ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение профессионального образования
Читинский Государственный Университет
Энергетический институт
Кафедра химии
Курсовая работа по дисциплине
«аналитическая химия»
на тему:
Количественное определение углерода в органических соединениях
выполнил:
студент группы
ХИМ-09
проверил:
Чита – 2011
Содержание
Стр.
- Введение ............................................................................................................3
- Обзор литературы .............................................................................................4
- Качественное определение углерода .......................................................4
- Количественное определение углерода ..................................................6
- Метод сухого сожжения
- Метод Либиха .......................................................................7
- Метод Прегля ........................................................................7
- Оксидометрический метод
- Метод Тюрина .......................................................................8
- Экспериментальная часть
- Исходные реагенты .................................................................................10
- Посуда и аппаратура ................................................................................10
- Методика эксперимента
- Приготовление рабочих растворов................................................12
- Определение углерода по Тюрину.................................................12
- Результаты
4.1. Расчеты массы углерода в анализируемом растворе.......................13
- Выводы..............................................................................................................14
- Список литературы ........................................................................................15
Введение.
При синтезе новых органических соединений на кафедре химии Читинского Государственного Университета встал вопрос об установлении структуры новых синтезированных соединений. Наряду с прочими методами, эту задачу, призван разрешить количественный анализ органических соединений, чем мы и были заняты. Для этого нужно было определить молекулярную массу вещества, количественное содержание углерода, азота, апробировать методы анализа. Моей задачей было найти методику анализа углерода и выбрать подходящую. Итак:
Цели моей работы:
- Апробировать анализ на углерод
- Решить вопрос о целесообразности и доступности метода
- Предоставить результаты
Задачи:
- Сделать анализ изученной литературы.
- Ознакомится с различными методами анализа веществ на углерод
- Выбрать метод анализа, обосновать выбор метода.
- Подобрать необходимые для определения реактивы и посуду
- Сделать предварительные расчеты концентраций растворов, необходимых для определения
- Сделать анализ
- Выполнить расчеты
Обзор литературы
- Качественное определение углерода
Задачей элементарного качественного анализа является определение элементов, образующих данное органическое соединение.
Качественный анализ органических соединений должен обязательно предшествовать количественному анализу, так как методика последнего видоизменяется в зависимости от того, какие элементы входят в состав исследуемого вещества. Качественный анализ имеет также и самостоятельное значение как один из способов идентификации органических соединений.
Атомы элементов, образующих молекулу органического вещества, обычно соединены ковалентными связями, и поэтому органические соединения не способны диссоциировать в водных растворах с образованием соответствующих ионов. Между тем большая часть качественных реакций, используемых в аналитической химии для определения отдельных элементов, представляет собой ионные реакции. Поэтому первой задачей анализа органического вещества является разрушение его молекулы; при этом образующие ее атомы переходят в минеральные соединения, легко открываемые обычными реакциями аналитической химии. Например одни из методов [1]
Общим макроспособом, пригодным для открытия углерода во всех органических соединениях, позволяющим одновременно обнаружить присутствие водорода, является прокаливание их с окисью меди.
Окись меди, необходимую для этой реакции, подвергают следующей предварительной обработке. В небольшую фарфоровую чашку помещают около 2 г порошкообразной окиси меди, нагревают на горелке или в муфельной печи до темнокрасного каления, прокаливают несколько минут и дают охладиться.
Для открытия углерода и водорода берут тугоплавкую узкую пробирку (100Х100 мм), всыпают в нее около 0,5 г окиси меди, прибавляют не менее 50мг исследуемого вещества, хорошо перемешивают его с окисью меди медной проволокой и сверху насыпают еще 1-1,5 г окиси меди. Пробирку закрывают резиновой пробкой, через которую проходит П-образно изогнутая стеклянная трубка. Укрепив пробирку слегка наклонно в штативе, опускают наружный конец стеклянной трубки в другую пробирку, в которую наливают баритовую воду. После этого начинают нагревать небольшим пламенем газовой горелки сначала верхний слой окиси меди, а затем нижнюю часть пробирки, где находится исследуемое вещество, смешанное с окисью меди. Если в состав вещества входит углерод, то в результате его окисления окисью меди образуется углекислый газ, вызывающий помутнение баритовой воды и выпадение осадка углекислого бария.
Присутствие водорода обнаруживают по осаждению капель воды в верхней части пробирки и на стенках газоотводной трубки.
Более чувствительная проба основана на восстановительных свойствах углерода. Так для обнаружения 5мкг углерода [2, с. 36] достаточно нагреть вещество с арсенатом серебра:
2Ag3AsO4 + C = 2Ag3AsO3 + CO2
образующийся арсенит серебра, при дальнейшем нагревании диспропорционирует с образованием чёрного металлического серебра:
Ag3AsO4 = 2Ag + AgAsO3
При нагревании углерод содержащего вещества с иодатом калия при 300 – 400 ºC образуется иодид калия. Плав растворяют в воде, подкисляют и выделившийся йод идентифицируют по чувствительной реакции с крахмалом [3]. Предел обнаружения этой реакцией около 0,5 мкг углерода. Присутствие углерода, устанавливаемое с помощью описанных проб, можно считать доказанным только в том случае, если холостой опыт даёт отрицательную реакцию.
Углерод в органических соединениях можно обнаружить так же по реакции с амидохлоридом ртути II и хлоридом аммония. Образующийся при этом цианистый водород обнаруживают по реакции с раствором ацетата бензидина и ацетата меди(II) [4, с 108]
- Количественное определение углерода
Один из первых методов анализа органических соединений был разработан еще Лавуазье, который сжигал определенное количество вещества.в определенном количестве кислорода под стеклянным колпаком.
Им были проанализированы винный спирт, воск, оливковое масло. Метод был усовершенствован Берцелиусом, однако по-прежнему требовал довольно много времени. В 1831 г. Либих ввел новый способ элементного анализа соединений путем их каталитического сожжения и предложил прибор для выполнения таких анализов.
В 1911 г. Фриц Прегль (1869-1930) разработал специальную аппаратуру, повысившую чувствительность анализа в 50 раз. Для проведения такого анализа достаточно тысячных долей грамма. Были созданы и специальные микровесы, на которых можно было взять навеску в 5—10 мг. За создание метода микроанализа Фриц Прегль в 1923 г. был удостоен Нобелевской премии по химии.
В 1961 г. Валишем был предложен принципиально новый метод одновременного определения процентного содержания углерода, водорода и азота по одной навеске. На этом принципе основано действие современных автоматических CHN-анализаторов, где суммарное время, затрачиваемое на взятие навески, ее сожжение, анализ и расчет составляет несколько минут.
Все методы определения углерода органических соединений основаны на его окислении до диоксида углерода. Предложены как прямые, так и косвенные методы анализа. Прямые методы такие как методы Либиха и Прегля, основаны на определении количества углекислого газа, образующегося при окислении углерода органических соединений; косвенные методы (метод Тюрина) – на определении количества окислителя, израсходованного на реакцию, или на определении количества восстановленной формы используемого окислителя, образовавшегося в процессе анализа.
- Метод сухого сожжения
- Метод Либиха
Метод Либиха применяют для определения содержания общего углерода и водорода в веществах, взятых в макроколичествах (от 0,20 граммов). Сущность метода заключается в сжигании пробы в медленном токе кислорода при продвижении зоны нагрева лодочки с навеской по ходу тока кислорода: продукты неполного сгорания дожигают над оксидом меди. Весь водород превращается в воду а углерод в диоксид углерода. Вода поглощается ангидроном, безводным Mg(ClO4)2, а CO2 поглощается аскаритом и определяются гравиметрически. Оксиды серы удерживается хроматом свинца, хлор-серебряной сеткой, а оксиды азота - гранулированным диоксидом марганца. Оксиды азота, образующиеся в процессе горения, если не приняты специальные меры предосторожности, поглощаются натронным асбестом (или аскаритом) и определяются как диоксид углерода. Вызванная этим ошибка при определении углерода (около 0,2 %) может быть снижена при применении предохранительной трубки (рисунок 1), в которой газы проходят по кольцеобразному пространству; монооксид азота окисляется до диоксида и поглощается диоксидом марганца. Если вода конденсируется в первом поглотителе, некоторое количество диоксида азота растворяется в ней и его принимают за воду. Вызванная этим ошибка при определении водорода с учетом коэффициента пересчета от воды к водороду незначительна и составляет около 0,05 % водорода. Этого можно избежать, если нагреть поглотительную трубку до температуры, достаточной для предотвращения конденсации влаги.
- Метод Прегля
Разработан Фрицем Преглем в 1911-17 г. Включает способы определения С, Н, N, галогенов, металлов и некоторых других элементов, при этом для анализа используют небольшие количества (2-10мг) органического вещества. Прегль предложил специальные приемы работы и новые способы разложения органических образцов выяснил оптимальные условия проведения анализа. Так, он создал первую модель микрохимических весов с чувствительностью до миллионных долей грамма, предложил способ взятия навески летучей жидкости в запаянном капилляре с припаянным к его дну кристалликом КСlO3.
Для определения С и Н в виде СО2 и Н2О по методу Прегля вещество выдерживают в тугоплавкой пробирке (обычно из кварца) в токе О2 при 180-200 °С в присутствии РbО2. Для полного окисления газообразные продукты пропускают над раскаленным СuО или РbСrO4. Образовавшиеся СО2 и Н2О поступают в поглотит. аппараты стеклянные трубки, содержащие аскарит (пропитанный р-ром NaOH асбест) и ангидрон Mg(ClO4)2. Поглотитительные аппараты с наполнителями взвешивают до и после анализа; по приросту их масс определяют кол-ва СО2 и Н2О. Основной недостаток РbО2 как наполнителя трубки для сожжения заключается в том, что он удерживает значительно больше воды, чем диоксида углерода, что приводит к ошибкам в результатах анализа. Преглъ нашел условия, при которых соотношение количеств РbО2, Н2О и СО2 в трубке остается постоянным: продолжительность контакта вещества с РbО2 должна быть минимальной и через поперечное сечение трубки должно проходить одинаковое количество смеси паров сжигаемого вещества с О2. Это условие соблюдается при использовании специального регулятора давления.
При определении галогенов органическое вещество сжигают в токе О2 в трубке, имеющей платиновые контакты и содержащей стеклянные бусинки или спираль. Галогеноводороды, С12 и Вr2 поглощают раствором соды (щелочи), содержащей NaHSO3 или Н2О2. Хлор и бром определяют в виде галогенидов гравиметрически (после осаждения раствором AgNO3) или аргентометрически. Иод поглощают разбазбовленым раствором NaOH и окисляют бромом ло НIO3; избыток Вr2 связывают муравьиной кислотой; прибавляют KI; I2, образовавшийся при взаимод. KI с НIO3, оттитровывают раствором Na2S2O3.
- Оксидометрический
- Метод Тюрина
Определение количества углерода основано на разложении органического вещества бихроматом калия в кислой среде. Навеску вещества от 0,1до 0,5 г осторожно переносят в коническую колбу вместимостью 100 мл и приливают из бюретки 10 мл 0,4 н. раствора К2Сr2О7, приготовленного в разведенной 1:1 серной кислоте. В горло колбы вставляют маленькую воронку, служащую холодильником, и ставят ее на песочную баню. Содержимое колбы кипятят точно 5 мин., не допуская сильного кипения и перегрева. При нагревании начинается окисление вещества заметное по мелким пузырькам выделяющегося СО2. Часть двухромовокислого калия при этом затрачивается на окисление гумуса по схеме:
2К2Сг2О7 + 8Н2SО4 = 2К2SО4 + 2Сг2(SО4)3 + 8Н2О + 3O2;
ЗО2 + ЗС = ЗCО2.
Затем содержимое колбы охлаждают, прибавляют 5–8 капель фенилантраниловой кислоты в качестве индикатора и титруют 0,2 н. раствором соли Мора (FeSO4•(NH4)2SО4•6Н2О) до изменения темно-бурой окраски раствора через фиолетовую и синюю в грязно-зеленоватую. Когда раствор окрасится в синий цвет, титровать необходимо очень осторожно, прибавляя раствор соли Мора по 1 капле и тщательно размешивая титруемую жидкость. Реакция между двухромовокислым калием, оставшимся после окисления гумуса, и солью Мора заключается в восстановлении двухромовокислого калия в окись хрома и идет по уравнению:
К2Сг2О7 + 6F2SO4 + 7H2SO4 = Сr2(SО4)3 + К2SО4 + ЗFе2(SО4)3, + 7Н2О.
Одновременно устанавливают соотношение между К2Сг2О7 и солью Мора.
3. Экспериментальная часть
3.1. Исходные реагенты
Н2O - вода дистиллированная.
K2Cr2O7 - калий двухромовокнслый (бихромат).
H2SO4 - кислота серная.
- индикатор, кислота фенилантраниловая.
FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O Двойная сернокислая соль аммония и железа (соль Мора).
3.2. Посуда и аппаратура
Баня песчаная или баня водяная.
Бюретки.
Весы лабораторные с гирями.
Воронки стеклянные диаметром 3,5 и 10 см.
Колбы конические плоскодонные из термостойкого стекла емкостью 100 и 250—500 мл.
Колба мерная емкостью 500 мл.
Палочки стеклянные.
3.3. Методика эксперимента
- Пробу взвесить на листочке кальки. Вес пробы определить по разности между весом кальки с пробой и весом после пересыпания пробы в коническую колбу емкостью 100 мл. Погрешность взвешивания должна быть в пределах ± 0,0002 гс
- К навеске с помощью бюретки надлежит добавить 10 мл хромовой смеси (0,4 н раствор двухромовокислого калия в разбавленной 1 : 1 серной кислоте). Раствор из бюретки спускают от нулевого деления по каплям (медленно) с соблюдением одинакового интервала времени при параллельных испытаниях.
Содержимое в колбе следует осторожно перемешивать круговыми движениями колбы.
Колбы необходимо закрыть воронками диаметром 3,5 см для охлаждения водяных паров и поставить на горячую электроплитку с закрытой спиралью или песчаную баню*.
Кипячение раствора следует продолжать 5 мин (без выделения пара из воронки); оно должно быть еле заметным, т. е. выделение пузырьков углекислоты, образующихся от окисления органического вещества, должно быть обильным, при этом пузырьки должны быть немного больше макового зерна. Отсчет времени кипячения производят с момента появления первого относительно крупного пузырька газа.
В процессе кипячения окраска раствора должна изменяться из оранжевой в буровато-коричневую. Если появляется зеленая окраска, что говорит о полном израсходовании хромовой кислоты и возможном недостатке ее на окисление, опыт следует повторить, уменьшив навеску.
По окончании кипячения колбу следует снять с плитки (бани) или вынуть из термостата, обмыть воронку небольшим количеством воды, дать колбе охладиться до комнатной температуры и провести титрование.
- Титрование избытка хромовой смеси следует проводить в присутствии фенилантраниловой кислоты. Перед титрованием необходимо обмыть горло колбы из промывалки дистиллированной водой (количество воды не должно превышать 20 мл), прибавить 5-6 капель 0,2% раствора фенилантраниловой кислоты и титровать раствором соли Мора (0,2 н.) до перехода окраски в зеленую. Раствор соли Мора под конец титрования следует приливать по каплям, все время перемешивая раствор энергичным взбалтыванием.
- Перед началом или в конце испытания надлежит провести холотой опыт без вещества для установления соотношения между растворами хромовой смеси и соли Мора в условиях, аналогичных п. 3.3.2. В две конические колбы емкостью 100 мл следует налить 10 мл хромовой смеси, для равномерности кипения прибавить на кончике тонкого шпателя примерно 0,2 гс растертой в порошок прокаленной пемзы (использовать для этой цели песок не допускается) и содержимое в колбах кипятить 5 мин, как указано в п. 3.3.2.
После охлаждения прокипячённую хромовую смесь следует титровать 0,2 н раствором соли Мора в соответствии с п. 3.3.3 и определить среднее из двух опытов количество соли Мора, израсходованное на титрование 10 мл хромовой смеси.
- Определение органического углерода следует проводить в двух параллельных испытаниях. Целесообразно сначала провести одно определение органического углерода для серии навесок грунтов, затем подсчитать результаты и провести повторное определение для тех же образцов, но с уточненными навесками
3.3.1. Приготовление рабочих растворов
- Приготовление 0,2н раствора бихромата калия
Рассчитывают величину навески К2Сг2О7, необходимую для приготовления 100 мл раствора
- Приготовление раствора серной кислоты 1:1
- Приготовление 500мл 0,2 н. раствором соли Мора
3.3.2. Определение углерода по Тюрину
Выданные мне три пробы были обработаны согласно методике и оттитрованы. Объём титранта:
1 проба – 10мл;
2 проба – 12,4 мл;
3 проба – 7,7 мл;
4. Результаты
4.1. Расчеты массы углерода в анализируемом растворе
Расчёт массы углерода в органическом соединении проводится по следующей формуле
5. Выводы
Анализ литературы показал что метод Тюрина прост в исполнении поэтому им можно пользоваться для определения углерода в органических соединениях.
Массы углерода в первом образце 0,6489г, во втором 1,0594 в третьем 1,8927г
Список используемой литературы
- Прянишников Н.Д. Практикум по органической химии / Под ред. проф. А. Е. Успенского. - М.; Л.: Госхимиздат, 1950. - 245 с.
- Мазор Л. «Методы органического анализа»: Пер с англ. - М.:Мир., 1986. - 584 с., ил
- Feigl F., Goldstein G., Mikrochimica Acta, 1956, 1317.
- Файгль, Ф. Капельный анализ органических веществ [Текст] : пер. с англ. / Ф. Файгль ; под ред. В. И. Кузнецова. - М. : Госхимиздат, 1962. - 836 с. : ил,
- http://www.vashdom.ru/gost/23740-79/
- http://www.c-books.narod.ru/pryanishnikov1_3_2.html
- http://stroyoffis.ru/gost_grunti/gost_23740_79/gost_23740_79.php
- http://www.chel.v-stroim.ru/docs1038.html
- http://ib.komisc.ru/add/old/t/ru/ir/vt/01-41/03.html
- http://www.c-books.narod.ru/pryanishnikov1_3_2.html
- http://www.gosthelp.ru/text/GOST2408195Toplivotverdoe.html