Кислотно-основное титрование

Кислотно-основное титрование

Сущность  титриметрического  анализа 

     Титриметрический  анализ заключается в измерении  объема титранта (раствора точно известной  концентрации), затраченного на реакцию  с определяемым вещестьвом. Процесс  поспенного добавления титранта к анализируемой пробе называется титрованием, а момент завершения реакции – тчкой эквивалентности. Расчет в титриметрическом анализе основан на законе эквивалентности. Условимся в дальнейшем любое анализируемое вещество обозначать «Х», а любой титрант «Т». тогда закон эквивалентности можно записать следующей формулой:

      , где

     с(1/z Х) – молярная концентрация эквивалента  вещества,

     V – объем раствора.

     Выделим три основных задачи, которые необходимо решить для успешного проведения титриметрического анализа.

     1. Необходимо знать точную концентрацию титранта (понятие «точная концентрация» здесь условно; ясно, что опрерируя экспериментальными данными, имеющими приблизительный характер, мы лишь оговариваем степень точности. Точной будем называть такую концентрацию, которая в числовом выражении имеет три значащих цифры, например: 1,38; 0, 0138; 0,400).

     2. Необходимо знать точные объемы растворов реагирующих вещестьв, т. е. титранта и анализируемого вещества.

     3. Необходимо правильно выбирать реакцию для определения и надежно фиксировать точку эквивалентрости.

 

      Задача №1 

       

                 Задача №3

                 Задача №2

     В титриметрическом анализе могут  использоваться не все химические реакции, а только те, которые отвечают определенным требованиям. Перечислим основные:

     1. реакция должна быть практически необратимой;

     2. реакция должна протекать в строгом соответствии с уравнением химической реакции, без побочных продуктов (это требование часто формулируется как «стехеометричность процесса»);

     3. реакция должна протекать достаточно быстро;

     4. должен существовать способ фиксирования точки эквивалентности.

     Многие  кислотно-основные реакции удовлетворяют  этим требованиям, которые были перечислены  выше.

     Использование в качестве титрантов только сильных  кислот и сильных оснований обеспечивает практическую необратимость многих реакций.

     Реакции между кислотами и основаниями  не сопровождаются, как правило, какими-либо внешними эффектами, поэтому для фиксирования точки эквивалентности приходится использовать специальные вещества-индикаторы.

     Кислотно-основные индикаторы – слабые кислоты или  основания, степень ионизации которых  определяется концентрацией Н⁺-ионов в растворе.

     Для индикатора-кислоты НInd существует равновесие:

      НInd            H⁺ + Ind^-

     Чем больше будет концентрация Н⁺-ионов, тем меньше будет степень ионизации индикатора. Молекулярная HInd и ионная Ind^- -формы индикатора имеют разные окраски. Таким образом, концентрация ионов Н⁺ влияет на соотоношение концентраций HInd и ионная Ind^-, что, в свою очередь, определяет характер или яркость окраски. Для характеристики растворов в химии широко пользуются водородным показателем, рН.

     В первом приближении:

     рН=-lg с(Н⁺).

     (в  дальнейшем определение будет  уточнено).

     В кислых растворах рН<7, в щелочных рН>7, в нейтральных рН=7.

     Все индикаторы изменяют свою окраску не скачкообразно, а плавно, т. е. в определенном интервале значений рН, называемом интервалом перехода. Поскольку индикаторы как кислоты или основания отличаются друг от друга по силе, они имеют разные интервалы перехода (см.справочник).

     Значение  рН раствора в процессе титрования постоянно меняется, вблизи точки  эквивалентности наблюдается так  называемый скачок титрования – резкое изменение рН раствора при незначительном добавлении титранта.

     Для надежного фиксирования точки эквивалентности надо подобрать такой индикатор, интервал перехода окраски которого попадал бы в скачок титрования.

     В аналитической практике из индикаторов чаще других применяют метилоранж (МО, интервал перехода 3,1 – 4,4) и фенолфталеин (ФФ, интервал перехода 8,0 – 9,6). При титровании сильной кислоты сильным основанием (см. рис.6) скачок титрования находится в диапазоне рН от 4 до 10 (при концентрации реагирующих веществ, равной 0,1 моль·дм^-3).

     В данном случае могут использоваться метилоранж и фенолфталеин.

     При титровании слабой кислоты сильным  основанием точка эквивалентности  смещается с линии нейтральности в щелочную область вследствие гидролиза образующейся в точке эквивалентности соли (рН>7). Скачок титрования сужается и будет тем уже, чем слабее титруемая кислота. В этом случае в качестве индикатора может быть использован из двух упомянутых индикаторов только фенолфталеин.

     При титровании слабого основания сильной  кислотой по завершении реакции образуется соль, гидролизирующаяся по катиону; точка эквивалентности смещается в кислую область. Для фиксирования точки эквивалентности можно использовать метилоранж, нельзя – фенолфталеин.

     При уменьшении концентрации реагирующих  веществ скачок титрования сужается. Что усложняет проблему выбора индикатора. При титровании многоосновных кислот или солей могут наблюдаться два скачка титрования.

     Титранты, применяемые в кислотно-основном титровании

     Различают ацидиметрию – титрование с помощью  кислот и алкалиметрию – титрование с помощью оснований. Ацидиметрически можно определять основания и соли, вступающие в необратимое взаимодействие с сильными кислотами (например, карбонаты – вследствие выделения газообразного продукта, бораты – вследствие образования слабой борной кислоты). Алкалиметрически можно определять кислоты и гидролизующие соли.

     В ацидиметрии используется в основном раствор хлорводородной кислоты (соляная  кислота), с концентрациями от 0,05 до 0,2 моль·дм^-3.

     Раствор НСl нельзя приготовить по точной массе  исходного вещества из-за его летучести, поэтому титрант готовят приблизительной концентрации разбавлением концентрированного раствора, а затем его стандартизируют. Для этого нужно иметь первичный стандарт – вещество, раствор которого можно приготовить по точной массе и которое реагирует с титрантом. Для определения точной концентрации титранта используют вспомогательное титрование, которое и называют стандартизацией титранта.

     В качестве первичных стандартов для  раствора HCl используют декагидрат тетрабората натрия Na₂B₄O₇·10H₂O (бура) или декагидрат карбоната натрия Na₂CO₃·10H₂O.

     В основе стандартизации лежат следующие  реакции:

     Na₂B₄O₇+2HCl+5H₂O=4H₃BO₃+2NaCl,

     Na₂CO₃+2HCl=2NaCl+H₂O+CO₂.

     В алкалиметрии титрантом является раствор  гидроксида натрия. Этот раствор также нельзя приготовить по точной массе, т.к. исходное вещество вследствие его взаимодействия с углекислым газом всегда загрязнено примесью карбоната натрия.

     Титрант готовят приблизительной концентрации, разбавляя водой 50%-ный раствор  (т.к. растворимость карбоната натрия в концентрированном растворе NaОН мала, он из этого раствора выпадает в осадок).

     Стандартизацию  приготовленноготитранта проводят по дигидрату щавелевой кислоты  Н₂С₂О₄·2Н₂О:

     2NaOH+ Н₂С₂О₄=Na₂C₂O₄+2H₂O. 

     Применение  кислотно-основного титрования

     Кислотно-основное титрование позволяет решать многие задачи, возникающие при клиническом  анализе биологических жидкостей  как при постановке диагноза, так  и при лечении больных. Определение  кислотности желудочного сока, буферной емкости крови, спинномозговой жидкости – примеры использования кислотно-основного титрования в повседневной практике.

     С помощью этого метода можно анализировать  лекарственные вещества, устанавливать  доброкачественность продуктов  питания (например, молока). Большое значение имеет рассматриваемый метод и при санитарно-гигиенической оценке объектов окружающей среды. Промышленные стоки могут содержать или кислые, или щелочные продукты. Закисление или защелачивание природных водоемов и почвы приводит порой к необратимым последствиям, в связи с чем контроль кислотно-основного баланса весьма важен. 

     Лабораторная  работа

     «Приготовление  раствора заданной концентрации. Кислотно-основное титрование приготовленного раствора»

     Приборы и реактивы: бюретка на 25 мл, воронка, мерная колба 100 мл, пипетки на 10 мл и 2 мл, колбы конические для титрования, колба для слива, резиновая груша.

     Раствор-титрант HCl 0,1 Н (с точно известной концентрацией).

     Раствор NaOH или КОН (концентрированный) с  указанной концентрацией и плотностью,

     Раствор метилоранжа w=0,1 % и фенолфталеина w=0,1 % в капельницах.

     Цель  работы: научиться готовить раствор  с заданной концентрацией, разбавлении  концентрированных растворов. Овладеть методикой кислотно-основного титрования.

     Задание: приготовить раствор NaOH заданной концентрации. Проверить концентрацию полученного раствора методом кислотно-основного титрования.

     Сущность  работы: готовят разбавленный раствор NaOH, используя концентрированный  раствор NaOH. Проверяют концентрацию приготовленного раствора, для чего проводят ацидиметрическое титрование приготовленного раствора NaOH в присутствии метилоранжа и фенолфталеина, титрант – раствор НCl.

     Ход работы:

     1. Рассчитывают объем концентрированного раствора NaOH или КОН, необходимый для приготовления разбавленного раствора NaOH заданной концентрации, по следующему алгоритму:

     1) рассчитать молярную концентрацию разбавленного раствора NaOH или КОН;

     2) рассчитывают количество вещества ( ) щелочи, необходимой для приготовления заданного раствора;

     3) рассчитываю массу щелочи, соответствующую этому количеству;

     4) используя массовую долю вещества в растворе(w %), находят массу концентрированного раствора щелочи;

     5) рассчитывают объем концентрированного раствора.

     Необходимый объем концентрированного раствора отбирают пипеткой на 2 мл с помощью резиновой груши и качественного переносят в мерную колбу на 100 мл через воронку. Воронку ополаскиваю дистиллированной водой, затем раствор доводят до метки. Колбу закрывают резиновой пробкой и перемешивают полученный раствор.

     2. С помощью пипетки на 10 мл отбирают  пробы (аликвотные доли) в три  конические колбы для титрования (по 10 мл приготовленного раствора  в каждую колбу).

     В каждую колбу добавляют индикатор, несколько капель фенолфталеина.

     Аликвотные  доли титруют раствором HCl из бюретки. Для этого бюретку заполняют 0,1 Н раствором HCl (титрантом) до нулевой отметки перед каждым титрованием. Объемы титранта пошедшие на титрование заносят в таблицу. Титруют сначала в присутствии метилоранжа, а затем фенолфталеина.