Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Аналитическая химия и физико-химические методы анализа. Задачник
.pdf
51
3.2. Т итриметрические методы анализа
3.2.1. Основные термины и опред еления. Классификаци я метод ов
3.51. Какая величина выступает в качестве аналитического сигнала
в титриметрических методах анализа?
Пояснения к заданию 3.51
Титриметрический метод анализа (титриметрия) основан на изме-
рении объема титранта, пошедшего на реакцию с определяемым веществом при достижении точки эквивалентности. В качестве титрантов
обычно используются растворы реагентов с точно известной молярной
концентрацией эквивалента C(
1
z
R) – стандартные растворы.
3.52. В каком количестве вводится титрант по отношению к опре-
деляемому веществу в титриметрических методах анализа?
3.53. Какое вещество вводится в эквивалентном количестве по от-
ношению к определяемому веществу в титриметрических методах анализа?
3.54. Как называется момент процесса титрования, в который коли-
чество определяемого вещества Х химически эквивалентно количеству
титранта R?
3.55. Какой закон лежит в основе титриметрических методов ана-
лиза?
Пояснения к заданиям 3.52–3.55
Процесс постепенного (по каплям) прибавления титранта из бю-
ретки к раствору определяемого вещества называется титрованием. Титрование проводится до достижения точки эквивалентности, в которой ко-
личество добавленного титранта химически эквивалентно количеству
определяемого вещества, т. е. выполняется закон эквивалентов или экви-
валентных соотношений:
n
1
z
1
X= n
1
z
2
R,
52
где n
1
z
1
X – количество эквивалентов определяемого вещества в рас-
творе, моль; n
1
z
2
R – количество эквивалентов титранта, моль.
3.56. Какому способу выражения концентрация титранта следует
отдать предпочтение при расчете результатов титриметрического анализа?
3.57. Математическим выражением какого закона является фор-
мула
C
1
z
1
X∙V
X
=C
1
z
2
R∙V
R
?
Пояснения к заданиям 3.56, 3.57
Процесс постепенного прибавления титранта к раствору определя-
емого вещества продолжается до достижения точки эквивалентности,
где выполняется закон эквивалентов или эквивалентных соотношений:
n
1
z
1
X=n
1
z
2
R.
Данное уравнение выражается через молярные концентрации эквивалентов растворов определяемого вещества Х и титранта R и называется основным уравнением титриметрии:
C
1
z
1
X∙V
X
=C
1
z
2
R∙V
R
.
3.58. Как называется точка, при достижении которой заканчивается
процесс титрования?
Пояснения к заданию 3.58
Точка, в которой наблюдается резкое изменение окраски индика-
тора и заканчивается процесс титрования, называется конечной точкой
титрования (КТТ).
3.59. Химические реакции каких типов используются в титримет-
рических методах анализа?
3.60. Каким требованиям должны отвечать химические реакции,
используемые в титриметрии?
Пояснения к заданиям 3.59, 3.60
Титриметрический метод анализа основан на протекании реакции
z1Х + z2R → z3Р,
53
где Х – определяемый компонент; R – реагент (титрант); Р – продукты
реакции; z1, z2, z3 – стехиометрические коэффициенты.
Для использования в титриметрическом анализе химическая реак-
ция должна протекать:
1) стехиометрично, т. е. в соответствии с уравнением химической
реакции;
2) быстро;
3) количественно, т. е. химическое равновесие должно быть сдви-
нуто в сторону образования продуктов реакции (выход продукта реакции должен составлять не менее 99,9 %);
4) точка эквивалентности должна фиксироваться надежным, простым и быстрым способом (наиболее часто – с помощью соответствующих индикаторов).
Перечисленным требованиям удовлетворяют химические реакции
следующих типов:
– кислотно-основные (нейтрализации) – метод кислотно-основного
титрования;
– окислительно-восстановительные – метод окислительно-восста-
новительного титрования;
– комплексообразования – метод комплексонометрического титро-
вания);
– осаждения – метод осадительного титрования.
3.61. Какая формула используется для расчета молярной концен-
трации эквивалента определяемого вещества X по результатам титрования его раствором реагента R?
Пояснения к заданию 3.61
Закон эквивалентов выражается через молярные концентрации эк-
вивалентов следующим образом:
C
1
z
1
X∙V
X
=C
1
z
2
R∙V
R
,
откуда
C
1
z
1
X=
C
1
z
2
R ∙ V(R)
V(X)
,
где C
1
z
1
X – молярная концентрация эквивалента раствора определяе-
мого вещества Х, моль/л; C
1
z
2
R – молярная концентрация
54
эквивалента титранта, моль/л; V(R) – объем титранта, пошедший на
титрование пробы анализируемого раствора, л, мл; V(X) – объем анализируемого раствора, взятый для титрования, л, мл.
3.62. Какая формула используется для расчета массы определяе-
мого вещества Х по результатам титрования его раствором реагента R?
3.63. Какая формула используется для расчета массовой доли опре-
деляемого компонента Х по результатам титрования навески анализируемого вещества массой m0 раствором реагента R?
Пояснения к заданиям 3.62, 3.63
Массовая доля (Х) показывает отношение массы определяемого
вещества m(X) в смеси к общей массе смеси m0. Часто массовая доля
вещества выражается в процентах (%), показывающих число частей
определяемого компонента, приходящихся на 100 частей объекта:
ɷ(X) =
m(X)
m
0
100 %.
С целью вычисления массы определяемого вещества в растворе по
результатам титрования используется формула
m(X) = C(
1
z
2
R) V(R) M(
1
z
1
X) 10
–3
.
При объединении вышеуказанных формул получается равенство,
используемое для расчета массовой доли вещества Х по результатам
его титрования:
ɷ(X)=
C(
1
z
2
R)V(R)M(
1
z
1
X)
10m
0
где (Х) – массовая доля вещества Х в растворе, %; C(
1
z
2
R)– молярная
концентрация эквивалента титранта, моль/л; М(
1
z
Х) – молярная масса
эквивалента вещества Х, г/моль; V(R) – объем титранта, пошедший на
титрование аликвоты раствора определяемого вещества Х, мл; m0 – общая масса анализируемой смеси, г.
3.64. В каком из методов проведения титриметрического анализа
титруется только часть пробы раствора, приготовленного путем растворения анализируемой пробы в определенном объеме растворителя?
55
Пояснения к заданию 3.64
При проведении титриметрического анализа методом отдельных
навесок титруется весь раствор, в котором растворена навеска анализируемой пробы, при этом масса определяемого вещества в растворе рассчитывается по формуле
m(X) = C(
1
z
2
R) V(R) M(
1
z
1
X) 10
–3
,
где C
1
z
2
R – молярная концентрация эквивалента раствора определяе-
мого вещества Х, моль/л; V(R) – объем титранта, пошедший на реакцию
с определяемым веществом, мл; m(X) – масса определяемого вещества
Х, г; M(
1
z
1
X) – молярная масса эквивалента определяемого вещества,
г/моль; 10−3 – коэффициент пересчета миллилитров в литры.
В случае когда используется метод пипетирования (метод аликвотных частей) и титруется только часть пробы (аликвота) раствора, приготовленного путем растворения анализируемой пробы в определенном
объеме растворителя, в расчетную формулу вводится коэффициент,
учитывающий данный эффект:
m(X) = C(
1
z
2
R) V(R) M(
1
z
1
X) ∙
V
м.к.
V
ал.
10
–3
,
где V
м.к.
– объем мерной колбы, в которой содержится вся проба, мл;
V
ал.
– объем аликвоты (часть или доля раствора), которая отбирается
с помощью пипетки для титрования, мл.
3.65. Какие приемы используются в титриметрических методах
анализа, если прямое титрование определяемого вещества невозможно?
Пояснения к заданию 3.65
Прямое титрование основано на измерении объема титранта R, затраченного на взаимодействие с определяемым веществом Х, при этом
титрант непосредственно взаимодействует с определяемым веществом.
Титрование по остатку (обратное титрование) проводится, когда прямое титрование невозможно. В этом случае выбирается вспомогательный
реагент (вещество В), способный взаимодействовать с определяемым веществом Х и взятый в количественном избытке по отношению к нему.
Остаток вспомогательного реагента оттитровывается титрантом R.
Титрование по заместителю применяется, когда отсуствуют подходящая реакция или индикатор для прямого титрования. В этом случае
56
к определяемому веществу Х добавляется вспомогательный реагент В,
с которым определяемое вещество образует эквивалентное количество нового соединения – заместителя Y, которое оттитровывается титрантом R.
3.66. Как называется процесс установления точной концентрации
титранта?
Пояснения к заданию 3.66
В аналитической практике одним из способов получения титрантов
является приготовление раствора приблизительной концентрации с последующей стандартизацией – установлением его точной концентрации с помощью установочного вещества, первичного или вторичного
стандартов.
3.67. Как называется вещество, по навеске которого определяют
точную концентрацию титранта?
3.68. Как называется титрант, точная концентрация которого уста-
навливается с помощью титрованных растворов других веществ?
Пояснения к заданиям 3.67, 3.68
Установочное вещество – вещество, с помощью которого устанавливается точная концентрация титранта.
Первичный стандарт – стандартный раствор установочного вещества.
Вторичный стандарт – раствор, концентрация которого определена
с использованием первичного стандарта.
3.69. Каким требованиям должны соответствовать применяемые
в титриметрии установочные вещества?
Пояснения к заданию 3.69
Установочное вещество должно удовлетворять ряду требований:
а) быть химически чистым (содержание примесей не более 0,05 %);
б) быть устойчивым и сохраняться без изменения состава на воздухе и в растворе, иными словами, не быть гигроскопичным, не окисляться, не взаимодействовать с СО2 и не терять воду, входящую в состав кристаллогидратов;
в) быть легкодоступным;
г) иметь достаточно высокую молярную массу эквивалента.
57
3.2.2. Кислотно-осн овное титрование.
Кисл отно-основные равновес ия.
Вычисление рН растворов
3.70. Каким требованиям должны удовлетворять растворы, исполь-
зуемые в качестве титрантов в методе кислотно-основного титрования?
Пояснения к заданию 3.70
В качестве титрантов используются растворы реагентов с точно из-
вестной концентрацией, которые готовятся либо по точной навеске,
либо путем приготовления раствора приблизительной концентрации
с последующей его стандартизацией. В связи с этим титрант и реагент,
из которого он приготовлен, должны быть устойчивыми (не изменяться
во времени), достаточно просто и легко стандартизироваться. Этим требованиям удовлетворяют, в частности, растворы сильных кислот и оснований, которые обычно используются в качестве титрантов при кислотно-основном титровании.
3.71. Выберите из приведенных в таблице сопряженных кислот и ос-
нований несколько пар, соответствующих теории Бренстеда–Лоури.
Номер
ответа
Сопряженные
Кислота
Основание
1
NH
4
+
NH4ОН
2
CH3COO−
CH3COOH
3
NaH2PO4
Na2HPO4
4
Na2HPO4
NaH2PO4
5
CH3COOH
CH3COO−
6
NH4ОН
NH
4
+
3.72. Выберите из приведенных в таблице сопряженных кислот и ос-
нований несколько пар, соответствующих теории Бренстеда–Лоури.
Номер
ответа
Сопряженные
Кислота
Основание
1
NaHCO3
NaOH
2
Cl− HCl
3
Na2HPO4
Na3PO4
4
Na2HPO4
H3PO4
5
H2CO3
NaHCO3
6
NaHCO3
H2CO3
58
3.73. Выберите из приведенных в таблице сопряженных кислот и ос-
нований несколько пар, соответствующих теории Бренстеда–Лоури.
Номер
ответа
Сопряженные
Кислота
Основание
1
NaHCO3
NaOH
2
H2CO3
NaHCO3
3
Cl− HCl
4
Na2HPO4
H3PO4
5
NaHCO3
H2CO3
6
Na2HPO4
Na3PO4
3.74. Выберите из приведенных в таблице сопряженных кислот и ос-
нований несколько пар, соответствующих теории Бренстеда–Лоури.
Номер ответа
Сопряженные
Кислота
Основание
1
NaHCO3
NaOH
2
H2CO3
NaHCO3
3
Cl− HCl
4
Na2HPO4
H3PO4
5
NaHCO3
H2CO3
6
Na2HPO4
Na3PO4
3.75. Выберите из приведенных в таблице сопряженных кислот и ос-
нований несколько пар, соответствующих теории Бренстеда–Лоури.
Номер ответа
Сопряженные
Кислота
Основание
1
H3PO4
NaH2PO4
2
NaHCO3
Na2CO3
3
Cl−
HCl
4
HCl
Cl−
5
Na2HPO4
H3PO4
6
CO
3
2−
NaHCO3
Пояснения к заданиям 3.71–3.75
В соответствии теорией Бренстеда и Лоури кислота – вещество,
способное отдавать протон (донор протонов), а основание – вещество,
способное принимать протон (акцептор протонов). Обозначим кислоту,
способную отдавать протон, как НА, основание – как В. Уравнение реакции между ними записывается следующим образом:
НА + В ↔ НВ
+
+ А−.
кислота 1 основание 2 сопряженная сопряженное
кислота 2 основание 1
59
Из уравнения видно, что каждой кислоте соответствует сопряженное с ней основание, образующееся при отщеплении протона, а каждому
основанию – сопряженная с ним кислота, образующаяся в результате
присоединения протона. Сопряженная кислотно-основная пара называется протолитической, а соответствующие кислота и основание – протолитами. Протонодонорными (протоноакцепторными) свойствами обладают как молекулы, так и ионы. Соединения, способные проявлять как
кислотные (отдавать протон), так и основные свойства (принимать протон), называются амфолитами (например, вода).
Пример. Выберите из приведенных в таблице сопряженных кислот
и оснований несколько пар, соответствующих теории Бренстеда–Лоури.
Номер ответа
Сопряженные
Кислота
Основание
1
CH3COO−
CH3COOH
2
NH
4
+
NH4ОН
3
NaH2PO4
Na2HPO4
4
NH4ОН
NH
4
+
5
Na2HPO4
NaH2PO4
6
CH3COOH
CH3COO−
Решение
Из представленных в таблице молекул и ионов веществ протолитические пары составляют:
2) NH
4
+
+ 2Н2О ↔ NH4ОН + H3O+,
кислота сопряженное
основание
3) NaH2PO4 + Н2О → Na2HPO4 + Н3О+,
кислота сопряженное
основание
6) СН3СООН + Н2О ↔ СН3СОО− + Н3О+.
кислота сопряженное
основание
3.76. Какая из перечисленных кислот обладает наибольшей силой:
акриловая кислота CH=CH2COOH (Ка = 5,510−5); бензойная кислота
C6H5COOH (Ка = 6,610−5); гликолевая кислота CH2(OH)COOH
(Ка = 1,310−4); синильная кислота HCN (Ка = 5,010
−10
)?
3.77. Какая из перечисленных кислот является наименее сильной:
йодноватистая кислота HJO (pKа = 10,64); азотистая кислота HNO2
60
(pKа = 3,29); бромноватистая кислота HBrO3 (pKа = 8,60); йодноватая
кислота HJO3 (pKа = 0,79)?
3.78. Какое из перечисленных оснований является наиболее силь-
ным: этиламин CH3CH2NH2 (pKb = 3,19); гидразин N2H4 (pKb = 6,03);
пиридин C5H5N (pKb = 8,82); триметиламин (CH3)3N (pKb = 4,19)?
3.79. Какое из перечисленных оснований является наименее силь-
ным (самым слабым) из перечисленных: этиламин CH3CH2NH2
(pKb = 3,19); триметиламин (CH3)3N (pKb = 4,19); пиридин C5H5N
(pKb = 8,82); гидразин N2H4 (pKb = 6,03)?
Пояснения к заданиям 3.76–3.79
Кислоты (основания) по способности к диссоциации подразделяются на два класса: сильные и слабые. Сильные кислоты (основания)
диссоциируют в водных растворах полностью. Слабые кислоты (основания) диссоциируют частично, при этом в растворе устанавливается
равновесие, количественно характеризующееся соответствующей константой диссоциации (ионизации) кислоты Ka (или основания – Kb):
K
a
=
[H
+
] ∙[A
–
]
[HA]
,
K
b
=
[B
+
] ∙[OH
–
]
[BOH]
.
При этом чем больше константа диссоциации, тем сильнее проявляются
свойства кислоты или основания.
При аналитических расчетах достаточно часто используется показатель кислотности рКа (основности – рКb), также характеризующий
силу кислоты (основания):
рКа = −lg Ка,
рКb = −lg Кb.
Чем больше рКa (рКb), тем слабее кислота (основание).
Пример 1. Определите, какая из представленных кислот является
более сильной – гликолевая CH2(OH)COOH (Кa = 1,310−4) или бензойная C6H5COOH (Кa = 6,610−5).
Решение
Представленные кислоты являются слабыми, диссоциируют в растворе частично, при этом устанавливающееся в растворе равновесие
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]