Вятский Державний Гуманітарний Університет
Хімічний факультет
Кафедра хімії та методики викладання хімії
Курсова робота на тему
Визначення вмісту германію в твердому електроліті GeSe - GeJ 2
роботу
виконав студент
2 курсу ВятГГУ групи Х-22
В'юшкою С.Н.
Перевірив
Данилов Д.М.
Кіров 2007
Зміст:
Вступ: мета курсової роботи, актуальність поставленої мети, завдання, які необхідно вирішити в ході роботи
Літературний огляд
Полярографические і амперометричних методи визначення германію
Фотометричні методи визначення германію
Гравіметричні способи визначення германію
Тітріметріческіе методи визначення германію
Алкаліметріческіе методи
Методи осадження
Оксідіметріческіе методи
Комплексонометріческіе методи
Непряме комплексонометріческое визначення
Комплексометріческое титрування германію розчинами поліоксісоедіненій
Комплексонометріческое визначення за допомогою етилендіамінтетраоцтової кислоти
Переклад твердого електроліту в розчин
Запропонована методика визначення германію в твердому електроліті
Теоретичний розрахунок змісту германію в зразку твердого електроліту
Експериментальна частина роботи
Обладнання та реактиви
Підготовча частина роботи
Визначення вмісту германію у зразку твердого електроліту
Розрахунок похибок титрування
Висновки за виконану роботу
Введення
Мета курсової роботи:
розробити методику експериментальну методику визначення германію в твердому електроліті GeSe - GeJ 2, провести аналіз і порівняти отримані результати з теоретичними розрахунками.
Актуальність поставленої мети
Хімія твердих електролітів в даний час надзвичайно велика, і дослідження в даній області проводяться зараз досить інтенсивно. Це пояснюється широким переліком тих сфер застосування, в яких можуть бути використані пристрої, створені на основі твердих електролітів. Коротко перерахуємо основні з них.
Потенціометричні датчики складу газу. Напевно, вони найбільш прості. Електроди в різних газах набувають різні потенціали. Так, наприклад, якщо всередині пробірки знаходиться чистий кисень, а зовні - газ з невідомою його концентрацією, то по різниці потенціалів електродів можна визначити цю концентрацію. Потенціометричні датчики дозволяють визначати склад і більш складних газових сумішей, що містять вуглекислий і чадний гази, водень і водяну пару. Якщо стерженек з твердого електроліту з електродами на торцях нагрітий нерівномірно, він почне втрачати кисень і між електродами виникне різниця потенціалів. За її величиною можна визначити, наприклад, склад вихлопних газів автомобільного двигуна. У ряді тран заходу, де вимоги до чистоти вихлопних газів дуже суворі, налагоджено промислове виробництво таких датчиків.
Кисневі датчики поки єдині пристрої з твердими оксидними електролітами, що знайшли деякий практичне застосування в нашій країні.
Кисневі насоси. Нехай у зовнішній простір пробірки подається повітря або газ, що містить кисень. Якщо зовнішній електрод став анодом, а внутрішній - катодом, то з газу в пробірку піде чистий кисень. Подібні пристрої - кисневі насоси - можуть знайти застосування там, де споживання кисню невелика або потрібно його висока чистота.
Електролізери. До зовнішнього електрода - катода - підводять водяний пар або вуглекислий газ. На катоді буде відбуватися розкладання пари або вуглекислого газу, а на аноді в обох випадках виділяється кисень. Унікальна здатність цього високотемпературного електролізера одночасно розкладати водяна пара і вуглекислий газ дозволяє створити систему життєзабезпечення, скажімо, на космічних об'єктах.
Теплоелектрогенератори. Людина зробила перший крок до незалежності від природи, навчившись зберігати вогонь, справді універсальний джерело енергії. Багаття давав тепло і світло, на ньому готували їжу, він витрачав рівно стільки палива, скільки було необхідно. Ще наприкінці минулого століття світло давали свічки і гасові лампи, а тепло - печі. Лише трохи більше ста років тому на людину почало працювати електрику, яке могло давати світло, тепло, механічну роботу. Один час здавалося, що достатньо підвести до оселі тільки електричну енергію, а вже там перетворювати її у що завгодно. Але сказала своє слово економіка: ККД електростанції менше 40%, втрати при передачі і зворотному перетворенні електрики в інші види енергії теж значні. Ясно, що там, де потрібно тільки тепло, його доцільно отримувати прямо з палива. І не випадково сьогодні обговорюється проста ідея: повернути «очаг» в будинок у вигляді електрохімічного генератора з паливним елементом, що перетворює енергію палива в електрику і тепло.
Ми можемо бачити, наскільки значна роль твердих електролітів в різних сферах сучасної техніки, в найрізноманітніших галузях життя людини можуть знаходити вони своє застосування. Створення низькотемпературних твердих електролітів, прогноз і розробка нових сполук, що володіють властивостями твердих електролітів - перспективна галузь розвитку хімії твердих електролітів.
Щодо невивченим в даний вя даний час є те, як відбувається зміна властивостей і складу твердих електролітів під час роботи. Зрозуміло, що знання цього дозволяє передбачати поведінку приладів, зроблених на основі твердих електролітів, з плином часу, робити припущення про їх придатність до роботи при заданих умовах свого застосування, значно підвищити надійність такого роду приладів і пристроїв. У даній роботі була зроблена спроба встановити, чи відрізняється, і якщо відрізняється, то наскільки, практичний склад твердого електроліту від його теоретичного складу
Завдання, які необхідно вирішити при виконанні курсової роботи
вибрати методику визначення масової частки германію в твердому електроліті
здійснити переклад речовини в розчин
провести підготовчі роботи до проведення аналізу, підібрати відповідні реактиви та обладнання
провести експериментальну частину аналізу твердого електроліту
розрахувати на підставі отриманих даних масову частку германію в зразку твердого електроліту
порівняти отримані результати з теоретично розрахованими значеннями
розрахувати відносну похибка методу вимірювань, порівняти її з відносним відхиленням отриманих результатів від теоретичних
пояснити відхилення отриманих результатів від теоретичних
зробити висновок про застосовність даного методу визначення германію в з'єднаннях для обчислення його масової частки в твердому електроліті GeSe - GeJ 2 і про відхилення складу твердого електроліту від теоретичного.
Літературний огляд
При підготовці до проведення експериментальної частини курсової роботи був проведений огляд ряду літературних видань на предмет методів і способів кількісного визначення германію в досліджуваній речовині. Для визначення германію розроблені і застосовуються практично весь перелік методів, якими до теперішнього часу в своєму розпорядженні аналітична хімія, зокрема, гравіметричні, тітріметріческіе, фотометричні, Полярографические, амперометричних, спектральні методи, а також деякі інші.
Гравіметричні способи визначення германію
Довгий час єдиним способом гравіметричного визначення германію вважалося визначення його у формі двоокису, зважує після осадження GeS 2. багато інших запропоновані більш пізні методи також закінчуються зважуванням двоокису германію через мінливість складу ряду інших сполук, у вигляді яких може бути обложено германій. Недолік всіх цих методів полягає в несприятливому факторі перерахунку. Тому активно розроблялися методи визначення германію, що використовують переведення його в комплексну германомолібденовую кислоту і осадження її органічним підставою. Зміст германію в таких опадах становить усього кілька відсотків, що дуже важливо при визначенні малих кількостей германію в досліджуваних зразках. Останнім часом запропоновано методи осадження германію у вигляді комплексів з органічними сполуками. Ці комплекси також мають малий вміст германію.
Гравіметричні методи визначення германію неселективні, і перед їх застосуванням зазвичай необхідне проведення спеціальних операцій відділення. В якості яких використовується зазвичай дистиляція або екстракція тетрахлориду германію. Основні гравіметричні методи, використовувані при визначенні змісту германію:
визначення у формі сплаву з металом після виділення електролізом
визначення у формі дисульфіду
визначення у формі двоокису германію
визначення у формі ортогерманата магнію
визначення у формі германомолібдата або германовольфрамата органічного підстави
визначення у формі феніларсонатов
визначення у формі германотартрата барію
визначення у формі трідіфенолгерманатов
Тітріметріческіе методи визначення германію
Для визначення германію існують алкаліметріческіе, комплексонометріческіе і оксідіметріческіе методи. Найбільше практичне застосування в контролі германієвого виробництва одержали методи алкалиметрическоготитрования комплексних кислот германію з багатоатомними спиртами і ортодіфеноламі. Для визначення мілліграммових кількостей германію використовуються нерпямие оксідіметріческіе методи, засновані на йодометрическом або ванадатометріческом титруванні органічних підстав, обложених у вигляді германомолібдатов. З появою комплексонометріческого методу, застосовуваного в широкому діапазоні концентрацій германію, ці методи поступово втрачають своє колишнє значення. Прямий йодометричним метод, заснований на титруванні двовалентного германію, через свою складність не набув великого поширення.
Фотометричні методи визначення германію
Малі кількості германію в досліджуваних зразках найчастіше визначають з використанням фотометричних методів аналізу, для чого останнім часом запропоновано велику кількість органічних реактивів. З неорганічних сполук для фотометричного визначення германію використовуються практично тільки германомолібденовая кислота і продукт її відновлення - германомолібденовая синь. До порівняно недавнього часу ці з'єднання були єдиними аналітичними формами при фотометричному визначенні германію, і існує велика література з їх застосування.
В даний час для фотометричного визначення германію найбільш вживаною реактивом є фенілфлуорон. Використовуються також різні інші органічні реактиви, переважно з ортооксікарбонільной ціклообразующей угрупуванням чи з діфенольние угрупованням, здатної змінюватися в оксікарбонільную в результаті таутомеріческого переходу. Поряд з цим активно продовжують застосовуватися методи, засновані на освіті германомолібденового комплексу, які за умови визначення германію екстракцією стали більш виборчими.
Фотометричне визначення германію у складній суміші можливе лише після повного відділення його супутніх елементів через відносно малої вибірковості використовуваних реактивів. Для цієї мети тепер найбільш часто застосовується екстракція органічними розчинниками, переважно чотирьоххлористим вуглецем. У більшості випадків після екстракції фотометричне визначення германію виявляється селективним незалежно від використовуваного реактиву.
До числа основних фотометричних методів визначення германію відносяться:
методи, засновані на освіті германомолібденового комплексу
методи з застосуванням о-дифенол
методи з застосуванням ортооксікарбонільних похідних тріфенілметана
методи з застосуванням оксіантрахінонов
методи з застосуванням гематеіна
методи з застосуванням оксіфлавонов
методи з застосуванням оксікарбонільних сполук ксантенового ряду
методи з застосуванням о-діоксіхроменолов
методи з застосуванням оксіпроізводних тропонола
методи з застосуванням діоксіазосоедіненій
флуоріметріческій методи
Полярографические і амперометричних методи визначення германію
Полярографические методи визначення германію почали розроблятися після знаходження умов його відновлення на крапельному ртутному катоді. Залежно від характеру протікають на електроді реакцій та умов їх індикації існуючі методи можуть бути розділені на кілька груп. До першої групи належать методи, засновані на відновленні двовалентного германію до металу; до другої - на відновленні четирехвалентного германію за відсутності чи присутності комплексоутворюючих агентів; до третьої - методи анодної полярографії. В окремі групи слід віднести непрямі Полярографические методи, які використовують попереднє освіту комплексів германію, а також методи амперометричного титрування.
В цілому до числа полярографічних і амперометричних методів визначення германію в навішуванні досліджуваного речовини відносяться наступні методи:
відновлення двовалентного германію
відновлення четирехвалентного германію за відсутності комплексоутворюючих агентів
інверсійна вольтамперометрия
непряме полярографічного визначення
Амперометричне титрування
спектральні і інші методи визначення германію
методи оптичного спектрального аналізу
полум'яно-спектрофотометричні методи
рентгеноспектральні методи
нейтроноактіваціонние методи
метод термічного розкладання моногермана
Як можна побачити з вищенаведеного списку, кількість методів, що дозволяють кількісно і з досить високою точністю визначити вміст германію в зразках, надзвичайно широкий. Але, на жаль, велика частина цих методів по ряду причин, в першу чергу, технічного характеру, не могли бути використані в даній роботі. Крім того, значна кількість реактивів, що застосовуються при проведенні деяких аналізів, дороги, і їх використання не виправдане з економічної точки зору. Це зауваження стосується, зокрема, до застосовуваних в одному з фотометричних методів аналізу ортооксікарбонільних похідних тріфенілметана та ряді інших сполук.
Таким чином, головним критерієм при відборі відповідного методу аналізу даного твердого електроліту, була простота і дешевизна способу, а також його точність. Цим критеріям відповідали повною мірою тітріметріческіе методи аналізу, один з яких був обраний як робочий час проведення курсової роботи. Але спочатку більш докладно зупинимося на загальній характеристиці титриметрическим методів визначення германію.
Алкаліметріческіе методи
Германієвих кислота дуже слабка, і її пряме алкаліметріческое титрування виявляється неможливим. При введенні в розчин двоокису германію багатоатомного спирту утворюється комплексна одноосновная кислота, а при введенні о-дифенолу - двоосновна. Ці комплексні кислоти значно сильніше германієвої кислоти і легко титруються лугом. Точка еквівалентності може бути встановлена потенціометрично або за допомогою кольорового індикатора. В інших алкаліметріческіх методах використовується гідроліз гексафторгерманатов або розчинення у надлишку лугу опадів германомолібдатов слабких органічних основ з оттітровиваніем цього надлишку кислотою.
Методи осадження
У середовищі амфіпротних розчинників (кетони) гексафторгерманіевая кислота титруються розчинами азотовмісних органічних основ у тих же розчинниках з утворенням малорозчинних гексафторгерманатов. Точка еквівалентності може бути встановлена потенціометрично. Для титрування придатні піридин, хінолін, 8-оксихінолін, похідні піразолону - діантіпірілметан, 4-аміноантіпірін, діметіламіноантіпірін.
Оксідіметріческіе методи.
Для прямого оксідіметріческого визначення германію використовують відновні властивості Ge (II). У непрямих методах германій переводять в з'єднання, які потім або окислюються з витратою стехіометричного кількості відповідного реактиву, або здатні виділити вільний йод в еквівалентному германію кількості. Досить широко в практиці аналізу застосовуються методи прямого і непрямого йодометрической визначення, а також ванадатометріческое визначення.
Комплексонометріческіе методи
Непряме комплексонометріческое визначення
Утворення осаду германотартрата барію використовується для непрямого комплексонометріческого визначення германію.
Осад германотартрата розчиняють в соляній кислоті (1:1), в аликвотной частини розчину визначають барій титруванням 0,005-0,01 н розчину комплексона III при pH 10 (аміачний буфер) в присутність еріохрома чорного Т.
В іншому непрямому комплексонометріческом методі германій попередньо виділяють у вигляді осаду германомолібдата хіноліну, в якому визначають молібден. Осад розчиняють в аміаку, видаляють його надлишок кип'ятінням, відновлюють Mo (VI) до Mo (V) сульфатом гідразину в сірчанокислої середовищі і при pH 4,5-5 додають розчин ЕДТА в надлишку, який відтитровують розчином сірчанокислої міді в присутність піріділазонафтола.
Методи тривалі й точність їх безпосередньо залежить від умов виділення опадів сполук германію.
Комплексометріческое титрування германію розчинами поліоксісоедіненій
Освіта розчинної трідіфенолгерманіевого комплексу може бути використано для прямого титриметрическим визначення германію. Як металлохромного індикатора повинен використовуватися реактив, який дає пофарбований, але менш міцний комплекс з германієм, ніж чим ортодіфенол. Запропоновано титрування германію (IV) розчином пірогалолу в присутності 1,5-ді-(2-окси-5-сульфофеніл)-С-ціанформазана при оптимальному значенні pH, рівному 8.
Визначенню германію за даною методикою заважають багато елементів, які реагують або з формазаном, або з пірогалолу. Замінити пирогаллол пірокатехіна не можна через швидке відновлення формазану. Більш задовільні результати, мабуть, міг би дати Тайрон.
Запропоновано пряме титрування розчину двоокису германію розчином маніту у присутності фосфатного буфера при pH 8. як металлохромного індикатора також використовується формазану. Точка еквівалентності спостерігається при молярному відношенні двоокису германію до Маніту 1:10. так як в комплексі германію з манітом це співвідношення становить 1:2 і комплекс відносно мало міцний, то насправді відбувається поступове зниження надлишком маніту дисоціації комплексу, яке настає приблизно при десятикратною по відношенню до германію концентрації титранту. Внаслідок цього зміна забарвлення в точці еквівалентності нерізке.
Комплексонометріческое визначення за допомогою етилендіамінтетраоцтової кислоти.
У холодних розчинах германій (IV) дуже повільно реагує з ЕДТА. Нагрівання сприяє суттєвому підвищенню швидкості протікання даного процесу, який при температурі кипіння закінчується протягом 7-10 хвилин. Для повного зв'язування германію в комплексонатів необхідний не менш ніж 2-2,5 кратний надлишок ЕДТА, внаслідок чого пряме комплексонометріческое титрування виявляється неможливим.
Этилендиаминтетраацетатный комплекс германію досить міцний, так що після зв'язування германію надлишок ЕДТА можна відтитровані в аміачному або кислому розчинах сіллю двох-, трьох-або четирехвалентного металу при відповідному металлохромном індикаторі. Оптимальна концентрація кислоти для утворення комплексу з ЕДТА складає близько 0,02-0,05 н. Метод придатний для визначення германію в досить широкому діапазоні його концентрацій від 0,1 до 250мг в 50мл розчину.
Присутність в аналізованому розчині до 3моль / л хлориду натрію не впливає на повноту зв'язування германію в комплексонатів. Ступінь перешкод, що викликаються значними концентраціями хлоридів в розчині при титруванні надлишку ЕДТА, визначається тим, сіль якого металу застосовується при цьому. При титруванні солями цинку і магнію допустимо вміст хлоридів в розчині до 0,6 моль / л, сіллю вісмуту - не більше 0,02 моль / л, а при титруванні сіллю цирконію допустима концентрація розчинних хлоридів більше 1моль / л. Більш того, у присутності хлоридів зміна забарвлення металлохромного індикатора в точці еквівалентності при титруванні солями цирконію більш чітке.
Як титранту надлишку ЕДТА в аміачної середовищі хороші результати дає розчин сульфату цинку у присутності еріохрома чорного Т, при титруванні в кислому середовищі - солянокислий розчин хлорокиси цирконію в присутності ксіленоловим оранжевого.
При титруванні надлишку ЕДТА сіллю цинку визначенням германію не заважає більш 100мг миш'яку, до 10мг сурми і до 15мг молібдену; заважають магній, лужноземельні і всі важкі і кольорові метали, що реагують з ЕДТА в слабокислой або лужному середовищі. При титруванні надлишку ЕДТА сіллю цирконію визначенням не заважають магній, лужноземельні метали, алюміній, цинк, свинець і багато інших двох-і тривалентні метали. Чи не заважають до 100мг миш'яку, 50мг сурми і 15мг молібдену. Залізо і олово заважають визначенню германію в обох зазначених випадках. Визначати германій за допомогою цього методу можна як після відділення його як екстракцією, так і дистиляцією тетрахлориду.
Концентрацію розчину ЕДТА сообразуют з передбачуваним кількістю германія: 25мл 0,005 М розчину для 0,1-3,5 мг германію; 50мл 0,01 М розчину для 2-15мг і 50мл 0,1 М розчину для 15-220мг.
Стандартне відхилення при визначенні германію з використанням даного методу не перевищує 1% при кількості германію в досліджуваній пробі 15-20мг, пр і0 ,2-2мг германію воно може досягати 5%. Статистична обробка результатів визначення германію комплексонометріческім і алкаліметріческім пірокатехіновой методом показує, що зазначені методи мають практично однакову точність.
Без помітних наслідків при титруванні розчини солей цинку, застосовувані для оттітровиванія надлишку ЕДТА, можуть бути замінені солями магнію, що і було зроблено при проведенні даного аналізу.
На підставі огляду літературних джерел можна зробити висновок про найбільшу застосовності для аналізу методу комплексонометріческого зворотного титрування за допомогою етилендіамінтетраоцтової кислоти. Як можна помітити, в цьому методі не вимагається виконання складних лабораторних операцій (що відповідає виконанню принципу простоти аналізу), метод досить точний. Для аналізу не потрібні дорогі реактиви та реагенти, що володіють вираженим токсичною дією на організм людини, аналіз не супроводжується утворенням такого роду речовин і з'єднань. Всі ці позитивні сторони з лишком компенсують практично єдиний недолік методу - тривалість проведення аналізу. Крім того, для проведення аналізу необхідно зробити переклад даного твердого електроліту в розчин, причому в розчині германій повинен міститися у формі тетрахлориду. Підбір методу перекладу твердого електроліту в розчин склав попередню частину проведеного дослідження.
Переклад твердого електроліту в розчин.
Зовнішній вигляд твердого електроліту - порошок чорного кольору, без видимих порушень однорідності складу, матовий; у таблетованій формі легко перетирається в порошок при механічному впливі.
Експериментально було встановлено, що речовина реагує в подрібненому стані з концентрованої азотної кислотою при нагріванні; реакція протікає досить бурхливо, спостерігається виділення бурого газу, суміш розігрівається. При додаванні до невеликої кількості дрібнодисперсного порошку кислоти безбарвний розчин забарвлюється біля нього в жовто-зелений колір. При нагріванні від порошку починають підніматися бульбашки газу, реакція інтенсивно йде з поверхні. На стінках пробірки, в якій проводилося розчинення, спочатку утворюється наліт червоного кольору, який при подальшому нагріванні розчиняється. Колір розчину переходить у жовто-зелений, у розчині рясна біла каламуть, яка осідає при припиненні нагрівання і закінчення реакції. Після розведення розчину видимого зменшення кількості білої речовини не сталося. При стоянні розчину помітної зміни кількості осаду не відбулося.
Можна зробити припущення про те, що в ході даного процесу відбувається утворення діоксиду германію GeO 2, який і виділяється у вигляді білого осаду після закінчення реакції. Нітрат-іон відновлюється до оксиду азоту (IV) NO 2. Селен переходить в селеніт-іон SeO 3 2 -, а йод міститься в розчині у вигляді иодат-іона JO 3 -. Жовтувато-зелене забарвлення розчину можна пояснити наявністю в ньому розчиненого діоксиду азоту, який, по-перше, є продуктом основний протікає в розчині хімічної реакції, і крім того, утворюється при термічному розкладанні азотної кислоти.
Була зроблена спроба розчинення порошку електроліту в царській горілці (реактив готувався з реактивів класу ч.д.а.) при нагріванні. Порошок електроліту розчинився повністю, відбувалося виділення бульбашок газу жовто-зеленого кольору, спочатку на стінках реакційного судини утворювався осад червоного кольору, який надалі розчинився. Після припинення реакції утворюється розчин жовто-зеленого кольору.
Надалі даний спосіб перекладу твердого електроліту в розчин - при дії на нього царської горілкою - був визнаний неефективним, і від нього відмовилися, тому що відбувалися значні втрати германію у вигляді тетрахлориду, який, будучи досить летючим, при нагріванні губився в значних кількостях, про що, зокрема, можна було судити про освіту на стінках реакційного судини білого нальоту діоксиду германію, що було неприпустимо при проведенні аналізу.
Як один з варіантів даного методу була запропонована методика розчинення порошку твердого електроліту і раніше в царській горілці, але в запаяній ампулі і при меншій температурі (розчин не повинен був кипіти, щоб не відбулося розриву стінок ампули). Проба порошку нагрівалася протягом кількох годин у щільно закритому бюксе на водяній бані, температура якої не перевищувала 75 0 С (постійний контроль). При цьому не відбулося повного розчинення наважки, хоча і можна було спостерігати ознаки протікає хімічної реакції і було взято завідомо надмірна кількість царської горілки. Після цього закритий бюкс був залишений на дві доби. Після зазначеного часу розчинення частини навішування не відбулося.
Був проведений експеримент по розчиненню зразка в концентрованому розчині лугу (гідроксиді натрію) при нагріванні. Розчин лугу готувався з твердого реактиву розчиненням його в дистильованої води до отримання насиченого розчину. Досить висока концентрація лугу є основною умовою перебігу хімічної реакції з компонентами твердого електроліту (з достатньою швидкістю і повністю), а також потрібна для розчинення виділяється на одній з проміжних стадій процесу селену.
Спочатку при додаванні розчину лугу до мілкодисперсному порошку твердого електроліту видимих змін не спостерігалося, в подальшому, після початку нагрівання, на стінках реакційного судини починає утворюватися наліт червоного кольору. Розчин над прореагували порошком спочатку стає зеленувато-жовтим, потім набуває жовтого забарвлення. Кількість червоного осаду поступово зростає, він починає утворюватися вже у вигляді своєрідних пластівців. Чорна забарвлення вихідного порошку стає непомітна, можна, мабуть, говорити про його повному розчиненні.
Можна припустити, що відбувається руйнування компонентів твердого електроліту з виділенням у розчин селену і йоду у вільному стані, які надалі, теоретично, мали розчинятися в надлишку концентрованої лугу. Повного розчинення селену в умовах експерименту не відбувалося. Можливо, це обумовлюється значним зниженням концентрації лугу на початкових стадіях притікає процесу або ж недостатньою температурою, при якій проводилася дана реакція (розчин не доводився до кипіння).
З метою прискорення процесу розчинення порошку твердого електроліту в реакційну середу було додано невелику кількість 3% розчину перекису водню в якості додаткового окислювача. Висока концентрація лугу в цьому випадку необхідна, тому що при додаванні в реакційну систему розчину перекису відбувається неминуче розбавлення лугу. При послідовному додаванні до невеликої кількості порошку спочатку розчину пероксиду водню, а потім концентрованого розчину гідроксиду натрію спостерігалося бурхливе виділення бульбашок газу, розчин починав саморазогреваться. З'являлося велику кількість червоного осаду, який інтенсивно перемішувався піднімаються до поверхні бульбашками. Нагрівання призводило до підвищення швидкості протікання даної хімічної реакції, але до кипіння розчин не доводився, щоб разом з бризками не відбувалося втрат аналізованого компонента. Було показано, що для прискорення процесу суміш повинна безперервно перемішуватися (руйнування утворюються при додаванні рідини «кульок» порошку). На ранніх стадіях процесу в товщі розчину на просвіт можна було спостерігати деяку кількість кристалічного осаду («сніжинки»), який в подальшому повністю розчинявся, не залишаючи слідів. Можна висловити припущення про те, що дана речовина є діоксид германію, що утворюється в якості проміжного продукту на одній зі стадій процесу, що протікає.
Як відомо, діоксид германію проявляє слабо виражені кислотні властивості. У такому випадку найбільш ймовірним є утворення в досліджуваному розчині ортогерманата натрію, речовини, досить стійкого тільки в лужному середовищі. Після нейтралізації надлишку лугу повинна відбуватися руйнування даної речовини з утворенням в розчині тетрахлориду германію.
У міру нагрівання відбувалося поступове зменшення інтенсивності забарвлення розчину, придаваемого наявністю взмучивает осаду селену. Колір розчину переходить поступово в слабо-бузкову (зниження кількості червоної суспензії в розчині), потім розчин стає безбарвним. Нагрівання велося до припинення виділення бульбашок газу (у зв'язку з неясністю впливу наявності перекису водню в титруемой розчині на результати проведеного аналізу). Основна частина порошку розчинялася в протягом приблизно 20 хвилин, повне припинення реакції і розчинення залишку відбувалося протягом приблизно години.
В одному з експериментів при сильному (практично до кипіння) нагріванні реакційної системи було відмічено виділення газоподібного речовини з різким неприємним запахом, дратівливо діє на слизові верхніх дихальних шляхів (можливо, цією речовиною був діоксид селену, також один з напівпродуктів реакції, який при інтенсивному нагріванні не встигав реагувати з лугом і починав інтенсивно випаровуватися).
При додаванні до невеликої пробі отриманого розчину деякої кількості розведеною 1:1 соляної кислоти змін не відбувалося. Додавання до підкислення (pH ок. 2) розчину кристалічного иодида калію спостерігалося інтенсивно-жовте забарвлення; після додавання краплі крохмального клейстеру синє забарвлення була настільки інтенсивною, що визначити її можна було тільки після багаторазового розведення досліджуваного розчину. Все це говорить про наявність в вихідному лужному розчині іонів-окислювачів, якими могли бути або селеніт-іон, або иодат-іон; одним з варіантів є їх спільна присутність в розчині.
Лужний розчин, отриманий безпосередньо після розчинення зразка твердого електроліту, давав при додаванні 0,1 н розчину сульфату магнію значну кількість білого драглистого осаду.
Запропонована методика визначення германію в твердому
електроліті.
Зразок твердого електроліту, розтертого в дрібний порошок (до пилоподібного стану) розчиняється в концентрованому розчині лугу з додаванням приблизно рівного за обсягом кількості 3% пероксиду водню. Розчинення проводиться в термостійкої хімічному стакані, як описано вище. Отриманий при цьому розчин нейтралізується соляною кислотою (приготовлена з концентрованого розчину (ч.д.а.) розведенням дистильованою водою приблизно в два рази) до pH рівного 3-4 (за універсальним індикатором).
Потім до розчину додається точно відміряний об'єм 0,1 н розчину ЕДТА в такій кількості, щоб його приблизно в 2-2,5 рази за обсягом було більше, ніж вихідного розчину, чим створюється значний надлишок ЕДТА по відношенню до міститься в нейтралізувати розчином тетрахлориду германію.
Розчин нагрівають до кипіння і обережно кип'ятять, заповнюючи випаровується при цьому воду, протягом 10-15 хвилин, для досягнення повноти зв'язування германію в комплекс з ЕДТА. Як було сказано вище, комплекс цей дуже стійкий при нормальних умовах, і його присутність не заважає оттітровиванію надлишку доданого кількості ЕДТА.
Відтитровують надлишок комплексу. Розчин охолоджують до кімнатної температури, без втрат переносять в мірну колбу відповідного обсягу і доводять дистильованою водою до риски. Як виявилося, в тому випадку, якщо не проводилося негайного титрування або розчин не був витрачений повністю, вже на наступний день на дні мірної колби утворювалося значну кількість білого кристалічного осаду (голчасті добре освічені кристали, часто добре пов'язані зі стінками колби, в якій зберігався розчин ). Титрування розчину над цими кристалами не приводило до будь-яких відхилень результатів. Можна припустити, що ці кристали являють собою власне комплексне з'єднання германію (IV) і ЕДТА, наявність або відсутність якого в титруемой розчині не впливає на результати аналізу.
Титрування надлишку ЕДТА проводилося 0,1 н розчином сульфату магнію в присутність індикатора еріохрома чорного Т в присутності аміачного буферного розчину. Перехід забарвлення, відповідний точці еквівалентності, походить з синьо-голубого в рожево-фіолетовий (неприпустимий синій відтінок розчину). Надалі при опрацюванні методики аналізу з метою збільшення обсягу витрачається при оттітровиваніі надлишку ЕДТА розчину сульфату магнію його концентрація була знижена в два рази, до 0,05 н.
Теоретичний розрахунок змісту германію в зразку твердого
електроліту.
За зразок при визначенні змісту германію була використана таблетка з вмістом GeJ 2 5моль%, відпалений протягом 40 годин при 300 0 С. Зробимо теоретичний розрахунок масової частки германію в зразку такого складу.
Припустимо, що в наявності є проба електроліту, що містить 95моль GeSe і 95моль GeJ 2. У такому випадку маса компонентів суміші даного молярного складу становлять:
m (GeSe) = 95моль * 151.55г/моль = 14397,25 г;
m (GeJ 2) = 5моль * 326,39 г / моль = 1631,95 г;
тоді сумарна маса буде становити:
m (GeJ 2, GeSe) = 14397,25 г + 1631,95 г = 16029,2 р.
Відповідно до прийнятих спрощеннями в суміші має міститися 100моль германію; це відповідає масі
m (Ge) = 100моль * 72,63 г / моль = 7263г.
Вирахуємо масову частку германію в зразку:
ω (Ge) = 7263г/16029, 2г * 100% = 45,31%
Отже, теоретичне вміст германію в досліджуваному зразку з молярною часткою иодида германію (II) становить 45,31%.
Експериментальна частина роботи.
Обладнання та реактиви.
Для проведення даного аналізу необхідні такі лабораторне обладнання та реактиви:
концентрований розчин гідроксиду натрію
розбавлений з (ч.д.а.) 1:2 розчин соляної кислоти
розчин перекису водню 3%
універсальна індикаторна папір
0,1 н розчин ЕДТА
аміачна суміш буферна
металлохромний індикатор еріохромовий чорний Т (у суміші з кухонною сіллю)
0,1 н розчин сульфату магнію
бюретка на 25 мл
піпетки на 1, 5, 20, 50мл
великий термостійкий хімічний стакан
мірна колба на 250мл
конічна колба Ерленмейера для титрування
скляна паличка
маленька скляна лійка
електронагрівач
Підготовча частина роботи
Підготовча частина при проведенні даного аналізу містила в себе підбір відповідних реактивів і устаткування, а також приготування розчинів реагентів точної концентрації в необхідних і достатніх для проведення аналізу кількостях - розчинів сульфату магнію 0,1 н і ЕДТА 0,1 н - а також стандартизація приготовлених розчинів.
Згадані розчини готувалися з фиксаналов розчиненням в дистильованій воді в мірній колбі на 1000мл. Приготований розчин сульфату магнію стандартизована за 0,1 н розчину ЕДТА; титрування велося у присутності металлохромного індикатора еріохрома чорного Т в присутності аміачного буфера. Встановлена таким чином концентрація розчину сульфату магнію становила 0,09965 моль * екв / л. Відповідно, після дворазового розведення даного розчину концентрація склала 0,049825 моль * екв / л.
Визначення вмісту германію у зразку твердого електроліту
При проведенні аналізу було взято навішування твердого електроліту (5моль% GeJ 2) масою 0,0731 р. Теоретично, відповідно до проведених вившее розрахунками, в навішуванні даної маси має міститися 0,0731 * 0,4531 г = 0,03312 г германію.
Зазначена навішування речовини була переведена в розчин відповідно до наведеної вище методикою. Був проведений приблизні розрахунок необхідного для проведення аналізу кількості 0,1 н розчину ЕДТА:
М е (Ge) = 72,63 / 2 = 36,315 (г / моль * екв);
Число моль-еквівалентів германію в навішуванні зазначеної маси становить
ν е (Ge) = 0,03312 / 36,315 = 0,000912 (моль * екв).
Необхідною і достатньою умовою повного зв'язування германію, що міститься в нейтралізувати розчином, є 2-2,5 кратне надмірна кількість комплексоутворюючою агента - ЕДТА. Так як надмірна кількість ЕДТА не впливає на повноту зв'язування германію в комплексонатів, при проведенні аналізу до розчину була додана аліквоти розчину ЕДТА, що містить 3-кратний його надлишок, тобто в даному випадку теоретично кількість ЕДТА становить:
ν е (ЕДТА) = 9,12 * 10 -4 моль * екв * 3 = 27,36 * 10 -4 моль * екв.
Розрахуємо той обсяг розчину ЕДТА, в якому міститься дана кількість реагенту. Так як, за визначенням,
З н (речовини в розчині) = ν е. (речовини в розчині) / V (розчину); отримуємо, що
V (розчину) = ν е. (речовини в розчині) / С н (речовини в розчині).
Отже,
V (розчину ЕДТА) = 27,36 * 10 -4 моль * екв / 0,1 моль * екв / л = 27,36 * 10 -3 л.
Округляючи отриману величину до найближчого цілого значення, одержимо, що до нейтралізувати розчином необхідно додати приблизно 30мл 0,1 н розчину ЕДТА. Об'єм розчину склав після додавання дистильованої води склав 500мл.
При використанні як титранту 0,1 н розчину сульфату магнію на титрування аликвотной об'єму розчину йшло в середньому 4,20 мл розчину.
Надмірна кількість ЕДТА, що міститься в обсязі аліквоти, розрахуємо відповідно до закону еквівалентів. Стосовно даного випадку,
З н (ЕДТА) * V (надлишку ЕДТА) = С н (MgSO 4) * V (розчину MgSO 4)
V (надлишку ЕДТА) = С н (MgSO 4) * V (розчину MgSO 4) / З н (ЕДТА)
V (надлишку ЕДТА) = 0,09965 * 4,20 / 0,100 = 4,19 (мл)
Складемо пропорцію:
4,19 мл надлишку розчину ЕДТА відповідає аліквоти 100мл
Х мл надлишку розчину ЕДТА відповідає 500мл
4,19 / 100 = Х/500
Х = 4,19 * 500/100 = 20,93 (мл)
Так як вихідний обсяг розчину ЕДТА, доданого до досліджуваного розчину, становить 30,00 мл, прореагувало 30,00-20,93 = 9,07 мл 0,1 н розчину ЕДТА. Виходячи із закону еквівалентів, розрахуємо еквівалентну кількість германію, яке вступило в реакцію утворення комплексу з ЕДТА.
n екв (Ge) стрічки, розраховані агіровало 30,00-20,93 = 9,07 мл 0,1 н розчину ЕДТА.
у = V (прореагировавшего ЕДТА) * З н (ЕДТА);
n екв (Ge) стрічки, розраховані агіровало 30,00-20,93 = 9,07 мл 0,1 н розчину ЕДТА. = 0,00907 л * 0,100 моль * екв / л = 0,000907 моль * екв.
Так як n екв = m / M е, звідки m = n екв * M е, відповідна маса германію становить:
m (Ge) стрічки, розраховані агіровало 30,00-20,93 = 9,07 мл 0,1 н розчину ЕДТА. = 0,000907 моль * екв * 36,315 г / моль * екв = 0,032937 р.
У такому випадку масова частка германію в навішуванні становить:
ω (Ge) стрічки, розраховані агіровало 30,00-20,93 = 9,07 мл 0,1 н розчину ЕДТА. = 0,032937 / 0,0731 * 100% = 45,06%
Розрахунок похибок титрування
Розрахуємо відхилення отриманого результату від теоретично розрахованого значення. Помилки при проведенні даного визначенні могли відбуватися на наступних стадіях аналізу:
помилка при зважуванні зразка порошку твердого електроліту
тому що ціна розподілу використовувалися в роботі аналітичних ваг становила 0,0001 г, відлік значення маси проводився одноразово, похибка при цьому могла складати до половини ціни поділу приладу, тобто до 0,00005 р. Розраховуємо відповідну відносну помилку при масі взятої наважки 0,0731 г:
ε м = 0,00005 / 0,0731 * 100% = 0,068%
помилка при розведенні нейтралізованого розчину в мірній колбі
При розведенні розчину використовувалася мірна колба на 500 мл, похибка при доведенні об'єму розчину до ризики дистильованою водою могла становити до 0,1 мл. відносна похибка в такому випадку буде дорівнює
ε мірні колби = 0,1 / 500 * 100% = 0,02%
помилка при відборі аліквот розчину ЕДТА
при проведенні аналізу відбір аликвотной об'єму розчину ЕДТА проводився однієї і тієї ж піпеткою Мора на 10мл; абсолютна похибка при цьому могла складати до 0,01 мл. Відносна похибка при триразовому відборі розчину
ε ал.ЕДТА = 3 * 0,01 / 10,00 = 0,3%.
помилка при відборі аліквот для титрування
У первинному варіанті обсяг аліквот для титрування був використаний 100мл. Відбір даного обсягу проводився за допомогою піпетки Мора на 20мл. Абсолютна помилка при цьому могла становити 0,01 мл. відносна похибка при цьому
ε обсягу алікв = 5 * 0,01 / 20,00 * 100% = 0,25%
титриметрическим помилка
ε титром = 0,05 мл / 4,20 мл * 100% = 1,19%
Сумарна похибка при проведенні аналізу дорівнює сумарній величині всіх вищеперелічених похибок, тобто
ε аналізу = Σε = 1,83%
Розрахуємо значення відносного відхилення результату, отриманого при титруванні, з величиною масової частки германію в твердому електроліті даного складу, розрахованої теоретично. Так як за результатами аналізу масова частка германію становить 45,06%, а теоретично - 45,31%, відносна похибка становить
ε = (45,31-45,06) / 45,31 * 100% = 0,55%
Порівнявши отримане значення з величиною похибки методу аналізу, бачимо, що дане відхилення знаходиться в межах допустимих норм.
Надалі з метою підвищення точності аналізу для оттітровиванія надлишкової кількості ЕДТА в аналізованому розчині була знижена концентрація розчину-титранту, розчину сульфату магнію, в два рази, до величини 0,049825 моль * екв / л. Це дія мала привести до підвищення обсягу його розчину, необхідного для оттітровиванія ЕДТА, і, отже, до підвищення точності одержуваних результатів.
У цьому випадку на титрування аликвотной об'єму розчину в 60мл на титрування йшло в середньому по 12,55 мл розчину сульфату магнію. Після проведення розрахунків, аналогічних вищенаведеним, отримаємо, що масова частка германію повинна була складати 44,97%.
Відносне значення відхилення величини масової частки германію в зразку від теоретично розрахованої складає в цьому випадку
ε = (45,31-44,97) / 45,31 * 100% = 0,75%.
Як бачимо, зниження концентрації титранту не призвело до очікуваного зниження відносної похибки вимірювання, але в той же час слід очікувати і підвищення величини відносної похибки самого методу вимірів - була введена похибка, викликана розведенням розчину сульфату магнію. Розведення велося в мірній колбі на 500мл, відбір 0,1 н розчину сульфату магнію проводився за допомогою піпетки Мора на 50мл. необхідно було провести п'ять відборів. Величина похибки становить:
ε розбавляючи = 5 * 0,01 / 50 * 100% = 0,1%
тоді сумарне значення похибки при проведенні аналізу в цьому випадку становить:
ε аналізу = Σε = 1,83% + 0,1% = 1,93%
Таким чином, одержуване відхилення теоретичних та експериментальних значень масової частки германію в складі твердого електроліту не виходить за межі допустимої похибки методу дослідження.
Висновок за виконану роботу
В ході проведеної роботи було виконано весь перелік завдань, поставлених при формулюванні мети курсової роботи. Була обрана методика перекладу твердого електроліту в розчин, обрана і пристосована до даних умов визначення методика визначення германію в зразках твердого електроліту. Був проведений аналіз зразка, визначено вміст германію в масових відсотках, розраховане теоретичний зміст германію в зразку вибраного теоретичного складу. Було експериментально встановлено, що склад твердого електроліту не відрізняється скільки-небудь істотно від передбачуваного, заданого при синтезі. Відхилення від теоретичного складу не виходили за межі похибки методу дослідження. Обраний метод показав достатній рівень точності, високу відтворюваності отриманих результатів при проведенні повторних експериментів. Все це дозволяє зробити висновок про виконання поставленої мети курсової роботи.