Анализ карбоната кальция в известняке

Карбонат кальция — осадочная горная порода органического, реже хемогенного происхождения, состоящая почти на 100 % из CaCO3 (известняка) в форме кристаллов кальцита различного размера.

Известняки – осадочные горные породы, состоящие главным образом из кальцита. Известняки могут содержать различные примеси (обломочных частиц, органических соединений и др.) Название известнякам дается в зависимости от особенностей слагающих его компонентов.

Известняки широко применяются в строительстве (как облицовочный камень, для производства извести и т. д.), стекольной промышленности, металлургии (флюсы).

Чистые известняки - белого или светло-серого цвета, примеси  органических веществ окрашивают карбонат кальция в чёрный и тёмно-серый  цвета, а окислы железа - в жёлтый, коричневый и красный.

 

Описание объекта

Карбонат кальция

(СаCO₃)

• Соль; белые кристаллы
• ρ= 2.74 г/см³, t_пл= 825°C,
• Гигроскопичен
• Растворимость в воде 0.00015 г/100 мл
• K⁰_s = 3.8·10⁻⁹

Используется как белый пищевой  краситель, для письма на досках, в  быту, в строительстве

Электронная теория (донорно –акцепторная) Льюиса 1926 г.

CaCO₃

CaCO₃↔ Са²⁺  + CO₃^2-

Са²⁺ - является кислотой

CO₃^2- - является основанием

C точки зрения этой теории:

Са²⁺ - акцептор электронной пары для образования общей ковалентной пары.

CO₃^2- - донор электронной пары для образования общей ковалентной пары.

Выбор методов анализа

Т.к.  K⁰_s <   10⁻⁸      титрование CaCO₃ кислотой

 или щелочью невозможно.

Гравиметрический анализ

Гравиметрический анализ основан на точном измерении массы  вещества известного состава, химически  связанного с определяемым компонентом  и выделенного в виде соединения или виде простого вещества. Классическое название метода – весовой анализ. Гравиметрический анализ основан на законе сохранения массы вещества при  химических превращениях и является наиболее точным из химических методов  анализа: предел обнаружения составляет 0,10%; правильность (относительная ошибка) - 0,2%.

Методы отгонки.  определяемое вещество переводят в летучее состояние, отгоняют и поглощают каким-либо поглотителем, по увеличению массы которого рассчитывают содержание компонента.

Содержание этапа анализа:

1. Расчет массы навески анализируемого вещества и ее взвешивание.
2. Растворение навески.
3. Создание условие осаждения.
4. Осаждение (получение осажденной формы).
5. Отделение осадка фильтрованием.
6. Промывание осадка.
7. Получение гравиметрической формы
8. Взвешивание гравиметрической формы.
9. Расчет результатов анализа

 

 

Осажденная форма  должна быть: 
 
1. Достаточно малорастворимой, чтобы обеспечить практически полное выделение определяемого вещества из раствора. 
 
2. Полученный осадок должен быть чистым и легко фильтрующимся. 
 
3. Осажденная форма должна легко переходить в гравиметрическую.

Основные требования к гравиметрической форме: 
 
1. Точное соответствие ее состава определенной химической формуле. 
 
2. Химическая устойчивость в достаточно широком интервале температур, отсутствие гигроскопичности. 
 
3. Как можно большая молекулярная масса с наименьшим содержанием в ней определяемого компонента,  для уменьшения влияния погрешностей при взвешивании на результат анализа.

 

Полное осаждение достигается, если K_s⁰<10^-8.

 

 

Титриметрический анализ

1.Титриметрический (объемный) анализ – один из разделов количественного анализа, основанный на точном измерении объема раствора реагента (титранта), вступившего в химическую реакцию с определяемым веществом. Концентрация раствора должна быть точно известна. Раствор реагента (титранта) с точно известной концентрацией называют стандартным, или титрованным рабочим раствором.

 

2.Наиболее важной операцией титриметрического анализа является титрование – процесс постепенного прибавления титрованного рабочего раствора к определяемому веществу. Титрование продолжают до тех пор, пока количество титранта не станет эквивалентным количеству реагирующего с ним определяемого вещества.

 

Выбор методов  анализа

Гравиметрический метод

CaCO₃ твердое вещество       можно применить:

1. Метод отгонки     
2. Метод осаждения, предварительно переведя навеску в раствор соляной кислотой.

                          СaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O

 

Титриметрический анализ

Перманганатометрия

• Объектами перманганатометрии являются спирты, сахариды, окислители и ионы не обладающие восстановительной активностью, следовательно метод перманганатометрического титрования подходит для анализа карбоната кальция.
• Сущьность метода: определяемое вещество титруют раствором перманганата калия.

MnO₄⁻ + 8H⁺ + 5    = Mn^2⁺ + 4H₂O

E⁰= 1,51 В

 

 

Т. к. константа высока, мы можем применить этот метод для анализа

 

 

• Комплексонометрическое титрование

Основано на реакции образования  комплексов ионов металлов с аминополикарбоновыми кислотами (комплексонами).

Из многочисленных аминополикарбоновых  кислот наиболее часто используют этилендиаминтетрауксусную  кислоту

 

HOOC        H₂C                                 CH₂     COOH

                     NH⁺     CH₂       CH₂      NH⁺

                    

          ‾OOC        H₂C                                   CH₂      COO‾     

 

Анализ образца

• Гравиметрический метод

Содержание  этапа анализа:

1. Расчет массы навески анализируемого вещества и ее взвешивание.
2. Растворение навески.
3. Создание условие осаждения.
4. Осаждение (получение осажденной формы).
5. Отделение осадка фильтрованием.
6. Промывание осадка.
7. Получение гравиметрической формы
8. Взвешивание гравиметрической формы.
9. Расчет результатов анализа

 

Гравиметрический  метод

CaCO₃ - твердое вещество нерастворимое в воде. Для переведения его в раствор воспользуемся HCl.

СaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O

 

• Гравиметрический метод

Метод отгоники

   Определяемое вещество  переводят в летучее состояние,  отгоняют и поглощают каким-либо  поглотителем, по увеличению массы  которого рассчитывают содержание  компонента.

Ход анализа:

При определении карбоната кальция в известняке выделяют CО₂ (действием на СаСО₃ кислоты или прокаливанием), пропускают его через газопоглотительную трубку с натронной известью или аскаритом, по увеличению массы трубки определяют массу поглощенного углекислого газа и рассчитывают массу и массовую долю карбоната кальция в анализируемом образце.

CaCO₃ CaO + CO₂↑

CO₂ +  NaOH          Na₂CO₃ + H₂O

Расчеты:

m(CO₂) = m(труб. кон) – m(труб. нач.)

n (CO₂) =

По уравнению реакции 

n(CO₂) = n (CaCO₃)

m (CaCO₃) = n (CaCO₃) * M (CaCO₃)

• Гравиметрический метод
• Сущность метода:    СaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O

                                Ca^2⁺ + C₂O₄^2⁻ +  H₂O  = CaC₂O₄ * H₂O ↓

Анализируемое соединение (СаСО₃) нерастворимо в воде. Прежде чем приступать к анализу, необходимо навеску его растворить в кислоте:

СaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + CO₂↑ + H₂O

Для количественного  определения Са²⁺ его осаждают в виде оксалата кальция СаС₂0₄*Н₂0 (соль щавелевой кислоты Н₂С₂0₄). Осаждение ведут раствором   (NH₄)₂C₂О₄,  реагирующим с СаС1₂:

Склонность  CaC₂О₄*H₂0 выпадать в виде мелкокристаллического осадка, способного проходить сквозь фильтр, является свойством, очень усложняющим работу. Поэтому соблюдение основного условия образования достаточно крупнокристаллических осадков — ведение осаждения из слабо пересыщенного раствора— приобретает здесь весьма большое значение. Эта цель достигается при осаждении СаС₂О₄ не из нейтрального, а из кислого раствора

Щавелевая кислота ионизирует по уравнениям:

Константы ионизации ее равны соответственно:

Ионы  С₂О₄⁻ появляются в результате второй ступени ионизации, которая, как показывает величина соответствующей константы (К₂), идет сравнительно слабо. Из этого следует, что при подкислении раствора большая часть С₂О₄⁻ ионов, введенных в него с (NH₄)₂C₂О₄, будет связываться в анионы НС₂О₄⁻ и далее — в свободную Н₂С₂О₄:

Концентрация  их будет вследствие этого уменьшаться, и притом тем сильнее, чем больше введено в раствор Н⁺. При достаточно сильном подкислении раствора концентрация С₂О_4⁻ понизится настолько, что произведение растворимости СаС₂0₄, равное

окажется  не достигнутым, и осадок выпадать не будет.

Если, однако, к такому сильнокислому раствору прибавлять по каплям NH₄OH, то концентрация Н⁺ будет постепенно понижаться, а концентрация  С₂О₄⁻ — возрастать.

В конце  концов произведение концентраций [Са²⁺] [С₂О₄⁻] превысит величину произведения растворимости и осадок начнет выпадать. Но так как аммиак прибавляют по каплям, концентрация С₂0₄⁻ в растворе повышается очень медленно и постепенно. Вследствие этого осаждение происходит все время из слабо пересыщенного относительно СаС₂0₄ раствора, и кристаллы его могут в достаточной степени укрупниться.

По мере понижения концентрации Н⁺ в растворе осаждение Са²⁺ будет становиться все более и более полным.

Практически полным осаждение становится уже  при рН = 3,3.

Дальнейшее  прибавление NH₄OH бесцельно. Момент, когда рН раствора становится равным 4, можно уловить, ведя осаждение в присутствии индикатора метилового оранжевого, который приблизительно при этом значении рН меняет свою розовую окраску на желтую.

Осадок  СаС₂0₄ довольно хорошо растворим в воде, промывание   чистой   водой   вызвало   бы   заметную   потерю   его.   Поэтому в промывную жидкость необходимо вводить С₂О₄⁻-ионы, понижающие растворимость осадка.

Удаляя  Сl⁻ промыванием, предотвращают потерю при прокаливании осадка вследствие образования летучего СаСl₂.

В качестве весовой формы при рассматриваемом  определении получается обычно окись  кальция СаО, образующаяся из СаС₂0₄-Н₂0 при 900—1200 °С;  реакция протекает по уравнению

Недостатком СаО как весовой формы является ее гигроскопичность и способность поглощать из воздуха СО₂, поэтому при взвешивании необходимо соблюдение ряда предосторожностей. Кроме того, процентное содержание Са в СаО (и, следовательно, фактор пересчета) велико, что также невыгодно.

Вследствие  этих недостатков СаО как весовой формы иногда предпочитают превращать СаС₂0₄*Н₂0 в СаС0₃ прокаливанием при температуре около 500 °С или в CaS0₄ обработкой раствором H₂S0₄ с последующим удалением избытка кислоты осторожным выпариванием ее и прокаливанием сухого остатка.

 

 

 

Пеманаганатометрический метод

Особенности метода:

1. Доступность
2. Дешевизна
3. Высокий окислительно - восстановительный потенциал
4. Вещество нестандартное, требует стандартизации
5. В соляно-кислых растворах идет побочная реакция, поэтому используют смесь Рейнгарда—Циммермана

Пеманаганатометрический метод

Сущность  метода    метод количественного определения веществ с применением титранта – раствора перманганата калия KMnO₄.

 

 

 

 

 

 

Кислая	MnO4-+8H++5e-→Mn2++4H2O
Нейтральная	MnO4-+4H++3e-→MnO2+2H2O MnO4-+2H2O +3e-→MnO2+4OH-
Щелочная	MnO4-+e-→ MnO42-