Титриметрический анализ.

Цель работы: Ознакомление с основными видами титриметрического анализа. Определение концентраций веществ в растворах титриметрическим методом.

Общие сведения

Титримеррический метод анализа основан на реакциях взаимодействия определяемых веществ с веществами-титрантами.

Титрантом называется вещество, раствор которого используется для количественного определения концентрации титруемого раствора титриметрическим методом. Концентрация раствора титранта должна быть точно определена и оставаться неизменной в течение достаточно длительного времени. Периодически должна проводиться поверка концентрации раствора титранта по установочным растворам.

К реакциям, используемым в титриметрическом анализе, предъявляются следующие требования:

– реакция должна проходить как можно полнее, т.е. равновесие реакции должно быть максимально смещено в сторону образования продуктов реакции. Таким требованиям отвечают реакции для которых K_равн.≥ 10⁵;

– протекание реакции должно сопровождаться изменением физических свойств раствора, которые могут быть зафиксированы визуальным или физико-химическим способом;

– скорость реакции должна быть достаточно высока;

– не должны происходить побочные реакции, искажающие результаты титрования.

Прибавление раствора титранта к раствору титруемого вещества завершается достижением точки эквалентности.

Точкой эквивалентности называется момент, когда число молей (точнее число эквивалентов) добавленного титранта становится равно числу молей титруемого вещества, содержащегося в растворе. В момент достижения точки эквивалентности в растворе исчезают последние молекулы титруемого вещества, при этом раствор утрачивает свойства присущие этому веществу. Изменение свойств раствора в точке эквивалентности происходит скачкообразно.

Изменение свойств раствора в процессе титрования описывается кривой титрования.

Кривая титрования представляет собой зависимость некоторого свойства раствора от объёма добавленного раствора титранта. На рисунке 2.1. приведен пример кривой потенциометрического титрования.

Установление точки эквивалентности производится либо визуальным способом (по изменению окраски раствора), либо путём определения момента изменения физико-химического свойства раствора при помощи соответствующих приборов.

Визуальное определение точки эквивалентности требует, как правило, применения индикаторов.

Индикатором называется вещество, изменяющее окраску в точке эквивалентности. Изменение окраски происходит в результате реакции перехода индикатора из одной формы в другую. В качестве индикаторов используются вещества различные формы которых имеют различную достаточно интенсивную окраску, что позволяет использовать при титровании небольшое количество индикатора не искажающее результатов титрования.

В момент достижения точки эквивалентности происходит резкое изменение окраски раствора.

Физико-химическое определение точки эквивалентности производится путем измерения в процессе титрования электропроводности раствора (кондуктометрическое титрование), ЭДС гальванической цепи, содержащей индикаторный электрод (потенциометрическое титрование), оптической плотности раствора (спектрофотометрическое титрование).

В момент достижения точки эквивалентности происходит резкое изменение указанных свойств раствора.

В зависимости от типа применяемой реакции методы титриметрического анализа делят на:

– кислотно-основное титрование;

– окислительно-восстановительное титрование (редоксметрия);

– комплексонометрическое титрование.

В основе кислотно-основного титрования лежит реакция нейтрализации, происходящая при взаимодействии растворов кислот с растворами щелочей. Таким образом этот метод применяется для определения концентраций веществ, обладающих кислотными или основными свойствами.

Титрование проводят раствором соляной кислоты, либо едкого натра.

В качестве установочных растворов применяют растворы карбоната натрия Na₂CO₃, бифталата калия C₆H₄COOKCOOH, щавелевой кислоты (COOH)₂, бензойной кислоты C₆H₄COOH, приготовленные по точным навескам.

В качестве индикатора используются вещества, окраска которых изменяется в зависимости от pH раствора. Каждый кислотно-основный индикатор характеризуется своим pH перехода. Для титрования различных веществ подбираются различные индикаторы. Комбинация различных индикаторов позволяет определять концентрации нескольких веществ при их совместном содержании в растворе. Обычно используется фенолфталеин (при титровании кислоты щелочью) и метиловый оранжевый (при титровании щелочи кислотой).

При потенциометрическом определении точки эквивалентности используется гальваническая цепь с переносом состоящая из стеклянного электрода (индикаторный) и хлорсеребряного (вспомогательный). Более подробное описание гальванических цепей и электродов см. в л.р. №3.

Редоксметрия основана на окислительно-восстановительных реакциях, происходящих между титруемым веществом и титрантом. Этот метод используется для определения концентраций веществ проявляющих либо окислительные, либо восстановительные свойства.

Наиболее распространёнными титрантами для редоксметрии являются перманганат калия (пермангонатометрия) и йод (йодометрия).

Перманганатометрия является одной из разновидностей редоксметрического (окислительно-восстановительного) титрования, позволяющей определять содержание в растворе веществ, обладающих восстановительными свойствами.

Основным рабочим раствором при проведении перманганатометричиских определений является раствор перманганата калия. Титрование обычно проводят в кислой среде.

Раствор перманганата калия является достаточно неустойчивым, при хранении его концентрация может изменяться.

В качестве установочного раствора для определения точной концентрации раствора перманганата калия используется раствор оксалата натрия Na₂C₂O₄. В процессе титрования раствора оксалата натрия раствором перманганата калия в кислой среде происходит реакция, протекающая по схеме:

Na₂C₂O₄ + KMnO₄ + H₂SO₄ → MnSO₄ + CO₂↑ + Na₂SO₄ + K₂SO₄ + H₂O

Растворы перманганата калия имеют довольно интенсивную окраску, поэтому метод не требует применения специальных индикаторов.

Йодометрия наряду с перманганатометрией является одним из наиболее распространённых методов редоксметрического титрования. Йодометрическое титрование позволяет определять содержание в растворах как веществ, обладающих восстановительными свойствами, так и веществ являющихся окислителями.

Основным рабочим раствором в йодометрии является раствор йода в растворе KI. Растворение йода происходит за счёт реакции комплексообразования:

I₂⁰ + I^– → [I₃] ^–

Такой раствор содержит как йод в виде простого вещества I₂⁰ (окисленная форма), так и йод в восстановленной форме I^–. При взаимодействии с окислителями или восстановителями происходит переход йода из одной формы в другую:

I₂⁰ + 2e ↔ 2I^–

При взаимодействии раствора с восстановителями количество I₂⁰ уменьшается, а с окислителями – увеличивается. Количество йода, находящегося в растворе определяется путём титрования этого раствора раствором тиосульфата натрия. При этом происходит реакция, проходящая по схеме:

Na₂S₂O₃ + I₂ → Na₂S₄O₆ + Na I

Определение восстановителей производится методами прямого и обратного титрования.

Прямое титрование заключается в непосредственном оттитровывании раствора восстановителя раствором йода с известной концентрацией.

Обратное титрование осуществляется путём прибавления к раствору восстановителя избытка раствора йода с известной концентрацией. При этом часть йода вступает в реакцию с восстановителем, а часть остаётся в растворе. Оставшийся йод оттитровывают раствором тиосульфата натрия.

Определение окислителей производится методом косвенного титрования. Метод заключается в обработке раствора окислителя раствором йодида калия. Количество выделившегося при этом йода эквивалентно содержанию окислителя в растворе, оно определяется путем титрования раствором тиосульфата натрия.

В качестве установочного раствора для определения точной концентрации раствора тиосульфата натрия используется раствор бихромата калия K₂Cr₂O₇. При взаимодействии йодида калия с бихроматом калия происходит реакция, проходящая по схеме:

K I + K₂Cr₂O₇ + HCl → CrCl₃ + I₂ + KCl + H₂O

В качестве индикатора при йодометрическом титровании применяют раствор крахмала, который даже с небольшим количеством йода даёт интенсивное синее окрашивание.

В основе комплексонометрического титрования лежат реакции взаимодействия ионов металлов с комплексонами.

Комплексонами называются органические вещества, образующие прочные устойчивые соединения (комплексы) с ионами металлов.

Наиболее распространённым веществом, применяемым в комплексонометрии в качестве титранта является динатриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты, известная под названием комплексон III или трилон Б:

При взаимодействии с ионами металлов происходит замещение двух ионов водорода в молекуле трилона Б и образование двух координационных связей с атомами азота. В результате образуется устойчивое комплексное соединение стехиометрического состава 1:1:

При комплексонометрическом титровании используются металл-индикаторы, которые также представляют собой органические вещества, способные образовывать с ионами металлов окрашенные комплексные соединения. Устойчивость комплексов металлов с металл-индикаторами, однако, гораздо ниже устойчивости комплексов металлов с титрантом. В качестве металл-индикаторов используются эриохром черный Т, мурексид и др.

Комплексонометрическое титрование заключается в том, что трилон Б связывает ионы металла, вытесняя их из комплексов с металл-индикатором. Когда к титруемому раствору прибавлено эквивалентное количество титранта в растворе не остаётся комплексов метлла с индикатором и наблюдается изменение его окраски.

В качестве установочного раствора применяется раствор сульфата магния.

Обработка результатов титрования производится по общей формуле:

где: V(титр.) – объём титранта, пошедший на титрование, C_N(титр.) – нормальная концентрация раствора титранта, V(X) – объём пробы, взятой для титрования, C(X) – нормальная концентрация титруемого раствора.

Методика проведения работы

Вариант 1. Кислотно-основное титрование

Перед тем как приступать к эксперименту необходимо составить электронные уравнения, происходящих процессов, определить эквиваленты участников процесса и определить стехиометрические коэффициенты в уравнениях реакций.

Порядок проведения эксперимента

В лабораторной работе используются растворы, приготовленные на предыдущей лабораторной работе!

Определение концентрации раствора соляной кислоты

1. Чистую сухую бюретку заполняют приготовленным раствором соляной кислоты.

2. В три конические колбы при помощи пипетки отбирают по 10см³ приготовленного раствора карбоната натрия. Во все колбы добавляют по 2–3 капли индикатора метилового оранжевого.

3. Пробы титруют раствором HCl до изменения окраски раствора с жёлтой на красную.

4. В случае получения явно выпадающих результатов, проводят отбор и титрование дополнительных проб до получения трёх совпадающих результатов.

5. Результаты титрования (V(HCl)) записывают в таблицу 2.1.

6. Для каждого опыта рассчитывают нормальность раствора соляной кислоты C_N(HCl), результаты записывают в таблицу 2.1.

7. Находят среднее из полученных значений .

8. Концентрацию кислоты записывают на соответствующей колбе.

Таблица 2.1 (образец) C_N(Na₂CO₃) = __________V(Na₂CO₃) = __________

№ пробы	V(HCl), см3	CN(HCl)

= ___________