При выполнении титриметрического анализа часто приходится отмерять точные объемы различных жидкостей. Для этой цели существует специальная мерная посуда – мерные колбы, пипетки, бюретки.
Грамотная работа с химической посудой предполагает соблюдение основных правил:
- пользование только хорошо вымытой и высушенной посудой;
- при подготовке к опыту отбирают посуду, необходимую только для его проведения;
- используют каждый вид посуды исключительно в соответствии с его назначением;
- нагреванию подвергают только посуду с соответствующей маркировкой;
- моют посуду сразу после завершения работы.
Мерные колбы служат для приготовления рабочих растворов и разбавления жидких проб перед взятием аликвоты раствора для анализа. Вместимость мерных колб от 10 см3 до 2 дм3. На каждой мерной колбе указана та температура, при которой она имеет точно обозначенный на ней объем. Для правильного измерения объема важно, чтобы глаз наблюдателя находился на одном уровне с меткой, а нижняя часть мениска жидкости касалась бы этой черты. Раствор, находящийся в колбе, доводят до метки в несколько приемов: сначала наливают растворитель до 1/3–1/2 вместимости колбы и кругообразными движениями перемешивают содержимое. Затем добавляют растворитель до горлышка колбы, после чего приливают его тонкой струйкой из промывалки, немного не доводя до метки. Последние порции растворителя приливают из капельницы или промывалки. Чем меньше диаметр горлышка, тем точнее можно измерить объем. Не следует держать мерную колбу за ее нижнюю часть, так как может произойти искажение объема за счет повышения температуры растворителя от руки. После доведения уровня жидкости до метки (по нижнему мениску) колбу закрывают пробкой и полученный раствор хорошо перемешивают, переворачивая колбу вверх-вниз.
Приготовленные растворы не следует хранить в мерных колбах длительное время, так как в процессе хранения происходит выщелачивание стекла, что сопровождается изменением объема. Следует также помнить, что мерная посуда предназначена не для нагревания или отмеривания жидкости с последующим переливанием, а только для получения точного объема внутри сосуда (приготовления точного раствора).
Пикнометры применяют для определения относительной плотности жидкостей с точностью до четвертого знака после запятой при 20 °С. При определении относительной плотности сначала взвешивают пустой пикнометр, потом – с бидистиллированной водой, а затем – с исследуемой жидкостью и находят массу равных объемов исследуемой жидкости и воды. Отношение этих масс представляет собой относительную плотность. Перед взвешиванием пикнометр с водой и исследуемой жидкостью выдерживают при 20 °С в течение не менее 20 мин.
Пикнометр Рейшауэра (рис. 2.14, а) имеет диаметр горлышка 2,5...4 мм. Для его заполнения применяют специальную воронку. Пикнометр в виде мерной колбы (рис. 2.14, 6) имеет вместимость 25...50 см3, он может быть с притертой пробкой и без нее.
Рис. 2.14. Пикнометры:
а – Рейшауэра; б – в виде мерной колбы; в – для вязких жидкостей
Пикнометр для вязких жидкостей (рис. 2.14, в) имеет капиллярную пробку. Его заполняют доверху исследуемой жидкостью, закрывают пробкой. При этом избыток жидкости удаляется через капилляр (диаметр 0,7...1,2 мм), после чего прибор обмывают снаружи водой, быстро вытирают и взвешивают. Чтобы жидкость не испарялась, используют притертый колпачок.
Основные погрешности при работе с пикнометрами возникают при несоблюдении температуры опыта, неточном доведении жидкости до метки и плохом удалении влаги с внешней поверхности и внутренних стенок горлышка пикнометра.
Пипетки служат для переноса определенных объемов жидкости из одного сосуда в другой и предназначены для точного измерения объемов на выливание. Они бывают двух видов: градуированные и неградуированные. С помощью градуированной пипетки можно отмеривать различные объемы растворов (рис. 2.15).
Рис. 2.15. Работа с пипеткой:
а, б – пипетки градуированные; в – положение пипетки при установлении мениска на уровне метки; г – выливание раствора из пипетки
Неградуированные пипетки (пипетки Мора) рассчитаны на какой-либо один объем. В титриметрическом анализе наиболее часто применяют пипетки на 1, 5, 10, 25 и 50 см3. Пипетки вместимостью менее 1 см3 называются микропипетками.
Чтобы заполнить пипетку, ее берут большим и указательным пальцами и опускают нижним концом в раствор. Затем с помощью резиновой груши жидкость засасывают внутрь пипетки, причем мениск должен подняться чуть выше метки. Затем быстро закрывают верхнее отверстие указательным пальцем и, держа пипетку строго вертикально, постепенно ослабляют нажим, давая жидкости опуститься до метки. В этот момент нужно вновь плотно закрыть отверстие.
Чтобы вылить жидкость из пипетки, прикасаются ее нижним концом к внутренней поверхности сосуда и понемногу ослабляют нажим пальца, давая жидкости медленно вытечь (см. рис. 2.15). После этого оставляют кончик пипетки в соприкосновении со стенкой еще на 10...15 с. Не следует выдувать остаток жидкости из пипетки, так как этот объем не учитывался при калибровке мерной посуды.
Рис. 2.16. Виды бюреток:
а — со стеклянным краном; б — с зажимом Мора; в — со стеклянным затвором-шариком; г — отсчет по бюретке; д — мениск раствора в бюретке Шельбаха
Бюретки предназначены для измерения объема вытекающей из них жидкости. Нулевая точка шкалы находится в верхней части бюретки. Нижний конец бюретки снабжен затвором, в качестве которого могут выступать стеклянный кран, перехваченная металлическим зажимом резиновая трубка со стеклянным наконечником или стеклянный шарик, вставленный в резиновую трубку (рис. 2.16). В последнем случае при сдавливании трубки в месте расположения шарика резина растягивается и образуется щель, через которую и вытекает раствор из бюретки.
Перед началом титрования бюретку строго вертикально закрепляют в штативе и наполняют ее рабочим раствором чуть выше нулевой отметки. Затем открывают затвор, дают раствору заполнить резиновую трубку и выпускают жидкость до тех пор, пока мениск не коснется нулевой черты. После этого в коническую колбу помещают отмеренный объем анализируемого раствора, небольшое количество индикатора и начинают титрование, то есть выпускают жидкость из бюретки в колбу (рис. 2.17). Выпускать рабочий раствор следует не очень быстро. Обычно титрование проводят со скоростью 1 см3 за 6...8 с. Когда по цвету индикатора будет заметно приближение точки эквивалентности, скорость титрования уменьшают и прибавляют рабочий раствор по одной капле, каждый раз тщательно перемешивая содержимое колбы.
За количеством вытекающей из бюретки светлой титрования прозрачной жидкости следят по положению нижнего края мениска (см. рис. 2.16, г). Если титрование проводят окрашенным раствором, то деление отсчитывают по верхнему краю мениска. В этом отношении очень удобны бюретки Шелъбаха, у которых вдоль задней стенки на фоне молочного стекла имеется синяя полоска. Вследствие различного преломления света эта полоска на месте мениска представляется в виде двух направленных друг к другу конусов (см. рис. 2.16, д). Глаз наблюдателя при отсчете находится на уровне мениска.
Измерение объема производят до сотых долей см3: 25,56 см3, а не 25,6 см3.
При титровании объемом от десятых до сотых долей см3 пользуются микробюреткой.
Рис. 2.17. Выполнение титрования
Пробирки бывают обычные, конические и градуированные. Обычные пробирки применяют для проведения реакций в малых объемах. Вместимость пробирки в этом случае должна быть больше объема реакционной смеси. Перемешивание содержимого осуществляют, держа пробирку между пальцами левой руки и слегка постукивая пальцем правой руки по ее нижней части. Недопустимо проводить перемешивание, закрыв пробирку пальцем и переворачивая ее. Если объем реакционной смеси больше половины объема, то содержимое перемешивают стеклянной палочкой. Нагревать содержимое пробирки лучше в водяной бане, зажав пробирку держателем. При этом открытый конец должен быть обращен в сторону от работающего и от коллег.
Делительные воронки, применяемые для расслоения несмешивающихся жидкостей, отличаются от обычных формой (цилиндрическая или грушевидная) и наличием притертого крана в верхней части отводной трубки. Как правило, делительная воронка снабжается еще и притертой стеклянной пробкой. Перед началом работы кран воронки аккуратно смазывают вазелиновым маслом или специальной смазкой, что обеспечивает его плавное вращение внутри трубки и герметичность.
В зависимости от величины и формы делительную воронку закрепляют по-разному. Цилиндрическую воронку небольшой емкости укрепляют просто в лапке штатива. Большие воронки помещают между двумя кольцами: нижнюю часть воронки укрепляют на кольцо, диаметр которого меньше диаметра воронки (верхнее кольцо имеет больший диаметр). Если воронка при этом качается, то между ней и кольцом помещают резиновую пластинку. Грушевидную воронку укрепляют на кольце, а горлышко ее закрепляют лапкой.
Капельные воронки более легкие и тонкостенные, чем обычные делительные, их удобно применять при добавлении в реакционную массу вещества небольшими порциями или по каплям. Поэтому чаще всего они составляют часть прибора.
Холодильники используют для охлаждения и конденсации паров. Для отведения конденсата из реакционной среды и сбора его в специальном приемнике применяют так называемые «прямые» холодильники Либиха. Они представляют собой стеклянную трубку, впаянную в стеклянную «рубашку» с двумя отростками для входа и выхода охлаждающей воды. Если эксперимент предусматривает возвращение конденсата в реакционную смесь, используют «обратные» холодильники, внутренняя часть которых выполнена, как правило, в виде трубки с шарообразными расширениями (холодильник Аллина) или спирали (змеевиковый холодильник). Пользуясь холодильниками, следует помнить, что прямой холодильник Либиха можно применять только для конденсации паров температурой не выше 150 °С, а обратный холодильник Аллина всегда следует располагать только в вертикальном положении.
Эксикаторы представляют собой сосуды из толстого стекла с притертой крышкой. Они предназначены для медленного и равномерного высушивания и охлаждения, а также для хранения веществ, легко поглощающих влагу. В нижнюю часть эксикатора помещают различные водопоглотители (СаС12, Р2О5, силикагель и др.), а в верхнюю – сосуд с высушиваемым веществом, который устанавливают на специальной фарфоровой подкладке, расположенной на дне цилиндрической части эксикатора. Для достижения полной герметичности края крышки покрывают специальной смазкой. Открывать крышку следует, медленно сдвигая ее в сторону.
Воронки предназначены для переливания жидкостей. Они бывают разного диаметра: 35, 55, 70, 100, 150, 200, 250, 300 мм. Для фильтрования следует использовать воронки с кососрезанной трубкой. Если воронка при переливании или фильтровании плотно прилегает к горлышку сосуда, в трубке могут быть воздушные пробки, препятствующие течению жидкости. Их устраняют, слегка приподнимая воронку над горлышком сосуда.