Лабораторная работа № 3

Определение кобальта (II) и цинка (II)

при совместном присутствии

Цель работы.

Определить массу  кобальта (II)  и  цинка (II)  в  анализируемом растворе (г).

Сущность работы.

Поскольку Zn2+  и Co2+  обладают достаточно близкими химико- аналитическими свойствами, то для определения их при совместном

присутствии часто необходимо провести предварительное разделение. В данной лабораторной работе предлагается провести такое разделе- ние с помощью ионного обмена на анионите.

Иониты – это высокомолекулярные полиэлектролиты различно- го строения и состава, которые при погружении в раствор электролита поглощают из него катионы или анионы, выделяя в раствор эквива- лентное число ионов с зарядом того же знака. Между катионитом и раствором происходит обмен катионами, между анионитом и раство- ром – обмен анионами.

Разделение ионов Zn2+  и Co2+  на анионите основано на способ- ности Zn2+  образовывать анионные комплексы с хлорид-ионами, в то время как Co2+  не образует устойчивых хлоридных комплексов. По-

этому полученную пробу сначала обрабатывают 4 н. HCl. При этом Zn2+  переходит в анионную форму [ZnСl4]2–. При последующем про- пускании раствора, содержащего ионы Co2+ и [ZnСl4]2–, через колонку с анионитом в хлоридной форме комплексные анионы [ZnСl4]2– по- глощаются анионитом и задерживаются в колонке:

2RСl + [ZnСl4]2–       R2ZnСl4 + 2Сl–,

а катионы Co2+ не сорбируются анионитом и проходят через колонку, не задерживаясь.

После вымывания Co2+  колонку промывают дистиллированной водой. При этом цинк (II) переходит в катионную форму за счет раз- рушения хлоридных комплексов:

[ZnСl4]2– + 4Н2О     [Zn(Н2О)4]2+ + 4Сl–

и вымывается из колонки.

После разделения проводят определение Zn2+ и Co2+ методом потенциометрического титрования.

Определение Co2+  основано на реакции окисления аммиачного

комплекса кобальта (II) феррицианидом калия:

[Со(NН3)6]2+ + [Fе(СN)6]3– = [Со(NH3)6]3+ + [Fe(СN)6]4–.

В этой окислительно-восстановительной реакции фактор экви- валентности [Со(NН3)6]2+ равен 1.

Определение Zn2+ основано на образовании малорастворимого гексацианоферрата (II) калия-цинка в кислой среде:

3Zn2+ + 2К4[Fе(СN)6]  К2Zn3[Fe(СN)6]2 + 6К+.

В этой реакции обмена фактор эквивалентности Zn2+ равен 3/2. Реактивы.

2 н. и 4 н. растворы HCl; 25\%-ный раствор NН4ОН; стандартный

0,05000 М   раствор   К3[Fe(СN)6];   стандартный   0,05000 М   раствор

К4[Fe(СN)6]; ацетоновый раствор NН4СNS.

Посуда и оборудование:

Ионообменная колонка с набухшим анионитом АВ-17; стек- лянная воронка; стаканы вместимостью 150 мл (3 шт.); 2 бюретки; коническая пробирка; рН-метр или иономер любой марки; индика- торный электрод – платиновый; электрод сравнения – хлоридсереб- ряный; магнитная мешалка; стержень магнитной мешалки; фильтро- вальная бумага.

Выполнение работы.

Подготовка ионита. Перед работой анионит следует перевести в  хлоридную  форму.  Для  этого  через  колонку  нужно  пропустить

~100 мл 2 н. HCl.

Необходимый объем 2 н. HCl через воронку постепенно зали- вать в колонку, с помощью винтового зажима отрегулировать ско-

рость вытекания раствора примерно до 1 капли в секунду.

При работе с колонкой необходимо следить за тем, чтобы в слой ионита не попадал воздух. Во избежание этого поверхность ионита всегда должна быть покрыта раствором не менее чем на 3 см, поэтому следует постоянно следить за уровнем раствора над слоем ионита. По окончании пропускания раствора перекрыть винтовой зажим.

Разделение ионов цинка (II) и кобальта (II). Получить анали-

зируемый раствор (4–6 мл) в стакан, прилить к нему приблизительно равный объем 4 н. НСl. Подставить под колонку чистый стакан.  Ана- лизируемый раствор залить в колонку и отрегулировать скорость вы- текания раствора примерно до 1 капли в секунду. Остатки анализи- руемого раствора со стенок стакана смыть в колонку небольшим ко- личеством 2 н. НСl.

Пропустить через колонку ~50–60 мл 2 н. НСl  вслед за анализи- руемым раствором с целью полного вымывания ионов Co2+.

После этого проконтролировать полноту вымывания Co2+ ка- пельной реакцией с роданидом аммония. Для этого на фильтроваль-

ную бумагу нанести каплю реактива и каплю элюата; появление синей окраски свидетельствует о присутствии кобальта (II):

Co2+  + 4SCN–          [Co(SCN)4]2–.

Подставить под колонку второй стакан и пропустить ~120 мл дистиллированной воды. При этом из колонки вымывается Zn2+.

После пропускания всего объема дистиллированной воды про- контролировать полноту вымывания Zn2+  качественной реакцией с К4[Fе(СN)6]. Для этого в коническую пробирку собрать 3–5 капель элюата и добавить 1 каплю реактива; появление белой мути свиде- тельствует о присутствии цинка (II):

3Zn2+ + 2К4[Fе(СN)6]  К2Zn3[Fe(СN)6]2 + 6К+.

В результате ионы Co2+ и Zn2+ оказываются разделенными.

Подготовка иономера и электродов к работе. Заранее вклю- чить иономер и прогреть в течение 10–15 минут.

Промыть электроды: для этого наполнить стакан дистиллиро- ванной водой, опустить в него стержень магнитной мешалки и погру- зить электроды в воду на глубину не менее 1–1,5 см. Включить маг- нитную мешалку и перемешивать ~30 с.

Вынуть электроды из стакана и заменить дистиллированную во- ду. Повторить промывание.

Определение кобальта (II). В стакан с элюатом, содержащим ионы Co2+, прибавить 25–30 мл 25\%-ного раствора NH4OH до рН = 10 (контролировать с помощью универсальной индикаторной бумаги) и

~50 мл дистиллированной воды.

Заполнить одну из бюреток стандартным 0,05000 М раствором K3[Fe(СN)6] (не забыть удалить пузырек воздуха из нижней части бюретки!).

В стакан с раствором кобальта (II) опустить стержень магнитной мешалки и погрузить электроды в раствор на глубину не менее 1–

1,5 см. Включить магнитную мешалку.

Добавить в анализируемый раствор 0,2 мл титранта из бюретки, дождаться установления равновесного значения потенциала Е (мВ) и

записать его в рабочий журнал с указанием добавленного объема тит- ранта (табл. 6).

Таблица 6

Результаты потенциометрического титрования кобальта (II)

Продолжить титрование, добавляя по 0,2 мл титранта и фикси- руя значение Е   после добавления каждой порции. Титрование пре- кращается после скачка, когда значение потенциала Е практически не меняется или его изменение небольшое и равномерное.

После окончания титрования промыть электроды дистиллиро- ванной водой (как описано выше).

По результатам титрования построить кривые титрования: инте- гральную в координатах Е, мВ – V, мл, и дифференциальную в коор- динатах ΔЕ / ΔV и V, мл.

Для построения дифференциальной кривой следует рассчитать

ΔV и ΔЕ как разности двух соседних значений (ΔV = Vi+1  – Vi, ΔЕ =

= Еi+1 – Еi) и отношение ΔЕ / ΔV, соответствующее каждому значению

V, кроме V = 0 мл. Результаты расчетов занести в таблицу.

Для нахождения объема титранта в точке эквивалентности по интегральной кривой следует определить точку перегиба кривой тит- рования. Для этого нужно продлить линейные участки кривой (до скачка, в области скачка и после скачка) и найти середину отрезка между точками пересечения линейных участков (см. рис. 2).

Объем титранта в точке эквивалентности на дифференциальной кривой следует определить по положению максимума (см. рис. 3).

Используя  закон  эквивалентов  n(1Co2+)  = n(1K3[Fe(СN)6]),  по полученному значению объема титранта в точке эквивалентности рассчитать массу (г) кобальта (II) в анализируемом растворе:

m(Со) = C(1K3[Fe(СN)6]) · V(K3[Fe(СN)6]) · M(1Со).

Определение цинка (II). Заполнить вторую бюретку стандарт- ным 0,05000 М раствором K4[Fe(СN)6].

В стакан с  раствором, содержащим ионы Zn2+,  прибавить из

первой бюретки 1 мл раствора К3[Fе(СN)6] для создания окислитель- но-восстановительной пары [Fе(СN)6]3–/[Fе(СN)6]4–, опустить стер- жень магнитной мешалки и погрузить электроды.

Провести титрование, как описано выше. Результаты записывать в таблицу, аналогичную табл. 6.

После окончания титрования промыть электроды дистиллиро- ванной водой и погрузить в стакан с дистиллированной водой для хранения.

По результатам титрования построить интегральную и диффе- ренциальную кривые титрования, как описано выше. По кривым оп- ределить объем титранта в точке эквивалентности  и на основании за- кона эквивалентов n(3/2Zn2+) = n(1K4[Fe(СN)6]) рассчитать массу (г) цинка (II) в анализируемом растворе:

m(Zn) = C(1K4[Fe(СN)6]) · V(K4[Fe(СN)6]) · M(3/2Zn).

Вопросы к лабораторным работам № 2 и 3

1. Каким образом определяют объем титранта в точках эквива- лентности при потенциометрическом титровании?

2. Обоснуйте выбор системы электродов в каждой работе.

3. На основании каких свойств ионов цинка (II) и кобальта (II)

осуществлялось их разделение на анионите?

4. Как определяли значения факторов эквивалентности?