标准溶液和基准物质(单位,表示法)

上一篇 / 下一篇  2010-07-07 15:10:45

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容量的单位

众所周知,在SI单位中,体积的单位为立方米(m3)。化学研究中则广泛地使用其分量:立方分米(dm3)、 立方厘米(cm3)、立方毫米(mm3)等。升(L)是立方分米的一个别名,即1L = 1dm3。 当涉及玻璃容器的容量时,体积的单位大多用立方厘米,只在特殊情况下采用立方分米或立方毫米。
毫升(mL)一词常作为立方厘米的别名,即1mL = 1cm3。微升(μL)则作为立方毫米的别名,即1μL = 1 mm3。其基本关系为
1mL = 10–3L
1μL = 10–3mL = 10–6L
体积的符 号用V表示。

浓度的表示法

在化学分析工作中,随时都要使用各种浓度的溶液。根据对准确度的不同要求,溶液浓度值的有效数字可以是不同的。象常用的 试剂、沉淀剂、指示剂、缓冲溶液等,通常只需要一位有效数字,如5% (NH4)2C2O4、0.5% 酚酞、2mol/L H2SO4等;而滴定分析中用的标准溶液浓度值,则需要准确到四位有效数字。如 0.2500mol/L HCl标准溶液。
溶液的浓度是指在一定量的溶液或溶剂中,所含溶质的量。
在具体介绍浓度表示法之前,先根据SI 单位制对常用的几个基本量作个交待。
质量:以m表示,单位为kg。如0.5kg的Zn,即mZn= 0.5kg。以往的教科书中常习惯地称为某物质的重量。
摩尔:1摩尔所包含的基本单元数就是阿佛加得罗常数6.023×1023个, 基本单元可以是原子、分子、离子、电子或其他粒子,使用时应予说明。如1摩尔Cu原子 = 6.023×1023Cu原子。
摩 尔质量:1摩尔某物质的质量。用M表示,单位为kg/mol。例如NaOH的摩尔质量是40.00×10–3kg。 即MNaOH= 40.00×10–3kg/mol。或MNaOH= 40.00kg/mol。
物质的量:用n表示。即过去习惯上所称的物质摩尔数。nA代 表A物质的量,也就是物质A的摩尔数。即表示基本单元数N(分子、离子等)除以阿佛加德罗常数NA\。例如对于58.44g的NaCl,其NaCl的量则为
\
溶液浓度的表示方法,大致有以下几种:
⒈量浓度
每立方分米溶液中所含溶质的量,称为该溶质的量浓度。以C表 示或以[ ]表示。单位为mol/dm3或mol/L。例如CNaOH= 0.1mol/L,表示1立方分米或1升溶液中所含NaOH的量nNaOH= 0.1mol。若配制此溶液,则称取4g NaOH溶于水后稀释至1L。过去习惯称该浓度为体积摩尔浓度。
⒉质量摩尔浓度
1kg溶剂中所 含溶质的量,称为质量摩尔浓度。以mb表示。单位为mol/kg。例如mNaCl = 0.01000mol/kg,表示1kg水中所含NaCl的量nNaCl = 0.01000mol。若配制此溶液,则称取0.5844g NaCl溶于1kg水中即可。
⒊质量分数
单位质量的溶液中所含溶质的质量,或者说溶液中某一组分的质量占各组分质量之和的分数。以W表 示。单位可以是%、μg /g、ng /g等。若写成x %(m /m)即表示100g溶液中含有溶质xg。(m /m)表示溶质和溶液都用质量单位。市售的酸、碱通常大多数用这种方法表示。如70%的硝酸,是指在每100g的硝酸溶液中含有70克HNO3和 30g水,即W = 70%。
当浓度很稀时,如工业废水中Hg2+的浓度为0.0005%,则表示成5μg /g即可。若浓度再小1000倍,还可用ng /g表示。
⒋体积分数
单位体积溶液中所含溶质的体积,或者说溶液中各组分的体积比。以φ表 示。例如王水,是由3体积的浓盐酸和1体积浓硝酸混合而成的。再如,1:1的盐酸则是取1体积浓盐酸用1体积水稀释而成。当液体试剂互相混合或用水稀释 时,常用这种表示法。
⒌质量浓度
单位体积溶液中所含溶质的质量,以ρ表示。单位为kg /dm3或g /L。例如25.06 g/L的Na2CO3溶液,是指1L溶液中含有Na2CO325.06g。若须配制此溶液,则称取25.06g Na2CO3,溶于水后稀释至1L。即ρ= 25.06g /L。当浓度很稀时,可采用μg /mL, ng /mL表示。
⒍滴定度
每毫升标准溶液相当于被测物质的克数,以TM1 / M2表示,M1为溶液中溶质的分子式,M2为 被测物质的分子式。单位为g /mL。例如用K2Cr2O7容量法测定铁时,若每毫升K2Cr2O7标 准溶液可滴定0.05000g铁,则此K2Cr2O7溶液的滴定度是TK2Cr2O7= 0.005000g /mL。若某次滴定用去此标准溶液22.00mL,则此试样中Fe的质量为
这种浓度表示法常用生产单位的例行分析,可 简化计算。
若采用固定试样称量,滴定度还可以直接表示被测物质的质量分数。例如 = 1.00% /mL,表示称取固定试样的质量为某一定值时,1mL K2Cr2O7标准溶液相当 于试样中铁的质量分数为1.00%。测定时,若用去K2Cr2O7标准溶液 26.18mL,则试样中铁的含量为
\

标准溶液浓度大小的选择

为了选择标准溶液浓度的大小,通常要考虑下面几个因素:
⑴ 滴定终点的敏锐程度;
⑵ 测量标准溶液体积的相对误差;
⑶ 分析试样的成分和性质;
⑷ 对分析准确的要求。
显而易见,若标准溶液较浓,则最后一滴标准溶液会使指示剂发生的变化信号更为明显,因为它 所含的作用物质较多。但标准溶液越浓,由1滴或半滴过量所造成的相对误差就越大,这是因为估计滴定管读数时的视差几乎是常数(50.00mL滴定管的读数 视差约为±0.02mL)。所以为了保证测量时的相对误差不大于±0.1%,所用标准溶液的体积一般不小于约20mL,而又不得超过50mL,否则会引起 读数次数增多而增加视差机会。
另一方面,在确定标准溶液浓度大小时,还需考虑一次滴定所消耗的标准溶液的量要适中。关于标准溶液需要量的多少,不 仅决定它本身的浓度,也与试样中待组分含量的多少有关。待测定组分含量越低,若使用的标准溶液浓度又较高,则所需标准溶液的量就可能太少,从而使读数的准 确度降低。同时还应考虑试样的性质,例如,测定天然水的碱度(其值很小)时,可用0.02mol/L的标准酸溶液直接滴定,但在测定石灰石中的碱度时,则 需要0.2mol/L标准酸溶液(先将试样溶于已知准确体积的过量标准溶液中,待试样完全溶解后,再用碱标准溶液返滴过量的酸),否则会因酸太稀而试样溶 解相当慢。
纵上所述,在定量分析中常用的标准溶液浓度大多为0.05000mol/L~0.2000mol/L,而以0.1000mol/L溶液 用得最多,在工业分析中,时常用到1.000mol/L标准溶液;微量定量分析中,则常采用0.0010 mol/L的标准溶液

基准物质

用来直接配制标准溶液或标定溶液浓度的物质称为基准物质。作为基准物质应符合下列要求:
⑴ 物质的组成应与化学式完全相符。若含结晶水,其结晶水的含量也应与化学式相符。如草酸H2C2O4·2H2O, 硼砂Na2B4O7·10H2O等。
⑵ 试剂的纯度要足够高,一般要求其纯度应在99.9%以上,而杂质含量应少到不致于影响分析的准确度。
⑶ 试剂在一般情况下应该很稳定。例如不易吸收空气中的水份和CO2,也不易被空气所氧化等。
⑷ 试剂最好有比较大的摩尔质量。这样一来,对相同摩尔数而言,称量时取量较多,而使称量相对误差减小。
⑸ 试剂参加反应时,应按反应方程式定量进行而没有副反应。
最常用的基准物质有以下几类:
⑴ 用于酸碱反应:无水碳酸钠Na2CO3, 硼砂Na2B4O7·10H2O,邻苯二甲酸氢钾KHC8H4O4, 恒沸点盐酸,苯甲酸H(C7H5O2),草酸H2C2O4·2H2O 等。
⑵ 用于配位反应:硝酸铅Pb(NO3)2,氧化锌ZnO,碳酸钙CaCO3, 硫酸镁MgSO4·7H2O及各种纯金属如Cu,Zn,Cd,Al,Co,Ni等。
⑶ 用于氧化还原反应:重铬酸钾K2Cr2O7,溴酸钾KBrO3, 碘酸钾KIO3,碘酸氢钾KH(IO3)2,草酸钠Na2C2O4, 氧化(III)As2O3,硫酸铜CuSO4·5H2O和 纯铁等。
⑷ 用于沉淀反应:银Ag,硝酸银AgNO3,氯化纳NaCl,氯化钾KCl,溴化钾(从溴酸钾制备的)等。
以 上这些反应的含量一般在99.9%以上,甚至可达99.99%以上。值得注意的是,有些超纯物质和光谱纯试剂的纯度虽然很高,但这只说明其中金属杂质的含 量很低而已,却并不表明它的主成分含量在99.9%以上。有时候因为其中含有不定组成的水分和气体杂质,以及试剂本身的组成不固定等原因,会使主成分的含 量达不到99.9%,也就不能用作基准物质了。因此不得随意选择基准物质。
表7-1 最常用基准物质的干燥条件和应用
基准物质干燥后的组成干燥条件C标定对象
名称分子式
碳酸氢钠Na2HCO3Na2CO3270~300
碳酸钠Na2CO3·10H2ONa2CO3270~300
硼砂Na2B4O7·10H2ONa2B4O7·10H2O放在含NaCl和蔗糖
饱和液的干燥器中
碳酸氢钾KHCO3KCO3270~300
草酸H2C2O4·2H2OH2C2O4·2H2O室温空气干燥碱或KMnO4
邻苯二甲酸氢钾KHC8H4O4KHC8H4O4110~120
重铬酸钾K2Cr2O7K2Cr2O7140~150还原剂
溴酸钾KBrO3KBrO3130还原剂
碘 酸 钾KIO3KIO3130还原剂
CuCu室温干燥器中保存还 原 剂
三氧化二砷As2O3As2O3同上氧化剂
草酸钠Na2C2O4Na2C2O4130氧化剂
碳酸钙CaCO3CaCO3110EDTA
硝酸Pb(NO3)2Pb(NO3)2室温干燥器中保存EDTA
氧化锌ZnOZnO900~1000EDTA
ZnZn室温干燥器中保存EDTA
氯化钠NaClNaCl500~600AgNO3
氯化钾KClKCl500~600AgNO3
硝酸银AgNO3AgNO3220~250氯化物
标准溶液是具有准确浓度的溶液,用于滴定待测试样。其配制方法有直接法和标定法两种。
⒈直接法
准确称取 一定量基准物质,溶解后定量转入容量瓶中,用蒸馏水稀释至刻度。根据称取物质的质量和容量瓶的体积,计算出该溶液的准确浓度。例如,称取1.471g基准 K2Cr2O7,用水溶解后,置于250mL容量瓶中,用水稀释至刻度,即得K2Cr2O7的 量浓度 = 0.02000mol/L。或[K2Cr2O7] = 0.02000mol/L。
⒉标定法
有些物质不具备作为基准物质的条件,便不能直接用来配制标准溶液,这时可采用标定法。将该物质先配成 一种近似于所需浓度的溶液,然后用基准物质(或已知准确浓度的另一份溶液)来标定它的准确浓度。例如HCl试剂易挥发,欲配制量浓度CHCl为 0.1mol/L的HCl标准溶液时,就不能直接配制,而是先将浓HCl配制成浓度大约为0.1mol/L的稀溶液,然后称取一定量的基准物质如硼砂对其 进行标定,或者用已知准确浓度的NaOH标准溶液来进行标定,从而求出HCl溶液的准确浓度。
在实际工作中,有时选用与被测试样组成相似的“标准 试样”来标定标准溶液,以消除共存元素的影响,提高标定的准确度。
7.4.6 标定方式
用基准物质或标准试样来校正所配制标准溶液浓度的过程叫做标定。用基准物质来进行标定时,可采用下列两种方式:
⒈ 称量法
准确称取n份基准物质(当用待标定溶液滴定时,每份约需该溶液25mL左右),分别溶于适量水中,用待标定溶液滴定。例如,常用于标定 NaOH溶液的基准物质是邻苯二甲酸氢钾(KHC8H4O4)。由于邻苯二甲酸氢钾 摩尔质量较大即204.2g/mol,欲标定量浓度CNaOH为0.1mol/L的NaOH溶液,可准确称取0.4~0.6g邻苯 二甲酸氢钾三份,分别放入250mL锥形瓶中,加20~30mL热水溶解后,加入5滴0.5%酚酞指示剂,用NaOH溶液滴定至溶液呈现微红色即为终点。 根据所消耗的NaOH溶液体积便可算出NaOH溶液的准确浓度。作为一个具体的例子,若称取KHC8H4O40.5105g,用NaOH滴定时消耗体积为25.00mL,则NaOH溶液的准确浓度可如下算出。
此滴定所依据的反应式为:
\
nNaOH=nKHC8H4O4
已 知KHC8H4O4的摩尔质量为204.2mg /mmol。
\
也就是nNaOH= 2.500mmol
于是得
\
⒉移液管法
准确称取较大一份基准物质,在容量瓶中配成一定体积的溶液,标定前,先用移液管移取1/n整分(例 如,用25mL移液管从250mL容量瓶中每份移取1/10),分别用待标定的溶液滴定。作为一个具体例子,用基准物质无水碳酸钠标定盐酸浓度时便时常采 用此法。首先准确称取无水碳酸钠1.2~1.5g,置于250mL烧杯中,加水溶解后,定量转入250mL容量瓶中,用水稀释至刻度,摇允备用。然后用移 液管移取25.00mL(即每份移取其1/10)上述碳酸纳标准溶液于250mL锥形瓶中,加入1滴甲基橙指示剂,用HCl溶液滴定至溶液刚好由黄色变为 橙色即为终点。记下所消耗的HCl溶液的体积。由此计算出HCl溶液的准确浓度。
若称取无水碳酸纳1.3250g,消耗HCl体积为 25.00mL,则HCl溶液的准确浓度可由下面式子算出。
此滴定所依据的反应式为
2HCl + Na2CO3= 2NaCl + H2O + CO2
nHCl= 2nNa2CO3
已知碳酸纳的摩尔质量为 105.99mg /mmol。
\
从而得nHCl= 2 × 12.50 = 25.00(mmol)
则 HCl的量浓度
\
这种方法的优点在于一次称取较多的基准物质,可作几次平行测定,既可节省称量时间,又可降低称量相对误差。值得注意的 是,为了保证移液管移取部分的准确度,必须进行容量瓶与移液管的相对校准。
这两种方式不仅适用于标准溶液的标定,而且对于试样中组分的测定,同样 适用。
在配制和标定标准溶液时,必须注意尽可能地降低操作中的误差,其中最重要的有:
⑴ 试样重量不能太小,以保证分析结果的准确度,一般分析天平的称量误差为±0.0002g,因此试样称量必须大于0.2000g。而滴定管读数常 有±0.02mL的误差,所以消耗滴定剂的体积必须在20mL以上。实际上经常使其消耗量取30mL左右。
⑵ 应用校准过的仪器。通常应将所使用的设备、量器如砝码、滴定管、容量瓶、移液管等作相对校准。
⑶ 标定标准溶液与测定试样组分时的实验条件,应力求一致,以便抵消实验过程中的系统误差。例如,使用同一指示剂和用标准试样来标定标准溶液等。
7.4.7 标准溶液的保存
配制成并经标定的标准溶液,往往不是短时期就能用完的,因而存在一个如何保存的问题。通常根据其不同性质选择合适的容 器,或采取防光、防吸水等必要的措施。这样一来,有些标准溶液便可以长时期保持其原浓度不变,或很少改变。例如,曾有人作过实验,K2Cr2O7标 准溶液的浓度保存了24年之久未发生明显改变。但是,如果容器不够严密,任何溶液的浓度都会因溶剂的蒸发而改变。即使在严密的容器中,往往也会因溶剂的蒸 发和在器壁上重新凝聚后流下而使溶液浓度不匀,因此在使用时应先摇动。还需注意的是,有许多标准溶液是不稳定的。例如,还原性物质容易被氧化,强碱性溶液 会与玻璃瓶作用或从空气中吸收CO2等。因此,贮存碱性标准溶液的容器最好用聚乙烯类制品。若使用的是玻璃瓶,则可在瓶的内壁涂上 石蜡来防止碱的作用。有时在容器和滴定管口上连接含有烧碱和石灰混合物的干燥管装置,这样可防止CO2的入侵。其他如对见光分解的 AgNO3溶液,应贮存在棕色瓶中或放在暗处。尚需指出,对不稳定的标准溶液还需定期进行标定。表7-2列出常用标准溶液的保存期 限。
表7-2 常用标液的保存期限
标准溶液保存期限(月)
名称分子式浓度(N)
各种酸标液-各种浓度3
氢氧化钠NaOH各种浓度2
氢氧化钾乙醇液KOH0.1与0.50.25
硝酸银AgNO30.13
硫氰酸铵NH4SCN0.13
高锰酸钾KMnO40.12
高锰酸钾KMnO40.051
溴酸钾KBrO30.13
碘液I20.11
硫代硫酸钠Na2S2O30.13
硫代硫酸钠Na2S2O30.052
硫酸亚铁FeSO40.13
硫酸亚铁FeSO40.053
亚砷酸钠Na3AsO30.11
亚硝酸钠NaNO20.10.5
EDTANa2H2Y各种浓度3





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