Determinación del producto de solubilidad del sulfato de calcio.
1. Propósito del experimento
1. Comprender el método de medición de la concentración de soluciones extremadamente diluidas;
2.Comprender el método de medición de la sal insoluble Ksp;
3. Consolidar los conceptos de actividad, coeficiente de actividad y concentración y su relación.
2. Principio experimental
A una determinada temperatura, una solución saturada de electrolito salino insoluble forma un equilibrio de poliiones en la solución, que generalmente se expresa como:
Este equilibrio La constante Ksp se llama constante del producto de solubilidad o, para abreviar, producto de solubilidad. Estrictamente hablando, Ksp debería ser el producto de la actividad iónica correspondiente, porque los iones en la solución tienen un efecto inhibidor, pero la fuerza iónica en la solución saturada de electrolitos insolubles es muy pequeña. Usar concentración en lugar de actividad es una advertencia.
En lo que respecta al cloruro de plata,
Como se puede ver en la fórmula anterior, si se mide la concentración de iones en la solución saturada de electrolito insoluble, el producto de solubilidad Ksp puede ser calculado. Por lo tanto, la medición es, en última instancia, una cuestión de medir la concentración de iones. Si idea una manera de medir la concentración, habrá encontrado una manera de medir Ksp.
Los métodos específicos para medir la concentración incluyen el método de titulación (como medir el producto de solubilidad de AgCl), el método de intercambio iónico (como medir el producto de solubilidad de CuSO4), el método de conductividad (como medir el producto de solubilidad de AgCl), y método de electrodo de iones (como medir el producto de solubilidad del cloruro de plomo), método de potencial de electrodo (la relación entre Ksp y potencial de electrodo), es decir, espectrofotometría (como medir el producto de solubilidad del yodato de cobre). etc. , respectivamente, se describen a continuación.
ⅰ. Determinación de la constante del producto de solubilidad del sulfato de calcio (método de intercambio iónico)
1. Propósito del experimento
1.
2.Comprender los principios y métodos de medición del intercambio iónico de la solubilidad del sulfato cálcico y de la solubilidad del producto.
3. Practicar más operaciones básicas como la titulación ácido-base y la filtración atmosférica.
2. Principio experimental
La resina de intercambio iónico es un polímero esférico sólido sintético. Sus moléculas contienen grupos activos especiales que pueden realizar el intercambio iónico con otras sustancias. Las resinas de intercambio catiónico contienen grupos ácidos que pueden intercambiar cationes con otras sustancias, mientras que las resinas de intercambio aniónico contienen grupos básicos que pueden intercambiar aniones con otras sustancias. La resina de ácido poliestireno sulfónico más comúnmente utilizada es una resina de intercambio catiónico fuertemente ácida y su fórmula estructural se puede expresar como:
En este experimento, se utilizó una resina de intercambio catiónico fuertemente ácida (R-SO3H) (tipo 732 ) para intercambiar Ca2 en la solución saturada de CaSO4, la reacción de intercambio es la siguiente:
2R- SO3H Ca2 → (R SO3)2 Ca 2H
Debido a que CaSO4 es un producto ligeramente soluble sal, excepto Ca2 y SO42 -Además, existe CaSO4 en forma de pares iónicos, por lo que en una solución saturada, existe un equilibrio entre pares iónicos e iones simples:
CaSO4(aq)= Ca2 SO42-
Cuando la solución fluye a través de la resina de intercambio, a medida que los iones Ca2 se mueven hacia la derecha por el equilibrio de intercambio, CaSO4(ag) se disocia y todos los resultados se intercambian por H. La solubilidad molar y del CaSO4 se puede calcular a partir del [H] del efluente:
[H] se puede medir con un medidor de pH o valorar con una solución estándar de NaOH. Aquí se introduce la titulación.
Supongamos [Ca2 ] = C en solución saturada de CaSO4, entonces [SO4-] = c, entonces [caso 4(AQ)] = y–C
y
Kd es la constante de disociación del par iónico, Kd=5,2×10-3 a 25 ℃.
Calcule C a partir de la ecuación y calcule Ksp a partir de Ksp=[Ca2][SO42-]=C2 según la definición de producto de solubilidad.
3. Pasos experimentales
1. Empaquetar la columna, limpiar la columna de intercambio iónico (se puede reemplazar por una bureta alcalina), llenar el fondo con una pequeña cantidad de fibra de vidrio. o algodón y pesar una cierta cantidad de 732 Coloque la resina de intercambio catiónico fuertemente ácida en un vaso pequeño, sumérjala en agua destilada, revuélvala para eliminar las partículas suspendidas y las impurezas, transfiérala a la columna de intercambio iónico con agua, abra la abrazadera del pomo en el extremo inferior de la columna de intercambio y deje que el agua fluya lentamente. Hasta que el nivel del líquido esté aproximadamente 1 cm por encima de la resina, apriete la abrazadera de tornillo. Si hay burbujas, pasa una varilla de vidrio por la resina para desalojarlas. Después de la operación, la resina debe empaparse en la solución. Después de eliminar las burbujas de aire, agrega una pequeña cantidad de fibra de vidrio (o algodón) encima de la resina.
2. Conversión Para garantizar que el Ca2 se intercambie completamente en H, la resina de Na debe convertirse completamente en H. Se deben agregar 40 ml de solución de HCl de 2 mol/L a la columna de intercambio en lotes. y se controla el caudal a 80 por minuto -85 gotas y se deja pasar a través de la resina de intercambio iónico. Una vez que haya salido la solución de HCl, se debe conservar durante 65.438 00 minutos. [Nota: si se utiliza resina tratada con ácido, se puede utilizar el siguiente método directamente después de rellenar la columna]. Enjuague la resina con 50-70 ml de agua destilada hasta que el valor de pH del efluente sea 6-7 (pruebe con papel de pH).
3. Preparación de una solución saturada de sulfato de calcio. Coloque 65438 ± 0 g de CaSO4 sólido analíticamente puro en aproximadamente 70 ml de agua destilada que haya sido hervida y enfriada a temperatura ambiente, agite durante 65438 ± 00 min y luego déjela reposar. durante 5 minutos y filtrar con papel de filtro cuantitativo (el papel de filtro, el embudo y la botella de succión deben estar secos), y el filtrado es una solución saturada de CaSO4.
4. Utilice una pipeta para tomar 20,00 ml de solución saturada de CaSO4 para intercambiar e inyectarla en la columna de separación. Controlar la velocidad del efluente de la columna de intercambio a 20-25 gotas/minuto. utilizar un matraz Erlenmeyer limpio para recibir el efluente. Cuando la solución saturada fluya casi por completo hacia el lecho de resina, agregue agua destilada para enjuagar la resina (eluya aproximadamente 50 ml de agua en lotes) hasta que el pH del efluente sea 6-7. Durante todo el proceso de intercambio y limpieza tener cuidado de no perder el efluente.
5. Determinación de la concentración de iones hidrógeno mediante el método de valoración ácido-base: Añadir 2 gotas de indicador bromotimolftaleína al efluente y valorar con solución estándar de NaOH. Cuando la solución cambia de amarillo a azul brillante, es el punto final de la titulación. Registre con precisión el volumen de solución de NaOH utilizada y calcule la concentración de iones de hidrógeno en la solución de acuerdo con la siguiente fórmula.
Cuarto, registro de datos y resultados
Temperatura del líquido saturado de sulfato de calcio
Volumen de solución saturada que pasa por la columna de intercambio (mL)
NNaOH (mol/L)
VonaOH (ml)
[Ion hidrógeno] mol/L
Solubilidad y del sulfato de calcio
El producto de solubilidad Ksp del sulfato de calcio
Kd es de aproximadamente 25 °C cuando se calcula y el proceso de cálculo está escrito en el informe experimental.
Análisis de errores, calcule el error de solubilidad de CaSO4 según los valores de la literatura y analice las razones del error.
5. Preguntas para pensar
1. ¿Por qué no controlar el caudal de líquido demasiado rápido durante la operación? ¿Por qué no se permiten burbujas en la capa de resina? ¿Cómo evitarlo?
2. ¿Cómo calcular el producto de solubilidad del CaSO4 en base a resultados experimentales?
3. Al preparar una solución saturada de sulfato de calcio, ¿por qué se debe utilizar agua destilada sin CO2?
4. ¿Cuáles son los factores que afectan el resultado del juicio final? A través del análisis de los factores que influyen, ¿cuáles cree que son los pasos clave en todo el proceso operativo?
5. ¿Qué impacto tienen las siguientes condiciones en los resultados experimentales?
1), la resina no se convierte completamente en tipo H.
2) Filtrar la solución saturada de CaSO4 antes de enfriar a temperatura ambiente.
3) El embudo y la botella receptora utilizados para filtrar la solución saturada de CaSO4 no están secos.
4) Durante el proceso de conversión, si el eluyente no es neutro, detener la lixiviación e intercambiar.
Valor bibliográfico del producto de solubilidad del sulfato de calcio
T ℃
10
20
30 p>
40
Solubilidad×102 mol/L
1.29
1.43
1.50
1,54
/
g/100g
0,1759
0,1928
/
0.2090
0.2097
Materiales de lectura
Método de intercambio iónico
Después de que el compuesto pasa a través de la columna de intercambio iónico equipada con sistema de intercambio iónico resina, los iones pasan a través de ella. El intercambio para obtener el producto correspondiente se llama método de intercambio iónico. Este método es ampliamente utilizado en la separación, extracción y purificación de elementos, decoloración y purificación de materia orgánica, purificación de agua y catalizadores de reacción, etc. Los elementos necesarios para el método de intercambio iónico incluyen la resina de intercambio iónico correspondiente y la columna de intercambio iónico.
Las resinas de intercambio iónico incluyen tipos naturales y sintéticos, entre los cuales las resinas orgánicas sintéticas son el tipo más importante. Están compuestas principalmente de estireno y divinilbenceno reticulados en polímeros como estructura de matriz de la resina, y luego. conectado Sintetizado con los grupos activos correspondientes. La resina sintética de intercambio iónico es un polímero insoluble que contiene grupos reactivos en una estructura de red. Hay muchos grupos activos ionizables en el esqueleto de la estructura de la red, que pueden intercambiarse con ciertos iones en la solución circundante. La estructura de red de la resina de intercambio iónico es extremadamente difícil de disolver en agua o soluciones ácidas y alcalinas, y no tiene ningún efecto sobre la mayoría de los disolventes orgánicos, oxidantes, agentes reductores y calor.
1. Clasificación de las resinas de intercambio iónico
Debido a los diferentes grupos y funciones, las resinas de intercambio iónico se pueden dividir en resinas de intercambio catiónico, resinas de intercambio aniónico y resinas de intercambio iónico con funciones especiales. .
1. Resina de intercambio catiónico La resina de intercambio catiónico es una resina con grupos de intercambio ácidos, incluido el grupo ácido sulfónico (-SO3H), el grupo carboxilo (-COOH), el grupo hidroxilo fenólico (-OH), etc. En estas resinas, sus cationes pueden intercambiarse por cationes en solución. Según la diferente acidez y alcalinidad del grupo activo, la resina de intercambio catiónico se puede subdividir en resina de intercambio catiónico fuertemente ácida (el grupo activo es -SO3H), como la resina doméstica 732 (nueva marca 001-100#). Resina de intercambio catiónico medio ácida (grupo activo: -PO3H2) (nueva marca nacional 401-500#) y resina de intercambio catiónico débilmente ácida (grupo activo: -CO2H, -C6H4OH, etc.) (como el tipo 724, nueva marca: 101 -200#), etc.
2. La resina de intercambio aniónico contiene grupos activos básicos y los aniones de esta resina pueden intercambiarse por aniones en la solución. Según la diferente alcalinidad del grupo activo, se puede dividir en resina de intercambio aniónico básica fuerte (el grupo activo es una base de amonio cuaternario, como la doméstica 711#, 714#, etc.) y resina de intercambio aniónico débilmente básica (la activa El grupo son grupos amino primarios, secundarios y terciarios, como la resina 701#, etc.).
3. Resinas con funciones especiales, como resina quelante, resina anfótera y resina redox (consulte la Tabla 2-8). ).
Se deben seleccionar diferentes resinas de intercambio iónico según los requisitos específicos del experimento.
Dos. El principio básico del intercambio iónico
El proceso de intercambio iónico es que los iones en la solución se difunden en las partículas de resina, se intercambian con iones H (o iones Na) en los grupos activos de la resina y el H intercambiado Los iones se difunden hacia la descarga de la solución. Por tanto, el proceso de intercambio iónico es reversible. Para las resinas de intercambio catiónico, cuanto mayor es la valencia del ion, mayor es el potencial de intercambio, es decir, el enlace con la resina.
Tabla 2-8 Tipos de resinas de intercambio iónico
Tipos de categoría
Grupos activos
Tipos
Ejemplo
Resina de intercambio catiónico
Acidez fuerte
Grupo ácido sulfónico
Tipo hidrógeno sodio
Tipo 732, IR -120
Grupo fosfato
Tipo hidrógeno (R-PO3H2) Tipo sodio (R-po3n 2)
Débilmente ácido
Carboxílico grupo ácido
tipo h (R-CO2H)tipo Na (R-CO2Na)
Tipo 724, IRC-50
Grupo fenol
Tipo Hidrógeno (R-C6H4OH) Tipo Sodio (R-C6H4ONa)
Resina de intercambio aniónico
Fuertemente básica
Regimiento del grupo amino cuaternario
Tipo OH (R-NR`3OH)
Tipo Cl (R-NR`3Cl)
717, IRA 400
Débilmente básico
Grupo amino primario
Tipo OH (R-NH3OH)
Tipo cloro (R-NH3Cl)
Tipo 701, tipo IR-45
Grupo amino secundario
Tipo OH (R-NR`H2OH)
Tipo Cl (R-NR` H2Cl)
Terciario grupo amina
Tipo OH (R-NHR`2OH)
Tipo Cl (R-NHR`2Cl)
Resina ionomérica funcional especial
Resina quelante, resina anfótera, resina redox, etc.
Cuanto más fuerte sea la combinación:
k lt; h lt; na lt; ag lt; lt; ba2 lt; Sc3
Del mismo modo, para la resina de intercambio aniónico, el potencial de intercambio también aumenta con el aumento de la valencia del ión, como para la resina aniónica fuertemente alcalina:
AC-lt. ; f- lt; oh- lt; h2po 4- lt; hco 3- lt; lt; c2o 42- lt; SO42-
En términos generales, la capacidad de intercambio de iones se puede expresar por la capacidad de intercambio. El llamado sistema de capacidad de intercambio se refiere al número de miliequivalentes de los iones correspondientes que se pueden intercambiar por 1 gramo de resina seca. Los diferentes tipos de resinas tienen diferentes capacidades de intercambio. Para resinas de intercambio iónico fuertemente ácidas, la capacidad de intercambio es generalmente ≥4,5 meq/g de resina seca, por lo que se puede calcular la cantidad mínima de resina requerida para un experimento.
3. Factores que afectan el intercambio de resina
Hay muchos factores que afectan el intercambio de resina, entre los que se incluyen principalmente los siguientes aspectos:
1 La capacidad de intercambio de la resina depende. sobre fabricación Varía según el fabricante y el modelo.
2. La calidad del pretratamiento o regeneración de la resina.
3. Relleno de resina, si hay burbujas en el relleno de resina de la columna de intercambio iónico.
4. Porque el proceso de intercambio iónico es un proceso de intercambio lento, y este proceso de intercambio es reversible. Por lo tanto, la velocidad de salida de capitales tiene un fuerte impacto en los resultados cambiarios. La velocidad de salida es demasiado alta, no se puede realizar el intercambio iónico y el efecto de separación es deficiente. Al mismo tiempo, la tasa de flujo de salida está relacionada con la concentración de iones en la solución de fase móvil y la relación del diámetro de la columna de intercambio iónico [la relación entre la altura y el diámetro de la columna de intercambio iónico (Figura 2-35)] . Si la concentración de iones es pequeña, la tasa de salida se puede aumentar apropiadamente. En el laboratorio, generalmente se requiere que la relación del diámetro de la columna sea superior a 10:1. Cuando la relación del diámetro de la columna es grande, el caudal de salida se puede aumentar adecuadamente. Para obtener mejores resultados, la velocidad de salida generalmente debe controlarse a 20-30 gotas/minuto.
4. Pretratamiento de resina nueva y regeneración de resina envejecida.
1. Pretratamiento de resina de intercambio catiónico (1) El propósito del enjuague es eliminar algunas impurezas exógenas adquiridas. Se remoja en agua del grifo, revolviendo ocasionalmente. Deseche el baño y continúe cambiando el agua hasta que el baño esté incoloro. ⑵Debido a requisitos de estabilidad, las resinas recién compradas son básicamente del tipo sodio. Mediante el proceso de lavado alcalino, algunas formas no sódicas se pueden convertir en formas sódicas para facilitar el siguiente paso. Remojar en un volumen igual de solución de NaOH 8 durante 30 minutos, separar la solución alcalina y lavar con agua hasta neutralidad. ⑶ Trate y transforme con una solución de 7 HCl tres veces, remoje en el mismo volumen durante 30 minutos cada vez, separe la solución ácida y lave con agua hasta que quede neutra (nota: lave con agua destilada o desionizada las últimas veces).
2. Pretratamiento de la resina de intercambio aniónico (1) Agregue etanol al 50% a la resina de intercambio aniónico recién comprada, revuelva durante la noche, retire el etanol y lave con agua hasta que el líquido de inmersión sea incoloro e inodoro. ⑵ Trate con una solución de 7 HCl tres veces, con el mismo volumen cada vez, déjela en remojo durante 30 minutos, separe la solución ácida y lave con agua hasta que quede neutra. ⑶ Trate con una solución de NaOH 8 tres veces, con el mismo volumen cada vez, déjelo en remojo durante 30 minutos y enjuague con agua hasta que el pH sea 8-9.
3. Regeneración de la resina de intercambio iónico. Después de usarse durante un período de tiempo, la resina de intercambio iónico cambiará de color y perderá su capacidad de intercambio. Este es el envejecimiento de la resina y puede regenerarse mediante procesamiento. Los métodos de regeneración varían de una resina a otra, pero los pasos básicos son similares al pretratamiento. Enjuague primero y luego utilice el principio de reversibilidad del proceso de intercambio iónico para intercambiar los iones de la resina con H, Na (u OH-, Cl-). El proceso de regeneración puede utilizar métodos estáticos y métodos dinámicos. Tomemos como ejemplo la regeneración de la resina de intercambio catiónico: (1) Método estático: agregue una cantidad adecuada (2-3 veces o más) de ácido clorhídrico de 2 mol/L a la resina enjuagada y déjela reposar durante más de 24 horas (revuelva). frecuentemente durante el almacenamiento), luego deseche el ácido y enjuague con agua hasta que quede neutro. ⑵El método dinámico primero libera el agua residual de la columna. Si la capacidad es 2-3 veces mayor que la de una solución de HCl de 2 mol/L (aproximadamente 7) (u otros ácidos), abra la perilla del interruptor en la parte inferior de la columna para permitir que el líquido fluya lentamente y verifique el valor de pH de el efluente en cualquier momento. Cuando el agua de salida sea fuertemente ácida, apague la perilla y déjela reposar por un tiempo. Después de que el intercambio sea suficiente, libere el ácido (tranquilo nuevamente) y conserve el ácido restante.
Notas (1) Para evitar el intercambio de iones del agua del grifo con la resina durante el proceso de lavado, es mejor utilizar agua del grifo para eliminar la mayor parte del ácido (o álcali) del resina [el pH del efluente en este valor de tiempo es aproximadamente 2-3 (11-12)], y luego lavar con agua destilada (agua desionizada) hasta que el valor de pH sea 6-7 (u 8-). ⑵La resina aniónica es fácil de descomponer por encima de 40, por lo que se debe prestar especial atención. ⑶La resina se agrietará y romperá gradualmente durante el uso, pero generalmente se puede usar durante 3-4 años o incluso más. No la deseche fácilmente. (4) La resina tratada (o regenerada) debe usarse inmediatamente y no puede dejarse por mucho tiempo porque
ⅰ Columna de intercambio catiónico
ⅱ Columna de intercambio aniónico
ⅲColumna de intercambio iónico mixto
Figura 2-35 Relación de diámetro de la columna de fase reversa Figura 2-36 Diagrama del dispositivo de intercambio iónico
Debido a su escasa estabilidad. Generalmente, la resina de intercambio catiónico de tipo Na es más estable que la de tipo H, y la resina de intercambio aniónico de tipo Cl es más estable que la de tipo OH. 5. Al regenerar la resina, se deben seleccionar diferentes ácidos (bases) según los iones combinados con la resina. Si se combina Pb2, no se debe usar HCl pero se debe usar HNO3 ya que Pb(NO3)2 es soluble.
La operación específica del método de intercambio iónico del verbo (abreviatura del verbo)
1. La conversión de resina significa pretratar o regenerar la resina primero y poner la resina convertida en agua destilada. .
2. Embalaje de la columna (1) Selección de resina Seleccione resinas de intercambio iónico con diferentes propiedades según el propósito experimental y las condiciones específicas.
Si se adsorben cationes inorgánicos o bases orgánicas, se debe seleccionar una resina de intercambio catiónico; por el contrario, si se adsorben aniones inorgánicos o sustancias orgánicas, se debe seleccionar una resina de intercambio aniónico si se separan sustancias anfifílicas como los aminoácidos; , se puede utilizar resina de intercambio catiónico. Después de determinar la resina de intercambio catiónico y la resina de intercambio aniónico, también es necesario determinar el tipo de grupo de intercambio.
Por ejemplo, puede elegir una resina de intercambio iónico de ácido (base) débil y, para una adsorción débil, elegir una resina de intercambio iónico de ácido (base) fuerte. Cuando hay varios iones presentes, Yixian selecciona una resina de intercambio con adsorción débil y luego selecciona una resina de intercambio con adsorción fuerte. Si se utiliza resina como catalizador, se debe seleccionar una resina de intercambio iónico de ácido fuerte (álcali). ⑵ Embalaje de resina El proceso de cargar libros activados en columnas de intercambio iónico se llama embalaje. La clave para empaquetar la columna es que la resina no pueda romperse ni burbujear. El método específico es: primero agregue un poco de agua desionizada a la columna de intercambio iónico, luego coloque la resina en la columna con agua, abra el pistón inferior y deje que el agua fluya lentamente. Al agregar la resina, lave la resina con agua desionizada hasta que el pH del efluente sea neutro. Durante el proceso de empaquetamiento de la columna, se debe prestar especial atención a evitar que el agua corte la capa de resina para evitar burbujas y fallas de la resina. Si accidentalmente se producen burbujas, utilice una varilla de vidrio para remover las ramas y sacarlas.
3. Abra la perilla del interruptor en el extremo inferior de la columna de intercambio iónico y libere el agua desionizada en la columna de intercambio iónico tratada (Nota: verifique el valor de pH del efluente nuevamente en este momento. Si es así, no es neutral, continúe usando Enjuague con agua desionizada hasta que sea neutral). Hasta que el agua desionizada cubra apenas la resina, agregue la solución de muestra a procesar en la columna de intercambio iónico (nota: no voltee la resina al agregarla), encienda la perilla del interruptor en el extremo inferior de la columna de resina y controle el caudal a 20-30 gotas por minuto. Cuando la solución de muestra haya entrado casi por completo en la resina, agregue agua desionizada (nota: la capa de resina no se puede cortar durante el proceso de separación para evitar burbujas y afectar el efecto de separación) y continúe con la separación hasta que fluya. ⑷
El método de regeneración de resina es el anterior.