4.6: Uchambuzi wa kemikali ya Kiasi

Last updated
Save as PDF

Page ID: 188064

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

Eleza mambo ya msingi ya titrations na uchambuzi wa gravimetric.
Fanya mahesabu ya stoichiometric kwa kutumia titration ya kawaida na data ya gravimetric.

Katika karne ya 18, nguvu (kwa kweli mkusanyiko) ya sampuli za siki iliamua kwa kuzingatia kiasi cha carbonate ya potasiamu, K ₂ CO ₃, ambayo ilibidi kuongezwa, kidogo kwa wakati, kabla ya kuvuta pumzi. Uzito mkubwa wa carbonate ya potasiamu uliongezwa kufikia hatua ambapo kupumua kumalizika, zaidi ya kujilimbikizia siki.

Sasa tunajua kwamba ufanisi uliofanyika wakati wa mchakato huu ulitokana na mmenyuko na asidi ya asidi, CH ₃ CO ₂ H, kiwanja kimsingi kinachohusika na harufu na ladha ya siki. Asidi ya Acetic inachukua na carbonate ya potasiamu kulingana na equation ifuatayo

2 {CH}_{3} {USHIRIKIANO}_{2} H (a q) + K_{2} {USHIRIKIANO}_{3} (s) ⟶ {2 CH}_{3} {USHIRIKIANO}_{2} K (a q) + {USHIRIKIANO}_{2} (g) + H_{2} O (l)

Bubbling ilikuwa kutokana na uzalishaji wa CO ₂.

Mtihani wa siki na carbonate ya potasiamu ni aina moja ya uchambuzi wa upimaji -uamuzi wa kiasi au mkusanyiko wa dutu katika sampuli. Katika uchambuzi wa siki, mkusanyiko wa solute (asidi asetiki) uliamua kutoka kwa kiasi cha reactant ambacho kinajumuishwa na sasa ya solute katika kiasi kinachojulikana cha suluhisho. Katika aina nyingine za uchambuzi wa kemikali, kiasi cha dutu kilichopo katika sampuli kinatambuliwa kwa kupima kiasi cha bidhaa kinachosababisha.

Titration

Njia iliyoelezwa ya kupima nguvu ya siki ilikuwa toleo la awali la mbinu ya uchambuzi inayojulikana kama uchambuzi wa titration. Uchambuzi wa kawaida wa titration unahusisha matumizi ya buret (Kielelezo 4.16) kufanya nyongeza ya ziada ya suluhisho iliyo na mkusanyiko unaojulikana wa dutu fulani (titrant) kwa suluhisho la sampuli iliyo na dutu ambayo ukolezi unapaswa kupimwa ( analyte). Titrant na analyte hupata mmenyuko wa kemikali wa stoichiometry inayojulikana, na hivyo kupima kiasi cha suluhisho la titrant kinachohitajika kwa mmenyuko kamili na analyte (hatua ya ulinganifu wa titration) inaruhusu hesabu ya mkusanyiko wa analyte. Hatua ya ulinganifu wa titration inaweza kuonekana kuibua ikiwa mabadiliko tofauti katika kuonekana kwa suluhisho la sampuli huambatana na kukamilika kwa majibu. Msimamo wa malezi ya Bubble katika uchambuzi wa siki ya classic ni mfano mmoja, ingawa, kwa kawaida, dyes maalum inayoitwa viashiria vinaongezwa kwenye ufumbuzi wa sampuli ili kutoa mabadiliko katika rangi au karibu na kiwango cha ulinganifu wa titration. Vipengele vya ulinganifu vinaweza pia kugunduliwa kwa kupima mali fulani ya suluhisho ambayo inabadilika kwa njia inayoweza kutabirika wakati wa titration. Bila kujali mbinu iliyochukuliwa ili kuchunguza hatua ya usawa wa titration, kiasi cha titrant kinachopimwa kinaitwa hatua ya mwisho. Mbinu za titration zilizoundwa vizuri zinahakikisha kuwa tofauti kati ya ulinganifu na pointi za mwisho ni duni. Ingawa aina yoyote ya mmenyuko wa kemikali inaweza kutumika kama msingi wa uchambuzi wa titration, tatu zilizoelezwa katika sura hii (mvua, asidi-msingi, na redox) ni ya kawaida. Maelezo ya ziada kuhusu uchambuzi wa titration hutolewa katika sura ya usawa wa asidi-msingi.

Picha mbili zinaonyeshwa. Katika, mtu anaonyeshwa kumwaga kioevu kutoka kwa beaker ndogo ndani ya buret. Mtu huyo amevaa magogo na kinga wakati anahamisha suluhisho ndani ya buret. Katika b, mtazamo wa karibu wa alama upande wa buret unaonyeshwa. Ishara za 10, 15, na 20 zinaonyeshwa wazi na pete za usawa zilizochapishwa kwenye buret. Kati ya kila moja ya alama hizi zote za nambari, alama za nusu pia zinaonyeshwa wazi na alama za sehemu za usawa.

Kielelezo 4.16 (a) Mwanafunzi anajaza buret katika maandalizi ya uchambuzi wa titration. (b) Buret kawaida inaruhusu vipimo kiasi kwa karibu 0.01 mL. (mikopo a: muundo wa kazi na Mark Blaser na Matt Evans; mikopo b: muundo wa kazi na Mark Blaser na Matt Evans)

Mfano 4.14

Uchambuzi wa Titration

Mwisho wa mwisho katika titration ya sampuli ya 50.00-ml ya HCl yenye maji yalifikia kwa kuongeza 35.23 ml ya 0.250 M NaOH titrant. Mmenyuko wa titration ni:

HCl (a q) + NaOH (a q) ⟶ NaCl (a q) + H_{2} O (l)

Je, ni molarity ya HCl?

Suluhisho

Kama kwa mahesabu yote majibu stoichiometry, suala muhimu ni uhusiano kati ya kiasi molar ya aina ya kemikali ya riba kama taswira katika uwiano kemikali equation. Mbinu ilivyoainishwa katika modules ya awali ya sura hii inafuatiwa, na masuala ya ziada yanahitajika, kwa kuwa kiasi cha reactants zinazotolewa na ombi zinaelezwa kama viwango vya ufumbuzi.

Kwa zoezi hili, hesabu itafuata hatua zifuatazo zilizoelezwa:

Takwimu hii inaonyesha rectangles nne. Ya kwanza ni lavender ya kivuli na imeandikwa, “Volume ya N a O H.” Mstatili huu ni kufuatiwa na mshale akizungumzia haki ambayo ni kinachoitwa, “Molar mkusanyiko,” kwa mstatili wa pili. Mstatili huu wa pili ni kivuli pink na ni kinachoitwa, “Moles ya N a O H.” Mstatili huu unafuatiwa na mshale unaoelekeza haki ambayo ni kinachoitwa, “Stoichiometric factor,” kwa mstatili wa tatu ambao ni kivuli pink na ni kinachoitwa, “Moles ya H C l.” Mstatili huu unafuatiwa na mshale ulioitwa, “Volume ya Solution,” ambayo inaonyesha haki ya mstatili wa nne. Mstatili huu wa nne ni lavender ya kivuli na imeandikwa, “Mkazo wa H C l.”

Kiasi cha molar cha HCl kinahesabiwa kuwa:

35.23 mL NaOH \times \frac{1 L}{1000 mL} \times \frac{0.250 mol NaOH}{1 L} \times \frac{1 ml HCl}{1 mol NaOH} = 8.81 \times 10^{1-3} mol HCl

Kutumia kiasi kilichotolewa cha ufumbuzi wa HCl na ufafanuzi wa molarity, ukolezi wa HCl ni:

\begin{array}{l} M = \frac{mol HCl}{L ufumbuzi} \\ M = \frac{8.81 \times 10^{1-3} mol HCl}{50.00 ml \times \frac{1 L}{1000 ml}} \\ M = 0.176 M \end{array}

Kumbuka: Kwa aina hizi za mahesabu ya titration, ni rahisi kutambua kwamba molarity ya suluhisho pia ni sawa na idadi ya moles milli ya solute kwa lita moja ya suluhisho:

M = \frac{mold mumunyifu}{L ufumbuzi} \times \frac{\frac{10^{3} mmol}{mol}}{\frac{10^{3} mL}{L}} = \frac{mmol solute}{ufumbuzi wa mL}

Kutumia toleo hili la kitengo cha molarity kitapunguza hesabu kwa kuondoa mambo mawili ya uongofu:

\frac{35.23 mL NaOH \times \frac{0.250 mama Anoh}{mL NaOH} \times \frac{1 mmol HCl}{1 mama Anoh}}{50.00 ufumbuzi wa mL} = 0.176 M HCl

Angalia Kujifunza Yako

Sampuli ya 20.00-ml ya asidi oxalic yenye maji, H _{2 C ₂} O ₄, ilikuwa titrated na ufumbuzi wa 0.09113- M ya permanganate ya potasiamu, KMNo ₄ (angalia equation ya ionic wavu hapa chini).

{2mNo}_{4}^{-} (a q) + 5 H_{2} C_{2} O_{4} (a q) + 6 H^{+} (a q) ⟶ 10 {USHIRIKIANO}_{2} (g) + 2 {Mn}^{2+} (a q) + 8 H_{2} O (l)

Kiasi cha 23.24 mL kilihitajika kufikia hatua ya mwisho. Je, ni asidi ya oxalic molarity?

Jibu:

0.2648 M

Uchambuzi wa Gravimetric

Uchunguzi wa gravimetric ni moja ambayo sampuli inakabiliwa na matibabu ambayo husababisha mabadiliko katika hali ya kimwili ya analyte ambayo inaruhusu kujitenga kwake kutoka kwa vipengele vingine vya sampuli. Misa vipimo ya sampuli, analyte pekee, au sehemu nyingine ya mfumo wa uchambuzi, kutumika pamoja na stoichiometry inayojulikana ya misombo kushiriki, kibali hesabu ya mkusanyiko analyte. Mbinu za gravimetric zilikuwa mbinu za kwanza zilizotumiwa kwa uchambuzi wa kemikali za kiasi, na zinabaki zana muhimu katika maabara ya kemia ya kisasa.

Mabadiliko yanayotakiwa ya hali katika uchambuzi wa gravimetric yanaweza kupatikana kwa michakato mbalimbali ya kimwili na kemikali. Kwa mfano, maudhui ya unyevu (maji) ya sampuli mara kwa mara huamua kwa kupima wingi wa sampuli kabla na baada ya kufanyiwa mchakato wa kupokanzwa unaodhibitiwa ambao huvukiza maji. Pia kawaida ni mbinu za gravimetric ambazo analyte inakabiliwa na mmenyuko wa mvua ya aina iliyoelezwa hapo awali katika sura hii. Upepo ni kawaida pekee kutoka mchanganyiko wa majibu na filtration, kavu kwa makini, na kisha uzito (Kielelezo 4.17). Uzito wa usahihi unaweza kutumika, pamoja na mahusiano muhimu ya stoichiometric, kuhesabu mkusanyiko wa analyte.

Picha inavyoonyeshwa kwenye chupa na funnel inayotumiwa kwa filtration. Flask ina filtrate kidogo ya opaque kioevu na tint kidogo ya njano. Funnel, ambayo ina nyenzo ya njano na rangi ya machungwa, inakaa juu ya chupa. Flask inafanyika mahali pa kamba na imeshikamana na mstari wa utupu. Uunganisho kati ya funnel na chupa ni muhuri na bung ya mpira au gasket.

Kielelezo 4.17 Precipitate inaweza kuondolewa kutoka mchanganyiko majibu na filtration.

Mfano 4.15

Uchambuzi wa Gravimetric

Mchanganyiko imara wa 0.4550-g iliyo na MgSO ₄ hupasuka ndani ya maji na kutibiwa na ziada ya Ba (NO ₃) ₂, na kusababisha mvua ya 0.6168 g ya BaSO ₄.

{MgSO}_{4} (a q) + Ba {({HAPANA}_{3})}_{2} (a q) ⟶ {BaSO}_{4} (s) + Mg {({HAPANA}_{3})}_{2} (a q)

Je, ni mkusanyiko (asilimia kubwa) ya MgSO ₄ katika mchanganyiko?

Suluhisho

Mpango wa hesabu hii ni sawa na wengine kutumika katika mahesabu ya stoichiometric, hatua kuu kuwa uhusiano kati ya moles ya BaSO ₄ na MgSO ₄ kupitia sababu yao ya stoichiometric. Mara baada ya molekuli ya MgSO ₄ inakadiriwa, inaweza kutumika pamoja na wingi wa mchanganyiko wa sampuli ili kuhesabu mkusanyiko wa asilimia iliyoombwa.

Takwimu hii inaonyesha rectangles tano. Ya kwanza ni kivuli njano na inaitwa “Misa ya B a S O subscript 4.” Mstatili huu unafuatiwa na mshale unaoelekeza haki ya mstatili wa pili. Mshale umeandikwa, “Misa ya Molar.” Mstatili wa pili ni kivuli pink na ni kinachoitwa, “Moles ya B a S O subscript 4.” Mstatili huu unafuatiwa na mshale unaoelekeza haki ya mstatili wa tatu. Mshale umeandikwa, “Stoichiometric sababu.” Mstatili huu wa tatu ni kivuli pink na ni kinachoitwa, “Moles ya M g S O subscript 4.” Mstatili huu unafuatiwa na mshale ulioitwa, “Molar molekuli,” ambayo inaelekeza chini hadi mstatili wa nne. Mstatili huu wa nne ni kivuli njano na ni kinachoitwa, “Misa ya M g S O subscript 4.” Mstatili huu unafuatiwa na mshale ulioitwa, “Mfano wa molekuli,” ambayo inaashiria kushoto hadi mstatili wa tano. Hii mstatili tano ni kivuli Lavender na ni kinachoitwa, “Asilimia M g S O subscript 4.

Masi ya MgSO _{4 ambayo itazaa} molekuli zinazotolewa precipitate ni

0.6168 {g Baso}_{4} \times \frac{1 {mol BaSO}_{4}}{233.43 {g Baso}_{4}} \times \frac{1 {mol MGSO}_{4}}{1 {mol BaSO}_{4}} \times \frac{120.37 {g MgSO}_{4}}{1 {mol MGSO}_{4}} = 0.3181 {g MgSO}_{4}

Mkusanyiko wa MgSO ₄ katika mchanganyiko wa sampuli ni kisha mahesabu kuwa

\begin{array}{l} {asilimia MgSO}_{4} = \frac{{molekuli MgSO}_{4}}{sampuli ya wingi} \times 100 % \\ \frac{0.3181 g}{0.4550 g} \times 100 % = 69.91 % \end{array}

Angalia Kujifunza Yako

Ni asilimia gani ya ioni ya kloridi katika sampuli ikiwa 1.1324 g ya sampuli hutoa 1.0881 g ya AgCl wakati wa kutibiwa na Ag ziada ⁺?

{Ag}^{+} (a q) + {Cl}^{-} (a q) ⟶ AgCl (s)

Jibu:

23.76%

Utungaji wa msingi wa hidrokaboni na misombo inayohusiana inaweza kuamua kupitia njia ya gravimetric inayojulikana kama uchambuzi wa mwako. Katika uchambuzi wa mwako, sampuli iliyopimwa ya kiwanja huwaka kwa joto la juu chini ya mkondo wa gesi ya oksijeni, na kusababisha mwako wake kamili kutoa bidhaa za gesi za utambulisho unaojulikana. Mwako kamili wa hidrokaboni, kwa mfano, utazalisha dioksidi kaboni na maji kama bidhaa pekee. Bidhaa za mwako wa gesi hupitia vifaa tofauti vya ukusanyaji vilivyotangulia vyenye misombo ambayo huchagua kila bidhaa (Kielelezo 4.18). Ongezeko la wingi wa kila kifaa linalingana na wingi wa bidhaa iliyoingizwa na inaweza kutumika katika hesabu sahihi ya stoichiometric ili kupata umati wa kipengele husika.

Mchoro huu unaonyesha mshale unaozungumzia kutoka O subscript 2 ndani ya tube inayoongoza kwenye chombo kilicho na nyenzo nyekundu, kinachoitwa “Mfano.” Chombo hiki kipo ndani ya chombo cha rangi ya bluu na kitambaa cha ndani nyekundu ambacho kinaitwa “Furnace.” Mshale unaonyesha kutoka kwenye bomba hadi kulia ndani ya chombo juu ya vifaa vya sampuli nyekundu. Mshale unatoka nje ya chombo hiki kupitia bomba ndani ya chombo cha pili nje ya tanuru. Mstari unaonyesha kutoka kwenye bomba hili hadi studio juu ya mchoro unaosoma “C O subscript 2, H subscript 2 O, O subscript 2, na gesi nyingine.” Wengi ndogo nyanja kijani ni wazi katika chombo pili ambayo ni kinachoitwa chini, “H subscript 2 O absorbers kama vile M g (C l O subscript 4) subscript 2.” Mshale unaonyesha haki kwa njia ya chombo, na mshale mwingine unaonyesha haki ya kuelekea nje ya chombo kupitia tube ndani ya chombo cha tatu. Chombo cha tatu kina nyanja nyingi za bluu. Ni kinachoitwa “C O subscript 2 absorbers kama vile N A O H.” Mshale unaonyesha haki kwa njia ya chombo hiki, na mshale wa mwisho unaonyesha nje ya bomba kwenye mwisho wa chombo. Nje ya mwisho wa bomba hili mwishoni mwa mshale ni lebo, “O subscript 2 na gesi nyingine.”

Kielelezo 4.18 Mchoro huu wa schematic unaeleza vipengele vya msingi vya kifaa cha uchambuzi wa mwako kwa kuamua maudhui ya kaboni na hidrojeni ya sampuli.

Mfano 4.16

Uchambuzi wa mwako

Polyethilini ni polymer ya hydrocarbon inayotumiwa kuzalisha mifuko ya kuhifadhi chakula na vitu vingine vingi vya plastiki rahisi. uchambuzi mwako wa 0.00126-g polyethilini sampuli mavuno 0.00394 g CO ₂ na 0.00161 g H ₂ O. ni empirical formula ya polyethilini nini?

Suluhisho

Dhana ya msingi katika zoezi hili ni kwamba kaboni yote katika sampuli iliyowaka inabadilishwa kuwa dioksidi kaboni, na hidrojeni yote katika sampuli inabadilishwa kuwa maji:

C_{x} H_{y} (s) + {ziada O}_{2} (g) ⟶ x {USHIRIKIANO}_{2} (g) + \frac{y}{2} H_{2} O (g)

Kumbuka kuwa equation uwiano si lazima kwa ajili ya kazi ya mkono. Ili kupata fomu ya maandishi ya kiwanja, tu scripts x na y zinahitajika.

Kwanza, hesabu kiasi cha molar cha kaboni na hidrojeni katika sampuli, kwa kutumia raia iliyotolewa ya dioksidi kaboni na maji, kwa mtiririko huo. Kwa kiasi hiki cha molar, formula ya kimapenzi ya kiwanja inaweza kuandikwa kama ilivyoelezwa katika sura ya awali ya maandishi haya. Muhtasari wa njia hii hutolewa katika chati ya mtiririko ifuatayo:

Takwimu hii inaonyesha chati mbili za mtiririko. Mstari wa kwanza ni chati moja ya mtiririko. Katika mstari huu, mstatili upande wa kushoto ni kivuli njano na imeandikwa, “Misa ya C O subscript 2.” Mstatili huu unafuatiwa na mshale unaoelekeza haki ya mstatili wa pili. Mshale umeandikwa, “Misa ya Molar.” Mstatili wa pili ni kivuli pink na ni kinachoitwa, “Moles ya C O subscript 2.” Mstatili huu unafuatiwa na mshale unaoelekeza haki ya mstatili wa tatu. Mshale umeandikwa, “Stoichiometric sababu.” Mstatili wa tatu ni kivuli pink na ni kinachoitwa, “Moles ya C.” Mstatili huu unafuatiwa na mshale unaoitwa “Molar molekuli” ambayo inaonyesha haki ya mstatili wa nne. Mstatili wa nne ni kivuli njano na inaitwa “Misa ya C.” Chini, ni mtiririko wa pili. Inaanza na njano kivuli mstatili upande wa kushoto ambayo ni kinachoitwa, “Misa ya H subscript 2 O.” Mstatili huu unafuatiwa na mshale ulioitwa, “Molar molekuli,” ambayo inaonyesha haki ya mstatili wa pili. Mstatili wa pili ni kivuli nyekundu na kinachoitwa, “Moles of H subscript 2 O.” Mstatili huu unafuatiwa na mshale unaoelekeza haki ya mstatili wa tatu. Mshale umeandikwa, “Stoichiometric sababu.” Mstatili wa tatu ni kivuli cha rangi nyekundu na kinachoitwa “Moles of H.” Mstatili huu unafuatiwa upande wa kulia na mshale ulioitwa, “Molar molekuli,” ambayo inaonyesha mstatili wa nne. Mstatili wa nne ni kivuli njano na inaitwa “Misa ya H.” Mshale ulioandikwa, “Mfano wa molekuli” unasema chini ya mstatili huu kwenye mstatili wa kijani uliovuliwa. Mstatili huu umeandikwa, “Asilimia ya muundo.” Mshale unaenea chini ya mstatili wa pink unaoitwa, “Moles ya H,” kwenye mstatili wa kijani uliotiwa kivuli kinachoitwa, “Uwiano wa C hadi H mole.” Chini ya mstatili huu, mshale unaenea kwenye mstatili wa pili wa kivuli wa kijani ambao umeandikwa, “Mfumo wa upimaji.”

\begin{array}{l} mol C = 0.00394 {g CO}_{2} \times \frac{1 {mol CO}_{2}}{44.01 g} \times \frac{1 mol C}{1 {mol CO}_{2}} = 8.95 \times 10^{- 5} mol C \\ mol H = 0.00161 {g H}_{2} O \times \frac{1 {mol H}_{2} O}{18.02 g} \times \frac{2 mol H}{1 {mol H}_{2} O} = 1.79 \times 10^{- 4} mol H \end{array}

Fomu ya upimaji kwa kiwanja ni kisha inayotokana na kutambua ndogo nzima-nambari nyingi kwa kiasi hiki cha molar. Uwiano wa H hadi C molar ni

\frac{mol H}{mol C} = \frac{1.79 \times 10^{-4} mol H}{8.95 \times 10^{-5} mol C} = \frac{2 mol H}{1 mol C}

na formula ya maandishi ya polyethilini ni CH ₂.

Angalia Kujifunza Yako

Sampuli 0.00215-g ya polystyrene, polymer linajumuisha kaboni na hidrojeni, zinazozalishwa 0.00726 g ya CO ₂ na 0.00148 g ya H ₂ O katika uchambuzi wa mwako. Nini formula ya empirical ya polystyrene?