Глаголева Физическая химия Лабораторный практикум 2008

ванной водой. Электроды тщательно ополосните дистиллированной водой, не вынимая их из штатива и используя промывалку, после чего осушите их, осторожно касаясь фильтровальной бумагой.

17.Результаты измерений покажите преподавателю. Если при выполнении ориентировочного титрования была допущена ошибка, титрование следует повторить.

18.Приготовьте раствор кислоты для проведения точного титрования, повторив п. 8. Измерьте рН раствора до титрования.

19.Вновь доведя уровень щелочи в бюретке до нулевой отметки, проведите точное титрование кислоты следующим образом:

до области резкого изменения рН приливайте раствор NaOH примерно по 1 мл (время установления постоянного значения рН – 20-30 с);

вобласти точки эквивалентности щелочь приливайте по 0,1–0,2 мл (время установления постоянного значения рН не менее 2–3 мин);

после окончания резкого изменения рН прибавляйте NaOH снова по 1 мл в количестве, равном прибавленному до точки эквивалентности. Измерение объемов прибавляемой щелочи проводите с точностью 0,1 мл.

20.Результаты измерений запишите в табл. 14.1 и покажите преподавателю.

21.Аналогичным образом проведите ориентировочное и точное потенциометрическое титрование раствора другой кислоты (или смеси кислот). В этом случае используйте пипетку № 2. Результаты измерений рН запишите в такую же таблицу и покажите преподавателю.

Оформление работы

1.Запишите уравнение реакции нейтрализации.

2.Заполните таблицы экспериментальных данных для каждого титруемого раствора.

3.По данным точного титрования постройте интегральные и дифференциальные кривые титрования для каждого раствора:

181

ных кривых определите точки эквивалентности. ПРИМЕЧАНИЕ А. При построении дифференциальной кривой по оси орди-

∆ щ

Б. Раствор щелочи способен поглощать углекислый газ из воздуха, поэтому если при потенциометрическом титровании кислоты использовать не свежеприготовленный раствор щело-

титрования соответственно будет не один, а два пика, расстояние между которыми зависит от количества привнесенной углекислоты. Точка эквивалентности соответствует первому

полученных в мерных колбах после разбавления их водой до метки ( н,к).

5.Определите массу (г) выданных в мерных колбах № 1 и №2 кислот по уравнению:

где Мf к – молярная масса эквивалента кислоты, равная ее молярной массе, деленной на основность кислоты, а Vк – объем мерной колбы (25 мл).

182

Таблица 14.1

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Дайте определение следующих понятий: «прямая потенциометрия и потенциометрическое титрование», «точка эквивалентности», «закон эквивалентов», «нормальность раствора», «молярная масса эквивалента».

2.Какие электроды называются ионоселективными? Какие параметры используют для их характеристики?

3.Опишите конструкцию и принцип действия стеклянного электрода.

4.Как устроен хлорсеребряный электрод сравнения? Почему удобно использовать для его заполнения насыщенный раствор КСl? Приведите уравнение для потенциала хлорсеребряного электрода.

5.На чем основан принцип измерения рН исследуемого раствора в ходе потенциометрического титрования? Какие электроды составляют гальванический элемент для проведения потенциометрического титрования в данной работе? Какова схема гальванического элемента?

183

6.Приведите теоретический разбор кривых потенциометрического титрования сильной и слабой кислот сильным основанием. Чем объясняется их сходство и различие?

7.Какова цель потенциометрического титрования? Для какого типа реакций оно применяется?

8.Почему при титровании кислоты не свежеприготовленной щелочью на кривой потенциометрического титрования появляется «ступенька»?

9.Как ведут себя при потенциометрическом титровании многоосновные кислоты? Каков вид кривой титрования в этом случае?

10.Выведите формулу, описывающую кривую потенциометрического титрования слабой кислоты раствором сильного основа-

184

титрования, т.е. E = f (VKMnO4 ) .

При титровании сульфата железа FeSO4 перманганатом калия KMnO4 протекает реакция: 2KMnO4+10FeSO4+8H2SO4→2MnSO4+5Fe2(SO4)3+K2SO4+8H2O. (15.I)

Следовательно, в ходе титрования реализуются две окислитель- но-восстановительные системы: до точки эквивалентности – Fe3+, Fe2+ и после точки эквивалентности – Mn+7, Mn2+. Соответственно гладкий платиновый электрод, погруженный в титруемый

Таким образом, в ходе титрования ЭДС системы определяется поочередно двумя гальваническими элементами:

1)до точки эквивалентности элементом, схему которого можно представить cледующим образом:

Схематично уравнение окислительно-восстановительной полуреакции, в которой участвует п электронов, и схему редокс-

где О и В – обозначения окисленной и восстановленной форм одного и того же элемента, ao и ав – соответственно активности этих форм.

По отношению к нормальному водородному электроду окислительный потенциал такой системы определяется по уравнению:

При равенстве активностей окисленной и восстановленной форм Ео,в совпадает с Ео,в°, называемым стандартным потенциалом. В случае приближенных вычислений коэффициенты активности окисленной и восстановленной форм одного и того же элемента

186

считают равными друг другу и соотношение активностей в уравнении заменяют на соотношение концентраций. Тогда

Если процесс окисления-восстановления идет с участием ионов водорода, то потенциал электрода зависит от активности ионов водорода. Например, для

MnO4–+8H++5ē→Mn2++4H2O

В этом случае стандартным потенциалом будет называться потенциал электрода, погруженного в раствор, содержащий не только обе формы (окисленную и восстановленную) с равными активностями, но и ионы водорода с активностью, равной единице.

Так как

До точки эквивалентности работает элемент, соответствующий схеме (15.IV), а ЭДС элемента рассчитывают по уравнению:

F ,F хс, (15.8)

где Ехс – потенциал хлорсеребряного электрода сравнения. После точки эквивалентности ЭДС определяется элементом, представленным схемой (15.V)), для которого ЭДС определяют следующим образом:

187

При построении кривой потенциометрического титрования (рис. 15.1) по оси абсцисс откладывают добавленный объем V титрующего раствора KMnO4, а по оси ординат – ЭДС элемента. Для определения точки эквивалентности строят дифференциальную

валентности устанавливают по положению пика на этой кривой. Концентрацию исследуемого (титруемого) раствора вычисляют

на основании закона эквивалентов:

В свою очередь, эквивалент окислителя или восстановителя равен его молярной массе, деленной на число электронов, которое соответственно приобретает или теряет одна его молекула в окисли- тельно-восстановительной реакции.

В той точке на кривой титрования (см. рис. 15.1), абсцисса которой равна 0,5Vэ, оттитрована половина исходного количества Fe2+, т.е.

Если объем добавленного раствора KMnO4 равен 2Vэ, то

CMn2+ =CMnO−4

и

188

E, мв

э

,э

Рис. 15.1. Кривая потенциометрического титрования для реакции окисления-всстановления

,

мВ/мл

определена константа равновесия, которая для реакции окислениявосстановления

MnO4–+5Fe2++ 8H+→Mn2++5Fe3++ 4H2O (15.VIII)

связана с равновесными активностями реагентов следующим образом:

189

ных условиях. Однако, по уравнению изотермы химической реакции для равновесия

° ln ,

откуда следует, что

Выполнение работы

1.Ознакомьтесь с измерительной установкой, состоящей из рН- метра-милливольтметра и штатива, на котором закреплены электроды, погруженные в стакан с дистиллированной водой. Стакан установлен на магнитной мешалке, на дне стакана находится перемешивающий стержень.

2.Выньте пробку из отверстия в корпусе хлорсеребряного электрода. Проверьте наличие насыщенного раствора KCl внутри электрода.

3.Включите прибор в сеть и прогрейте не менее 10 мин, после чего переведите прибор в режим установки температуры и выведите на табло прибора то значение, которое соответствует показанию термометра. Запишите температуру. Затем переведите прибор в режим “mV”.

4.Получите у преподавателя в мерной колбе на 50 мл исследуемый раствор (задачу). Доведите дистиллированной водой объем раствора в мерной колбе до метки. Закройте колбу пробкой и тщательно перемешайте раствор.

5.Приготовьте пробу для ориентировочного титрования. Для этого отмерьте в стакан на 400 мл пипеткой 10 мл исследуемо-

го раствора, добавьте из бюретки 10 мл 2 н. раствора H2SO4 и долейте до метки дистиллированную воду. Стакан поставьте на магнитную мешалку и осторожно опустите электроды (платиновый и хлорсеребряный) в титруемый раствор так, чтобы

190