Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Методы нейтрализации

.pdf
Скачиваний:
9
Добавлен:
14.08.2019
Размер:
1.56 Mб
Скачать

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

цвет восстановленной формы индикатора. Следовательно, окраске окисленной формы индикатора соответствует потенциал раствора

Е Е°+

0,059

 

lg10 = E° +

 

0,059

 

 

n

 

 

n

 

 

 

 

а окраске восстановленной формы — потенциал раствора

 

 

 

 

 

Е ≤Е°+

0,059

 

lg0,1 = E° -

 

0,059

 

n

 

n

 

 

 

 

Объединяя оба эти выражения, получаем для интервала изменения окраски

редокс-индикатора (интервала перехода) приближенно:

 

 

 

 

 

Е =Е°

0,059

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

т.е. окраска индикатора изменяется в

пределах

изменения потенциала

раствора от Е° + 0,059/n В до Е°- 0,059/n В. Наиболее резкое изменение окраски наблюдается при равенстве концентраций обеих форм, т.е. при значении

потенциала раствора, равного

 

 

Е =Е°

0,059

lg 1 = Е°

n

 

 

Известно большое число обратимых редокс-индикаторов. В табл. 4.1

охарактеризованы в качестве примера некоторые ОВ индикаторы,

Одним из первых предложенных обратимых

редокс-индикаторов является

дифениламин

С6Н5—NH—С6Н5. Полагают, что

в присутствии окислителей

дифениламин

претерпевает в растворе превращения в соответствии с

полуреакцией

6Н5—NH—С6Н5 С6Н5—NH—С6Н46Н4—NH—С6Н5+ 2Н+ + 2е

дифениламин

дифенилбензидин бесцветный

бесцветный

 

Формулы выведены для случаев, когда в ОВ реакции не участвуют ионы водорода, а стехиометрические коэффициенты восстановленной и окисленной форм редокс-пар в соответствующих полуреакциях равны единице. В более сложных ситуациях логическая схема вывода формул для расчета индикаторных ошибок остается прежней, хотя сами расчеты становятся более громоздкими.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

В практике фармацевтического анализа, когда индикаторная ошибка составляет сотые доли процента или еще меньше, ею обычно пренебрегают.

Считается возможным использование редокс-индикатора для фиксации КТТ тогда, когда индикаторная ошибка титрования с применением этого индикатора не превышает 0,1—0,2%.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

 

 

 

Таблица 4.1.

Некоторые окислительно-восстановительные индикаторы

 

 

 

 

 

Индикатор

Е°, В

Цвет формы индикатора

 

 

окисленная

восстановленная

 

 

 

 

 

 

Нейтральный красный

-0,325 (рН 7)

красный

бесцветный

 

0,240 (рН 0)

 

 

Индигокармин

-0,125 (рН 7)

синий

»

 

0,291 (рН 0)

 

 

Метиленовая синяя

0,011 (рН 7)

»

»

 

0,532 (рН 0)

 

 

Толуиленовый синий

0,115(рН7)

»

»

 

0,601 (pHO)

 

 

Вариаминовый синий

0,71

фиолетовый

»

Дифениламин

0,76

»

бесцветный

Дифенилбензидин

0,76

»

»

п-Этоксихризоидин

0,76

бледно-

красный

 

 

желтый

 

 

 

Дифениламин-4-

0,84

сине-

бесцветный

сульфоновая кислота

 

фиолетовый

 

 

N-Фенилантраниловая

1,00

фиолетовый

»

кислота

 

 

 

 

 

Ферроин

1,06

бледно-

красный

 

 

голубой

 

 

 

Нитроферроин

1,25

»

»

 

 

 

 

Эта стадия необратима. Образовавшийся бесцветный дифенилбензидин затем обратимо окисляется по схеме

С6Н5—NH—С6Н46Н4—NH—С6Н5 дифенилбензидин бесцветный

дифенилдифенохинондиимин фиолетовый с образованием окисленной окрашенной фиолетовой формы индикатора (В

присутствии нитрат-ионов в кислой среде раствор окрашивается в синий цвет).

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Интервал перехода окраски индикатора изменяется в пределах Е = 0,76 ± 0,0295

В.

Таким образом, собственно обратимым редокс-индикатором является не дифениламин, а дифенилбензидин, обратимо переходящий в дифенилдифено-

хинондиимин.

К недостаткам дифениламина как редокс-индикатора относится его малая растворимость в воде (обычно готовят его 1%-ный раствор в концентрированной серной кислоте).

В качестве редокс-индикатора применяют также N-фенилантрониловую кислоту (2-дифениламинкарбоновую кислоту):

окисленная форма которой имеет фиолетово-красную окраску. Интервал

(потенциал) перехода составляет Е = 1,00 ± 0,059 В. В отличие от дифениламина

N-фенилантраниловая кислота растворяется в воде, поэтому обычно готовят ее

0,2%-ный водный раствор или же 0,1%-ный раствор в 0,2%-ном растворе соды.

Индикатор ферроин представляет собой комплекс железа(II) с ортофенан-

тролином состава [FеL3]2+, где L — молекула ортофенантролина (1,10-

фенантролина)

Ферроин

обратимо

претерпевает

окислительно-восстановительное

превращение

 

 

 

 

 

[FеL3]3+ +

е = [FеL3]2+

 

окисленная форма

восстановленная форма

 

 

(бледно-голубая)

(красная)

Интервал (потенциал) перехода составляет Е = 1,06 В. Ферроин как редокс-

индикатор обладает целым рядом достоинств: его растворы стабильны;

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

окисленная форма индикатора устойчива по отношению к действию сильных окислителей; он проявляет резкое изменение окраски, которое осуществляется быстро и обратимо; допускает титрование при нагревании вплоть до ~60 °С.

Обычно раствор этого индикатора готовят, смешивая 1,624 г гидрохлорида фенантролина и 0,695 г FeSO4 • 7Н2`О в 100 мл воды.

Необратимые ОВ индикаторы. К индикаторам этой группы относятся метиловый оранжевый, метиловый красный, нейтральный красный. При потенциале раствора, равном потенциалу а ТЭ, они необратимо окисляются,

вследствие чего исчезает присущая им окраска раствора.

Другая классификация индикаторов ОВ титрования. Кроме рассмотренной выше предложена также следующая классификация индикаторов ОВ титрования:

1.Индикаторы группы соединений дифениламина и дифенилбензидина.

2.Индикаторы группы трифенилметановых и других красителей.

3.Хелатные комплексы дииминжелеза.

4.Индикаторы особого (специфического) действия.

5.Необратимые индикаторы, подвергающиеся деструкции.

6.Различные другие соединения.

7.Смешанные индикаторы.

4.6.Графический метод изображения процесса окисления — восстановления

Подобно тому, как процессы кислотно-основного титрования могут быть представлены графически в виде кривой титрования, изображающей изменение величины рН титруемого раствора по мере приливания к нему стандартного

(титрованного) раствора кислоты или щелочи, процессы окислительно-

восстановительного титрования можно также представить графически в виде кривой титрования, изображающей изменение окислительно-восстановительного потенциала Е титруемого раствора по мере приливания к нему стандартного

(титрованного) раствора окислителя или восстановителя.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Каждый процесс окисления—восстановления характеризуется своей кривой титрования, изображающей изменение окислительно-восстановительного потенциала в процессе титрования. Как видно из уравнения:

o

 

0,059

lg

[Окисл.]

E E

n

[Восст.]

 

 

 

величина потенциала Е зависит от величины нормального окислительно-

восстановительного потенциала данной системы Е и от количественного соотношения концентраций окислителя и восстановителя. Например, потенциал раствора, содержащего одновременно соли двух- и трехвалентного железа, будет тем выше, чем больше отношение

[Fe3+] (окислитель)

[Fe2+] (восстановитель)

При титровании железа (II) перманганатом в кислой среде, согласно схеме

KMnO4

Fe2+ Fe3+

[Fe3+] увеличивается по мере приливания титранта и одновременно уменьшается

[Fе2+]. Следовательно, изменяется отношение [Fe3+]/[Fe2+]. По мере увеличения этого отношения окислительно-восстановительный потенциал тоже увеличивается.

Это постепенное увеличение потенциала происходит неравномерно.

Вблизи точки эквивалентности наблюдается наиболее резкое (скачкообразное)

изменение потенциала, объясняемое более резким изменением соотношения

[Fe3+]/[Fe2+], которое достигает превышения начального отношения в миллион

раз.

По величине нормальных потенциалов можно рассчитать величину константы равновесия данной окислительно-восстановительной реакции, а зная ее величину, можно вычислить отношение равновесных концентрации и

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

рассчитать значение потенциалов в процессе титрования. В точке эквивалентности раствор характеризуется определенным окислительно-

восстановительным потенциалом. Конец титрования может быть определен при помощи индикатора, изменяющего свою окраску при этом окислительно-

восстановительном потенциале.

Изменение окислительно-восстановительного потенциала раствора в процессе титрования. Если опустить в раствор, содержащий Fe3+ и 2+-ионы,

пластинку из инертного металла (например, платины) и соединить такой электрод

скаким-либо другим окислительно-восстановительным (или ред-окс)

электродом, то образуется гальванический элемент. При этом происходит окисление Fе2+ в Fе3+ или восстановление Fе3+ в Fе2+.

Окисление Fе2+ в Fе3+ происходит в том случае, когда второй электрод в гальваническом элементе является положительным, т. е. когда в реакцию вступает более сильный окислитель, чем Fе3+. Восстановление Fе3+ в Fе2+

наблюдается тогда, когда указанный электрод является отрицательным, т. е. когда в реакцию вступает более сильный восстановитель, чем Fе2+.

Таким образом, непременным условием протекания какой-либо окислительно-восстановительной реакции является наличие системы двух пар окислителей Окисл.1 и Окисл.2 и восстановителей— Восст.1 и Восст.2.

В начале титрования, когда имеется избыток восстановителя, величину окислительно-восстановительного потенциала, меняющуюся по мере изменения концентрации, вычисляют по формуле:

E Eo

 

0,059

lg

[Окисл.2 ]

 

 

 

 

 

 

Окисл .2 / Восст.2

 

n

[Восст.

2

]

 

 

 

 

 

 

 

 

где [0кисл.2] и [Восст.2] относятся к титруемому веществу

(восстановителю). В точке эквивалентности потенциал раствора вычисляют на основании величины нормальных потенциалов восстановителя и окислителя и

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

константы равновесия данной реакции. После точки эквивалентности величину потенциала определяют по избытку прибавляемого окислителя по формуле:

 

o

 

 

0,059

 

[Окисл.

 

]

E E

 

 

 

lg

1

 

Окисл .1

/ Восст.1

n

[Восст.

]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

где [0кисл.1] и [Восст.1] относятся к титрованному раствору (окислителю).

При титровании окислителя восстановителем вычисления проводят аналогично.

Рассмотрим в качестве примеров титрование ионов железа(II) сульфатом церия(IV) и титрование ионов железа(II) перманганатом калия в сернокислой среде.

Титрование соли железа(II) сульфатом церия(IV).

а) Расчет величины потенциала в начале титрования

Когда идет речь об окислительно-восстановительном потенциале, то имеется в виду не отдельный элемент или его ионы, а система, характеризующаяся определенным равновесием. Например:

Fe3+ + e- 2+

Fe2+ + 2e- 0

Fe3+ + 3e- 0 [Fе(СN6)3+] +е- [Fe(CN)6]4- [FeF6]3- + e- Fe2+ + 6F-

(а) (б) (в) (г) (д)

Вследствие этого для систем, выражающих различное состояние данного элемента, может быть не одно, а несколько значений нормального потенциала.

Так, для железа, в соответствии с уравнениями а, б, в, г, д существуют различные значения нормального потенциала.

При титровании солей железа (II) сульфатом церия (IV) ионы железа (II)

окисляются до ионов железа (III), в результате возникает система, выражаемая следующим уравнением

Fe2+ - e- 3+

Если для титрования взято 100 мл 0,1 и. раствора соли железа (II), то при прибавлении первой капли (~0,001 мл) 0,1 и. стандартною раствора сульфата

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

церия образуется эквивалентное количество Fe2+ -ионов. Поэтому в начале титрования отношение концентраций ионов [Fe3+]/[Fe2+], определяющее

потенциал системы, можно считать равным:

 

 

 

 

[Fe3+]

 

 

 

0,001

10-5

 

 

 

 

 

 

[Fe2+]

 

 

 

 

100

 

 

 

 

Потенциал системы:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

o

 

 

[Fe

3

E

 

3

 

2

E

0,059lg

 

 

 

 

 

 

 

Fe

/ Fe

 

[Fe

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

] ]

0,771 + 0,059 lg10-5

0,771 - 0,059 5 0,771 - 0,295 0,476 B

Реакция окисления железа (II) церием (IV) идет согласно уравнению:

Се4+ + Fe2+ = Се3+ + Fe3+

E Fe3+/Fe2+ = 0,77l B,

E Ce4+/Ce3+ = 1,45 B

Реакция обратима, и во время титрования, после каждого прибавления стандартного раствора сульфата церия, устанавливается равновесие:

окислитель1 (Ce4+) + восстановитель2 (Fe2+)

восстановитель (Се3+) + окислиnель (Fe3+)

Окислительно-восстановительные потенциалы обеих систем

+ Fe3+ + е Fe2+

Се4+ + е Се3+

при установившемся равновесии

равны друг другу. Поэтому расчет

потенциала в каждый данный момент титрования после установления равновесия может быть сделан по одному из следующих уравнений:

E

 

3

 

2

0,771 0,059lg

[Fe3

]

Fe

/ Fe

 

]

 

 

 

 

 

 

[Fe2

 

 

 

 

 

 

 

 

E

 

 

4

 

 

3

1,45 0,059 lg

[Ce4

]

Ce

/ Ce

 

 

 

 

 

]

 

 

 

[Ce3

 

 

 

 

 

 

 

б) Расчет величины потенциала в процессе титрования до точки

эквивалентности.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

При приливании к 100 мл 0,1 н. раствора соли железа(II) 0,1 мл 0,1 н.

раствора сульфата церия(IV) происходит окисление ионов Fe2+ в Fe3+ в

количестве, эквивалентном его количеств содержащемуся в 0,1 мл 0,1 н. раствора.

В этот момент, если не учитывать разбавление раствора, отношение:

[Fe3+]

=

0,1

= 10-3

[Fe2+]

100

 

 

Следовательно:

E

Fe

3

/ Fe

2

 

 

 

0,771 0,059 lg

[Fe

[Fe

 

3 2

] ]

= 0,771 +0,059 lg 10-3 = 0,771 -0,059•3 = 0,594 B

При приливании 1 мл стандартного раствора сульфата церия образуется эквивалентное количество ионов Fe3+ и

[Fe3+] 1

[Fe2+] = 100 = 10-2

тогда

E

Fe

3

/ Fe

2

 

 

 

0,771 0,059 lg

[Fe

[Fe

 

3 2

] ]

= 0,771 +0,059 lg 10-2 = 0,771 -0,059•2 = 0,653 B

При приливании к 100 мл 0,1 н. раствора соли железа(II) 10 мл 0,1 н. раствора сульфата церия (IV)

 

 

 

 

 

 

[Fe3+]

=

10

 

10-1

 

 

 

 

 

 

[Fe2+]

90

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следовательно

 

 

 

 

 

 

E

 

3

 

2

0,771 0,059 lg

[Fe3

]

0,771 +0,059 lg 10-1 0,771 -0,059 0,712 B

Fe

/ Fe

 

 

 

 

 

 

 

[Fe2

]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

После добавления 50 мл раствора сульфата церия половина ионов железа

(П) будет окислена и [Fe3+] = [Fe2+]; тогда

E

 

3

 

2

0,771 0,059 lg

[Fe3

]

= 0,771 +0,059 lg 1 = 0,771 = 0,771 B

Fe

/ Fe

 

 

 

 

 

[Fe2

]