УчебнАнХимЛебедева

E = (MnO−4 Mn+2) =1,51+ (0,059 5)lg([MnO−4 ] [Mn2+]),

так как [H+ ] =1 моль/дм3.

На основании этих данных строят кривую титрования (рис 6.1)

650

Рис. 6.1 Кривая титрования 0,1 н раствора FeSO4 0,1 н раствором KMnO4

Кривая также как и в методе нейтрализации имеет скачок титрования (скачок Е). В отличие от метода нейтрализации здесь точка эквивалентности может быть расположена не в середине скачка. Скачок Е в данном случае наблюдается в интервале значений Е от 1,47 до 0,94 и равен 0,53 В.

При особо точных определениях необходимо учитывать процессы комплексообразования, осаждения, которые могут протекать в окислительно-восстановительных системах и оказывать влияние на окислительн-восстановительные потенциалы.

6.7 ПЕРМАНГАНАТОМЕТРИЯ

Титрант – 0,1; 0,05 н раствор KMnO4 , стандартизацию раствора которого проводят по стандартному раствору щавелевой кислоты H2C2O4 2H2O на основе реакции:

2MnO−4 + 5H2C2O4 + 6H+ → 2Mn2+ +10CO2 ↑ +8H2O .

Водные растворы KMnO4 неустойчивы вследствие протекания реакции:

4MnO−4 + 2H2O →↓ 4MnO2 +3O2 ↑ +4OH− .

Эта реакция ускоряется при действии света, поэтому раствор KMnO4 хранят в склянках из темного стекла. Условия титрования: среда – сильно кислая (H2SO4), нагревание (60K80 oC ), медленное титрование (особенно в начале), индикатор – титрант KMnO4 .

Для определения восстановителей применяют прямое титрование. Используя обратное титрование, определяют содержание окислителей.

Перманганатометрия – один из самых распространенных методов ОВ титрования.

Достоинства метода: титрование проводится без индикатора, высокое значение ОВ потенциала в кислой среде(+1,51 В) позволяет определять большое количество веществ с меньшим значением Е; доступность титранта.

Недостатки метода: невозможность приготовления стандартного раствора титранта по точной навеске, его нестабильность при хранении, необходимость строгого соблюдении условий проведении титрования, регламентируемых соответствующей методикой.

6.8 ИОДОМЕТРИЯ

В основе метода реакция:

2I− +Ox → I2 + Red

I− –ион – сильный восстановитель, однако растворы KI в качестве титрантов не применяются, так как они неустойчивы и окисляются на воздухе, поэтому обычно к анализируемому раствору окислителя добавляют избыток KI. I2 , выделяющийся в количестве, эквивалентном количеству вступившего в ре-

акцию окислителя, оттитровывают стандартным раствором тиосульфата натрия.

I2 + 2Na2S2O3 → 2NaI+ Na2S4O6

nэ(Na2S2O3) = nэ(I2) = nэ(Ox).

Титрант – стандартный раствор Na2S2O3 (0,1 н; 0,05 н; 0,02 н). Готовить по точной навеске нельзя, так как при хранении Na2S2O3 5H2O обезвоживается. Растворы тиосульфата неустойчивы, так как происходят реакции на свету и в присутствии микроорганизмов:

S2O32− + H+ → HSO3− + ↓ S

2S2O3− + O2 → 2SO24− + ↓ 2S.

Стандартизацию раствора тиосульфата натрия проводят по стандартному раствору окислителя (KBrO3 , чаще K2Cr2O7 ), используя метод обратного титрования. При этом протекают следующие реак-

ции:

Cr2O72− + 6I− +14H+ → 2Cr3+ + 3I2 + 7H2O .

Выделившийся I2 титруют раствором Na2S2O3 в присутствии крахмала – индикатора. Стандартный

2Cu2+ + 4I− →↓ 2CuI + I2

I2 + 2Na2S2O3 → 2NaI + Na2S4O6 .

Так как E0(Cu2+ Cu+ ) = 0,16 B; E0(I2 2I−) = 0,54 B , то Сu2+–ионы не должны окислять I− –ионы. Однако в этой реакции образуется осадок CuI , вследствие чего [Cu+] понижается и реальный ОВ потенциал Cu2+ Cu+ возрастает до 0,86 В, равновесие смещается вправо и титрование становится возможным.

Содержательный блок 6: «Окислительно-восстановительное титрование»

Часть 1

А1 Определите эквивалентную массу восстановителя (г/моль) в реакции KNO2 + K2Cr2O7 + HNO3

→…

A4 Скорость ОВР определяется:

1 скоростью самой медленной стадии;

2суммой скоростей стадий;

3скоростью самой быстрой стадии;

4разностью между скоростями самой медленной и самой быстрой стадий.

А5 При восстановлении MnO−4 раствором КI в присутствии щёлочи окраска из малиново-красной

A6 Методы применения восстановителей с применением титранта-окислителя называются:

А7 Броматометрия - это метод окислительно-восстановительного титрования с использованием в качестве титранта:

A8 Какое выражение верно определяет константу равновесия в окислительно-восстановительных реакциях:

А9 Реакция, вызванная какой-либо другой реакцией, протекающей в том же растворе, называется:

А10Уравнение Нернста для реакции с участием Н+-ионов принимает вид:

Часть 2

В1 На титрование 20 см3 0,01 н раствора KMnO4 было израсходовано 10 см3 раствора Na2SO3. Вычислите нормальность раствора Na2SO3 (моль/дм3).

В4 Какую массу гептагидрата сульфата железа(II) необходимо взять для приготовления 100 см3 раствора с титром по HIO3 в кислой среде равным 0,0055 г/см3

В5 Через раствор NaOH (ω = 35 %, ρ = 1,17 г/см3) пропустили газ, выделившийся при взаимодействии 10,8г серебра с концентрированной азотной кислотой. Определите объем раствора NaOH (см3)

В6 25 см3 0,1 н раствора K2S (в кислой среде) оттитровали раствором дихромата калия. Определите

В7 Определите потенциал системы (В) при титровании 100 см3 0,1 н раствора FeSO4 0,1 н раствором KMnO4 в момент, когда добавлено 90 см3 раствора KMnO4

В8 Нормальная концентрация раствора KMnO4 равна 0,025 моль/дм3. Определите титр KMnO4 по

H2O2 (г/см3)

В9 К 2,50 см3 раствора KClO3 было прибавлено 25,00 см3 0,12 М раствора FeSO4, избыток которого потом оттитровали 5,00 см3 0,11 н раствора KMnO4. Рассчитайте содержание KClO3 (ω, %) в растворе, если его плотность равна 1,02 г/см3

В10Для определения содержания меди иодометрически навеску меди 0,6354 г растворили в азотной кислоте и после соответствующей обработки перенесли в мерную колбу вместимостью 500 см3. Раствор доведен дистиллированной водой до метки. Вычислите молярную концентрацию соли меди (моль/дм3)

C1 Навеску сплава массой 1,0000 г, содержащего железо, обработали раствором серной кислоты. К раствору добавили 25 см3 0,2 н раствора KMnO4, на титрование избытка которого израсходовали 5 см3 0,1 н раствора H2C2O4. Рассчитайте содержание Fe (ω, %) в образце

По уравнению реакции(3):

2

n(KMnO4) = 0,00025 5 = 0,0001 моль

Из уравнения реакции следует что со щавелевой кислотой прореагировало избыточное количество KMnO4, следовательно:

n(KMnO4)изб = 0,0001 моль

Общая масса KMnO4 равна:

3

m(KMnO4)общ = н Э V = 0,2 31,6 0,025 = 0,158 г

Количество вещества KMnO4 прореагировавшего по уравнению (2) равно:

n(FeSO4) = 5 n(KMnO4)изб = 5 0,0009 = 0,0045 моль

Из уравнения реакции (1) следует, что

С2 В мерной колбе смешали избыток раствора KClO3 и KCl в кислой среде.

В результате этого выделился газ объемом 0,112 дм3, который был пропущен через 2,5 % раствор резорцина. К этой смеси добавили избыток раствора KI и выделившийся I2 оттитровывают 20 см3 0,2 н раствора Na2S2O3. Вычислите массу раствора резорцина.

KClO3 + 5KCl + 3H2SO4 → 3Cl2 + 3K2SO4 +3H2O

(1)

Cl2 + 2KI→ I2 + 2KCl

(2)

I2 + 2Na2S2O3 →2NaI + Na2S4O6

(3)

1

Таким образом, раствор резорцина равен 4,4 г.

7 Инструментальные (физические и физико-химические) методы анализа

«Создание нового прибора часто имеет не меньшее значение, чем крупное открытие. Работа по созданию новых приборов должна цениться не меньше, чем любое научное исследование».

М.В. Келдыш

Эти методы анализа используют зависимость между физическими свойствами веществ и их качественным и количественным составом. Физические свойства измеряются с помощью приборов – «инструментов» – отсюда их название.

Достоинства этих методов:

–возможность автоматизации;

–низкий предел обнаружения (1 – 10−9 мкг) и малая предельная концентрация до 10−12 г/мл;

–высокая чувствительность – величина тангенса угла наклона градуировочной кривой зависимости физического параметра (ось ординат) от концентрации (ось абсцисс). Чем больше тангенс угла, тем чувствительнее метод, т.е. для получения одинакового изменения физического свойства требуется меньшее изменение концентрации или количества определяемого вещества;

–высокая селективность;

–малая продолжительность.

Недостатки:

–воспроизводимость хуже классических методов;

–погрешности ±5,0% (в классических методах: 0,1 – 0,5 %);

–сложность аппаратуры, ее высокая стоимость.

7.1ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА

Эти методы основаны на использовании зависимости физических свойств вещества от их хи-

мического состава. Наиболее распространены следующие физические методы анализа.

1 Спектральный анализ основан на исследовании спектров поглощения и испускания исследуемого вещества. Таким методом установлен состав Солнца и звезд.

По интенсивности характеристических спектральных линий судят о количественном составе (1859 г немецкие ученые Бунзен и Кирхгоф).

Излучение света нагретыми твердыми телами можно наблюдать довольно часто. Когда нагревают кусок стали, то он вначале раскаляется и испускает красный свет; при более высокой температуре свечение становится белым. Этот белый свет состоит из всех цветов видимого спектра, такое излучение называется непрерывным. Если нагревать кристаллы NaI, то они испускают желтый свет, т.е. в состав этого излучения входит лишь несколько характеристических типов излучения – Na+.

Природа излучения различна для различных веществ. Наиболее часто наблюдается линия испускания, соответствующая переходу из первого возбужденного состояния в основное, т.е. в состояние с наименьшей энергией. Подобную линию называют резонансной.

Преимущества метода: низкий предел обнаружения (до 10−5 %), экспрессность, для анализа требуется небольшое количество вещества, возможность проведения анализа на расстоянии (натриевый пояс Земли на расстоянии 80 км от поверхности был обнаружен этим методом). Однако по точности он уступает классическим методам.

Приборы: стилометры, стилоскопы, спектрографы и фоторегистрирующие квантометры.

2 Люминесцентный анализ основан на зависимости интенсивности люминесценции (свечения) от концентрации вещества. Эту зависимость впервые установил русский ученый С. М. Вавилов.

молекула + hν → молекула* (возбужденное состояние)

Эту реакцию можно осуществить за счет: света – фотолюминесценция; рентгеновских лучей – рентгенолюминесценция; радиоактивного излучения – радиолюминесценция; химических реакций – хемилюминесценция. Эти методы, обладая очень низким пределом обнаружения (10−6 – 10−8 %, иногда до 10−9 %) оказались весьма эффективными при анализе редких и рассеянных элементов, высокочистых веществ (ИРЕА, Е.А. Божевольнов). Е.А. Божевольнов говорил, что применять химические методы для анализа высокочистых веществ равносильно определению веса шерсти верблюда путем взвешивания его до и после стрижки.

3 Рефрактометрия – зависимость показателя преломления от концентрации. Преломление (рефракция) – изменение направления прямолинейного распространения при переходе из одной среды в другую, при этом происходит взаимодействие света со средой.

Рефрактометрия – измерение преломления света, которое оценивается величиной показателя преломления. Метод отличается простотой выполнения и обеспечивает точность до 10−3 %, поэтому находит широкое применение.

При определении содержания жиров в пищевых продуктах (зерно, зернобобовые и продукты их переработки, хлебобулочные изделия и т.д.) применяют рефрактометрический метод. Метод основан на извлечении жира из навески изделия α-бромнафталином или α-хлорнафталином. Процент жира определяют по разности коэффициента преломления растворителя и раствора жира в растворителе (табл. 7.1).

7.1 Физические свойства жира

Для смеси жиров или неизвестного жира плотность принимается равной 0,920 г/см3.

1 Денсиметрия – зависимость плотности от концентрации (царь Гиерон поручил физику Архимеду определить состав золотой короны. Архимед по плотности определил, что она состоит не из чистого золота, а из сплава золота и серебра. Журнал "Наука и жизнь", 1977 г, № 3, с. 155).

Определение проводят с помощью денсиметра (ареометра). Имеются таблицы зависимости концентрации от плотности растворов различных кислот, оснований и солей. Метод находит широкое применение в аналитической химии, так как от концентрации реагентов зависят многие параметры протекания химических реакций.

По изменению плотности костей судят об их состоянии при лечении остеопороза.

2 Рентгеноструктурный анализ – для исследования веществ используют рентгеновские лучи (анализ сплавов, металлов, строительных материалов).

3 Магнитная спектроскопия. В последнее время метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) нашли широкое применение в аналитической химии. ЯМР основан на использовании обусловленного ядерным магнетизмом резонансного поглощения электромагнитных волн исследуемым веществом. ЭПР – использование явления резонансного поглощения электромагнитных волн парамагнитными частицами в постоянном магнитном поле.

4 Атомно-абсорбционный метод основан на способности атомов металлов в газах пламени поглощать световую энергию при определенном значении длины волны. Атомно-абсорбционный метод позволяет определять примеси до 10−12 %. Около 70 % элементов периодической системы Д.И. Менделеева определены этим методом. Одна из японских фирм изготавливает приборы, позволяющие одновременно определять 71 элемент (данные 1978 г).

7.2 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА

Особенно велика их роль в экологическом мониторинге. Лишь современные методы анализа, как спектроскопические, электрохимические, хроматографические и другие (среди них отметим масс– спектрометрию), позволяют достигать необходимых низких пределов обнаружения, высокой чувствительности и избирательности определений. Ввиду важности этой проблемы многие фирмы насыщают рынок приборами простыми и сложными, специально приспособленными для решения задач мониторинга различных объектов.

Физико-химические методы анализа основаны на изменении физических свойств исследуемой системы, происходящих в результате определенных химических реакций.

Обычно этот анализ проводят титрованием.

Воснове термометрического титрования – изменение температуры в процессе титрования реакционной смеси, находящейся в термически изолированном сосуде.

Радиометрическое титрование – изменение радиоактивности какого-либо компонента исследуемой системы в процессе протекания аналитической реакции.

Электрохимические, оптические, хроматографические методы анализа более подробно рассмотрим далее.

Впоследнее время в аналитической практике используют гибридные методы анализа – это методы анализа, в которых органически объединено предварительное разделение и концентрирование и последующее определение компонентов тем или иным методом. Такая гибридизация реализуется в одном

компактном приборе. Типичным примером таких методов является хроматографическое разделение Cu2+– и Fe3+– ионов и последующее количественное определение Cu2+ – титриметрическим, а Fe3+ – фотометрическим методами. Достоинства этих методов: высокая степень разделения, относительная простота, низкий предел обнаружения, возможность автоматизации.

7.3ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА

7.3.1 Общие понятия. Классификация

Электрохимические методы анализа основаны на измерении и регистрации электрических параметров системы (аналитических сигналов), изменяющихся в результате протекания химических реакций. Электрохимическая система обычно состоит из электрохимической ячейки, представляющей собой единое конструктивное оформление сосуда с исследуемым раствором и электродами. Принята следующая классификация этих методов:

1 Классификация, учитывающая природу источника электрической энергии в системе. Различают две группы методов:

– методы без наложения внешнего потенциала. Здесь источник электрической энергии – сама электрохимическая система (гальванический элемент). К таким методам относятся потенциометрические методы.