5845

3

УДК 543(075)

Васина Я.А. Химические методы количественного анализа. Ч. 2. Титриметрия [Текст]: учебно-метод. пос./ Я.А. Васина, И.Л. Смельцова; Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет.

–Нижний Новгород: ННГАСУ, 2022. – 29 с.; ил. – Текст электронный.

Вметодических указаниях описывается сущность титриметрического метода анализа, приводятся методики определения ряда веществ в объектах окружающей среды, примеры расчетов, выполняемых по результатам анализа, задания для самостоятельной работы.

Предназначено для обучающихся в ННГАСУ по дисциплине «Физико-химические методы анализа строительных материалов» для подготовке к лекциям, практическим работам и выполнению лабораторных работ (включая рекомендации обучающимся по организации самостоятельной работы) по дисциплине «Физико-химические методы анализа строительных материалов» для обучающихся по направлению подготовки 08.03.01 Строительство, направленность (профиль) Производство и применение строительных материалов, изделий и конструкций

Я.А. Васина,

И.Л. Смельцова 2022ННГАСУ, 2022

4

1.ОБЪЁМНЫЙ (ТИТРИМЕТРИЧЕСКИЙ) АНАЛИЗ

Реакция при титровании: аX + вR = P

В зависимости от типа реакции, используемой при титровании, в объемном анализе выделяют методы: 1. Кислотно-основное титрование (метод нейтрализации); 2. Окислительно-восстановительное титрование; 3. Комплексонометрия; 4. Титрование методом осаждения.

5.Индикаторы

6.Точка конца титрования (т.к.т.)

1.1. МЕТОД КИСЛОТНО-ОСНОВНОГО ТИТРОВАНИЯ

Для целей анализа этим методом используют протолитические реакции

– реакции, протекающие с переносом протонов (Н+). Следовательно, в процессе титрования происходит изменение рН титруемого раствора.

В качестве индикаторов используют органические вещества, обладающие кислотно-основными свойствами. Состояние равновесия реакции ионизации их в водных растворах, а, значит, окраска зависит от рН раствора. Перечень кислотно-основных индикаторов, их основные характеристики изучите по книге Ю.Ю. Лурье «Справочник по аналитической химии».

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЩЕЙ И КАРБОНАТНОЙ ЩЕЛОЧНОСТИ.

Сущность и химизм метода.

Если в растворе содержится щелочь, то почти всегда в ней есть примесь карбоната щелочного металла. Поэтому при анализе таких растворов (например, щелочных стоков) обычно определяют общую и карбонатную щелочность, т. е. содержание в них едких щелочей и карбоната натрия.

5

Определенный объём анализируемого раствора титруют раствором соляной кислоты известной нормальности. При титровании имеют место

К концу второй реакции помимо хлорида натрия, не влияющего на концентрацию водородных ионов, в растворе присутствует гидрокарбонат натрия. Вследствие его гидролиза раствор имеет слабощелочную реакцию. рН такого раствора равен приблизительно 8,35. При этом значении рН фенолфталеин изменяет свою окраску от малиновой до бесцветной. Поэтому его используют для индикации конца титрования щелочи и половины карбоната натрия. По окончании третьей реакции оказывается нейтрализованной и вторая половина карбоната натрия. Раствор по окончании третьей реакции (во второй точке эквивалентности) содержит хлорид натрия и насыщен углекислым газом. рН такого раствора около 3,9. Поэтому для индикации второй точки эквивалентности используют метилоранж.

Реактивы, посуда и аппаратура

1.0,1Н раствора хлороводородной кислоты.

2.Индикаторы метилоранж и фенолфталеин.

3.Колбы мерные 250 см3.

4.Колбы конические на 250 см3.

5.Бюретка на 25 см3.

Экспериментальная часть

1.Исследуемый раствор, содержащий щелочь и соду, помещают в мерную колбу, доводят до метки дистиллированной водой, не содержащей углекислоты, закрывают пробкой и перемешивают.

2.Из мерной колбы отбирают пипеткой на 20-25 мл исследуемого раствора, переносят его в колбу для титрования, добавляют 5-6 капель раствора фенолфталеина. Раствор окрашивается в малиновый цвет.

3.Титруют раствор 0,1Н раствором соляной кислоты до обесцвечивания. Записывают объём соляной кислоты, пошедший на титрование (V1)

4.Затем в колбу с титруемым раствором добавляют одну каплю метилоранжа. Раствор окрашивается в желтый цвет. Продолжают титровать тем же раствором соляной кислоты до перехода желтой окраски в оранжевую. Записывают общий объём соляной кислоты, пошедший на

титрование (V2).

5. Рассчитывают содержание щелочи и карбоната натрия: на титрование едкой щелочи и половины карбоната натрия израсходовано V1 мл 0,1Н НCl, а на титрование едкой щелочи и всего карбоната натрия V2 мл 0,1Н НCl. Следовательно, на титрование половины карбоната натрия затрачено (V2 - V1) мл НCl. Значит, на титрование всего карбоната натрия пошло 2(V2 -

6

V1) мл НCl, а на титрование одной щелочи пошло [V2 -2 (V2 - V1)] мл или (2V1

– V2) мл 0,1Н раствора НCl.

Поэтому содержание щелочи в пробе равно:

NaOH , г (2V1 V2 ) H HCl ЭNaOH Vкол бы

Vпипетки 1000

Содержание карбоната натрия равно:

2(V2 V1 ) H HCl ЭNa СO Vкол бы ,

Na2СO3 , г 2 3

Vпипетки 1000

где V1 - объём 0,1Н раствора НCl, пошедший на титрование с индикатором фенолфталеином, мл; V2 – объём 0,1Н раствора НCl, пошедший на титрование до изменения окраски метилоранжа, мл; ННCl – нормальность

раствора соляной кислоты, экв/л; Vколбы – объём мерной колбы, мл; Vпипетки – объём раствора, взятого на титрование, мл.

Вопросы

1.Растворы каких веществ используют в качестве рабочих в кислотно-основном титровании?

2.В качестве титранта при определении общей щелочности водных растворов используют раствор HCI. Для установки его точной нормальности

исходным веществом является бура (Na2B4O7·10H2O). Рассчитайте нормальность раствора HCI по следующим данным: навеску буры 0,5235 г растворили в 50 мл воды. На титрование полученного раствора пошло 24,55 мл (индикатор-метилоранж).

3.50мл сточной воды, отобранной для определения общей и карбонатной щёлочности, перенесли в мерную колбу на 250 мл, довели объём раствора до метки дистиллированной водой. На титрование 20 мл полученного раствора пошло 5,6 мл 0,1Н раствора HCI – (индикатор - фенолфталеин) и 9,8 мл того же раствора (индикатор-метилоранж). Выведите формулы для расчёта и рассчитайте концентрации NaOH и Na2CO3 в г/л.

4.Напишите уравнения реакций, протекающих при титровании смеси

NaOH и Na2CO3 раствором HCI. Конец каких реакций можно зафиксировать по изменению окраски индикаторов фенолфталеин и метилоранж? Выведите формулы для расчетов концентрации гидроксида натрия и соды в анализируемом растворе в г/л.

5.Из навески гидроксида натрия массой 3,1496 г, содержащей примесь карбоната натрия, приготовили 1 л раствора. На титрование 10 мл полученного раствора в присутствии индикатора фенолфталеин израсходовано 7,4 мл 0,1Н раствора HCI. Рассчитайте процентное содержание гидроксида натрия и соды в пробе технического гидроксида натрия.

6.Для определения концентрации едкого натра и соды в электролите цианистого цинкования отобрали 10 мл электролита в мерную колбу на 100 мл, довели до метки дистиллированной водой, перемешали. 10 мл полученного раствора оттитровали 0,1Н раствором HCI. На титрование с

7

индикатором фенолфталеин пошло 2,3 мл раствора кислоты, а с индикатором метилоранж – 3,6 мл того же раствора кислоты. Рассчитайте концентрацию едкого натра и соды в электролите в г/л.

7.Пробу жидкого гидроксида натрия массой 2,0620 г растворили в 250 мл воды (в мерной колбе на 250 мл). На титрование 25 мл полученного раствора в присутствии индикатора фенолфталеин пошло 22,85 мл 0,1Н раствора HCI. После добавления к титруемому раствору индикатора метилоранж на титрование пошло ещё 0,15 мл того же раствора кислоты. Рассчитайте процентное содержание в пробе гидроксида натрия и соды.

8.На титрование 20 мл пробы раствора соды, загрязнённого гидрокарбонатом натрия, пошло 9,02 мл 0,1153Н раствора HCI (индикатор фенолфталеин) и – 19,08 мл того же раствора кислоты(индикатор метилоранж). Выведите формулы для расчёта концентраций соды и гидрокарбоната натрия в растворе, выразив их в г/л. Рассчитайте концентрации компонентов в исследуемой пробе.

9.Навеска соды 0,1350 г, содержащая примесь гидрокарбоната натрия, растворена в 50 мл воды. На титрование полученного раствора в присутствии индикатора фенолфталеин израсходовано 10,15 мл 0,1Н раствора HCI. После введения в титруемый раствор индикатора метилоранж на титрование пошло ещё 13,9 мл того же раствора кислоты. Рассчитайте содержание соды и гидрокарбоната натрия в растворе в граммах и их процентную концентрацию

впробе.

10.Навеску соды, содержащую примесь гидрокарбоната натрия, растворили в воде в мерной колбе на 200 мл. На титрование 20 мл полученного раствора пошло 1,0 мл 0,1Н раствора HCI(индикатор фенолфталеин) и ещё 1,5 мл того же раствора кислоты (индикатор метилоранж). Напишите уравнения реакций, протекающих при титровании, выведите формулы для расчётов концентраций соды и гидрокарбоната натрия

впробе в %.

11.Рассчитайте, какой объём 37%-го раствора HCI следует взять для приготовления 1л 0,1Н раствора HCI (плотность 37%-го раствора 1,19 г/см3).Почему концентрацию приготовленного раствора необходимо дополнительно установить по рабочему раствору буры?

1.2. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЕ ТИТРОВАНИЕ

ПЕРМАНГАНАТОМЕТРИЯ

Рабочим раствором в перманганатометрии является раствор перманганата калия (КMnO4). Это один из наиболее распространенных и сильных окислителей. Он окисляет нитриты, пероксид водорода, оксалаты, ионы железа (II), марганца(II), многие органические вещества.

Основным условием при титровании перманганатом является высокая кислотность среды. Необходимо, чтобы титруемый раствор был

8

приблизительно 1Н по кислоте. Для создания необходимой кислотности обычно используют серную кислоту.

Перманганат-ион (MnO4-), окисляя те или иные вещества, восстанавливается в сильнокислой среде до иона двухвалентного марганца

(Mn2+): MnО4- + 8 H++ 5e- = Mn2+ +4 H2O

При титровании перманганатом индикатор обычно не применяют, т.к. перманганат-ион имеет достаточно интенсивную окраску. Обычно для титрования применяют 0,1Н раствор КMnO4. Приготовить титрованный раствор из точной навески КMnO4 нельзя, т.к. он, как правило, содержит около 1% загрязнений. Поэтому сначала готовят раствор перманганата калия приблизительно требуемой нормальности. Концентрацию приготовленного раствора устанавливают по раствору исходного вещества.

В качестве исходных веществ в перманганатометрии используют щавелевую кислоту, оксалат натрия или аммония.

Приготовление титрованного раствора щавелевой кислоты

В объемном анализе обычно работают с приблизительно одинаковыми по нормальности рабочим и исследуемым растворами. Мы будет работать с 0,02Н раствором перманганата калия, поэтому необходимо приготовить титрованный раствор щавелевой кислоты той же нормальности.

Уравнение реакции окисления оксалат-иона (С2О42-) имеет следующий вид: С2О42- -2е- = 2СО2

Из уравнения реакции следует, что при окислении перманганатом каждый ион оксалата отдает по два электрона, следовательно, эквивалентная масса щавелевой кислоты равна молярной массе, деленной на два:

Следовательно, для приготовления 1 л 1Н раствора щавелевой кислоты необходимо 63,03 г ее. Для приготовления 1л 0,02Н раствора – х г:

Для приготовления 250 мл раствора той же нормальности надо взять

1,2606 250 0,3151г щавелевой кислоты.

1000

Практически поступают следующим образом:

1.В бюксе точно взвешивают на аналитических весах около 0,1576 г щавелевой кислоты.

2.В мерную колбу на 250 мл помещают воронку и через нее осторожно пересыпают навеску кислоты в колбу. Добавляют в колбу через ту же воронку 50-100 мл воды, обмывают водой из промывалки внутреннюю поверхность бюкса, сливая промывные воды в колбу. Вращательным движением перемешивают раствор в колбе до полного растворения навески кислоты. Доводят объем раствора в колбе до метки водой, закрывают колбу пробкой и тщательно перемешивают ее содержимое в течение 2-3 минут.

9

3. Зная точную навеску щавелевой кислоты, рассчитывают нормальность раствора щавелевой кислоты. Нормальность этого раствора,

Конец титрования устанавливают по неисчезающей розовой окраске.

Реактивы, посуда и аппаратура

1)0,02Н раствор щавелевой кислоты.

2)2Н раствор серной кислоты.

3)Пипетки, 20-25 мл.

4)Бюретка, 25-50 мл.

5)Конические колбы для титрования.

6)Электроплитка.

Экспериментальная часть

1.В колбу для титрования помещают пипеткой 20 или25 мл приготовленного раствора щавелевой кислоты (пипетку предварительно ополаскивают этим раствором), добавляют 15 мл 2Н раствора серной кислоты и приблизительно такой же объем (около 40 мл) горячей воды.

2.Раствор перманганата калия заливают в бюретку, также предварительно ополоснув её раствором перманганата. Мениск раствора устанавливают на нулевом делении бюретки.

3.Начинают титрование. Первые порции раствора перманганата добавляют к исследуемому раствору медленно по 3-4 капли, тщательно перемешивают до исчезновения розовой окраски раствора.

Скорость реакции между перманганатом и оксалатом вначале очень не большая. Образующиеся при титровании ионы двухвалентного марганца оказывают каталитическое действие на скорость реакции, повышая ее при дальнейшем титровании. Поэтому при дальнейшем титровании раствор перманганата приливают по 0,5 -1 мл и перемешивают. Каждую последующую порцию перманганата следует добавить только после исчезновения в титруемом растворе розовой окраски.

4.В конце титрования раствор перманганата надо добавлять по каплям, при постоянном перемешивании до прекращения обесцвечивания перманганата и появления неисчезающего розового окрашивания раствора (окраска перманганата-иона). Следовательно, в перманганатометрии

10

индикатором является сам рабочий раствор, и последняя капля перманганата идет не на окисление оксалата, а на окрашивание титруемого раствора в розовый цвет.

5.Лишнее количество перманганата, пошедшее на окрашивание титруемого раствора, может быть учтено глухим опытом: в колбу для

титрования помещают 15 мл 2Н раствора H2SO4 и добавляют такое количество горячей дистиллированной воды, чтобы объем раствора в глухом опыте был приблизительно равен объему раствора в конце титрования.

Объем перманганата, пошедший на титрование глухого опыта, вычитают из объема перманганата, пошедшего на титрование исследуемого раствора.

6.Нормальность раствора перманганата определяют по формуле:

раствора перманганата калия, пошедший на титрование за вычетом глухого опыта,мл; H KMnO4 - нормальность раствора перманганата калия.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПЕРМАНГАНАТНОЙ ОКИСЛЯЕМОСТИ ПРИРОДНЫХ И СТОЧНЫХ ВОД

Количество кислорода, эквивалентное расходу окислителя на окисление загрязнений, называется окисляемостью. В зависимости от применяемого окислителя различают перманганатную, бихроматную и др. окисляемость. Результаты, полученные разными методами, могут быть различными для одной и той же пробы вследствие неодинаковой полноты окисления, которая зависит от свойств окислителя, его концентрации, температуры, рН и других факторов.

Можно определить общую окисляемость (величину, которая пропорциональна всем органическим и минеральным веществам, окисляющимся в равных условиях анализа), и «окисляемость с поправкой» (величину, которая пропорциональна концентрации только органических веществ).

Для определения перманганатной окисляемости питьевых и поверхностных вод в пределах до 100 мг кислорода в 1 л используют метод Кубеля. Для определения общей окисляемости сточных вод применяется метод определения окисляемости бихроматом.

Для определения малых значений окисляемости в природных и сточных водах приводится способ окисления органических веществ обычным стандартным способом, т.е. бихроматом калия, но вместо объёмного окончания применяется фотометрический метод определения трехвалентного