6.3 Практическое занятие № 14 Определение количественного состава анализируемой пробы при применении потенциометрического титрования

Цель:Получение практических навыков в расчетах по потенциометрическому титрованию.

План занятия:

1 Теоретическая часть

Потенциометрия и потенциометрическое титрование основано на существовании зависимости равновесного потенциала электрода от активности (концентрации) определяемого иона, описываемой уравнением Нернста. Косвенная потенциометрия или потенциометрическое титрование основано на измерении в анализируемом растворе потенциала электрода, меняющегося в ходе протекания химической реакции при изменении концентрации определяемого иона. В ходе титрования потенциал измеряют после добавления каждой порции титранта. При приближении к концу титрования величина потенциала начинает быстро меняться (скачок титрования). Точку конца титрования определяют по самому резкому изменению величины потенциала в этой области.

Экспериментальные данные записываются в виде таблицы, содержащей значения объема прибавляемого титранта V_т и соответствующего значения потенциала E. По полученным данным строится кривая потенциометрического титрования в интегральной форме в координатах Е – V_т, по точке перегиба которой определяется точка эквивалентности V_экв. Зная концентрацию стандартного раствора и объем титранта, пошедший на титрование, рассчитывают содержание определяемого иона в растворе.

Если точку эквивалентности по полученным данным определить сложно (пологая кривая), то точность нахождения конечной точки можно повысить путем дифференцирования кривой титрования, построив ее в виде первой производной ∆E/∆V – V.

В потенциометрическом титровании используют кислотно-основные, окислительно-восстановительные, осадительные и комплексонометрические реакции. При этом можно титровать окрашенные и мутные растворы, анализировать смеси близких по своим свойствам веществ без их предварительного разделения, поскольку при построении кривой титрования по отдельным точкам на ней будет отмечено несколько скачков титрования. Скорость определения при анализе сложных производственных объектов значительно увеличивается по сравнению с классическими титриметрическими методами с визуальной индикацией конечной точки титрования.

Пример 1. В навеске сплава массой 1,2500 определяли содержание хрома потенциометрическим титрованием. При растворении сплава хром окислили до хромовой кислоты H₂CrO₄. Титрование проводили раствором сульфата железа (II) с концентрацией Т (FeSO₄/Cr) = 0,005020 г/мл. Вычислить массовую долю (масс. %) хрома в сплаве по следующим данным потенциометрического титрования.

V (FeSO4), см3	E, В	V (FeSO4), см3	E, В	V (FeSO4), см3	E, В
5	600	11	725	15,3	953
6	610	12	765	15,4	977
7	620	13	805	15,5	982
8	635	14	855	16	990
9	660	15	915	17	995
10	690	15,2	935	20	997

Решение задачи включает следующие этапы:

1. Запись уравнения реакции, протекающей в процессе титрования;

2. Построение кривой титрования в координатах Е – V;

3. Вычисление отношений ∆E/∆V и запись их в соответствующую таблицу;

4. Построение кривой титрования в координатах ∆E/∆V – V;

5. Определение конечной точки титрования V_экв. (FeSO₄) по первому графику и его уточненного значения по второму графику;

6. Расчет массы хрома в анализируемом растворе;

7. Расчет массовой доли хрома в анализируемом образце сплава.

Решение

1. Уравнение реакции, протекающей в процессе титрования. Определяемым элементом в сплаве является хром (VI), который титруют рабочим раствором сульфата железа (II). Этому процессу отвечает реакция

Cr⁶⁺ + 3 Fe²⁺ = Cr³⁺ + 3 Fe³⁺

2. Построение кривой титрования в координатах Е – V.

В соответствии с данными условия построим интегральную кривую зависимости Е – V (рисунок 6).

Рис. 6. Интегральная кривая потенциометрического титрования

хрома (VI) рабочим раствором железа (II)

По этой кривой сложно определить точку конца титрования. Поэтому переходим к построению кривой титрования в виде первой производной функции Е = f (V).

3. Вычисление отношений ∆E/∆V и запись их в соответствующую таблицу. На основе исходных данных вычислим отношения ∆E/∆V и сопоставим их с соответствующими объемами (таблица 9).

Таблица 9

Данные для построения первой производной кривой потенциометрического титрования хрома (VI) рабочим раствором железа (II)

V (FeSO4), см3	∆E, В	V (FeSO4), см3	∆E, В	V (FeSO4), см3	∆E, В
6	10	12	40	15,4	240
7	20	13	40	15,5	50
8	15	14	50	16	16
9	25	15	60	17	5
10	30	15,2	100	20	0,66
11	35	15,3	180

4. Построение кривой титрования в координатах ∆E/∆V – V. На основе данных таблицы 9 построим кривую потенциометрического титрования в координатах ∆E/∆V – V.

Рис. 7. Кривая потенциометрического титрования хрома (VI ) рабочим раствором железа(II) в координатах ∆E/∆V – V

5. Определение конечной точки титрования V_экв.(FeSO₄). В данном случае конечную точку титрования V_экв. (FeSO₄) можно определить только по последнему варианту кривой титрования (рисунок 7). В этом случае она определяется очень четко: V_экв. (FeSO₄) = 15,4 см³ .

6. Расчет массы хрома в анализируемом растворе. По условию задачи известен титр рабочего раствора сульфата железа по определяемому веществу – хрому, то есть количество граммов хрома, эквивалентное в данной реакции 1 см³ рабочего раствора – сульфата железа. Эта величина составляет Т (FeSO₄/Cr) = 0,005020 г/мл. Эквивалентный объем рабочего раствора сульфата железа найден по графику V_экв. (FeSO₄) = 15,4 мл. Поэтому масса хрома в анализируемом растворе вычисляется по формуле

m (Cr) = Т (FeSO₄/Cr) · V_экв.(FeSO₄) = 0,005020 · 15,4 = 0,07731 г.

7. Расчет массовой доли хрома в анализируемом образце сплава. Зная навеску сплава m_обр и массу хрома m (Cr) в этой навеске, можно рассчитать массовую долю хрома (масс. %) в анализируемом образце:

ω (Cr) = [m (Cr ) / m_обр ] · 100 % = [0,07731/1,2500] · 100 % = 6,18 %

2 Групповое задание. Решение задач

Последовательность оформления решения задачи:

1. Записать уравнения реакции, протекающей в процессе потенциометрического титрования;

2. Построить кривую титрования в координатах Е – V;

3. Вычислить отношения ∆E/∆V и записать их в соответствующую таблицу;

4. Построить кривую титрования в координатах ∆Е/∆V – V, правильно подобрав масштаб для более точного определения точки конца титрования;

5. Определить конечную точку титрования V_экв. по первому графику и его уточненное значение по второму графику;

6. Рассчитать массу определяемого элемента в анализируемом растворе;

7. Рассчитать массовую долю определяемого элемента в анализируемом образце.

Задача № 1. Навеску установочного веществаNa₂CO₃массой 0,2792 г растворили в мерной колбе вместимостью 50,0 см³и довели раствор до метки ледяной уксусной кислотой. При потенциометрическом титровании 5,0 см³полученного раствора хлорной кислотой в безводной уксусной кислоте были найдены следующие результаты:

V (HClO4), см3	E, мВ	V (HClO4), см3	E, мВ	V (HClO4), см3	E, мВ
3,6	431	4,2	465	4,8	550
3,8	439	4,4	490	5,0	566
4,0	450	4,6	523	5,2	573

Вычислить молярную концентрацию эквивалента хлорной кислоты.

Задача № 2.Навеску смеси аланина (M= 89,09 г/моль) и фенилаланина (M= 165,2 г/моль) массой 0,4101 г растворили и раствор довели до метки ледяной уксусной кислотой в мерной колбе вместимостью 50,0 см³. При титровании аликвоты объемом 5,0 см³0,1MHClO₄(K= 0,992) в безводной уксусной кислоте получили следующие результаты:

V (HClO4), см3	E, мВ	V (HClO4), см3	E, мВ	V (HClO4), см3	E, мВ
3,0	432	3,6	580	4,2	650
3,2	444	3,8	624	4,4	655
3,4	466	4,0	640

Вычислить массовые доли (%) компонентов смеси.