Методы основаны на взаимодействии кислот с основаниями, в результате которых изменяется характер среды. В общем виде процесс может быть выражен реакцией нейтрализации:

Н+ + ОН? = Н2О или Н3О+ + ОН? = 2Н2О

Реакции такого типа протекают с большой скоростью, строго стехиометрично, поэтому данный метод характеризуется высокой точностью (погрешность составляет 0,1-0,2%).

Методы кислотно-основного титрования позволяют определить содержание большого числа органических и неорганических сильных и слабых кислот и оснований, а также солей, подвергающихся гидролизу.

При титровании используют рабочие растворы кислот или оснований. Чаще всего их готовят приблизительной концентрации, а точную концентрацию устанавливают с помощью стандартных веществ путем титрования.

2.1. Приготовление раствора хлороводородной кислоты

Раствор готовят из концентрированной соляной кислоты (~ 34,18%) путем разбавления. Приготовить раствор НСl точно заданной концентрации технически трудно, так как концентрация кислоты в исходном растворе указывается приближенно (раствор НСl гигроскопичен), поэтому готовится раствор приблизительной концентрации ~ 0,1 М (разбавленный) из концентрированного раствора.

По закону эквивалентов: qконц.НСl = qразб.НСl или

Vконц.НСl · с · щ · 1000

= Nразб.НСl Vразб.НСl , откуда

100% · Мэ НСl

Nразб.НСl Vразб.НСl 100% Мэ НСl 0,1 250 100 36,5

Vконц.НСl = ------------ = -------------- ? 2,3 мл.

с щ 1000 1,17 34,18 1000

Рассчитанный объем концентрированной соляной кислоты вливают цилиндром в склянку на 250 мл к 247?248 мл дистиллированной воды. Склянку закрывают стеклянной притертой пробкой и раствор тщательно перемешивают. При работе с кислотой необходимо соблюдать все меры предосторожности!

2.2. Стандартизация 0,1 М раствора НСl

В качестве стандартного вещества используют кристаллический тетра-борат натрия (буру), который хранят таким образом, чтобы его состав точно соответствовал химической формуле Na2B4O7 · 10H2O.

Титрование основано на суммарной реакции:

2НСl + Na2B4O7 + 5H2O = 4H3BO3 + 2NaCl

По реакции соотношение моль реагентов составляет:

n(НСl) = 2n(Na2B4O7) = n(? Na2B4O7),

т.е фактор эквивалентности буры fэкв(Na2B4O7 · 10Н2О) = ?.

В точке эквивалентности раствор содержит смесь NaCl и свободной борной кислоты H3BO3, поэтому величина рН раствора определяется присутствием слабой кислоты H3BO3. Пренебрегая изменением объема в процессе титрования и учитывая, что показатель рКI борной кислоты равен 9,24, рассчитываем рН раствора в точке эквивалентности:

рН = ? рКкисл ? ? lgNкисл. = ? • 9,24 ? ? lg 10-1 = 5,12

Скачек титрования соответствует рН = 4,0 ? 6,2. Следовательно, для титрования лучше всего подойдут индикаторы метиловый красный (рТ = 5,5) и метиловый оранжевый (рТ = 4).

2.2.1. Приготовление раствора тетрабората натрия

Расчет интервала навески буры осуществляется на основании закона эквивалентов: q(Na2B4O7 · 10Н2О) = q(HCl).

При расчетах необходимо учитывать, что титруется только 1/10 часть навески буры:

mн(Na2B4O7 10H2O) N(HCl) V(HCl)

-------------------------- = ---------------------

10 Mэ(Na2B4O7 10H2O) 1000

Для уменьшения относительной ошибки определения навеска буры должна быть такой величины, чтобы на ее титрование затрачивался объем рабочего раствора, не превышающий объема бюретки. Предпочтительнее, чтобы объем находился в средней части бюретки. Если бюретка рассчитана на 10 мл, то объем рабочего раствора должен быть не менее 5 и не более 7 мл. Подставляя в приведенную формулу соответствующие объемы кислоты V1 = 5 мл и V2 = 7 мл, при расчете получим интервал навесок m1 ? m2, г.

Рассчитанную навеску буры взвешивают на аналитических демпферных весах (см. 1.5) и переносят в мерную колбу. Оставшиеся на воронке кристаллы буры смывают горячей (60-70°С) дистиллированной водой (30-35 мл), содержимое колбы перемешивают круговыми движениями до полного растворения кристаллов в горячей воде, раствор в мерной колбе охлаждают до комнатной температуры с помощью холодной водопроводной воды и затем объем в мерной колбе доводят до метки. Колбу закрывают пробкой, и раствор тщательно перемешивают.

2.2.2. Определение точной концентрации раствора хлороводородной кислоты

Бюретку заполняют рабочим раствором НСl (см. 1.4). Аликвотную часть раствора буры из мерной колбы переносят пипеткой в коническую колбу для титрования. К раствору добавляют 1 каплю метилового оранжевого и титруют раствором кислоты до перехода окраски индикатора из желтой в оранжевую от одной избыточной капли кислоты. Объем кислоты записывают в рабочую тетрадь (V1, мл). Титрование повторяют трижды и рассчитывают средний объем Vср(НСl), мл, который ушел на титрование аликвотной части навески буры.

По результатам титрования производят расчет точной концентрации приготовленного раствора НСl:

1000 mн(Na2B4O7 · 10H2O)

N(HCl) = --------------------------------------------

10 Mэ(Na2B4O7 10H2O) Vср(НСl)

Рабочий раствор НСl с установленным титром сохраняют для выполнения лабораторных работ.

2.3. Приготовление раствора гидроксида натрия

Приготовить раствор NaOH точно заданной концентрации невозможно, так как NaOH взаимодействует с СО2 и Н2О, содержащимися в воздухе, а потому не отвечает химической формуле. Раствор готовят приблизительной концентрации ~ 0,1н из 1н раствора NaOH путем разбавления.

По закону эквивалентов: qконц.NaOH = qразб.NaOH или

Nконц.NaOH Vконц.NaOH = Nразб.NaOH · Vразб.NaOH

Подставив соответствующие значения концентраций и объема, получим равенство: 1 Vконц.NaOH = 0,1 250, откуда Vконц.NaOH = 25 мл.

Таким образом, для приготовления 250 мл рабочего раствора NaOH в чистую склянку цилиндром отмеряют (250 ? 25 = 225 мл) дистиллированной воды и туда же добавляют 25 мл 1н раствора NaOH. Приготовленный раствор плотно закрывают стеклянной притертой пробкой и тщательно перемешивают.

2.4. Стандартизация 0,1н раствора NaOH

В качестве стандартного вещества используют кристаллическую щавелевую кислоту, которую хранят таким образом, чтобы ее состав точно соответствовал химической формуле Н2С2О4 2Н2О.

Титрование основано на реакции:

2NaOH + Н2С2О4 = Na2С2О4 + 2Н2О

оксалат натрия

По реакции соотношение моль реагентов составляет:

n(NaOH) = 2n(Н2С2О4) = n(?H2С2О4), т.е. fэкв(Н2С2О4) = ?.

В точке эквивалентности раствор содержит соль Na2С2О4, которая подвергается гидролизу, и воду. Пренебрегая изменением объема в процессе титрования и учитывая, что рКII щавелевой кислоты 4,19, рассчитывают рН раствора в точке эквивалентности:

рН = 7 + ? рКII + ? lg Nсоли = 7 + ? · 4,19 + ? • lg 10?1 = 8,595.

Следовательно, для титрования подойдет индикатор фенолфталеин (рТ= 9).

2.4.1. Приготовление раствора щавелевой кислоты

Расчет интервала навески щавелевой кислоты m1 ? m2 осуществляют на основании закона эквивалентов: q(Н2С2О4) = q(NaOH) и c учетом аликвотной части кислоты по методике (см. 2.2.1):

mн(Н2С2О4 · 2H2O) N(NaOH) · V(NaOH)

----------------------------- = --------------------------

10 Mэ(Н2С2О4 2H2O) 1000

Рассчитанную навеску взвешивают на аналитических демпферных весах. В мерную колбу со щавелевой кислотой порциями добавляют, обмывая воронку, 30-35 мл дистиллированной воды. Содержимое в колбе перемешивают круговыми движениями до полного растворения всех кристаллов кислоты. Затем раствор в колбе доводят до метки, колбу закрывают пробкой, и раствор тщательно перемешивают.

2.4.2. Определение точной концентрации раствора гидроксида натрия

Бюретку заполняют рабочим раствором NаОН (см. 1.4). Аликвотную часть раствора щавелевой кислоты из мерной колбы пипеткой переносят в коническую колбу для титрования, добавляют 1 каплю фенолфталеина и титруют раствором NаОН (см. 1.6). Титрование заканчивают при появлении бледно-розовой окраски раствора от одной избыточной капли щелочи. Объем раствора, ушедшего на титрование, записывают в рабочую тетрадь (V1, мл). Титрование повторяют трижды и рассчитывают средний объем щелочи Vср(NаОН), мл, который ушел на титрование аликвотной части навески щавелевой кислоты.

По результатам титрования проводят расчет точной концентрации приготовленного рабочего раствора NаОН:

1000 mн(Н2С2O4 · 2H2O)

N(NаОH) = ---------------------------------

10 Mэ(Н2С2O4 · 2H2O) · Vср(NаОН)

Раствор NаОН с установленным титром сохраняют для дальнейшего выполнения лабораторных работ.

2.5. Стандартизация рабочих растворов потенциометрическим методом

При прохождении реакции нейтрализации происходит изменение характера среды (рН) раствора. Изменение значения рН титруемого раствора при добавлении рабочего раствора графически отображается при построении кривой титрования. Вблизи точки эквивалентности в момент, когда количество добавленного рабочего раствора отличается на ±0,1% от эквивалентного объема, наблюдается резкое изменение рН раствора ? скачок титрования. Он может быть зафиксирован безындикаторным потенциометрическим методом по изменению разности потенциалов между двумя электродами ? индикаторным и стандартным, опущенными в анализируемый раствор (см.раздел 6). При определении значения рН в качестве индикаторного используют стеклянный электрод (мембранный), а в качестве стандартного ? хлорсеребряный электрод (металлический электрод II-го рода). Для проведения анализа необходимо собрать схему гальванического элемента:

1. При определении концентрации рабочего раствора НСl по стандартному веществу тетраборат натрия

Ag¦AgCl, HCl, OH? , KCl, AgCl¦Ag В бюретке рабочий раствор

стеклянный исслед. хлорсеребряный НСl

электрод р-р электрод

3. При определении концентрации рабочего раствора NаОН по стандартному веществу щавелевой кислоты

Ag¦AgCl, HCl, H+ , KCl, AgCl¦Ag В бюретке рабочий раствор

стеклянный исслед. хлорсеребряный NаОН

электрод р-р электрод

Методика анализа

Аликвотную часть раствора стандартного вещества переносят пипеткой в стакан для титрования. Объем в стакане доводят до 50 мл дистиллированной водой. Стакан помещают на столик рН-метра, опускают в стакан электроды и магнитный стержень, на штативе укрепляют бюретку с рабочим раствором. Включают магнитную мешалку (необходимо отрегулировать скорость вращения магнитного стержня, чтобы исключить разбрызгивание раствора) и титруют исследуемый раствор рабочим раствором, добавляя его порциями по 0,2 мл. Объем добавленного раствора и соответствующие показания рН-метра заносят в таблицу (см.раздел 6). После достижения скачка титрования продолжают титрование и добавляют еще 2-3 порции рабочего раствора. По полученным данным строят кривую титрования на миллиметровой бумаге в координатах "рН ? Vраб.р-ра" и определяют эквивалентный объем рабочего раствора (Vэкв). Более точное значение Vэкв определяют при построении по экспериментальным данным дифференциальной кривой в координатах "ДрН/ДV ? V? ". Значение Vэкв рабочего раствора подставляют в расчетную формулу для вычисления концентрации рабочего раствора:

1000 · mн(станд. в-ва)

Nпотенц. = ---------------------------------------------

10 · Мэ(станд. в-ва) · Vэкв(раб. р-ра)

По рассчитанным значениям Nпотенц и Nиндик вычисляют относительную ошибку определения Д% (она не должна превышать 5 %), считая результат потенциометрического определения более достоверным:

Nпотенц ? Nиндик

Д = --------------------- · 100 %

Nпотенц

 Лабораторная работа №1

"Определение содержания КОН в растворе"

В основе определения лежит реакция нейтрализации:

КОН + НСl = КСl + Н2О

раб. р-р

n(КОН) = n(НСl), следовательно fэкв(КОН) = 1.

Титрование щелочи рабочим раствором НСl проводят индикаторным способом. Для выполнения задачи студенты самостоятельно выбирают подходящий индикатор из предложенного списка индикаторов. Для этого необходимо рассчитать скачок титрования и сравнить это значение с рТ индикатора. Интервал рН изменения окраски индикатора должен захватывать хотя бы одну точку скачка титрования.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6