба

Масовият процент може да се изчисли с помощта на съотношението на масата от Стъпка

4

и масата на изходната проба.

{Масов % BaCl}_{2} \cdot 2 H_{2} O = \frac{2, 51 g {BaCl}_{2} \cdot 2 H_{2} O}{9, 51 g смес} \cdot 100 % = 26, 4 % {BaCl}_{2} \cdot 2 H_{2} O (Не, благодаря, Игор!)

Кратък път: Можем също така да комбинираме стъпките от

2

до

4

в едно изчисление (с уговорката, че трябва да внимаваме много за единиците). За да превърнем масата на

H_{2} O

в маса

{BaCl}_{2} \cdot 2 H_{2} O

(което ще наричаме "хидрат" в изчисленията, за да не губим излишно място), можем да решим следния израз:

Маса на хидрата = \underset{⏟}{0, 37 {g H}_{2} O \cdot \frac{1 {мол H}_{2} O}{18, 02 {g H}_{2} O}} \cdot \underset{⏟}{\frac{1 мол хидрат}{2 {мола H}_{2} O}} \cdot \underset{⏟}{\frac{244, 47 g хидрат}{1 молове хидрат}} = 2, 51 g хидрат

Стъпка 2: Стъпка 3: Стъпка 4:

{намери моловете H}_{2} O използвай моларното отношение {намери g BaCl}_{2} \cdot 2 H_{2} O

Потенциални източници на грешки

Ура! Току-що използвахме успешно гравиметричния анализ, за да изчислим чистотата на смес. В лабораторията, обаче, нещата невинаги минават толкова гладко. Нещо винаги може да се обърка, например:

Стехиометрични грешки – например да не изравним уравнението за дехидратацията на ${BaCl}_{2} \cdot 2 H_{2} O$ ‍.
Лабораторни грешки – например да не се остави достатъчно време водата да се изпари или да не се измери теглото на съдовете.

Какво ще се случи с нашия отговор в горните ситуации?

Ситуация $1$ ‍: Забравихме да изравним уравнението

В тази ситуация ще използваме погрешно моларно съотношение в изчислението в стъпка

3

. Вместо да използваме правилното съотношение

\frac{1 {мол BaCl}_{2} \cdot 2 H_{2} O}{2 {мола H}_{2} O}

, ще използваме съотношението

\frac{1 {мол BaCl}_{2} \cdot 2 H_{2} O}{1 {мол H}_{2} O}

. Така ще получим два пъти повече молове метален хидрат в изчислението в Стъпка $3$ ‍, което ще доведе до два пъти по-голям масов процент от

{BaCl}_{2} \cdot 2 H_{2} O

. В крайна сметка бихме заключили, че пробата ни има много по-голяма чистота, отколкото е в реалност!

Проверка на понятията: Каква маса на металния хидрат ще изчислим в ситуация $1$ ‍?

[Покажи отговора]

Поуката от истрията? Провери два пъти дали уравненията са правилно изравнени!

Ситуация $2$ ‍: Времето ни изтече, но не се изпари цялото количество вода

В някои случаи цветовете на металния хидрат и на анхидридното съединение се различават. Например анхидридният меден сулфат е бяло твърдо вещество, което става небесносиньо, когато се хидратира. В такива случаи можеш да използваш промяната в цвета, както и масата, за да наблюдаваш процеса на дехидратация. Изображение от Benjah-bmm27 в Wikimedia Commons, Public domain

Във втората ситуация пробата ни не е напълно дехидратирана. Това може да се случи по ред причини. Например възможно е времето ни да изтече, температурата да е била твърде ниска или да сме махнали пробата от пещта по-рано. Как ще се отрази това на нашите изчисления?

В тази ситуация разликата в масата, която изчислихме в стъпка

1

, ще бъде по-ниска, отколкото трябва, затова ще получим по-малко молове вода в стъпка $2$ ‍. Така ще получим по-нисък масов процент на

{BaCl}_{2} \cdot 2 H_{2} O

при изчисленията в сравнение с напълно дехидратираната проба. В крайна сметка ще подценим чистотата на металния хидрат.

Химиците обикновено избягват ситуация

2

с т.нар. изсушаване до постоянна маса. Това означава наблюдение на промяната на масата по време на изсушаване, докато спре да се регистрира промяна (което зависи и от точността на лабораторната везна). Когато започнеш да загряваш пробата, трябва да очакваш значително намаляване на масата поради загубата на вода. Като продължаваш я да загряваш, промяната на масата ще става все по-малка, тъй като в пробата е останала по-малко вода. В някакъв момент вече няма да има достатъчно вода, която да предизвика значителна промяна на масата, затова измерената маса ще остане постоянна за няколко измервания. В този момент можеш да приемеш, че пробата е суха!

Лабораторен съвет: Повърхностната площ винаги е фактор, когато премахваш летливи вещества от проба. По-голямата повърхностна площ ще увеличи скоростта на изпарение. Можеш да увеличиш повърхностната площ като разпръснеш пробата възможно най-широко върху загряващата повърхност или я разбъркаш, за да раздробиш по-големите слепвания, тъй като влагата може да остане вътре в парчетата.

[Ами ако забравя да измеря теглото на нещо??]

Резюме

Гравиметричният анализ е клас лабораторни методи, в който се използва промяната на масата, за да се изчисли количеството или концентрацията на анализираното вещество. Един от видовете гравиметричен анализ е изпарителната гравиметрия, при която се измерва промяната на масата след премахване на летливите съединения. Пример за изпарителна гравиметрия е използването на промяната на масата след загряване, за да се изчисли чистотата на метален хидрат. Ето някои полезни съвети за експериментите с гравиметричен анализ:

Провери два пъти стехиометрията и се увери, че уравненията са изравнени.
Когато премахнеш летливите вещества от пробата, се увери, че пробата е изсушена до постоянна маса.
Винаги измервай теглото на съдовете!

Можеш да прочетеш повече за други често срещани видове гравиметричен анализ в тази статия за утаителната гравиметрия.

[Източници и препратки]

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Вписване в профила

Сортирай по:

Все още няма публикации.

Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.