Кислотно-основное титрование. Сущность титриметрического анализа

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.

№	Объем аликвотной доли анализируемого раствора V, мл	Индикатор	Объем титранта V, мл	Средний объем титранта V, мл
1 2 3
1 2 3

 

По результатам титрований находят средний объем титранта. Концентрацию приготовленного раствора щелочи находят используя закон эквивалентов:

γ_экв(КОН) = γ_экв(HCl)   γ_экв(Х) = С_экв(Х) · V(X)

 

Определяем ошибку, сравнивая  полученную и заданную концентрации.

Контрольные вопросы

1. Какой закон лежит в основе титриметрического анализа? Приведите его математическую запись.

2. Какие требования предъявляются к реакциям, используемым в титриметрическом анализе?

3. Какие титранты применяют в ацидиметрии и алкалиметрии?

4. Чем вызвана необходимость стандартизации раствора хлорводородной кислоты?

5. Какие первичные стандарты применяют при определении точной концентрации растворов кислот?

6. Напишите уравнение реакции, лежащей в основе стандартизации раствора НСl.

7. Что из себя представляют индикаторы, применяемые в методе кислотно-основного титрования? Приведите примеры кислотно-основных индикаторов.

8. Что называется интервалом перехода индикатора? От чего он зависит?

9. Какие индикаторы следует выбирать при определении следующих веществ ацидиметрическим титрованием: КОН, NH₃, NaHCO₃?

10. Какие индикаторы следует выбирать при определении следующих веществ алкалиметрическим титроваием: HNO₃, CH₃COOH, HCl и CH₃COOH в смеси?

 

Литература