Основно съдържание

Химична библиотека

Курс: Химична библиотека > Раздел 5

Урок 3: Стехиометрия при ограничаващ реагент

Гравиметричен анализ и утаечна гравиметрия

Определение за утаечна гравиметрия и пример за приложението на утаечната гравиметрия за определяне на чистотата на смес, съдържаща две соли.

Какво представлява утаечната гравиметрия?

Утаечната гравиметрия е аналитичен метод, който използва утаечна реакция, за да раздели йоните в един разтвор. Веществото, което се добавя, за да предизвика утаяване, се нарича утаител или агент на утаяването. Твърдата утайка може да се отдели от течните компоненти с помощта на филтриране, а масата на твърдото вещество може да се използва заедно с балансираното уравнение, за да се изчисли количеството или концентрацията на йонни съединения в разтвора. Понякога утачената гравиметрия се нарича просто гравиметричен анализ, което е по-обширен клас от аналитични методи и включва утаечната гравиметрия и изпарителна гравиметрия. Ако искаш да научиш повече за гравиметричния анализ, разгледай тази статия за гравиметричен анализ и изпарителна гравиметрия.

[Какво е реакция на утаяване?]

В тази статия ще разгледаме пример за намиране на количеството водни йонни съединения с помощта на утаечната гравиметрия. Освен това ще поговорим за някои често срещани грешки в нашия експеримент, защото понякога нещата в лабораторията не се случват точно както ме очаквали и е добре да сме подготвени за това!

Разтворимите сребърни соли като сребърния нитрат могат да се използват като утаяващи агенти за определяне на количеството халогенидни йони в пробата. Освен че масата на утайката ни дава концентрацията на халогенидни йони, цветът също е определящ за различните сребърни соли. Изображението показва епруветки, които съдържат жълтеникав $AgI$ ‍ (ляво), кремав $AgBr$ ‍ (в средата) и бял $AgCl$ ‍ (дясно) Снимка на сребърни утайки от Cychr от Wikipedia, CC BY 3,0

Пример: Определяне на чистотата на смес, съдържаща ${MgCl}_{2}$ ‍ и ${NaNO}_{3}$ ‍

О, не! Нашият асистент Игор, който понякога повече пречи, отколкото да помага, е разбъркал стъклениците с химикали. (В негова защита ще кажа, че много от белите кристални твърди вещества изглеждат еднакво, но затова е важно да четем етикетите!)

В резултат имаме

0,720 9 g

от мистериозна смес, която съдържа

{MgCl}_{2}

{NaNO}_{3}

. Искаме да разберем относителното количество на всяко съединение в нашата смес, като те са напълно разтворени във вода. Добавяме нашия утаител с излишък - сребърен нитрат,

{AgNO}_{3} (a q)

, и наблюдаваме образуването на утайка,

AgCl (s)

. След като филтрираме и изсушим утайката, намираме, че масата на твърдото вещество е

1,032 g

Какъв е масовият процент на ${MgCl}_{2}$ ‍ в първоначалната смес?

Всяко гравиметрично изчисление всъщност е стехиометрична задача с няколко допълнителни стъпки. Тъй като това е стехиометрична задача, искаме да започнем с балансирано химично уравнение. Интересуваме се от утаечната реакция между

{MgCl}_{2} (a q)

{AgNO}_{3} (a q)

, за да направим

AgCl (s)

, когато

{AgNO}_{3} (a q)

е в излишък.

[Отново, какво е стехиометрия? ]

Може би си спомняш, че утаечните реакции са от типа двойно заместване, което означава, че можем да предвидим продуктите като разменим анионите (или катионите) на реагентите. Можем да проверим правилата за разтворимост, ако е необходимо, а след това да балансираме реакцията. В тази задача вече знаем утайката,

AgCl (s)

. Това означава, че трябва да разберем другия продукт,

{Mg(NO}_{3})_{2} (a q)

, и да се уверим, че общата реакция е балансирана. Полученото балансирано химично уравнение е:

${MgCl}_{2} (a q) + 2 {AgNO}_{3} (a q) \to 2 AgCl (s) + {Mg(NO}_{3})_{2} (a q)$ ‍

[Почакай, как изведохме това уравнение?]

Балансираното уравнение ни казва, че за всеки

1 {mol MgCl}_{2} (a q)

, което е съединението, чието количество искаме да разберем, очакваме да има

2 mol AgCl (s)

, от нашата утайка. Ще използваме моларното отношение, за да превърнем моловете

AgCl (s)

в молове

{MgCl}_{2} (a q)

. Също така ще направим следните предположения:

Утайката се състои само от $AgCl (s)$ ‍. Не трябва да се притесняваме за утайка, образувана от ${NaNO}_{3}$ ‍.
Цялото количество ${Cl}^{-} (a q)$ ‍ е реагирало за образуването на $AgCl (s)$ ‍. По отношение на стехиометрията, трябва да се уверим, че добавяме утаителния агент в излишък ${AgNO}_{3} (a q)$ ‍, за да може всички йони ${Cl}^{-} (a q)$ ‍ от ${MgCl}_{2} (a q)$ ‍ да реагират.

Да преминем през всички изчисления стъпка по стъпка!

Стъпка $1$ ‍: Превръщане на масата на утайката, $AgCl (s),$ ‍ в молове

Тъй като приемаме, че масата на утайката е само

AgCl (s)

, можем да използваме молекулното тегло на

AgCl

, за да превърнем масата на утайката в молове.

$mol of AgCl (s) = 1,032 g AgCl \cdot \frac{1 mol AgCl}{143, 32 g AgCl} = 0,007 201 mol AgCl = 7,201 \cdot 10^{- 3} mol AgCl$ ‍

Стъпка $2$ ‍: Превръщане на моловете утайка в молове ${MgCl}_{2}$ ‍

Можем да превърнем моловете

AgCl (s)

(утайката) в молове

{MgCl}_{2} (a q)

като използваме моларното отношение от балансираното уравнение.

${mol от MgCl}_{2} (a q) = 7,201 \cdot 10^{- 3} mol AgCl \cdot \frac{1 {mol MgCl}_{2}}{2 mol AgCl} = 3,600 \cdot 10^{- 3} {mol MgCl}_{2}$ ‍

Стъпка $3$ ‍: Превръщане на моловете ${MgCl}_{2}$ ‍ в маса в грамове

Тъй като искаме да изчислим масовия процент на

{MgCl}_{2}

в първоначалната сме, трябва да превърнем моловете

{MgCl}_{2}

в грамове като използваме молекулното тегло.

${Масата на MgCl}_{2} = 3,600 \cdot 10^{- 3} {мола MgCl}_{2} \cdot \frac{95, 20 {g MgCl}_{2}}{1 {мола MgCl}_{2}} = 0,342 7 {g MgCl}_{2}$ ‍

Стъпка $4$ ‍: Изчисляване на масовия процент на ${MgCl}_{2}$ ‍ в първоначалната смес

Масовия процент на

{MgCl}_{2}

в първоначалната смес може да се изчисли като използваме отношението на масата на

{MgCl}_{2}

от стъпка

3

и масата на сместа.

${Масов % MgCl}_{2} = \frac{0,342 7 {g MgCl}_{2}}{0,720 9 g смес} \cdot 100 % = 47, 54 % {MgCl}_{2} в сместа (Благодарим ти, Игор!)$ ‍

Пряк път: Можем да комбинираме Стъпките от

1

до

3

в едно изчисление, което ще включва внимателно проверяване на единиците, за да сме сигурни, че всичко се съкращава правилно:

${Маса на MgCl}_{2} = \underset{⏟}{1,032 g AgCl \cdot \frac{1 молове AgCl}{143, 32 g AgCl}} \cdot \underset{⏟}{\frac{1 {молове MgCl}_{2}}{2 молове AgCl}} \cdot \underset{⏟}{\frac{95, 20 {g MgCl}_{2}}{1 {молове MgCl}_{2}}} = 0,342 7 {g MgCl}_{2}$ ‍

$Стъпка 1: Стъпка 2: Стъпка 3:$ ‍
$намери mol AgCl използвай моларното отношение {намери g MgCl}_{2}$ ‍

Потенциални източници на грешки

Знаем как да използваме стехиометрията, за да анализираме резултатите от утаечен гравиметричен експеримент. Ако провеждаш гравиметричен анализ в лаборатория, ще видиш, че има много фактори,които могат да повлияят върху точността на резултатите на експеримента (и съответно на твоите изчисления). Ето част от често срещаните усложнения:

Лабораторни грешки , подобни на непълно изсъхване на утайката
Стехиометрични грешки , като неизравняване на уравнението за реакцията на утаяване или липса на добавен ${AgNO}_{3} (a q)$ ‍ в излишък

Какво ще се случи с нашите резултати в ситуациите по-горе?

Можем да използваме вакуумна филтрация като тази, за да отделим утайката от надутаечната течност в утаечно гравиметричния експеримент. Image from OpenStax Chemistry, CC BY 4,0

Ситуация $1$ ‍: Утайката не е напълно изсъхнала

Може би времето ти е изтекло по време на лабораторния период, или установката за вакуумна филтрация не е направила качествен вакуум. Вероятно не ти помага и това, че водата е изключително трудна за премахване в сравнение с типичните органични разтворители, тъй като има относително висока точка на кипене и тенденция да образува връзки на водорода винаги когато е възможно. Да помислим за това как остатъчната вода ще повлияе върху изчисленията.

Ако утайката не е напълно суха, когато измерваме масата, ще решим, че имаме по-висока маса на

AgCl (s)

, отколкото е в действителност (тъй като измерваме масата на

AgCl (s)

плюс остатъчната вода). По-високата маса на

AgCl (s)

ще доведе до изчисляването на повече молове

AgCl (s)

в стъпка

1

, които ще бъдат превърнати в повече молове

{MgCl}_{2} (s)

в нашата смес. В последната стъпка ще изчислим маса на

{MgCl}_{2} (s)

, която е по-висока от действителната.

Лабораторна подсказка: Ако разполагаш с време, един от начините да провериш дали в пробата ти има вода, е да провериш масата няколко пъти в края на процеса на изсушаване, за да се увериш, че масата не се променя дори ако пробата продължава да съхне. Това се нарича сушене до постоянна маса и макар че не гарантира, че пробата ти е напълно суха, със сигурност помага! Също така можеш да разбъркаш утайката, за да разбиеш слепналите частици и да увеличиш повърхностната площ. Само внимавай да не пробиеш филтърната хартия!

Ситуация $2$ ‍: Забравихме да балансираме уравнението!

Помниш ли, че ти казах, че гравиметричният анализ е просто една стехиометрична задача? Това означава, че работата с небалансирано уравнение може да обърка изчисленията. За този сценарий ще използваме стехиометричните коефициенти от следното небалансирано уравнение:

${MgCl}_{2} (a q) + {AgNO}_{3} (a q) \to AgCl (s) + {Mg(NO}_{3})_{2} (a q) (Внимание : Неизравнено!)$ ‍

Това уравнение ни казва (неправилно!), че за всеки мол

AgCl (s)

, който се образува, можем да заключим, че започваме с

1

мол

{MgCl}_{2}

в първоначалната смес. Когато използваме стехиометрично отношение, за да изчислим масата на

{MgCl}_{2}

, ще получим:

{Масата на MgCl}_{2} = 1,032 g AgCl \cdot \frac{1 mol AgCl}{143, 32 g AgCl} \cdot \underset{⏟}{\frac{1 {mol MgCl}_{2}}{1 mol AgCl}} \cdot \frac{95, 20 {g MgCl}_{2}}{1 {mol MgCl}_{2}} = 0,685 4 {g MgCl}_{2}

сгрешено моларно отношение!

Току що изчислихме, че масата на

{MgCl}_{2}

в нашата смес е двойно повече от правилната маса! В резултат получаваме

2

пъти по-голям масов процент за

{MgCl}_{2}

${Масов % MgCl}_{2} = \frac{0,685 4 {g MgCl}_{2}}{0,720 9 g смес} \cdot 100 % = 95, 08 % {MgCl}_{2} в сместа (Сравнено с 47,54% !!)$ ‍

Ситуация $3$ ‍: Добавяне на ${AgNO}_{3} (a q)$ ‍ в излишък

В последния сценарий се чудим какво щеше да се случи, ако не бяхме добавили

{AgNO}_{3} (a q)

в излишък. Знаем, че няма да е добре, защото, ако

{AgNO}_{3} (a q)

не е в излишък, в разтвора ще остане нереагирал

{Cl}^{-}

. Това означава, че масата на

AgCl (s)

вече няма да е измерима с масата на

{MgCl}_{2}

в първоначалната смес, тъй като няма да отчитаме

{Cl}^{-}

, който все още е в разтвора. Следователно ще подценим масовия процент на

{MgCl}_{2}

в първоначалната смес.

Свързан с това и вероятно по-важен въпрос, на който искаме да отговорим е:

Как можем да сме сигурни, че добавяме ${AgNO}_{3} (a q)$ ‍ в излишък?

Ако знаем отговора на този въпрос, можем да сме по-уверени, когатоправим нашите изчисления! В тази задача:

Имаме $0,720 9 g$ ‍ от смес, която съдържа някакъв процент от ${MgCl}_{2}$ ‍.
Освен това от балансираното уравнение знаем, че за всеки мол ${MgCl}_{2}$ ‍ ще ни трябват поне $2$ ‍ мола ${AgNO}_{3} (a q)$ ‍.

Можем да имаме допълнително

{AgNO}_{3} (a q)

, тъй като след като цялото количество

{Cl}^{-}

реагира, остатъкът от

{AgNO}_{3}

просто ще остане като част от разтвора и ще може да се филтрира.

Ако не знаем колко мола

{MgCl}_{2}

има в първоначалната смес, как ще изчислим колко мола

{AgNO}_{3}

трябва да добавим? Знаем, че колкото повече молове

{MgCl}_{2}

имаме в първоначалната смес, толкова повече молове

{AgNO}_{3}

ни трябват. За наш късмет, имаме достатъчно информация, за да се подготвим за най-лошия случай - когато нашата смес е

100 % {MgCl}_{2}

. Това е максималното количество

{MgCl}_{2}

, което можем да имаме, което означава, че тогава ще ни трябва най-много

{AgNO}_{3}

Да си представим, че имаме

100 % {MgCl}_{2}

. Колко мола

{AgNO}_{3}

ще ни трябват? Това е друга стехиометрична задача! Можем да изчислим броя молове

{AgNO}_{3}

като превърнем масата на пробата в молове

{MgCl}_{2}

като използваме молекулното тегло, а след това преобразуваме до молове

{AgNO}_{3}

като използваме моларното отношение:

${молове от AgNO}_{3} = 0,720 9 {g MgCl}_{2} \cdot \frac{1 {mol MgCl}_{2}}{95, 20 {g MgCl}_{2}} \cdot \frac{2 {mol AgNO}_{3}}{1 {mol MgCl}_{2}} = 1,514 \cdot 10^{- 2} {mol AgNO}_{3}$ ‍

Този резултат означава, че дори и да не знаем точно колко

{MgCl}_{2}

имаме в сместа, докато имаме поне

1,514 \cdot 10^{- 2} {mol AgNO}_{3}

всичко ще е наред!

[Дали ще ни помогне, ако добавим ОГРОМЕН излишък?]

Резюме

Утаечната гравиметрия е гравиметричен анализ, който използва утаителна реакция за изчислението на количеството или концентрацията на йонно съединение. Например можем да добавим разтвор, който съдържа

{Ag}^{+}

, за да определим количеството на халогенидни йони като

{Br}^{-} (a q)

. Няколко полезни съвета за утаителните гравиметрични експерименти и изчисления включват:

Провери два пъти стехиометрията и се увери, че уравнението е балансирано.
Увери се, че утайката е изсушена до постоянна маса.
Добавяне на излишък от утаяващия се агент.

[Източници и препратки]

Просто за забавление!

Да кажем, че започваме с

0,401 5 g

смес от

{MgCl}_{2}

NaCl

. Добавяме в излишък

{AgNO}_{3} (a q)

и намираме, че имаме

1,032 g

утайка,

AgCl (s)

Колко мола от ${MgCl}_{2}$ ‍ и $NaCl$ ‍ сме имали в нашата смес в началото?

Изрази отговора си с

4

значещи цифри.

{mol MgCl}_{2}

mol NaCl

[Подсказка 1]

[Подсказка 2]

[Подсказка 3]

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.

Химична библиотека

Курс: Химична библиотека > Раздел 5

Какво представлява утаечната гравиметрия?

Пример: Определяне на чистотата на смес, съдържаща MgCl2‍ и NaNO3‍

Стъпка 1‍ : Превръщане на масата на утайката, AgCl(s),‍ в молове

Стъпка 2‍ : Превръщане на моловете утайка в молове MgCl2‍

Стъпка 3‍ : Превръщане на моловете MgCl2‍ в маса в грамове

Стъпка 4‍ : Изчисляване на масовия процент на MgCl2‍ в първоначалната смес