6. ВВЕДЕНИЕ В ОБЪЕМНЫЙ АНАЛИЗ

Объемный или титриметрический анализ – это один из методов аналитической химии.

Аналитическая химия – наука, разрабатывающая методы определения качественного и количественного состава вещества, смеси веществ или других анализируемых объектов. Поэтому она состоит из двух частей: качественного анализа и количественного анализа.

Качественный анализ позволяет установить качественный состав исследуемого вещества, т.е. определяет из каких элементов, ионов, молекул состоит анализируемое вещество.

Количественный анализ устанавливает количественные соотношения составных частей исследуемого вещества.

Приведем пример:

Методы количественного анализа

Для установления количественного состава вещества используют разнообразные методы: физические, физико-химические, химические. Химические методы основаны на химических реакциях анализируемого вещества с подходящим реактивом и подразделяются на гравиметрию (весовой анализ) и титриметрию (объемный анализ).

Титриметрический (объемный) анализ

Для определения количественного состава вещества Х методом титриметрии проводят химическую реакцию этого вещества с подходящим реактивом, который называют “титрант” - Т:

Х + Т ----> продукты реакции.

Причем, должна быть известна точная концентрация раствора титранта. Точной называют концентрацию, которая в числовом выражении имеет 4 значащие цифры, например: 0,02485 моль/л; 0,1072 моль/л. Раствор титранта с точной концентрацией специально готовится. Для удобства расчетов концентрацию растворов выражают в единицах молярной концентрации эквивалентов вещества, или что то же самое, в единицах нормальности (обозначение N или н) – моль/л. Задача объемного анализа сводится к точному измерению объемов двух растворов:

а) раствора анализируемого вещества X – V (X), мл;

б) раствора титранта Т, затраченного на реакцию – V (T), мл.

Объемы растворов измеряют с точностью ± 0,05 мл, используя для этого специальную измерительную посуду: мерная колба, пипетка Мора, бюретка и другие.

Реакцию проводят так, чтобы прореагировали точно эквивалентные количества веществ:

n(¹/_ZX) = n(¹/_Z T).

Если на реакцию затрачено V(Т) мл раствора титранта с молярной концентрацией эквивалента c(¹/_ZТ), то количество его:

n(¹/_ZТ) = c(¹/_ZT) · V(Т) ммоль.

Соответственно, количество анализируемого вещества:

n(¹/_ZX) = c(¹/_ZX) · V(X) ммоль.

Тогда, согласно закону эквивалентов имеем:

c(¹/_ZT) · V(T) = c(¹/_ZX) · V(X).                                                                                           [1]

В соотношении [1] неизвестна концентрация анализируемого вещества c(¹/_ZX), которую легко вычислить и тем самым достигается поставленная задача.

При выполнении анализа к точно измеренному объему раствора исследуемого вещества постепенно по каплям приливают раствор титранта. Этот процесс называется “титрование”. Титрование продолжают до тех пор, пока не будет прилит объем раствора титранта, содержащий количество его точно эквивалентное количеству определяемого вещества. Поэтому необходимо иметь надежный способ фиксирования момента конца реакции – точки эквивалентности. Для этого используют различные методы: изменение окраски индикатора, образование или растворение осадка, изменение окраски раствора и т.п.

Таким образом, для определения количественного состава вещества методом титриметрии необходимо решить следующие задачи:

1. Приготовить раствор титранта и установить его точную концентрацию.

2. Иметь надежный способ фиксирования точки эквивалентности.

3. Измерить с достаточной точностью объемы растворов исследуемого вещества и титранта.

Способы приготовления растворов точной концентрации

1. Приготовление раствора по точной навеске вещества.

Рассчитанную массу вещества взвешивают на аналитических весах (с точностью ±0,0002 г) и растворяют в посуде точно известного объема (мерная колба). Молярную концентрацию эквивалента приготовленного раствора вычисляют по формуле:

.

Раствор, приготовленный по точной навеске вещества называют «раствором первичного стандарта», или раствором с приготовленным титром.

Вещество, раствор которого готовят по точной навеске должно отвечать следующим требованиям:

- вещество должно быть марки «х.ч.» – химически чистое, или «ч.д.а.» – чистое для анализа;

- его состав должен точно соответствовать формуле;

- оно должно быть устойчивым при хранении в твердом состоянии и в растворе. Вещество, отвечающее этим требованиям называют «исходным веществом».

2. Приготовление растворов с установленным титром.

Растворы веществ, не удовлетворяющих выше указанным требованиям, готовят приблизительно требуемой концентрации, а затем стандартизируют путем титрования раствором подходящего первичного стандарта. Так готовят растворы титрантов и их называют растворами с установленным титром.

Концентрацию раствора вычисляют по формуле:

.

Измерение объемов растворов в титриметрическом анализе

Для измерения объемов растворов с требуемой точностью (±0,05 мл) пользуются специальной мерной посудой – мерные колбы, бюретки, пипетки. При проведении отсчета по шкале измерительной посуды следует соблюдать следующее правило: глаза измеряющего должны находиться на одном уровне с мениском жидкости – объем прозрачного раствора измеряют по нижнему (вогнутому) краю мениска, а интенсивно окрашенных жидкостей – по верхнему краю мениска.

Мерная колба предназначена для приготовления растворов точной концентрации (приготовление по точной навеске исходного вещества), представляет собой сосуд с длинным узким горлышком, на котором имеется метка. Раствор, приготовленный точно по метке, имеет объем, указанный на этикетке колбы: 100,0; 200,0; 250,0; 500,0; 1000 мл.

Пипетка Мора используется для отбора порции раствора (аликвотной части) определенного точного объема. Она представляет собой стеклянную трубку с расширением в средней части. На верхней узкой части пипетки есть метка. Пипетки Мора бывают разных объемов: 10,00; 15,00; 20,00; 25,00; 50,00 мл. Для отбора порции раствора пипетку опускают в раствор, с помощью резиновой груши (или путем всасывания воздуха ртом) набирают раствор выше метки, закрывают верхнее отверстие указательным пальцем. Осторожно приоткрывая отверстие выпускают избыток раствора точно до метки (мениск жидкости должен быть на уровне глаз экспериментатора, а положение пипетки – строго вертикальным). Пипетку с отмеренным объемом раствора вносят в сосуд и держа ее близко ко дну открывают отверстие и дают жидкости свободно вытечь.

Бюретка – используется для точного измерения объема раствора, затраченного на титрование (или для отмеривания определенного точного объема жидкостей). Она представляет собой градуированную стеклянную трубку с наконечником в виде пипетки. Наконечник присоединяется к бюретке резиновым шлангом с затвором. В качестве затвора используется металлический зажим, стеклянный шарик, вставленный в шланг. Есть также бюретки с впаянным стеклянным краном. Для титрования в бюретку закрепляют строго вертикально в штативе, наливают раствор выше нулевого деления, заполняют наконечник бюретки раствором, полностью вытесняя из него воздух. Затем устанавливают уровень раствора на нулевом делении шкалы по нижней (вогнутой) части мениска (глаз наблюдателя должен быть на уровне мениска раствора).

Перед каждым титрованием следует заполнять бюретку раствором до нулевого деления шкалы.

Объемы растворов, затраченных на титрование, записывают с точностью 0,02 – 0,03 мл. Примеры правильной записи результатов титрования: 19,03 мл; 18,00 мл; 21,45 мл.

7. ЖЕСТКОСТЬ ПРИРОДНОЙ ВОДЫ

7.1. Карбонатная жесткость природной воды

РАБОТА 12. Определение карбонатной жесткости водопроводной воды методом ацидиметрии

Карбонатная (временная, или устраняемая) жесткость воды обусловлена содержанием в ней гидрокарбонатов кальция и магния, т.е. соответствует той концентрации ионов кальция и магния, которая эквивалентна количеству гидрокарбонат ионов в воде:

n [¹/_Z(Са²⁺, Mg²⁺)] = n (¹/_Z HCO₃^ˉ)

Она количественно выражается в ммоль/л (Са²⁺, Mg²⁺).

Карбонатную жесткость воды определяют титруя исследуемую воду раствором соляной кислоты. Определение основано на реакции нейтрализации и поэтому называется “Метод нейтрализации или ацидиметрии”. В результате гидролиза гидрокарбонатов в воде создается щелочная среда:

НСО₃^¯ + НОН « Н₂СО₃ + ОН^¯

При титровании раствором соляной кислоты протекает реакция нейтрализации:

ОН^¯ + Н⁺ « Н₂О.

Тогда, реакция титрования выражается суммарным уравнением:

НСО₃^¯ + Н⁺ « Н₂О + СО₂.

Точку эквивалентности определяют по изменению окраски кислотно-основного индикатора-метилоранжа. В щелочной среде метилоранж окрашен в желтый цвет. В точке эквивалентности среда становится кислой (присутствие Н₂СО₃) и окраска индикатора изменяется в оранжево-розовую.

Методика выполнения анализа

План работы:

1. Стандартизация раствора титранта, т.е. установление точной концентрации раствора соляной кислоты.

1.1. Приготовление раствора первичного стандарта – раствора карбоната натрия Na₂СО₃.

1.2. Стандартизация титранта.

2. Определение карбонатной жесткости воды методом нейтрализации.

1. Стандартизация титранта

Концентрацию раствора соляной кислоты (титрант) устанавливают титруя его раствором карбоната натрия с точно известной концентрацией:

СО₃^2- + 2Н⁺ « Н₂О + СО₂.

Поэтому для стандартизации титранта готовят раствор первичного стандарта - раствор Na₂CO₃ с точной концентрацией.

О п ы т 1.1. Приготовление раствора первичного стандарта

Вычислите массу Na₂СО₃, необходимую для приготовления 100,0 мл раствора с концентрацией с (¹/_Z Na₂СО₃) 0,1 моль/л.

Приготовление раствора. Взвешенную на аналитических весах (с точностью ± 0,0002 гг.) навеску Na₂СО₃ перенесите без потерь в мерную колбу объемом 100,0 мл. Растворите вещество полностью в небольшом объеме дистиллированной воды и затем доведите объем раствора водой до метки. Колбу плотно закройте пробкой и раствор тщательно перемешайте. Вычислите концентрацию приготовленного раствора.

О п ы т 1.2. Стандартизация раствора соляной кислоты

В коническую колбу перенесите пипеткой Мора порцию (аликвотную часть) раствора карбоната натрия, прибавьте 1-2 капли метилоранжа.

Подготовьте бюретку с раствором соляной кислоты. Титруйте приготовленный раствор карбоната натрия раствором соляной кислоты до перехода окраски индикатора из желтой в оранжево-розовую. Закончив титрование измерьте объем раствора, затраченный на титрование и запишите в таблицу результатов. Титрование повторите до получения сходящихся результатов, т.е. результатов, отличающихся не более, чем на 0,05 мл.

Перед каждым титрованием заполняйте бюретку раствором до нулевого деления шкалы.

Из сходящихся результатов найдите среднее арифметическое значение объема титранта.

Таблица 1

Результаты титрования

Вычислите концентрацию раствора соляной кислоты:

c(¹/_ZHCl) · V(HCl) = c(¹/_Z Na₂СО₃) · V(Na₂СО₃).

О п ы т 2. Определение карбонатной жесткости водопроводной воды

Мерной колбой на 100,0 мл отберите порцию (аликвотную часть) исследуемой воды и перенесите в коническую колбу для титрования, прибавьте 1-2 капли раствора метилоранжа. Для удобства определения точки эквивалентности в другой колбе приготовьте раствор “свидетеля” – к 100 мл дистиллированной воды прибавьте по 1-2 капли метилоранжа и соляной кислоты.

Титруйте приготовленную порцию исследуемой воды раствором соляной кислоты до перехода окраски индикатора из желтой в оранжево-розовую (сравните с окраской «свидетеля»). Из сходящихся результатов найдите среднее арифметическое значение объема титранта.

Таблица 2

Результаты титрования

По полученным данным вычислите карбонатную жесткость воды:

.

7.2. Общая жесткость воды

РАБОТА 13. Определение общей жесткости воды методом комплексонометрии.

Комплексонометрия – метод титриметрического анализа, основанный на реакциях комплексообразования. В качестве титранта в комплексонометрии применяются органические реактивы-комплексоны, представляющие собой производные аминополикарбоновых кислот. Из них в данной работе используется комплексон (III), или другое его название – трилон Б. Трилон Б - это двузамещенная натриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты:

Обозначим кислотный остаток [(CH₂COO)₂N (CH₂)₂N (CH₂COO)₂]^4- символом Tr, тогда формула соли примет вид: Na₂H₂Tr.

Для определения общей жесткости воды методом комплексонометрии анализируемую воду титруют раствором трилона Б с точно известной концентрацией. При этом протекает реакция (ионно-молекулярное уравнение реакции):

                                                                                    (1)

Титрование проводят до достижения точки эквивалентности, тогда

с(¹/_ZTрБ) · V(TрБ) = с(¹/_ZCa²⁺,Mg²⁺) · V(H₂O).

По результатам титрования вычисляют общую жесткость анализируемой воды:

Условие проведения реакции: реакция титрования проводится при рН 9, которое создается добавлением в анализируемый раствор аммиачной буферной смеси. (NH₄ OH + NH₄Cl). Буферными называются растворы, способные сохранять рН практически постоянным при добавлении сильной кислоты или сильного основания, а также при разбавлении раствора. Таким свойством, в частности, обладает раствор, содержащий слабое основание и его соль с сильной кислотой, например (NH₄ OH + NH₄Cl).

Для фиксирования точки эквивалентности используется специальный металлоиндикатор-эриохром черный Т, который образует с ионами металлов комплексные соединения. Анион индикатора HInd^2- имеет в растворе (рН 9) синий цвет, а соединения его с ионами металлов окрашены в винно-красный цвет:

При титровании протекает реакция:

Таким образом, по достижении точки эквивалентности винно-красная окраска исследуемого раствора (исследуемой воды) переходит в синий цвет аниона индикатора.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

План работы:

1. Стандартизация титранта:

1.1. Приготовление раствора первичного стандарта.

1.2. Стандартизация титранта.

2. Определение общей жесткости воды.

О п ы т 1.1. Приготовление раствора первичного стандарта – раствора MgCl₂

Задание: по точной навеске MgCl₂ · 6H₂O приготовить 100,0 мл раствора MgCl₂ с молярной концентрацией эквивалента 0,02 моль/л.

Вычислите массу MgCl₂ · 6H₂O, необходимую для приготовления указанного раствора.

Методика приготовления раствора. Точную навеску соли, взятую на аналитических весах, перенесите через сухую воронку без потерь в мерную колбу. Смойте с воронки остатки соли дистиллированной водой и полностью растворите навеску в небольшом объеме воды. Затем доведите объем раствора водой точно до метки (по нижнему краю мениска). Последние капли воды добавляйте капельной пипеткой. Колбу плотно закройте пробкой и тщательно перемешайте раствор.

Вычислите молярную концентрацию эквивалента приготовленного раствора хлорида магния, запишите вывод.

О п ы т 1.2. Стандартизация раствора титранта – раствора трилона Б

В бюретку налейте раствор титранта – раствор трилона Б выше нулевого деления шкалы, заполните наконечник бюретки раствором, полностью вытесняя из него воздух. Затем установите уровень раствора на нулевом делении шкалы по нижней, вогнутой части мениска (глаз наблюдателя должен быть на уровне нулевого деления шкалы бюретки).

Перенесите пипеткой Мора аликвотную часть раствора первичного стандарта в коническую колбу, прилейте 5 мл аммиачного буферного раствора и разбавьте раствор водой до 100-150 мл. В раствор внесите ½ микрошпателя индикатора эриохрома черного. Раствор оттитруйте раствором трилона Б до перехода окраски раствора из винно-красной в синюю. Измерьте объем раствора трилона Б, затраченный на титрование и результат запишите в таблицу. Титрование повторите до получения сходящихся результатов т.е. до результатов отличающихся не более, чем на ±0,05 мл.

Перед каждым титрованием заполняйте бюретку раствором до нулевого деления шкалы.

Из сходящихся результатов определите среднее арифметическое значение объема титранта. По полученным данным вычислите молярную концентрацию эквивалента раствора трилона Б.

Таблица 2

Результаты титрования:

О п ы т 2. Определение общей жесткости водопроводной воды

В две конические колбы отберите мерной колбой по 100,0 мл анализируемой воды и в каждую пробу прибавьте по 5 мл аммиачной буферной смеси. В приготовленные растворы внесите по ¹/₂ микрошпателя индикатора эриохрома черного и оттитруйте каждый раствор трилоном Б до перехода окраски от винно-красной в синюю.

По результатам титрования вычислите общую жесткость анализируемой воды.

8. ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ

РАБОТА 14. Грубодисперсные системы.

Цель работы:

- приготовить суспензию, изучить устойчивость и ее фазовый состав.

О п ы т 1. Получение суспензии мела в воде.

В фарфоровой ступке тщательно разотрите кусочек мела до тонкого порошка. Внесите в пробирку один микрошпатель измельченного порошка, прилейте 4-5 мл дистиллированной воды и несколько раз энергично встряхните пробирку. Отметьте равномерное распределение порошка мела по всему объему среды. Поставьте пробирку в штатив и наблюдайте через несколько минут расслоение полученной суспензии.

Какие системы называют суспензиями? Что является в данной суспензии: а) дисперсной фазой; б) дисперсионной средой?

РАБОТА 15. Коллоидные системы. Способы получения гидрозолей.

Цель работы:

- изучить способы приготовления гидрозолей;

- приобрести навыки составления формулы мицеллы.

Методы конденсации

О п ы т 1. Получение гидрозолей берлинской лазури с разноименными зарядами частиц

Для получения данных золей используется реакция обмена:

4FeCl₃ + 3K₄[Fe(CN)₆] = КFe[Fe(CN)₆]₃ + 12KCl.

В результате реакции образуется золь мало растворимого в воде вещества Fe₄[Fe(CN)₆]₃ – гексацианоферрата (II) железа (III) калия, или берлинской лазури.

Таблица 1

Названия комплексных солей

Для проведения реакции используют растворы FeCl₃ и гексацианоферрата (II) калия с молярной концентрацией эквивалента 0,005 моль/л.

а) Получение золя берлинской лазури при избытке FeCl₃.

К 3 мл раствора FeCl₃ приливайте небольшими порциями при перемешивании 1 мл раствора K₄[Fe(CN)₆]. Образуется золь берлинской лазури.

Что собой представляет золь? Укажите фазовый состав полученного золя. Какой электролит является стабилизатором? Составьте формулу мицеллы и укажите знак заряда гранулы.

б) Получение золя берлинской лазури при избытке К₄[Fe(CN)₆].

Повторите опыт а), изменив соотношения реактивов, а именно, к 3 мл раствора K₄[Fe(CN)₆] прилейте 1 мл раствора FeCl₃. Определите фазовый состав полученного золя, заряд частиц золя. Составьте формулу мицеллы.

Выводы: 1) Что такое золь?

2) Какие вещества и при каких условиях могут образовать золи в водной среде (гидрозоли)?

3) Чем определяется знак заряда частиц золя?

О п ы т 2. Определение знака заряда частиц золя

В окрашенных золях знак заряда частиц можно определить методом капиллярного анализа. Он основан на том, что целлюлозные стенки капилляров фильтровальной бумаги при погружении в воду заряжаются отрицательно, а пропитывающая бумагу вода – положительно. Если нанести на фильтровальную бумагу золь с отрицательным зарядом частиц, то он не адсорбируется бумагой и на ней образуется равномерно окрашенное пятно. Если частицы золя заряжены положительно, то они адсорбируются отрицательно заряженными стенками капилляров и на бумаге образуется пятно окрашенное в центре и бесцветное по краям.

Методом капиллярного анализа определите знаки заряда частиц, полученных ранее золей берлинской лазури (опыт1). Совпадают ли результаты анализа со знаками зарядов частиц, которые записаны в формулах мицелл (опыт 1)?

Результаты опыта запишите в таблицу 2.

Таблица 2

Определение знака заряда частиц золя

О п ы т 3. Получение золя гидроксида железа (III) реакцией гидролиза соли

В пробирку налейте 4-5 мл дистиллированной воды и нагревайте. В нагретую до кипения воду приливайте по каплям (при перемешивании) 2%-й раствор хлорида железа (III) до образования золя гидроксида железа красно-коричневого цвета.

Укажите фазовый состав приготовленного золя. Изобразите строение мицеллы и напишите ее формулу.

Метод диспергирования.
Метод химического диспергирования. Пептизация

О п ы т 4. Получение золя гидроксида железа (III) методом пептизации.

Приготовьте осадок гидроксида железа действием раствора щелочи на раствор хлорида железа (III). Напишите уравнение реакции в молекулярной и ионно-молекулярной формах. Отделите осадок гидроксида железа от раствора центрифугированием. Осадок небольшими порциями внесите в насыщенный раствор хлорида железа, перемешивая после каждого добавления. Наблюдайте исчезновение осадка и изменение окраски раствора из желтого в красно-коричневый, характерный для золя Fe (OH)₃.

Напишите формулу мицеллы полученного золя гидроксида железа (III), учитывая, что причиной дробления (диспергирования) грубодисперсного осадка является адсорбция на его частицах ионов Fe³⁺ из раствора хлорида железа. Адсорбированные ионы сообщают частицам осадка одноименные заряды, в результате чего частицы отталкиваясь друг от друга отрываются от осадка и переходят в среду, равномерно распределяются по всему объему жидкости, т.е. происходит пептизация.

РАБОТА 16. Процессы коагуляции гидрозолей

Цель работы: изучить влияние на коагуляцию золей

- величины заряда коагулирующего иона;

- температуры;

- образование геля при коагуляции.

Коагуляция гидрозолей электролитами

О п ы т 1. Сравнение коагулирующего действия электролитов

а) Приготовьте золь гидроксида железа (III) по реакции гидролиза хлорида железа (III). Напишите формулу мицеллы полученного золя.

б) Разлейте золь на три пробирки. В одну из пробирок прибавляйте по каплям раствор хлорида натрия до начала помутнения золя. Запишите число капель раствора, затраченных на коагуляцию в таблицу. Повторите опыт, прибавляя во вторую пробирку раствор сульфата натрия, в третью – раствор гидрофосфата натрия.

Результаты опыта запишите в таблицу 3.

Таблица 3

Влияние величины заряда коагулирующего иона на коагуляцию золя

По результатам опыта сформулируйте вывод.

О п ы т 2. Коагуляция гидрозолей при нагревании

а) Получите золь кремниевой кислоты путем реакции обмена. Для этого налейте в пробирку 1 мл концентрированной соляной кислоты и добавьте при перемешивании несколько капель раствора силиката натрия. Наблюдайте образование золя кремниевой кислоты.

б) Нагрейте полученный золь кремниевой кислоты. Наблюдайте образование студенистой массы, не выливающейся при перевертывании пробирки вверх дном – геля кремниевой кислоты.

Что такое гель? Поясните его структуру. Почему нагревание способствует коагуляции золя – гелеобразованию?

О п ы т 3. Образование геля кремниевой кислоты

В пробирку внесите 1 мл концентрированного раствора силиката натрия и добавьте 3-4 капли 10-12%-го раствора соляной кислоты. Перемешайте раствор стеклянной палочкой. Образуется золь кремниевой кислоты, который постепенно застудневает с образованием геля.

Составьте формулу мицеллы золя кремниевой кислоты. Объясните механизм образования геля.

9. ОСНОВЫ ХИМИИ МИНЕРАЛЬНЫХ ВЯЖУЩИХ ВЕЩЕСТВ

9.1. Воздушные вяжущие вещества

РАБОТА 17. Воздушные вяжущие вещества

Цель работы:

1. Изучить химические реакции, протекающие при производстве и твердении воздушных вяжущих веществ.

2. Ознакомиться с некоторыми свойствами воздушных вяжущих веществ.

1. Известь строительная

Опыт 1.1. Реакция производства негашеной извести (строительной извести)

В небольшой фарфоровый тигель поместите несколько кусочков известняка примерно одинаковой величины. Тигель с веществом поставьте в нагретую до 900-1000 ⁰С муфельную печь и прокалите в течение 20-30 минут.

Осторожно перенесите тигель с продуктом обжига в эксикатор для охлаждения. Почему нельзя охлаждать тигель с веществом на воздухе? Ответ подтвердите уравнениями возможных реакций. Укажите виды воздушной извести, выпускаемые промышленностью.

Напишите уравнение реакции разложения известняка. Приведите химическое и технические названия полученного вяжущего вещества.

О п ы т 1.2. Реакция гидратации воздушной извести. Получение гашеной извести (известь-пушонка)

Извлеките из эксикатора охлажденный тигель (опыт 1.1) и перенесите (пинцетом) несколько кусочков продукта обжига в другой тигель. Постепенно по каплям добавляйте воду до прекращения бурной реакции и образования порошкообразного продукта. Внимательно наблюдайте за ходом реакции и отмечайте:

- тепловой эффект процесса;

- изменение состояния и объема исходного вяжущего вещества.

Выразите наблюдаемый процесс уравнением химической реакции. Как называется этот процесс? Как называют известь негашеную и продукт её гидратации? Порошок гашеной извести сохраните для проведения следующего опыта.

О п ы т 1.3. Приготовление известкового теста и его твердение

К полученному в опыте 1.2 порошку гидратной извести (“пушонка”) добавляйте воду до образования пластичного теста. Разделите тесто на две порции. Из одной порции приготовьте кирпичик и через некоторое время пронаблюдайте схватывание теста, т.е. потерю им пластичности. При работе соблюдайте правила обращения с агрессивными химическими веществами – формование кирпичика проведите на предметном стекле, используя стеклянную палочку или шпатель.

Рассмотрите и поясните основные стадии процесса твердения гашеной извести: а) испарение механически связанной воды; б) кристаллизация гидроксида кальция из пересыщенного раствора; в) карбонизация гашеной извести.

О п ы т 1.4. Приготовление “известкового молока” и «известковой воды»

К второй порции теста гашенной извести (опыт 1.3) прилейте избыток воды до образования суспензии. Укажите фазовый и химический состав приготовленной суспензии. Как она называется?

Дайте суспензии отстояться. Несколько капель прозрачного раствора перенесите пипеткой в чистую пробирку и добавьте каплю фенолфталеина. Объясните изменение окраски фенолфталеина. Напишите соответствующее уравнение электролитической диссоциации. Как называют насыщенный раствор гашеной извести?

О п ы т 1.5. Карбонизация извести

Кирпичик гашеной извести, приготовленный в опыте 1.3 поместите в сухую пробирку. Пропускайте в нее углекислый газ из аппарата Киппа до появления на стенках пробирки влаги. Отмечайте тепловой эффект процесса. Напишите уравнение протекающей реакции. Какое значение имеет эта реакция в процессе твердения известковых вяжущих веществ?

2. Гипсовые вяжущие вещества

О п ы т 2.1. Реакция производства строительного гипса

Несколько кусочков природного гипсового камня поместите в фарфоровую чашку (или тигель) и поставьте в сушильный шкаф с температурой 150-170⁰С. Через 15-20 минут тигель с продуктом обжига перенесите для охлаждения в эксикатор. Обратите внимание на изменение внешнего вида гипсового камня.

Напишите уравнение реакции частичной дегидратации природного гипса. Приведите химические и технические названия полученного гипсового вяжущего.

О п ы т 2.2. Реакция твердения строительного гипса

К полученному в опыте 2.1 строительному гипсу прибавляйте небольшими порциями воду до образования тестообразной пластичной массы. Перенесите ее на монету, поверхность которой предварительно смазана вазелином (или на другой предмет с рельефной поверхностью). Через 10-15 минут, т.е. после того как тесто схватится, осторожно удалите монету: на поверхности вяжущего вещества образуется слепок монеты. Как изменяется объем вяжущего теста при твердении?

Напишите уравнение химической реакции, протекающей при твердении строительного гипса.

3. Магнезиальные вяжущие вещества

О п ы т 3.1. Реакция твердения каустического магнезита

Растворите в фарфоровой чашке около 1 г кристаллогидрата хлорида магния MgCl₂ · 6H₂O в возможно малом количестве воды и добавьте при перемешивании 1 г оксида магния. Полученную тестообразную массу поместите на стеклянную пластинку и оставьте до следующего занятия. Магнезиальный цемент застывает в твердую легко полирующуюся массу. Какое вещество составляет основу каустического магнезита? Каким раствором оно затворяется для получения магнезиального цемента? Напишите уравнение химической реакции, протекающей при схватывании магнезиального цемента.

9.2. Гидравлические вяжущие вещества

РАБОТА 18. Портландцемент (силикатный цемент)

Цель работы: изучить реакции

- твердения портландцемента (силикатного цемента);

- коррозии цементного камня.

О п ы т 1. Образование Са(ОН)₂ при затворении портландцемента. Состав цементного камня

В фарфоровую чашку поместите немного порошка портландцемента и добавьте 1-2 капли фенолфталеина. Показывает ли фенолфталеин щелочную реакцию порошка? Затем к этой порции порошка цемента добавляйте небольшими порциями воду до образования кашицеобразной массы (цементное тесто). Что наблюдается? Как изменяется окраска индикатора, о чем она свидетельствует?

Объясните наблюдаемые явления, записав уравнения реакций взаимодействия минералов цементного клинкера с водой.

Заполните таблицу 1.

Таблица 1

Минералогический состав цементного клинкера и камня

О п ы т 2. Изучение качественного состава водной вытяжки портландцемента

Внесите в пробирку небольшую порцию порошка цемента (высотой 0,5-1 см.), прилейте дистиллированной воды до половины объема и хорошо перемешайте стеклянной палочкой. Дайте образовавшейся суспензии отстояться, затем отфильтруйте через складчатый бумажный фильтр.

К нескольким каплям водной вытяжки цемента (отфильтрованный раствор) добавьте каплю фенолфталеина и отметьте изменение окраски индикатора. На присутствие каких ионов в растворе указывает окраска индикатора?

К другой порции вытяжки (1-2 мл) прилейте раствор карбоната натрия. Что наблюдается? Какой ион обнаружен? На присутствие каких ионов в водной вытяжке портландцемента указывают проведенные реакции?

Составьте уравнения качественных реакций определения ионов. Какое вещество обнаружено в водной вытяжке цемента? Напишите уравнение его диссоциации в растворе.

О п ы т 3. Ускорение процесса схватывания портландцемента

В три фарфоровые чашки поместите по 5 г порошка портландцемента и приготовьте тесто, затворив каждую порцию одинаковыми объемами следующих растворов:

- первую – горячей водой;

- вторую – раствором хлорида натрия;

- третью – раствором смеси хлорида натрия и карбоната калия (последний раствор готовится заранее из расчета 17 г NaCl и 50 г K₂CO₃ на 1 л воды).

Для каждой пробы цементного теста отмечайте время затворения порошка и время потери пластичности теста. Полученные данные запишите в таблицу 2.

Таблица 2

Влияние добавок на скорость схватывания цементного теста

Укажите, какое вещество оказывает наибольший ускоряющий схватывание теста эффект.

О п ы т 4. Изготовление газоцемента

В качестве формы для твердения образцов цементного теста используйте одинаковые полиэтиленовые стаканчики, смазанные изнутри вазелином.

Увлажните поверхность фарфоровой чашки водой и поместите в нее 10 г цементного порошка, 1 г молотой негашеной извести. Перемешивая смесь стеклянной палочкой затворяйте ее горячей водой (70-80 ⁰С) до образования тестообразной массы. В приготовленное тесто внесите 1-2 микрошпателя порошка алюминия, смесь тщательно перемешайте. Затем перенесите тесто в форму для твердения. Через 1-2 мин начинается газовыделение, которое достигает наибольшей интенсивности через 5-7 мин. Одновременно приготовьте цементное тесто выше указанного состава, но без добавки порошка алюминия и перенесите в другую форму. По окончании газовыделения и схватывания теста, сравните на весах массы этих двух образцов. Объясните результат взвешивания.

На каком свойстве металлического алюминия основана технология изготовления газоцемента? С каким компонентом цементного порошка взаимодействует алюминий? Напишите уравнение реакции.

О п ы т 5. Коррозия отвердевшего цемента (цементного камня)

Для опыта заранее изготавливаются (лаборантом) цементные лепешки. После предварительного схватывания часть из них продолжает твердеть в воде, а другая часть – в атмосфере углекислого газа.

Для опыта возьмите две цементные лепешки твердевшие в разных условиях. Нанесите на них по две капли фенолфталеина. Отметьте окраску фенолфталеина и ее интенсивность. Объясните причину различной интенсивности окраски индикатора. Ответ мотивируйте уравнениями соответствующих реакций. Какой вид коррозии цементного камня имеет место при твердении его в воде?

РАБОТА 19. Изучение некоторых качественных характеристик минерального вяжущего вещества

Цель работы: приобрести навыки определения некоторых качественных характеристик воздушной извести.

О п ы т 1. Определение скорости гашения воздушной извести

Определение скорости гашения воздушной извести проводят в калориметре, который состоит из стеклянного стакана вместимостью 100 мл, помещенного в изолирующий сосуд из пенопласта. Прибор закрывается крышкой с отверстиями для термометра, палочки-мешалки и воронки. При выполнении опыта термометр вставляют так, чтобы он погружался в известковое тесто, но не касался дна стакана.

Налейте в стакан 20 мл воды, закройте прибор крышкой, установите термометр, стеклянную палочку для перемешивания и воронку. Внесите в стакан через воронку 10 г измельченной в ступке негашеной извести и засеките время начала опыта (с момента введения извести). Каждые 30 с измеряйте температуру смеси. Наблюдения ведите до достижения максимальной температуры и начала ее понижения.

Промежуток времени от момента вливания воды до максимального подъема температуры принимается за скорость гашения извести. В зависимости от времени гашения различают известь:

быстрогасящуюся – время гашения до 8 мин;

средне гасящуюся – до 25 мин;

медленногасящуюся – более 25 мин.

В зависимости от наибольшей температуры, развиваемой при гашении, известь подразделяется на:

высокоэкзотермичную – максимальная гашения температура 70⁰С;

низкоэкзотермичную – максимальная температура ниже 70⁰С

По полученным экспериментальным данным определите качество взятой для опыта извести.

О п ы т 2. Ацидиметрическое определение содержания активных щелочей в извести.

Содержание активных щелочей в извести – это массовая доля (w) оксидов магния и кальция в извести, способных гаситься водой. Это важнейшая характеристика строительной извести, которая выражается в пересчете на содержание оксида кальция СаО.

Содержание активных щелочей в извести определяют титрованием точной навески извести раствором соляной кислоты с точно известной концентрацией - титрант. Титрование ведут до момента, когда количество прибавленного титранта будет эквивалентно количеству анализируемого вещества:

n (¹/_zHСl) = n (¹/_zCaO).                                                                                                    (1)

Если на титрование затрачено V (HСl) мл раствора соляной кислоты с молярной концентрацией эквивалента с (¹/_ZHСl), то

   .                                                                                       (2)

Эквивалентное количество активных щелочей в извести в пересчете на СаО равно:

.                                                                            (3)

Из соотношения (1) следует:

;

.                                                                                 (4)

Массовая доля активных щелочей в извести w равна:

;                                                                    (5)

где g – масса навески извести, взятой для анализа, г.

В извести первого сорта содержание активных щелочей должно составлять не менее 90%, второго – не менее 80%, третьего сорта – не менее 70%.

Выполнение опыта. Взвесьте точную навеску (0,05-0,08 г на аналитичеких весах) мелко растертой извести и перенесите количественно в коническую колбу вместимостью 250 мл, прибавьте 100 мл воды и опустите несколько мелких кусочков фарфора (для предотвращения разбрызгивания жидкости при нагревании). Закройте колбу покровным стеклом и нагревайте содержимое, не доводя до кипения, в течение 5 мин. После охлаждения промойте покровное стекло и стенки колбы дистиллированной водой, прибавьте 1–2 капли фенолфталеина. Окрашенную в малиновый цвет смесь титруйте 0,1000 н раствором соляной кислоты до исчезновения окраски. Титрование считается законченным, если окраска не появляется вновь в течение пяти минут.

Напишите уравнения реакций, протекающих в ходе опыта. По полученным данным вычислите содержание активных щелочей в анализируемом образце извести и определите ее сорт.

Список литературы

1. Практикум по общей и неорганической химии / Под ред. М.Х. Карапетьянца, С.И. Дракина. – М.: Высшая школа, 1969.

2. Практикум по общей химии / Под ред. Е.М. Соколовской. – М.: Изд-во МГУ, 1973.

3. Практикум по общей химии / Под ред. Е.М. Соколовской, О.С. Зайцева. – М.: Изд-во МГУ, 1981.

4. Семишин В.И. Лабораторные работы по общей химии. – М.: Высшая школа, 1971.

5. Лабораторный практикум по общей химии / Под ред. А.А. Таперовой. – М.: Высшая школа, 1976.

6. Лебедева М.И., Исаева Б.И., Анкудимова И.А., Володина Н.А. Практикум по химии. – Воронеж: Изд-во Воронежского университета, 1990.

7. Чуйко А.В., Чуйко Е.С. Химия строительных материалов. – М.: Учпедгиз, 1962.

8. Химия вяжущих веществ. Методические указания к лабораторным работам по курсу общей химии для студентов 1-го курса всех строительных специальностей / Под ред. В.И. Сидорова. – М.: Изд-во МИСИ, 1988.

9. Исследование физико-химических свойств металлов: Методические указания к лабораторным работам по курсу общей химии для студентов строительных специальностей. – М.: Изд-во МИСИ, 1988.

10. Коровин Н.В., Мингулина Э.И., Рыжова Н.Г. Лабораторные работы по химии. – М.: Высшая школа, 1998.

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО ХИМИИ

(Методические указания для студентов I курса
строительных специальностей ИТФ)

Составитель Светлана Семеновна Гаврилова

Редактор Э.Н. Сотникова
Компьютерная верстка Л.М. Винокурова

Подписано в печать 20.09.2004. Формат 60х84/16. Гарнитура «Таймс».
Печать офсетная. Печ.л. 4,25. Уч.-изд.л. 5,3. Тираж 200 экз. Заказ        .
Издательство ЯГУ. 677891, г. Якутск, ул. Белинского, 58.

Отпечатано в типографии Издательства ЯГУ