Лабораторная работа №4

Определение наличия железа (III) в растворе методом дифференцированного потенциометрического титрования.

1. Цель работы.

Определение содержания железа (III) в растворе.

2. Теоретическая часть.

2.1. Потенциометрия

Потенциометрический метод, основанный на измерении электродвижущих сил (э.д.с.) обратимых гальванических элементов, используют для определения содержания веществ в растворе и измерения различных физико-химических величин. В потенциометрии обычно применяют гальванический элемент, включающий два электрода, которые могут быть погружены в один и тот же раствор (элемент без переноса) или в два различных по состав) раствора, имеющих между собой жидкостной контакт (цепь с переносом).

Электрод, потенциал которого зависит от активности (концентрации) определенных ионов в растворе, называется индикаторным.

Для измерения потенциала индикаторного электрода в раствор погружают второй электрод, потенциал которого не зависит от концентрации определяемых ионов. Такой электрод называется электродом сравнения.

В потенциометрии используют два основных класса индикаторных электродов:

1. Электроды, на межфазных границах которых протекают реакции с участием электронов. Такие электроды называют электронообменными.

2. Электроды, на межфазных границах которых протекают ионообменные реакции. Такие электроды называют мембранными или ионообменными, их называют также ионселективными.

Ионселективные электроды делятся на группы: 1) стеклянные электроды; 2) твердые электроды с гомогенной или гетерогенной мембраной; 3) жидкостные электроды (на основе ионных ассоциатов. хелатов металлов или нейтральных лигандов); 4) газовые электроды: 5) электроды для измерения активности (концентрации) биологических веществ.

В основе потенциометрического анализа лежит уравнение Нернста:

Е = const + (0,059/n) lg а, (1)

где n— заряд потенциалопределяюшего иона или число электронов, участвующих в реакции; а — активность иотенциалопределяющих ионов (для электроноообменных электродов отношение активностей окисленной и восстановленной форм).

Ионселективным электродам свойственна определенная избирательность и уравнение (1) в этом случае имеет вид (уравнение Никольского):

Е = const ± (0,059/n) lg (а +K_M,X^a_X^n/Z_X) (2)

где а — активность определяемого иона: a_x — активность мешающего иона;

Z_x — заряд мешающего иона; Км, х - коэффициент селективности электрода по отношению к определяемому иону М на фоне мешающего иона X.

Потенциометрический анализ широко применяют, для непосредственного определения активности ионов, находящихся в растворе (прямая потенциометрия - ионометрия), а также для индикации точки эквивалентности при титровании: по изменению потенциала индикаторного электрода в ходе титрования (потенциометрическое титрование). При потенциометрическом титровании могут быть использованы следующие типы химических реакций, в ходе которых изменяется концентрация потенциалопределяюших ионов: реакции кислотно-основного взаимодействия, реакции окисления-восстановления. реакции осаждения и комплексообразования.

Результаты определений методом потенциометрического титрования более точны, чем при использовании прямой потенциометрии, так как в этом случае вблизи точки эквивалентности небольшому изменению концентрации соответствует большое изменение потенциала индикаторного электрода. В ходе титрования измеряют и записывают э.д.с. ячейки после добавления каждой порции титранта. В начале титрант добавляют небольшими порциями, при приближении к конечной точке (резкое изменение потенциала при добавлении небольшой порции реагента) порции уменьшают. Для определения конечной точки потенциометрического титрования можно использовать различные способы. Наиболее простой способ состоит в построении кривой титрования — графика зависимости потенциала электрода от титранта (рис.1, а).

Другой способ состоит в расчете изменения потенциала на единицу изменения объема реагента E/ V (рис. 1, б). Кривая титрования, построенная с использованием этого параметра, зависящего от объема титранта, имеет острый максимум в конечной точке.

Объем реагента можно зафиксировать более точно, определив точку, в которой вторая производная потенциала по объёму E / V² равна нулю (рис. I, в).

Рассмотренные способы основаны на предположении, что кривая титрования симметрична относительно точки эквивалентности и перегиб кривой соответствует этой точке. Это допущение справедливо при условии, что вещества взаимодействуют в эквимолекулярных соотношениях и что электродный процесс полностью обратим.

Главное преимущество потенциометрического метода, по сравнению с другими методами анализа - быстрота и простота проведения измерений. Время установления равновесного потенциала индикаторных электродов мало, что удобно для изучения кинетики реакций и автоматического контроля технологических процессов. Используя микроэлектроды, можно проводить измерения в пробах объемом до десятых долей миллилитра. Потенциометрический метод дает возможность проводить определения в мутных и окрашенных растворах, вязких пастах, и при этом, исключая операции фильтрации и перегонки. Потенциометрические измерения относят к группе неразрушающих способов контроля, и анализируемый раствор может быть использован для дальнейших исследований. Погрешность определения при прямом потенциометрическом измерении составляет 2—10%, при проведении потенциометрического титрования 0,5—1%. Интервал определения содержания компонентов потенциометрическим методом в различных природных и промышленных объектах находится в пределах от 0 до 14 рН для стеклянных электродов, и от 10° до 10^-5 (10^-7) М определяемого иона для других типов ионселективных электродов.

Одним из достоинств метода потенциометрического титрования является возможность полной или частичной его автоматизации. Автоматизировать можно подачу титранта, запись кривой титрования, отключение подачи титранта в заданный момент титрования, соответствующий точке эквивалентности.