Окислительно-восстановительное титрование. Тема ii

Данный метод титриметрического анализа основан на окислительно-восстановительных реакциях между титрантом и анализируемым веществом. Реакции окисления-восстановления связаны с переносом электронов. Вещества, отдающее электроны, в этих реакциях является восстановителем (Red), а приобретающее электроны – окислителем (Ох):

Red 1 + Ox 2 = Ox 1 + Red 2 .

Восстановленная форма одного вещества (Red 1), отдавая электроны, переходит в окисленную форму (Ox 1) того же вещества. Образуется сопряженная окислительно-восстановительная пара Ox 1 /Red 1 (редокс-пара). Окисленная форма другого вещества (Ox 2), принимая электроны, переходит в восстановленную форму (Red 2) того же вещества. Образуется другая окислительно-восстановительная пара Ox 2 /Red 2 . Таким образом, в окислительно-восстановительной реакции участвует не менее двух окислительно-восстановительных пар. Мерой окислительно-восстановительных свойств веществ является окислительно-восстановительный потенциал Е 0 . Сравнивая стандартные потенциалы ОВ-пар, участвующих в ОВР, можно заранее определить направление самопроизвольного протекания реакции. Окислительно-восстановительная реакция самопроизвольно протекает в направлении превращения сильного окислителя в слабый восстановитель, сильного восстановителя в слабый окислитель.

Чем больше стандартный потенциал окислительно-восстановительной пары, тем более сильным окислителем является её окисленная форма и тем более слабым восстановителем – восстановленная форма. Чем меньше стандартный потенциал ОВ-пары, тем более сильным восстановителем является восстановленная форма, тем более слабым окислителем – окисленная форма. Поэтому в окислительно-восстановительном титровании (редоксиметрии) в качестве титрантов при определении восстановителей применяют такие окислители (Ох 2), стандартные ОВ-потенциалы окислительно-восстановительных пар которых имеют как можно более высокие значения, тем самым с их помощью можно оттитровать большее число восстановителей (Red 1). Например, Е 0 (MnO 4 - , H + , Mn 2+) = +1,51В, Е 0 (Cr 2 O 7 2- , H + , Cr 3+) = +1,33В и др.

При определении окислителей (Ох 2) в качестве титрантов применяют восстановители (Red 1), стандартный ОВ-потенциал редокс-пар которых имеет по возможности минимальное значение. Например, Е 0 (I 2 / 2I -) = +0,536В, Е 0 (S 4 O 6 2- / 2S 2 O 3 2-) = +0,09В и др.

Для установления точки эквивалентности в редоксиметрии используют редокс-индикаторы (окислительно-восстановительные индикаторы), представляющие собой вещества, способные обратимо окисляться и восстанавливаться, причем окисленная и восстановленная формы их имеют различную окраску. Примером такого индикатора является дифениламин. Часто в редоксиметрии применяется так называемое безиндикаторное титрование , например, в перманганатометрии роль индикатора выполняет титрант – перманганат калия. Количественные расчеты в ОВ титровании, как и в других методах титриметрического анализа, основаны на законе эквивалентов.

Молярная масса эквивалента окислителя:

(39)

Молярная масса эквивалента восстановителя:

(40)

Одним из методов окислительно-восстановительного титрованияявляется перманганатометрическое титрование. Это метод анализа, в котором в качестве титранта-окислителя используют раствор перманганата калия KMnO 4 . Анион MnO 4 - проявляет окислительные свойства в кислой, нейтральной и щелочной средах, восстанавливаясь соответственно до катиона Mn 2+ (бесцветные ионы), оксида марганца (IV) MnO 2 (бурый осадок) и аниона MnO 4 2- (зеленый раствор, буреющий на воздухе).

Уравнения полуреакций:

Кислая среда

MnO 4 - + 8H + + 5e - → Mn 2+ + 4H 2 O

E 0 (MnO 4 - , H + ,Mn 2+) = +1,51В

Нейтральная среда

MnO 4 - + 2H 2 O + 3e - → MnO 2 ↓ + 4OH -

E 0 (MnO 4 - /MnO 2) = + 0,60В

Щелочная среда

MnO 4 - + e - → MnO 4 2-

E 0 (MnO 4 - /MnO 4 2-) = + 0,56В

В перманганатометрии титрование проводят в кислой среде, так как:

1) наиболее сильными окислительными свойствами перманганат-ион MnO 4 - обладает в кислой среде по сравнению с нейтральной и щелочной, о чем свидетельствуют значения стандартных ОВ-потенциалов (+1,51В против +0,60В и +0,56В);

2) определению конечной точки титрования в нейтральной среде будет мешать бурый осадок MnO 2 ; в щелочной среде образующиеся манганат-ионы MnO 4 2- , имеющие зеленую окраску, также затрудняют фиксацию конечной точки титрования. Образующиеся же в кислой среде катионы Mn 2+ бесцветны;

3) при титровании в кислой среде создается возможность четко фиксировать конечную точку титрования без применения постороннего индикатора, так как одна лишняя капля перманганата калия окрашивает бесцветный раствор в бледно-розовый цвет.

Титрант : раствор перманганата калия (в кислой среде).

Индикатор : перманганат калия.

Определяемые вещества : ионы Fe 2+ , Cr 3+ , NO 2 - , перекись водорода Н 2 О 2 , этиловый спирт, в биологических исследованиях мочевая кислота, глюкоза, содержание некоторых витаминов, активность фермента каталазы, окисляемость бытовых и сточных вод, органические загрязнения в атмосфере.

Одним из недостатков перманганатометрии является необходимость стандартизации раствора перманганата калия, так как его титрованный раствор нельзя приготовить по точной навеске. Кроме того, концентрация перманганата калия, переведенного в раствор, заметно уменьшается. Поэтому точную концентрацию раствора КMnO 4 устанавливают не ранее чем через 5 – 7 дней после его приготовления. Для стандартизации используют щавелевую кислоту или её соли (оксалаты натрия или аммония).

Стандартные вещества : Н 2 С 2 О 4 ·2Н 2 О, Na 2 C 2 O 4 , (NH 4) 2 C 2 O 4 ∙H 2 O.

Уравнение реакции, протекающей при стандартизации раствора KMnO 4 по щавелевой кислоте:

Н 2 С 2 О 4 + КMnO 4 + H 2 SO 4 → CO 2 + Mn 2+ + …

C 2 O 4 2- – 2e - → 2CO 2 5

MnO 4 - + 8H + + 5e - → Mn 2+ + 4H 2 O 2

Введение

Титриметрический или объемный метод анализа является одним из методов количественного анализа. В основе этого метода лежит точное измерение объемов растворов двух веществ, реагирующих между собой. Количественное определение с помощью титриметрического метода анализа выполняется довольно быстро, что позволяет проводить несколько параллельных определений и получать более точное среднее арифметическое. В основе всех расчетов титриметрического метода анализа лежит закон эквивалентов.

Титрование - это постепенное прибавление титрованного раствора реагента (титранта) к анализируемому раствору для определения точки эквивалентности. Титриметрический метод анализа основан на измерении объема реагента точно известной концентрации, затраченного на реакцию взаимодействия с определяемым веществом. Точка эквивалентности - момент титрования, когда достигнуто эквивалентное соотношение реагирующих веществ.

К реакциям, применяемым в количественном объемном анализе, предъявляют следующие требования:

Реакция должна протекать в соответствии со стехиометрическим уравнением реакции и должна быть практически необратима. Результат реакции должен отражать количество анализируемого вещества. Константа равновесия реакции должна быть достаточно велика.

Реакция должна протекать без побочных реакций, иначе нельзя применять закон эквивалентов.

Реакция должна протекать с достаточно большой скоростью, т.е. за 1-3 секунды. Это главное достоинство титриметрического анализа.

Должен существовать способ фиксирования точки эквивалентности. Окончание реакции должно определяться достаточно легко и просто.

Если реакция не удовлетворяет хотя бы одному из этих требований, она не может быть использована в титриметрическом анализе.

В основе многих методов обнаружения, определения и разделения веществ лежат окислительно-восстановительные (редокс) реакции. Те титриметрические методы, в которых в качестве титрантов используют растворы окислителей или восстановителей, называют окислительно-восстановительными (редоксиметрическими) методами титрования.

1. Теоретические основы методов

Из всех типов химических реакций, используемых в количественном анализе, окислительно-восстановительные - наиболее сложные по механизму. Тем не менее, можно установить некоторую аналогию для окислительно-восстановительных реакций и реакций кислотно-основного взаимодействия: обмен протонов при кислотно-основном взаимодействии и обмен электронов в окислительно-восстановительных реакциях, восстановитель - донор электронов аналогичен кислоте - донору протонов, окислитель - аналог основания, окисленная и восстановленная формы составляют сопряженную пару подобно кислотной и основной формам; соотношение концентраций этих форм количественно характеризует окислительную способность (потенциал) системы и кислотность (рН) соответственно.

1.1 Окислительно-восстановительные системы

Отличительным признаком окислительно-восстановительных реакций является перенос электронов между реагирующими частицами - ионами, атомами, молекулами и комплексами, в результате чего изменяется степень окисления этих частиц, например

Fe2+ ̶ e̅ = Fe3+.

Поскольку электроны не могут накапливаться в растворе, одновременно должны проходить два процесса - потери и приобретения, т. е. процесс окисления одних и восстановления других частиц. Таким образом, любая окислительно-восстановительная реакция всегда может быть представлена в виде двух полуреакций:

аOx1 + bRed2 = аRed1 + bOx2

Исходная частица и продукт каждой полуреакции составляют окислительно-восстановительную пару или систему. В вышеприведенных полуреакциях Red1 является сопряженым с Ox1, а Ox2 сопряжен с Red1.

В качестве доноров или акцепторов электронов могут выступать не только частицы, находящиеся в растворе, но и электроды. В этом случае окислительно-восстановительная реакция происходит на границе электрод - раствор и называется электрохимической.

Окислительно-восстановительные реакции, как и все химические реакции, в той или иной мере обратимы. Направление реакций определяется соотношением электронно-донорных свойств компонентов системы одной окислительно-восстановительной полуреакции и электронно-акцепторных свойств второй (при условии постоянства фактров, влияющих на смещение равновесия). Перемещение электронов в ходе окислительно-восстановительной реакции приводит к возникновению потенциала. Таким образом, потенциал, измеренный в вольтах, служит мерой окислительно-восстановительной способности соединения.

Для количественной оценки окислительных (восстановительных) свойств системы в раствор погружают электрод из химически инертного материала. На границе раздела фаз происходит электроннообменный процесс, приводящий к возникновению потенциала, являющегося функцией активности электронов в растворе. Значение потенциала тем больше, чем выше окислительная способность раствора.

Абсолютное значение потенциала системы измерить нельзя. Однако, если выбрать одну из окислительно-восстановительных систем в качестве стандартной, то относительно нее становится возможным измерение потенциала любой другой окислительно-восстановительной системы независимо от выбранного индифферентного электрода. В качестве стандартной выбирают систему Н+/Н2, потенциал которой принят равным нулю.

Рис. 1. Схема стандартного водородного электрода

1. Платиновый электрод.

2. Подводимый газообразный водород.

3. Раствор кислоты (обычно HCl <#"522214.files/image003.gif">

или отрицательным, если система играет роль восстановителя, а на водородном электроде происходит полуреакция восстановления:

Абсолютное значение стандартного потенциала характеризует «силу» окислителя или восстановителя.

Стандартный потенциал - термодинамическая стандартизированная величина - является очень важным физико-химическим и аналитическим параметром, позволяющим оценивать направление соответствующей реакции и рассчитывать активности реагирующих частиц в условиях равновесия.

Для характеристики окислительно-восстановительной системы в конкретных условиях пользуются понятием реального (формального) потенциала Е0", который соответствует потенциалу, установившемуся на электроде в данном конкретном растворе при равенстве 1 моль/л исходных концентраций окисленной и восстановленной форм потенциалопределяющих ионов и зафиксированной концентрации всех прочих компонентов раствора.

Реальные потенциалы с аналитической точки зрения более ценны, чем стандартные потенциалы, так как истинное поведение системы определяется не стандартным, а реальным потенциалом и именно последний позволяет предвидеть протекание окислительно-восстановительной реакции в конкретных условиях. Реальный потенциал системы зависит от кислотности, присутствия посторонних ионов в растворе и может изменяться в широком диапазоне.

1.2 Уравнение Нернста

Для условий, отличных от стандартных (активности потенциалопределяющих ионов не равны единице), равновесный потенциал окислительно-восстановительной полуреакции

аOx + n e̅ = bRed

может быть рассчитан с помощью уравнения Нернста:

где Е0 - стандартный потенциал, В; R - универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж∙моль-1∙К-1; Т - абсолютная температура, К; n -число электронов, участвующих в полуреакции; F - постоянная Фарадея, равная 96500 Кл∙моль-1.

После подстановки указанных величин (Т=298К) и замены натурального логарифма на десятичный, уравнение Нернста принимает вид:

Ecли учесть, что a = γ[C], то

Для разбавленных растворов а ≈ С; активность металлов, чистых твердых фаз и растворителей принимают равной единице, активность газа - его парциальному давлению.

Потенциал окислительно-восстановительной системы равен ее стандартному потенциалу, если aOx = aRed = 1. В общем случае потенциал, характеризующий окислительно-восстановительную систему зависит от природы ее компонентов (Е0) и отношения активностей (концентраций) восстановленной и окисленной форм. Величина Е0" отражает влияние на потенциал веществ, концентрация которых в растворе не изменяется в ходе окислительно-восстановительной реакции.

Уравнение Нернста применимо для термодинамически обратимых окислительно-восстановительных полуреакций. Для необратимых систем предлогарифмический коэффициент 0,059/n отличается от теоретически рассчитанного.

Если реакция протекает с участием молекул или ионов среды, то их концентрации также вводят в уравнение Нернста. Так для полуреакции уравнение Нернста может быть записано следующим образом:

.

Реальный потенциал редокс-пары титрантов окислителей должен иметь значение потенциала на 0,4 - 0,5 В выше, чем потенциал редокс-пары титруемого восстановителя , только в таком случае выполняются требования к реакциям в редоксиметрии. Для регулирования потенциала редокс-пар титранта и определяемого вещества используют изменение рН среды, комплексообразующие добавки, увеличение температуры и т.д.

Равновесный окислительно-восстановительный потенциал зависит от ряда факторов:

) От рН среды. Стандартный окислительно-восстановительный потенциал для приведенной выше реакции . С увеличением рН раствора окислительно-восстановительный потенциал этой пары будет уменьшаться.

) От концентрации (активности) окисленной и восстановленной форм окислителя или восстановителя. С изменением концентраций (активностей) окисленной и восстановленной форм величина редокс-потенциала может изменяться. Например, для пары при условии стандартный окислительно-восстановительный потенциал равен 0,77 В. Уравнение Нернста для полуреакции имеет вид:

.

Изменяя концентрации окисленной или восстановленной форм вещества можно изменить величину редокс-потенциала.

3) От процесса комплексообразования. Величина редокс-потенциала значительно изменяется, если окисленная или восстановленная форма вещества в анализируемом растворе участвует в процессе комплексообразования.

Потенциал редокс-пары, например, в отсутствии комплексообразования будет при 25 0С равен:

При комплексообразовании с лигандом концентрация ионов уменьшится:

Константа устойчивости равна:

.

Из данного выражения концентрация ионов

,

Подставив ее в исходное уравнение Нернста, после ряда преобразований получим:

4) От образования малорастворимых веществ. В присутствии ионов, способных образовывать малорастворимые соединения, потенциал окислительно-восстановительной пары можно вычислить следующим образом:

.

2. Кривые титрования

В титриметрических методах расчет и построение кривой титрования дают возможность оценить, насколько успешным будет титрование, и позволяют выбрать индикатор. При построении кривой окислительно-восстановительного титрования по оси ординат откладывают потенциал системы, а по оси абсцисс - объем титранта или процент оттитровывания.

Рассмотрим в качестве примера титрование 100 мл 0,1н раствора FeSO4 0,1н раствором KMnO4 в кислой среде ([Н+] = 1 моль/л):

В любой момент титрования раствор всегда содержит две окислительно-восстановительные пары: Fe3+/Fe2+ и MnO4-/Mn2+. Концентрации реагирующих веществ устанавливаются таким образом, что при равновесии потенциалы двух систем равны в любой точке кривой титрования. Следовательно, для вычисления потенциала пригодны два уравнения:

,

.

Рассчитанные значения потенциалов удовлетворяют обоим уравнениям, но расчет может быть упрощен, исходя из следующего. Пока оттитрованы еще не все ионы Fe2+, концентрации Fe3+ и Fe2+ вычислить легко. Концентрацию не вошедших в реакцию ионов MnO4- вычислить гораздо труднее, так как приходится использовать константу равновесия данной окислительно-восстановительной реакции, которая должна быть известна. Поэтому вначале до точки эквивалентности удобнее пользоваться уравнением для системы Fe3+/Fe2+.

При введении избытка перманганата легко рассчитать концентрации MnO4- и Mn2+ и значение потенциала, обусловленное этой парой.

) Расчет потенциала до начала титрования. Рассчитывая первую точку на кривой титрования до прибавления перманганата в раствор, нужно учитывать, что в растворе не могут присутствовать только ионы Fe2+, а всегда в малой концентрации присутствуют и ионы Fe3+, но равновесная концентрация их неизвестна. По этой причине при расчете кривых окислительно-восстановительного титрования обычно не приводят значение потенциала для этой точки, соответствующей моменту, когда в исследуемый раствор еще не прибавлен титрант.

) Расчет потенциала в процессе титрования до точки эквивалентности. Вычислим потенциал системы для точки на кривой, когда к 100 мл 0,1н раствора FeSO4 прибавлено 50 мл 0,1н раствора KMnO4 (50% оттитровывания). При этом в растворе находятся три компонента реакции Fe3+ , Fe2+ и Mn2+; концентрация четвертого (MnO4-) очень низка. Равновесная концентрация ионов Mn2+ равна общей концентрации раствора KMnO4 за вычетом пренебрежительно малой концентрации непрореагировавших перманганат-ионов:

Такое приближение допустимо, поскольку константа равновесия этой реакции велика (К≈1064). Такова же концентрация ионов Fe3+:

Подставляя значения равновесных концентраций железа (II) и железа (III), получаем:

т. е. при оттитровывании 50% определяемого вещества потенциал системы равен стандартному потенциалу окислительно-восстановительной пары определяемого вещества.

Особый интерес представляют те точки на кривой титрования, которые соответствуют 0,1 мл недостатка и 0,1 мл избытка KMnO4 (0,1% эквивалентного объема), так как они определяют скачок потенциала вблизи точки эквивалентности. Вычислим первую из них (начало скачка). Поскольку в этот момент прилито 99,9 мл раствора KMnO4, то в растворе осталось неоттитрованным Fe2+ в объеме 0,1 мл. Следовательно, для этого момента:

,

3) Расчет потенциала в точке эквивалентности. В приведенных выше уравнениях для значений потенциалов реагирующих окислительно-восстановительных пар уравняем коэффициенты при членах, содержащих логарифмы, путем умножения второго члена уравнения на 5. После этого оба уравнения почленно сложим, учитывая, что [Н+] = 1 моль/л:

-----------------

.

Так как в точке эквивалентности ионы MnO4- вводят в раствор в количестве, соответствующем уравнению реакции, то при равновесии на каждый MnO4- -ион должно приходиться 5 ионов Fe2+. Следовательно, в точке эквивалентности концентрация ионов Fe2+ в 5 раз больше концентрации MnO4- -ионов, т. е. = 5. В то же время = 5. Поделив второе из этих равенств на первое, получаем:

и .= 0, 6E = 0,77 + 5 ∙ 1,51,

E = (0,77 + 5 ∙ 1,51)/6 = 1,39B.

В общем случае потенциал в точке эквивалентности рассчитывают по формуле

где а - число электронов, принятых окислителем; b - число электронов, отданных восстановителем.

) Расчет потенциала после точки эквивалентности. При введении 100,1 мл раствора KMnO4 (конец скачка) раствор кроме эквивалентных количеств ионов Fe3+ и Mn2+ содержит избыток ионов MnO4-. Концентрация железа (II) очень мала, поэтому:

и потенциал системы в этот момент титрования равен

Скачок потенциала составляет 1,48 - 0,95 = 0,53 В. Результаты расчета кривой титрования сведены в табл. 1 и представлены на рис.2.

Как следует из табл.1 и рис.2 кривая титрования ассиметрична. Скачок титрования находится в интервале 0,95 - 1,48 В, а точка эквивалентности лежит не в середине скачка.

Табл.1. Изменение окислительно-восстановительного потенциала при титровании 100 мл 0,1н раствора FeSO4 0,1н раствором KMnO4.

Этапы титро-вания	Прибав-лено KMnO4, мл	Избыток, мл		ВычисленияЕ, В
				E = 0,77 + 0,059lg100,82
				E = 0,77 + 0,059lg1000,88
				E = 0,77 + 0,059lg10000,95
						E = (0,77 + 5∙1,51)/(5 + 1)
					E = 1,51 + (0,059/5)lg0,0011,47
					E = 1,51 + (0,059/5)lg0,011,48
					E = 1,51 + (0,059/5)lg0,11,49
					E = 1,51 + (0,059/5)lg11,51

Рис.2. Кривая титрования 100 мл 0,1н раствора FeSO4 0,1н раствором KMnO4 ([Н+] = 1 моль/л).

При двукратном избытке титранта потенциал системы равен стандартному потенциалу окислительно-восстановительной пары титранта.

При более строгом расчете кривых титрования следует использовать вместо стандартных реальные потенциалы.

2.2 Влияние условий титрования на ход кривых

окислительный восстановительный титрование

Кривая титрования построена, исходя из значений окислительно-восстановительных потенциалов, поэтому все факторы, влияющие на потенциал, будут оказывать влияние на форму кривой титрования и скачок на ней. К таким факторам относят значения стандартного потенциала систем определяемого вещества и титранта, число электронов, участвующих в полуреакциях, рН раствора, присутствие комплексообразующих реагентов или осадителей, природу кислоты. Чем большее число электронов принимает участие в окислительно-восстановительной реакции, тем более пологая кривая характеризует данное титрование. Скачок титрования тем больше, чем больше разница окислительно-восстановительных потенциалов окислителя и восстановителя. При очень малой разнице их окислительно-восстановительных потенциалов титрование невозможно. Так титрование ионов Cl- (Е = 1,36В) перманганатом (Е = 1,51) практически невозможно. Часто бывает необходимо расширить интервал потенциалов, в котором находится скачок, если он мал. В таких случаях прибегают к регулированию скачка.

Значительно влияет на размер скачка уменьшение концентрации одного из компонентов окислительно-восстановительной пары (например, с помощью комплексообразующего реагента). Предположим, что в раствор вводят фосфорную кислоту, фториды или оксалаты, образующие комплексы с железом (III) и не взаимодействующие с железом (II), при этом потенциал пары Fe3+/Fe2+ понижается. Если, например, вследствие реакции конкурирующего комплексообразования концентрация ионов Fe3+ в растворе понизится в 10 000 раз, скачок потенциала на кривой титрования начнется уже не при Е = 0,95В, а при Е = 0,71В. Окончится он, как и раньше, при Е = 1,48В. Таким образом, область скачка на кривой титрования окажется значительно расширенной.

Повышение температуры, соответственно, увеличивает потенциал системы титранта и определяемого вещества.

Итак, при выборе оптимальных условий окислительно-восстановительного титрования следует прежде всего учитывать их влияние на состояние окислительно-восстановительной системы, а следовательно, на реальный окислительно-восстановительный потенциал.

2.3 Титрование многокомпонентных систем

Анализируемый раствор может содержать несколько восстановителей или окислителей. Дифференцированное определение их возможно при условии, если на кривой титрования имеется несколько хорошо разделенных скачков достаточной протяженности. При этом разность между стандартными потенциалами определяемых систем должна быть не менее 0,2 В.

Например, при титровании перманганатом калия раствора, содержащего ионы Fe2+ и Ti3+ , вначале будет титроваться более сильный восстановитель Ti3+. Поэтому первая часть кривой титрования определяется стехиометрическим соотношением титана (IV) и титана (III), и потенциал может быть рассчитан по уравнению:

Кривая идентична случаю титрования индивидуального раствора титана (III).

Рис. 3. Кривая титрования 50 мл раствора, содержащего 0,1 (моль∙экв)/л Ti3+ и 0,2 (моль∙экв)/л Fe2+ 0,1н раствором KMnO4 ([Н+] = 1 моль/л).

Потенциал в момент оттитровывания Ti3+ может быть рассчитан, если сложить почленно уравнения Нернста для систем Fe3+/Fe2+ и TiO2+/ Ti3+. Поскольку потенциалы окислительно-восстановительных систем при равновесии можно записать:

.

Учитывая, что ΔЕ окислительно-восстановительных пар TiO2+/ Ti3+ и Fe3+/Fe2+ значительно больше 0,2 В, можно считать, что основным источником ионов Fe3+ в растворе в этой точке является реакция:

TiO2+ + Fe2+ + Н+ = Fe3+ + Ti3+ + Н2О

и, следовательно, = . Подстановка этого соотношения в предыдущее уравнение потенциала дает:

.

Если при этом допустить, что и практически равны их общим концентрациям, можно вычислить потенциал в точке эквивалентности.

После первой точки эквивалентности раствор содержит значительные количества ионов Fe2+ и Fe3+, и значения потенциалов для построения кривой титрования следует вычислять по уравению:

.

Кривая титрования на втором участке практически идентична кривой титрования раствора ионов Fe2+ (см. рис.2).

Аналогично, при титровании раствора, содержащего ионы одного и того же элемента в разной степени окисления (VIV, VV, WV, WVI, MoIV, MoV, MoVI), можно получить кривую с двумя и более ступенями.

2.4 Определение точки эквивалентности

В окислительно-восстановительных методах титрования, так же как и в методах кислотно-основного взаимодействия, возможны различные способы индикации точки эквивалентности.

Безындикаторные методы применимы при использовании окрашенных титрантов (растворы KMnO4, I2), незначительный избыток которых придает раствору визуально фиксируемую окраску.

Индикаторные методы могут быть химическими, если при этом используют в качестве индикаторов химические соединения, резко изменяющие свою окраску вблизи точки эквивалентности (в пределах скачка на кривой титрования).

Иногда в окислительно-восстановительных методах титрования применяют кислотно-основные индикаторы: метиловый оранжевый, метиловый красный, конго красный и др. Эти индикаторы в конечной точке титрования необратимо окисляются избытком окислителя и при этом меняют свою окраску.

Возможно применение флуоресцентных и хемилюминесцентных индикаторов при титровании восстановителей сильными окислителями. К числу флуоресцентных индикаторов относят многие вещества (акридин, эухризин и др.), излучающие в видимой области при определенных значениях рН раствора после облучения их ультрафиолетовым излучением. Хемилюминесцентными индикаторами являются вещества (люминол, люцигенин, силоксен и др.), излучающие в видимой области спектра в конечной точке титрования вследствие экзотермических химических процессов. Хемилюминесценция наблюдается главным образом при реакциях окисления пероксидом водорода, гипохлоритами и некоторыми другими окислителями. Достоинством флуоресцентных и хемилюминесцентных индикаторов является то, что их можно применять для титрования не только прозрачных и бесцветных, но и мутных или окрашенных растворов, для титрования которых обычные редокс-индикаторы непригодны.

Индикаторные методы могут быть также физико-химическими: потенциометрические, амперометрические, кондуктометрические и др.

2.5 Окислительно-восстановительные индикаторы

Для определения точки эквивалентности в редоксиметрии используют различные индикаторы:

) Окислительно-восстановительные индикаторы (редокс-индикаторы), изменяющие цвет при изменении окислительно-восстановительного потенциала системы.

2) Специфические индикаторы, изменяющие свой цвет при появлении избытка титранта или исчезновении определяемого вещества. Специфические индикаторы применяют в некоторых случаях. Так крахмал - индикатор на присутствие свободного йода, вернее трииодид-ионов . В присутствии крахмал при комнатной температуре синеет. Появление синей окраски крахмала связано с адсорбцией на амилазе, входящей в состав крахмала.

Иногда в качестве индикатора используют тиоцианат аммония при титровании солей железа(III), катионы с ионами образуют соединение красного цвета. В точке эквивалентности все ионы восстанавливаются до и титруемый раствор из красного становится бесцветным.

При титровании раствором перманганата калия сам титрант играет роль индикатора. При малейшем избытке KMnO4 раствор окрашивается в розовый цвет.

Редокс-индикаторы делятся на: обратимые и необратимые.

Обратимые индикаторы - обратимо изменяют свой цвет при изменении потенциала системы. Необратимые индикаторы - подвергаются необратимому окислению или восстановлению, в результате чего цвет индикатора изменяется необратимо.

Редокс-индикаторы существуют в двух формах окисленной и восстановленной , причем цвет одной формы отличается от цвета другой.

Переход индикатора из одной формы в другую и изменение его окраски происходит при определенном потенциале системы (потенциале перехода). Потенциал индикатора определяется по уравнению Нернста:

При проведении окислительно-восстановительного титрования необходимо подбирать индикатор таким образом, чтобы потенциал индикатора находился в пределах скачка потенциала на кривой титрования. Многие индикаторы окислительно-восстановительного титрования обладают кислотными или основными свойствами и могут менять свое поведение в зависимости от рН среды.

Одним из наиболее известных и употребимых редокс-индикаторов является дифениламин :

Восстановленная форма индикатора бесцветная. Под действием окислителей дифениламин сначала необратимо переходит в бесцветный дифенилбензидин, который затем обратимо окисляется до сине-фиолетового дифенилбензидинфиолетового.

Двухцветным индикатором является ферроин, представляющий собой комплекс Fe2+ с о-фенантролином

Титрование индикаторным методом возможно, если для данной реакции ЭДС ≥ 0,4 В. При ЭДС = 0,4 - 0,2 В используют инструментальные индикаторы.

3. Классификация методов окислительно-восстановительного титрования

Согласно широко применяемой классификации, название окислительно-восстановительного метода титрования происходит от названия стандартного раствора (титранта). Стандартные растворы, применяемые в окислительно-восстановительных методах титрования, характеризуются широким интервалом значений окислительно-восстановительных потенциалов, следовательно, аналитические возможности этих методов велики. В случае, если титруемый раствор содержит только один компонент, обладающий достаточно высокой способностью к присоединению электронов, а титрант - единственный источник электронов (или наоборот) и при этом имеется надежный способ индикации конечной точки титрования, применим способ прямого титрования. Если эти условия не выполняются, используют косвенные способы титрования. Окислительно-восстановительная реакция между определяемым веществом и титрантом должна удовлетворять общим требованиям, предъявляемым к реакциям, используемым в титриметрии.

Если окислительно-восстановительная реакция протекает нестехеометрично или недостаточно быстро, применяют косвенные способы титрования: обратное титрование и титрование по замещению. Например, при цериметрическом определении Fe3+ используют способ титрования по замещению:

Fe3+ +Ti3+ = TiIV + Fe2+ + + CeIV = Fe3+ + Ce3+.3+ не мешает титрованию.

Окислительно-восстановительное титрование возможно, если в растворе присутствует одна подходящая степень окисления определяемого компонента. В противном случае до начала титрования необходимо провести предварительное восстановление (окисление) до подходящей степени окисления, как это делают, например, при анализе смеси Fe2+ и Fe3+ методом перманганатометрии. Предварительное восстановление (окисление) должно обеспечить количественный перевод определяемого элемента в нужную степень окисления.

Вводимый для этой цели реагент должен представлять собой такое соединение, от избытка которого перед началом титрования легко освободиться (кипячением, фильтрованием и др.). В некоторых случаях методом редоксиметрии определяют соединения, не изменяющие своей степени окисления.

Так, титрованием по замещению, определяют ионы кальция, цинка, никеля, кобальта и свинца в перманганатометрии, сильные кислоты - в иодометрии.

Табл.2. Методы окислительно-восстановительного титрования

Название метода	Стандартный раствор (титрант)	Уравнения полуреакций системы титранта		Особенности метода
Стандартный раствор - окислитель
Перманга-натометрия		MnO4−+ 8H+ + 5e̅ = Mn2++ 4H2O MnO4−+ 4H+ + 3e̅ = MnO2 + 2H2O MnO4−+ 2H2O + 3e̅ = MnO2+ 4OH−		Безындикаторный метод, используется в широкой области рН
Бромато-метрия		BrO3−+ 6H+ + 6e̅ = Br−+ 3H2O		Индикатор - мети-ловый оранжевый. Среда - сильнокис-лая
Цериметрия		Ce4+ + e̅ = Ce3+		Индикатор - ферроин. Среда - сильнокислая
Хромато-метрия		Сr2O72−+ 14H+ + 6e̅ = 2Cr3++2H2O		Индикатор - дифе-ниламин. Среда − сильнокислая
Нитрито-метрия		NO2- + 2H+ + e̅ = NO + H2O		Внешний индикатор - иодид- крахмаль-ная бумага. Среда − слабокислая
Иоди-метрия		I2 + 2e̅ = 2I -		Индикатор - крахмал
Стандартный раствор - восстановитель
Аскорбино-метрия		С6H6O6 +2H+ +2 e̅ = С6H8O6		Индикаторы - вари-аминовый синий или для определе-ния ионов Fe3+ роданид калия. Среда - кислая
Титано-метрия		TiO2+ + 2H+ + e̅ =Ti3+ + H2O		Индикатор - мети-леновый голубой. Среда - кислая
Иодометрия		S4O62−+ 2e̅ = 2S2O32−		Индикатор - крах-мал. Вспомогатель-ный реагент - KI. Среда - слабокислая или нейтральная

4. Перманганатометрия

Перманганатометрия - один из наиболее часто применяемых методов окислительно-восстановительного титрования. В качестве титранта используют раствор перманганата калия, окислительные свойства которого можно регулировать в зависимости от кислотности раствора.

4.1 Особенности метода

Наибольшее распространение в аналитической практике получил перманганатометрический метод определения в кислых средах: восстановление MnO4- до Mn2+ проходит быстро и стехеометрично:

,

Количественно восстановление перманганата в щелочной среде до манганата протекает в присутствии соли бария. Ba(MnO4)2 растворим в воде, в то время как ВаMnO4 - нерастворим, поэтому дальнейшее восстановление MnVI из осадка не происходит.

Перманганатометрически в щелочной среде, как правило, определяют органические соединения: формиат, формальдегид, муравьиную, коричную, винную, лимонную кислоты, гидразин, ацетон и др.

Индикатором конца титрования служит бледно-розовая окраска избытка титранта КMnO4 (одна капля 0,004 М раствора титранта придает заметную окраску 100 мл раствора). Поэтому, если титруемый раствор бесцветен, о достижении точки эквивалентности можно судить по появлению бледно-розовой окраски избытка титранта КMnO4 при титровании прямым способом или по исчезновению окраски при реверсивном титровании. При анализе окрашенных растворов рекомендуется использовать индикатор ферроин.

К достоинствам перманганатометрического метода относят:

1. Возможность титрования раствором КMnO4 в любой среде (кислой, нейтральной, щелочной).

2. Применимость раствора перманганата калия в кислой среде для определения многих веществ, которые не взаимодействуют с более слабыми окислителями.

Стехеометричность большинства окислительно-восстановительных реакций с участием MnO4- − при оптимально выбранных условиях с достаточной скоростью.

Возможность титрования без индикатора.

Доступность перманганата калия.

Наряду с перечисленными достоинствами метод перманганатометрии имеет ряд недостатков:

1. Титрант КMnO4 готовят как вторичный стандарт, поскольку исходный реагент - перманганат калия - трудно получить в химически чистом состоянии.

2. Реакции с участием MnO4- возможны в строго определенных условиях (рН, температура и т. д.).

4.2 Применение метода

Определение восстановителей. Если окислительно-восстановительная реакция между определяемым восстановителем и MnO4- протекает быстро, то титрование проводят прямым способом. Так определяют оксалаты, нитриты, пероксид водорода, железо (II), ферроцианиды, мышьяковистую кислоту и др.:

Н2О2 + 2MnO4- + 6Н+ = 5О2 + 2Мn2+ + 8Н2О

54- + MnO4- + 8H+ = 53- + 2Mn2+ + 4H2O

AsIII + 2MnO4- + 16H+ = 5AsV + 2 Mn2+ + 8H2O

5Fe2+ + MnO4- +8H+ = 5Fe3+ + 2Мn2+ + 4Н2О

Для прямого перманганатометрического определения ионов Fe3+ необходимо их предварительно количественно восстановить до Fe2+, используя один из восстановителей: SnCl2, Zn, N2H4.

При анализе растворов, содержащих железо (II) и железо (III) в отдельной пробе исходного раствора смеси ионов прямым титрованием раствором KMnO4 определяют содержание Fe2+. Параллельно в такой же пробе анализируемой смеси восстанавливают Fe3+ до Fe2+ и титруют раствором KMnO4 суммарное количество ионов Fe2+. Из результатов определения общего содержания железа, полученных титрованием восстановленного раствора, вычитают результат определения содержания Fe2+ до восстановления и вычисляют содержание в анализируемой смеси ионов Fe3+.

При перманганатометрическом определении нитритов изменяют порядок титрования на обратный (реверсивное титрование): стандартный раствор перманганата титруют анализируемым раствором нитрита. Это обусловлено тем, что нитриты разлагаются в кислой среде с образованием оксидов азота. Реакцию окисления нитрита раствором KMnO4 можно записать:

NO2- + 2MnO4- + 6H+ = 5NO3- + 2Мn2+ + 3Н2О

В случае замедленных реакций определение проводят способом обратного титрования избытка перманганата. Так определяют муравьиную, поли- и оксикарбоновые кислоты, альдегиды и другие органические соединения:

HCOO- + 2MnO4- + 3OH- = CO32- + 2MnO42- + 2H2O + (MnO4-)

избыток остаток

MnO4- + 5С2O42- + 16H+ = 2Mn2+ +10CO2 + 8H2O

остаток

Определение окислителей. Добавляют избыток стандартного раствора восстановителя и затем титруют его остаток раствором KMnO4 (способ обратного титрования). Например, хроматы, персульфаты, хлориты, хлораты и другие окислители можно определять перманганатометрическим методом, подействовав сначала избытком стандартного раствора Fe2+, а затем оттитровав непрореагировавшее количество Fe2+ раствором KMnO4:

Cr2O72- + 6Fe2+ + 14H+ = 2Cr3+ + 6Fe3+ + 7H2O + (Fe2+)

избыток остаток

Fe2+ + MnO4- + 8H+ = 5Fe3+ + Mn2+ + 4H2O

остаток

Определение веществ, не обладающих окислительно-восстановительными свойствами, проводят косвенным способом, например титрованием по замещению. Для этого определяемый компонент переводят в форму соединения, обладающего восстановительными или окислительными свойствами, а затем проводят титрование. Например, ионы кальция, цинка, кадмия, никеля, кобальта, осаждают в виде малорастворимых оксалатов:

М2+ + С2О4- = ↓МС2О4

Осадок отделяют от раствора, промывают и растворяют в H2SO4:

МС2О4 + H2SO4 = H2C2O4 + MSO4

Затем H2C2O4 (заместитель) титруют раствором KMnO4:

2MnO4- + 5С2O42- + 16H+ = 2Mn2+ +10CO2 + 8H2O

4.Определение органических соединений. Отличительной особенностью реакций органических соединений с MnO4- является их малая скорость. Определение возможно, если использовать косвенный способ: анализируемое соединение предварительно обрабатывают избытком сильнощелочного раствора перманганта и дают возможность реакции протекать необходимый период времени. Остаток перманганата титруют раствором оксалата натрия:

С3Н5(ОН)3 + 14MnO4- + 20OH- = 3CO32- + 14MnO42- + 14H2O + (MnO4-), избыток остаток

2MnO4- + 5С2O42- + 16H+ = 2Mn2+ +10CO2 + 8H2O

остаток

Табл.3. Примеры определения некоторых неорганических и органических соединений перманганатометрическим методом

Определяемое соединение (ион)	Реакции, используемые в ходе анализа	Условия анализа
	5SbIII + 2MnO4- + 16H+ = 5SbV +2Mn2+ + 8H2O	Прямое титрование. Среда − 2М HCl
	5Sn2+ + 2MnO4- + 16H+ = 5Sn4+ + 2Mn2+ + 8H2O	Среда − 1M H2SO4 Исключить доступ О2
	5Ti3+ + MnO4- + 8H+ = 5Ti4+ + Mn2+ + 4H2O	Среда - 1М H2SO4
	5W3+ + 3MnO4- + 24H+ = 5W6+ + 3Mn2+ + 12H2O	Среда - 1М H2SO4
	5U4+ + 2MnO4- + 16H+ = 5U6+ + 2Mn2+ + 8H2O	Среда - 1М H2SO4
	5V4+ + MnO4- + 8H+ = 5V5+ + Mn2+ + 4H2O	Среда - 1М H2SO4
	10Br− + 2MnO4- + 16H+ = 2Mn2+ + 8H2O + 5Br2	Титрование в 2М растворе H2SO4 при кипячении для удаления Br2	СН3ОН + 6MnO4-изб. + 8OH- = CO32- + 6MnO42- + 6H2O + (MnO4-)ост. HCOO- + 2(MnO4-)ост. + 3Ва+ + 3OH- = ВаCO3 + ↓2ВаMnO4 + 2H2O	Обратное титрование Остаток непрореагировавшего MnO4- после добавления соли бария титруют раствором формиата натрия
Ca2+, Mg2+, Zn2+, Co2+, La3+, Th4+, Ba2+, Sr2+, Pb2+, Ag+	М2+ + С2О4- = ↓МС2О4 + (С2О4-)ост. 2MnO4- + 5(С2O42-)ост. + 16H+ = 2Mn2+ +10CO2 + 8H2O М2+ + С2О4- = ↓МС2О4 МС2О4 + H+ = H2C2O4 + M2+ 2MnO4- + 5С2O42- + 16H+ = 2Mn2+ +10CO2 + 8H2O	Осадок МС2О4 отделяют и отбрасывают, фильтрат и промывные воды титруют при 2М H2SO4. Титрование по замещению Осадок МС2О4 отделяют, промывают, растворяют в 2М H2SO4 и титруют, как указано выше

4.3 Приготовление 0,05н раствора перманганата калия и его стандартизация по щавелевой кислоте или оксалату аммония (натрия)

Титрованный раствор перманганата калия по точной навеске кристаллического приготовить нельзя, так как в нем всегда содержится некоторое количество и других продуктов разложения. Поэтому раствор перманганата калия относится к вторичным стандартным растворам. Первоначально готовят раствор , концентрация которого приблизительно равна необходимой концентрации. Навеску берут на технохимических весах несколько больше расчетной величины. Так как является сильным окислителем и изменяет свою концентрацию в присутствии различных восстановителей, то приготовленный раствор перманганата калия выдерживают 7-10 дней в темном месте для того, чтобы прошли все окислительно-восстановительные процессы с примесями, содержащимися в воде. Затем раствор фильтруют. Только после этого концентрация раствора становится постоянной и его можно стандартизировать по щавелевой кислоте или по оксалату аммония. Растворы следует хранить в бутылях из темного стекла. Приготовленный таким способом раствор перманганата калия с молярной концентрацией эквивалента 0,05 моль/л и выше не изменяет свой титр довольно продолжительное время.

Способ стандартизации основан на окислении щавелевой кислоты перманганат-ионами в кислой среде:

При этом полуреакции окисления и восстановления имеют вид:

При комнатной температуре эта реакция протекает медленно. И даже при повышенной температуре скорость ее невелика, если она не катализирована ионами марганца(II). Нагревать кислоту выше 70-80 0С нельзя, так как при этом часть кислоты окисляется кислородом воздуха:

Реакция взаимодействия перманганата калия со щавелевой кислотой относится к автокаталитическим реакциям. Реакция окисления щавелевой кислоты протекает в несколько стадий. Первые капли перманганата калия даже в горячем растворе обесцвечиваются очень медленно. Для ее начала необходимо присутствие в растворе хотя бы следов :

Образовавшийся манганат-ион в кислом растворе быстро диспропорционирует:

Марганец (III) образует оксалатные комплексы состава эти комплексы медленно разлагаются с образованием

Таким образом, пока в растворе не накопится в достаточных концентрациях марганец (II), реакция между протекает медленно. Когда концентрация марганца(II) достигает определенной величины, реакция начинает протекать с большой скоростью.

Интенсивная окраска раствора перманганата калия осложняет измерение объемов титранта в бюретке. На практике удобно за уровень отсчета принимать поверхность жидкости, а не нижнюю часть мениска.

Оксалат аммония обладает некоторыми преимуществами по сравнению с другими установочными веществами:

хорошо кристаллизуется и легко растворяется в воде,

имеет определенный химический состав и не изменяется при хранении,

не взаимодействует с кислородом воздуха и СО2 .

Для установки концентрации (титра или молярной концентрации эквивалентов) стандартного раствора перманганата калия рассчитывают навеску щавелевой кислоты или оксалата аммония , необходимую для приготовления раствора с молярной концентрацией эквивалента 0,05 н:

ЭNa2C2O4 = М/2 = 134,02/2 = 67,01 г;

ЭН2С2О4∙2Н2О = М/2 = 126,06/2 = 63.03 г;

ЭKMnO4 = М/5 = 158,03/5 = 31,61 г.

Зная массу 1 моль - эквивалента оксалата натрия, вычисляют навеску этой соли, которую необходимо взять, чтобы приготовить раствор для определения нормальности раствора перманганата. При этом растворы оксалата натрия и перманганата должны иметь примерно одинаковую нормальность.

Для приготовления 100 мл 0,05н раствора Na2C2O4 нужно взять: 0,05∙67,01∙0,1 = 0,3351 г Na2C2O4. Не следует стремиться брать именно такое количество соли, чтобы получить точно 0,05н. раствор. Нужно сначала на технических весах взять близкую к рассчитанной навеску, например 0,34 г, а затем точно взвесить ее на аналитических весах (это значительно ускоряет и упрощает работу). Пусть взятая навеска равна 0,3445 г. Перенести ее в мерную колбу (избегать потерь), растворить в дистиллированной воде, разбавить раствор до метки и затем, закрыв колбу пробкой, хорошо перемешать. Нормальность приготовленного раствора Na2C2O4 устанавливается из соотношения:

3351 г Na2C2O4 - 0,05н

3445 г Na2C2O4 - х

х = 0,0514н

Рассчитанное количество кислоты (или соли) взвешивают на аналитических весах. Взвешенную массу кислоты (или соли) растворяют в воде в мерной колбе, раствор тщательно перемешивают. Затем титруют раствор . Расчет концентрации перманганата калия во всех случаях проводят на основании закона эквивалентов:

Например, при титровании 0,0514н раствора H2C2O4 (Vал = 10,0 мл) раствором KMnO4 были получены следующие результаты:

V1(KMnO4) = 11,0 мл

V2(KMnO4) = 10,9 мл

V3(KMnO4) = 11,0 мл

Тогда нормальность раствора перманганата калия будет равна:

.

4.4 Титрование анализируемого раствора

Для примера рассмотрим применение метода перманганатометрии для определения содержания железа в соли Мора. Соль Мора является двойной солью сульфатов железа (II) и аммония FeSO4∙(NH4)2SO4∙6H2O. Так как сульфат аммония не участвует в реакции с перманганатом, то уравнение реакции взаимодействия можно написать только с FeSO4:

10FeSO4+2KMnO4+8H2SO4 = 5Fe2(SO4)3+K2SO4+2MnSO4+8H2O.

Согласно этому уравнению:

Э FeSO4 = М/1 = 151,92

Э FeSO4∙(NH4)2SO4∙6H2O = М/1 = 392,15.

Титровать железо(II) перманганатом калия можно в сернокислой или солянокислой средах. В первом случае не наблюдается никаких осложнений. Присутствие в титруемом растворе хлорид-ионов приводит к перерасходу перманганата и получению нечеткого конца титрования. Это вызвано тем, что реакция между железом(II) и перманганатом индуцирует реакцию между ионами

Причем в отсутствие ионов эта реакция не идет. Реакции подобного типа, не идущие одна без другой, назваются сопряженными или индуцированными. Индуцированной реакции не возникает, если в растворе присутствуют в достаточных количествах фосфорная кислота и марганец (II). Поэтому перед титрованием в раствор добавляют смесь Рейнгарда-Циммермана, состоящую из серной, фосфорной кислот и сульфата марганца(II). Присутствие в этой смеси создает требуемую концентрацию протонов в титруемом растворе. Присутствие необходимо для связывания железа (III) в бесцветный комплекс и образования фосфатных комплексов марганца (III). Если железо не маскировать, то окраска его комплексных хлоридов будет затруднять наблюдение бледно-розовой окраски в конце титрования перманганатом калия.

Нормальность раствора сульфата железа (II) определяется по уравнению:

С(KMnO4) ∙V(KMnO4) = С(FeSO4) ∙V(FeSO4)

Так как масса 1 моль эквивалента железа равна 55,85 г, то масса железа, содержащегося в 100 мл раствора, равна

Если исходная навеска равна а г (в 100 мл раствора), то содержание железа в соли Мора составит:

Теоретически вычисленное содержание железа в соли Мора

Заключение

Из титриметрических методов анализа окислительно-восстановительное титрование является широко распространенным, границы применения этого метода шире, чем кислотно-основного или комплексонометрического методов. Благодаря большому разнообразию окислительно-восстановительных реакций этот метод позволяет определять большое количество самых разнообразных веществ, в том числе и тех, которые непосредственно не проявляют окислительно-восстановительных свойств.

Перманганатометрия используется для определения общей окисляемости воды и почвы. При этом с MnO4--ионом в кислой среде реагируют все органические компоненты (в том числе гуминовые кислоты почв и природных вод). Число миллимоль эквивалентов KMnO4, пошедших на титрование, и является характеристикой окисляемости (по перманганату).

Перманганатометрию применяют и для анализа легко окисляющихся органических соединений (альдегидов, кетонов, спиртов, карбоновых кислот: щавелевой, винной, лимонной, яблочной, а также гидразогрупп). В пищевой промышленности перманганатометрию можно использовать для определения содержания сахара в пищевых продуктах и сырье, содержания нитритов в колбасных изделиях.

В металлургической промышленности методом перманганатометрии определяют содержание железа в солях, сплавах, металлах, рудах и силикатах.

Список литературы

1. Аналитическая химия. Химические методы анализа/ под ред. О.М. Петрухина. М.: Химия, 1992, 400 с.

2. Васильев В.П. Аналитическая химия. В 2 ч. Ч. 1. Гравиметрический и титриметрический методы анализа. М.: Высшая школа, 1989, 320 с.

Основы аналитической химии. В 2 кн. Кн. 2. Методы химического анализа/ под ред. Ю.А. Золотова. М.: Высшая школа, 2000, 494 с.

Методы редоксометрии основаны на реакциях окисления-восстановления. Разработано очень много методов. Их классифицируют в соответствии с применяемым стандартным (рабочим, титрантом) раствором. Наиболее часто применяются следующие методы:

Перманганатометрия - метод, который основан на окислительной способности рабочего раствора перманганата калия KМnO4. Титрование ведется без индикатора. Применяется для определения только восстановителей при прямом титровании.

Иодометрия - метод, в котором рабочим титрованным раствором служит раствор свободного иода в КI. Метод позволяет определять как окислители, так и восстановители. Индикатором служит крахмал.

Дихроматометрия основана на использовании в качестве рабочего раствора дихромата калия K2Cr2O7. Метод может применяться как для прямых так и косвенных определений восстановителей.

Броматометрия основана на использовании в качестве титранта бромата калия KBrO3 при определении восстановителей.

Иодатометрия применяет в качестве рабочего раствора раствор иодата калия KIO3 при определении восстановителей.

Ванадатометрия дает возможность использовать окислительную способность ванадата аммоноя NH4VO3. Кроме перечисленных методов в лабораторной практике используются и такие методы как цериметрия (Ce4+), титанометрия и другие.

Для вычисления молярной массы эквивалента окислителей или восстановителей учитывается число электронов, принимающих участие в окислительно-восстановительной реакции (Мэ = М/ne, где n - число электронов е). Для определения числа электронов необходимо знать начальную и конечную степень окисления окислителя и восстановителя.

Из большого числа окислительно-восстановительных реакций для химического анализа используют только те реакции, которые:

• · протекают до конца;
• · проходят быстро и стехиометрично;
• · образуют продукты определенного химического состава (формулы);
• · позволяют точно фиксировать точку эквивалентности;
• · не вступают в реакцию с побочными продуктами, присутствующими в исследуемом растворе.

Наиболее важными факторами, оказывающими влияние на скорость реакции, являются:

• · концентрация реагирующих веществ;
• · температура;
• · значение рН раствора;
• · присутствие катализатора.

В большинстве случаев скорость реакции находится в прямой зависимости от температуры и рН раствора. Поэтому многие определения методом окислительно-восстановительного титрования следует проводить при определенном значении рН и при нагревании.

Индикаторы окислительно-восстановительного титрования

окислительный восстановительный титрование

При анализе методами окислительно-восстановительного титрования используется прямое, обратное и заместительное титрование. Точка эквивалентности окислительно-восстановительного титрования фиксируется как с помощью индикаторов, так и безиндикаторным способом. Безиндикаторный способ применяется в тех случаях, когда окисленная и восстановленная формы титранта отличаются. В точке эквивалентности, при введении 1 капли избытка раствора титранта изменит окраску раствора. Безиндикаторным способом можно проводить определения перманганатометрическим методом, т.к. в точке эквивалентности от одной капли раствора перманганата калия титруемый раствор окращивается в бледнорозовый цвет.

При индикаторном способе фиксирования точки эквивалентности применяют специфические и редоксиндикаторы. К специфическим индикаторам относится крахмал в иодометрии, который в присутствии свободного иода окрашивается в интенсивно-синий цвет вследствие образования адсорбционного соединения синего цвета. Редокс-индикаторы - это вещества, у которых окраска меняется при достижении определенного значения окислительно-восстановительного (редокспотенциала). К редокс-индикаторам относится, например, дифениламин NH(C6H5) 2. При действии на бесцветные растворы его окислителями он окрашивается в сине-фиолетовый цвет.

Редокс-индикаторам предъявляют следующие требования:

• · окраска окисленной и восстановленной формы должна быть различна;
• · изменение цвета должно быть заметно при небольшом количестве индикатора;
• · индикатор должен реагировать в точке эквивалентности с весьма небольшим избытком восстановителя или окислителя;
• · интервал действия его должен быть как можно меньше;
• · индикатор должен быть устойчив к воздействию компонентов окружающей среды (О2, воздуха, СО2, света и т.п.).

Интервал действия редокс-индикатора рассчитывается по формуле:

Е = Ео ± 0,058/n,

где Ео - нормальный окислительно-восстановительный потенциал индикатора (в справочнике), n - число электронов, принимающих в процессе окисленияили восстановления индикатора.

Химические элементы, имеющие переменную степень окисления, могут быть количественно определены титриметрически с применением окислительно-восстановительной реакции (ОВР). Методы окислительно-восстановительного (ОВ) титрования или red-ox-методы – это титриметрические методы, основанные на использовании окислительно-восстановительных реакций.

Окислительно-восстановительное титрование можно разделить:

1 По характеру титранта:

– оксидиметрические – методы определения восстановителей с применением титранта-окислителя;

– редуктометрические – методы определения окислителя с применением титранта-восстановителя.

2 По природе реагента (титранта), взаимодействующего с определенным веществом:

– KMnO 4 – перманганатометрия;

– KBrO 3 – броматометрия;

– KI,Na 2 S 2 O 3 – иодометрия;

– I 2 – иодиметрия;

– Br 2 – бромометрия;

– Ce(SO 4) 2 – цериметрия

В зависимости от решаемой аналитической задачи в редоксиметрии используют прямое, обратное и заместительное титрования. Редоксиметрически могут быть количественно определены как неорганические, так и органические вещества. Например, восстановлением с помощью перманганата калия в сильнощелочной среде могут быть определены метанол, муравьиная, винная, лимонная, салициловая кислоты, а также глицерин, фенол, формальдегид и др.

Схематично ОВР, с учетом закона электронейтральности раствора, можно изобразить следующим образом:

mOX1+ nRed2↔ mRed1+ n OX2

Здесь индексы 1 и 2 относятся к веществам 1и 2 в окисленной (Ox1 и Ox2) и восстановленной (Red1 и Red2) формах. В ходе ОВР вещество Ох1 с большим сродством к электрону (окислитель) присоединяет электроны, понижает свою степень окисления, восстанавливается, а вещество Red2 с меньшим сродством к электрону (восстановитель) окисляется.

Окисленная и восстановленная формы реагирующих в ОВР веществ образуют окислительно-восстановительные (оксред-, редокс-) пары Ох1/Red1 и Ox2/Red2, а превращения типа Ox+ze Red называют оксред - (редокс)-переходами или окислительно-восстановительными полуреакциями.

§2. Окислительно-воостановительный потенциал.

Уравнение Нернста.

Окислительно-восстановительные процессы, как и все динамические процессы, в той или иной мере обратимы. Направление реакций определяется соотношением электронодонорных свойств компонентов системы одной окислительно-восстановительной полуреакции и электроно-акцепторных свойств второй (при условии постоянства факторов, влияющих на смещение равновесных химических реакций). Перемещение электронов в ходе окислительно-восстановительных реакций приводит к возникновению потенциала. Таким образом, потенциал, измеряемый в вольтах, служит мерой окислительно-восстановительной способности соединения.

Для количественной оценки редокс-свойств редокс-пар используют редокс - (окислительно-восстановительные) потенциалы. При вычислении окислительно-восстановительного потенциала используют уравнение Нернста :

E (Ox/Red) = E 0 (Ox/Red) +

где E(Ox/Red) - реальный или равновесный редокс-потенциал, В;

E 0 (Ox/Red) - стандартный редокс-потенциал, равный равновесному при а(Ох) = а(Red) = 1 моль/дм 3 ;

R - универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/К·моль);

Т - абсолютная температура, K; F - число Фарадея (96500 Кл/моль);

z - число электронов, участвующих в редокс-переходе в ОХ+ze dRed;

a(OX) и a(Red) - активности соответственно окисленной и восстановленной форм вещества, моль/дм 3 .

При подстановке в уравнение Нернста значений R, F и T = 298 К, а также переходе к десятичному логарифму, получим

E(Ox/Red) =E 0 (Ox/Red) +

Редокс-потенциал зависит также от кислотности среды, комплексообразования или осаждения одного из компонентов редокс-пары в процессе редокс-перехода. Чем больше концентрация ионов водорода в растворе, тем больше окислительная способность окисленной формы вещества редокс-пары и тем больше E(Ox/Red).

При выборе вещества титранта в редоксиметрии проводят качественную и количественную оценку возможности (направленности) и полноты прохождения ОВР между титрантом и определяемым веществом.

Качественную оценку проводят путем сравнения табличных величин E 0 (Ox|Red) вещества титранта и определяемого вещества, приведенных в аналитических, химических и физико-химических справочниках.

Перманганатометрия

Перманганатометрическим методом объемного анализа называют метод, основанный на окислении различных веществ перманганатом калия (KMnO 4).

В зависимости от условий, в которых протекает реакция окисления-восстановления, ионы MnO 4 – могут принимать различное число электронов.

В кислой среде:

В нейтральной среде:

В щелочной среде:

Нормальный потенциал системы Е 0 (MnO 4 – ⁄Mn 2+) = +1,52В, а Е 0 (MnO 4 – ⁄MnO 2) = +0,57В, поэтому перманганат калия в кислой среде обладает сильными окислительными свойствами и способен окислять многие вещества.

Эквивалент перманганата калия в кислой среде равен:

М(1/zKMnO 4) = М(KMnO 4)/n e = 158/5 = 31,608 г/моль

В лабораторной практике перманганат калия применяют в виде растворов различной концентрации. Обычно пользуются 0,1н раствором KMnO 4 , хотя в некоторых случаях применяют 0,01н, 0,05н, 0,2н растворы.

Приготовление рабочего раствора KMnO 4

Перманганат калия, применяющийся для приготовления рабочего раствора KMnO 4 , обычно содержит ряд примесей, из которых наиболее значительными являются соединения марганца (IV). Кроме того, в первые дни после приготовления раствора происходит восстановление KMnO 4 органическими примесями, содержащимися даже в дистиллированной воде. В результате концентрация раствора KMnO 4 изменяется:

Поэтому сначала готовят раствор приблизительной концентрации. Например, для приготовления 500 мл 0,1н раствора KMnO 4 рассчитывают необходимую навеску вещества по формуле:

m(KMnO 4) = N(KMnO 4) · M(1/zKMnO 4) · V

m=31,608 0,1 0,5≈1,58г.

Навеску растворяют в мерной колбе объемом 0,5л. Раствор переливают в склянку из темного стекла и оставляют в темном месте не менее чем на неделю. За это время перманганат окислит все примеси, содержащиеся в воде, а образовавшийся в результате частичного восстановления перманганата диоксид марганца MnO 2 осядет на дно склянки. Раствор отфильтровывают от MnO 2 и хранят в темных склянках. Очевидно, что после этого приступают к стандартизации раствора.

В качестве исходных веществ для установки точной концентрации раствора KMnO 4 обычно применяют оксалат аммония (NH 4) 2 C 2 O 4 ·H 2 O, оксалат натрия Na 2 C 2 O 4 и щавелевую кислоту H 2 C 2 O 4 ·2H 2 O. Наиболее удобным является оксалат натрия, т.к. он кристаллизуется без воды и не гигроскопичен.

Реакция автокаталитическая, поэтому для ускорения процесса раствор следует нагреть.

Разность потенциалов для этой реакции определяют вычитанием из нормального потенциала системы MnO 4 – /Mn 2+ (E 0 =+152В) нормального потенциала системы 2CO 2 /C 2 O 4 2– (E 0 =–0,49В), то Е = +1,52–(–0,49)=2,01В

Большая разность потенциалов показывает, что реакция необратима.

Все продукты этой реакции бесцветны, тогда как раствор KMnO 4 красно-фиолетовый. Поэтому течение реакции должно сопровождаться обесцвечиванием прибавляемого раствора перманганата. Если прибавить к кислому раствору оксалата натрия 2–3 капли раствора KMnO 4 , бесцветный раствор окрасится в розовый цвет, что указывает на присутствие непрореагировавшего KMnO 4 . Окраска исчезает только через несколько минут. Это свидетельствует о небольшой вначале скорости реакции. Обесцвечивание раствора после прибавления последующих капель раствора KMnO 4 происходит все быстрее и быстрее, и, наконец, будет происходить почти моментально вплоть до точки эквивалентности. Лишняя капля KMnO 4 окрасит титруемый раствор в неисчезающий розовый цвет.

Окислительно-восстановительное титрование основано на использовании окислительно-восстановительных реакций разного типа.

В качестве титрантов применяют растворы веществ, обладающих окислительными или восстановительными свойствами. По своим аналитическим характеристикам метод близок кислотно-основному титрованию, хотя часто скорость реакций сравнительно ниже.

Одинаковы и принципы подбора индикаторов: индикатор должен изменять окраску вблизи точки эквивалентности. В качестве индикаторов используют органические вещества, обладающие более слабыми, чем реагенты, окислительными или восстановительными свойствами. Очень сильное влияние на работу индикатора оказывает рН раствора. Интервал перехода окраски окислительно-восстановительного индикатора определяется по формуле:

ΔЕ = (Еº инд. – 0,059 m/n рН) ± 0,059/ n,

где m – число Н +, n – число электронов, участвующих в полуреакции, Еº инд. – потенциал, зависящий от природы вещества.

Окислительно-восстановительные индикаторы

В зависимости от титранта, используемого в анализе, различают несколько вариантов окислительно-восстановительного титрования.

1. Перманганатометрия использует в качестве титранта перманганат калия KMnO 4 , который является сильным окислителем.

Этот метод используется для определения восстановителей: щавелевой кислоты, Fe 2+ , HNO 2 , Mn 2+ , Sn 2+ и др. (прямым титрованием), некоторых окислителей: NO 3 - , K 2 Cr 2 O 7 (обратным титрованием), многих катионов металлов (титрованием заместителя).
Обычно титрование проводят в сильнокислой среде серной кислоты:
MnO 4 - + 8H + + 5e = Mn 2+ + 4H 2 O . Для титрования применяют раствор KMnO4 концентрацией от 0,02 до 0,1 моль/л. В качестве индикатора используют сам титрант, одна избыточная капля которого окрашивает раствор в розовый цвет.

2. Иодометрия использует в качестве титранта раствор йода I 2 , являющийся окислителем (этот вариант метода называют йодиметрический метод): I 2 + 2e =2I - , или раствор KI, являющийся восстановителем (йодометрический метод) 2I - - 2е = I 2 .

Наиболее распространен второй вариант; он используется для косвенного определения многих веществ, восстанавливающих KI. При этом выделяется I 2 в количестве, эквивалентном количеству анализируемого вещества. Выделившийся йод оттитровывают стандартным раствором тиосульфата натрия Na 2 S 2 O 3

I 2 + 2 Na 2 S 2 O 3 = 2NaI + Na 2 S 4 O 6 . В качестве индикатора на йод в обоих вариантах анализа используют раствор крахмала, который в присутствии свободного йода приобретает синюю окраску.

3. Хроматометрия использует в качестве титранта бихромат калия K 2 Cr 2 O 7 , являющийся окислителем: Cr 2 O 7 2- + 14H + + 6e = 2Cr 3+ + 7H 2 O .

Индикаторами могут выступать дифениламиносульфокислоты. Реакцию проводят в сильнокислой среде, используя обычно серную кислоту. Этим методом определяют Fe (II), Mn (II), Mn (IV), V (V), Mo (V), ряд анионов, органических веществ и др.

Комплексометрическое титрование

При комплексометрическом титровании в качестве титрантов используют вещества, способные образовывать прочные комплексы с анализируемым веществом.

Наибольшее распространение в аналитической практике получила этилендиаминтетрауксусная кислота – ЭДТА – (НООС - СН 2) 2 – N- CH 2 – CH 2 – N – (CH 2 – COOH) 2 и ее натриевая соль - трилон Б .

Этот титрант применяется, прежде всего, для количественного определения катионов металлов (Fe 3+ , Cr 3+ , Ca 2+ , Mg 2+ и др.). Молекула ЭДТА реагирует всегда с 1 катионом металлом, т.е. фактор эквивалентности равен 1.

В качестве индикаторов часто применяют эриохром черный Т, мурексид и некоторые другие органические вещества.

Очень сильное влияние на результаты комплексометрического титрования оказывает рН среды, поэтому чаще всего анализ проводят в среде буферного раствора.

Осадительное титрование

Осадительное титрование основано на реакциях осаждения, которые могут протекать с достаточной скоростью при невысоких температурах и являются необратимыми. Хотя таких реакций достаточно много, для анализа оказались пригодными лишь несколько.

Хорошо разработан метод осадительного титрования нитратом серебра AgNO 3 – аргентометрия. В качестве индикаторов при аргентометрическом анализе применяют K 2 CrO 4 , FeCl 3 , адсорбционные индикаторы.

Ион серебра образует достаточно большое количество нерастворимых в воде солей, что обусловливает его аналитические возможности; аргентометрией можно определять Cl - , Br - , I - , SCN - , AsO 4 3- , CO 3 2- и др. Однако широкому использованию метода мешает высокая стоимость нитрата серебра.

Еще реже используется метод меркуриметрии, в котором титрантами служат очень ядовитые соли ртути.

№10. Основные понятия: титрант, титрование, точка эквивалентности, точка конца титрования. Способы проведения анализа (прямое, заместительное, обратное), приемы проведения анализа (отдельных навесок, аликвотных проб (пипетирования)).

Титрометрия - это наиболее широко используемый в аналитической практике метод анализа. По чувствительности он близок гравиметрии (предел обнаружения 0,10%), по правильности уступает гравиметрическому анализу (точность 0,5%). Однако он намного быстрее и проще в исполнении.

Титриметрический анализ основан на точном измерении объема раствора реагента, пошедшего на реакцию с анализируемым компонентом пробы.

Титрант - раствор реагента с точно известной концентрацией.

Титрование - процесс постепенного прибавления титранта к анализируемому раствору называют титрованием.

Точка эквивалентности - точка титрования, в которой достигается равенство эквивалентов вступивших в реакцию анализируемого вещества и титранта. До точки эквивалентности в растворе практически отсутствует титрант, а после точки эквивалентности – определяемое вещество. Вблизи точки эквивалентности резко меняются свойства системы. Это резкое изменение замеряемого свойства раствора вблизи точки эквивалентности называют скачком титрования.

Точка конца титрования - такой момент титрования, когда по изменению окраски раствора индикатора или по другим признакам замечают конец реакции. Обычно к моменту конца титрования количество прибавляемого титранта больше или меньше, чем эквивалентное. Титрование будет тем точнее, чем ближе к точке эквивалентности лежит точка конца титрования. Разница между точкой эквивалентности и точкой конца титрования обуславливает индикаторную ошибку титрования. Достигнув точки конца титрования, добавление титранта прекращают. По затраченному объему титранта и его концентрации вычисляют результаты анализа.

Стандартные растворы титрантов получают разными методами:

1. по точной навеске (вещество должно быть химически чистым и устойчивым);

2. по приблизительной навеске с последующим определением точной концентрации раствора титранта по стандартному раствору (метод стандартизации);

3. из фиксанала, который представляет собой строго определенное количество вещества, запаянное в ампулу. При тщательном переносе этого вещества в мерную колбу определенного объема (обычно 1л) получают раствор заданной концентрации.

Приемы титрования.

В аналитической практике используют прямое, обратное и косвенное (титрование заместителя) титрование.

Если в основе количественного определения лежит непосредственная реакция между анализируемым веществом и титрантом, титрование называется прямым.

Иногда по ряду причин реагент добавляют в избытке, а оставшееся после реакции количество реагента оттитровывают. Поскольку объем и концентрация раствора добавляемого реагента известны, по результатам титрования определяют количество реагента, пошедшее на реакцию. Такое титрование называется обратным.

При косвенном титровании в реакцию с титрантом вступает продукт взаимодействия анализируемого вещества с известным количеством реагента.

№11 Способы выражения концентрации титрованных растворов, способы их приготовления. Стандартные (установочные, исходные) вещества. Требования, предъявляемые к стандартным веществам.

Способы выражения концентраций растворов:

1) Массовая доля вещества
Массовая доля обозначается греческой буквой "омега" и равна отношению массы растворенного вещества к общей массе раствора

Выражают обычно в массовых долях или процентах (для этого в формуле правую часть домножают на 100%).

2) Молярная концентрация - показывает, сколько моль вещества содержится в 1 литре (1000 мл.) раствора. Обозначается С м. Единица измерения - [моль/л] (часто пишут просто М)

где n - количество вещества в молях, V - объём раствора, m - масса вещества, M r - молярная масса вещества.

3) Моляльная концентрация - число молей растворенного вещества в 1 килограмме (1000 г.) расторителя. Единица измерения - [моль/кг]

4) Нормальная концентрация - это число эквивалентов в 1 литре раствора. Обозначают символом С н

0,1 нормальный раствор - децинормальный.

5) Титр - количество вещества (в граммах), растворённое в 1 мл. раствора.

Различают титр по растворённому веществу (например, титр раствора соляной кислоты - T HCl) или титр по определяемому веществу (например, титр раствора соляной кислоты по едкому натру - T HCl/NaOH)

где Т - титр в г/мл, Р - масса навески, V - объём мерной колбы.

Применяемые в анализе растворы с точной концентрацией называют рабочими или стандартными растворами.

Титрованные растворы, полученные из точной навески вещества, называют приготовленными , а исходные или установочные вещества называют первичными стандартами.

Растворы с установленным титром называют вторичными стандартами . Сам процесс установления точной концентрации называют стандартизацией.

К стандартным (исходным) веществам предъявляют строгие требования . Ими могут быть только:

· химически чистые (примеси меньше 0,01%),

· химически устойчивые,

· хорошо растворимые вещества, состав которых строго соответствует химической формуле, с возможно большей молярной массой при возможно меньшем вкладе в нее молярной массы вещества реактива, чтобы уменьшить погрешность при взвешивании.

· вещества должны удовлетворять требованиям к химическим реакциям в количественном химическом анализе. Этим способом готовят, например, стандартные растворы сильных кислот и щелочей, вещества которых вследствие своей агрессивности не отвечают требованиям, предъявляемым к исходным веществам.

Требования, предъявляемые к установочным веществам:

1. Иметь кристаллическую структуру и отвечать определенной химической формуле.

2. Химический состав должен соответствовать его формуле.

4. Способы очистки установочного вещества от сопутствующих примесей (кристаллизация, экстракция, возгонка и др.) должны быть доступными в аналитической лаборатории.

5. Химически чистое установочное вещество не должно быть гигроскопичным, но должно сравнительно хорошо растворяться в воде.

6. Растворы установочного вещества не должны изменять своего титра при хранении и соприкосновении с воздухом.

7.Установочное вещество должно отличаться по возможности наибольшим эквивалентным весом. Чем больше эквивалентный вес вещества, тем больше точность установки титра раствора, так как при взвешивании вещества с большим молекулярным весом ошибки взвешивания оказывают незначительное влияние.

№ 12. Теоретические основы, сущность алкалиметрического, ацидиметрического, перманганатометрического, иодометрического титрования. Используемые титранты, их концентрация, способы фиксирования точки эквивалентности, индикаторы.

Алкалиметрия – определение веществ с применением стандартных растворов щелочей.

Ацидиметрия - определение веществ с применением стандартных растворов сильных кислот.

Пермангонатометрия основана на реакциях окисления различных веществ перманганатом калия. Окисление проводят в кислой среде, в которой ион MnO 4 - проявляет наиболее сильные окислительные свойства и имеет наименьший эквивалент (1/5).

Иодометрия основана на титрометрической реакции йода с тиосульфатом натрия.

Индикаторы представляют собой органические кислоты и основания сложного строения, характеризующиеся разной окраской молекулярной и ионизированной формы вещества.

№13 Индикаторы метода кислотно-основного титрования. Интервал перехода окраски индикаторов.

Титрантами метода являются растворы сильных кислот и оснований: HCI, H 2 SO 4 , NaOH, KOH. Эти вещества не соответствуют требованиям, предъявляемым к стандартным веществам, поэтому концентрацию титрантов устанавливают стандартизацией их растворов. В качестве первичных стандартов чаще всего используют буру Na 2 B 4 O 7 10Н 2 О, безводный карбонат натрия Na 2 CO 3 , дигидрат щавелевой кислоты Н 2 С 2 О 4 2Н 2 О и некоторые другие.

Кислотно-основной индикатор сам является кислотой или основани­ем и при кислотно-основном титровании изменяет свою окраску в ТЭ или вблизи ее.

При визуальном индикаторном методе фиксации КТТ в кислотно-основном титровании прибавление титранта к титруемому раствору прекращают, когда резко меняется окраска раствора вследствие изменения цвета индикатора, введенного в титруемый раствор.

Величину рН, до которой титруют раствор с данным индикатором, называют показателем титрования этого индикатора рТ.

Важнейшие индикаторы имеют следующие области перехода и показатели титрования:

Показатель титрования рТ Область перехода рН

Метиловый оранжевый……………4,0………………………….. 3,1 - 4,4

Метиловый красный……………….. 5,5…………………………. 4,4 - 6,2

Лакмус……………….………………………7,0………………………….5,0 - 8,0

Фенолфталеин………………………..…9,0………………………….8,0 - 10,0

№14 Оборудование в титриметрическом анализе: бюретки, мерные колбы, мерные пипетки Мора и градуированные, мерные цилиндры, воронки конические колбы для титрования. Правила работы с оборудованием.

Бюретки – используют для наполнения титраном и проведения титрования; градуированные по объёму стеклянные трубки с 0 делением наверху, предназначены для отмеривания р-ров небольшими порциями. V = 1-50 мл

Мерные пипетки- стеклянные трубки для отмеривания и переноса р-ра из одного в другой сосуд Пипетка Мора имеет в средней части шаровое расширение, выше кот нанесена кольцевая метка. На расширенной части указывают V,t при кот проводилась колибровка (V=5,00-50,0 мл) Градуированные пипетки без расширения (V=0,10-10,0 мл)

Конические колбы- служат для проведения титриметрических р-ций (V=25-250 мл)не должна наполняться более 1/3

Мерные колбы-имеется длинное узкое горлышко с нанесенной кольцевой метки. Предназначены для приготовления р-ров точно заданной концентрации

Мерные цилиндры-в титриметрическом анализе имеют второстепенное значение. Используют для приблизительного измерения объемов некоторых вспомогательных р-ров или воды

Воронка - приспособление в виде конуса, заканчивающегося трубкой, для переливания жидкостей в узкогорлые сосуды.

Со стеклянной посудой и приборами(в том числе термометрами) следует обращаться бережно, не класть на край стола, не задевать локтями. Осколки разбитой посуды немедленно убирать.

№15. Расчетные формулы, используемые в титриметрическом анализе согласно системы СИ

№16. Понятие о физико-химических методах анализа.

Методы анализа, основанные на наблюдении изменений физических свойств анализируемой системы, происходящих в результате определенных химических реакций, называют физико-химическими методами.

Физико-химические методы анализа отличаются большой чувствительностью и быстротой выполнения аналитических определений. Время, требуемое для завершения анализа физическими и физико-химическими методами, иногда измеряется минутами.

Физико-химические методы количественного анализа не следует смешивать с физико-химическим анализом по Н. С. Курнакову, с помощью которого изучают физические свойства систем в зависимости от их химического состава.

№17. Сколько мл раствора серной кислоты с массовой долей 98% (r = 1,84 г/мл) необходимо взять для приготовления 200 мл раствора с массовой долей 10% (r = 1,05 г/мл)?

№18. Вычислите массовую долю и молярную концентрацию раствора глюкозы, содержащего 75 г вещества в 500 г воды.

№19. Чему равна молярная концентрация 0,9% раствора хлорида натрия(r = 1,0 г/мл)?

№20. Как приготовить 5% раствор глюкозы из 20% раствора?

№21. Концентрация глюкозы в сыворотке крови равна 3,5 ммоль/л, выразите концентрацию в мг%.

№22. Гидроперит (содержит перекись водорода и мочевину) применяют как антисептическое средство. Одна таблетка соответствует 15 мл 3% раствора перекиси водорода. Сколько таблеток необходимо растворить в 100 мл воды для получения 1% раствора?

№23. Для лечения впервые выявленных больных деструктивным туберкулезом вводят внутривенно 10% раствор изониазида из расчета 15 мг/кг массы тела. Рассчитайте объем в мл 10% раствора изониазида (r = 1,0 г/мл), который необходимо ввести больному массой 75 кг.

№24 Тактивин – лекарственный препарат полипептидной природы используется в медицинской практике как иммуномодулирующее средство. Форма выпуска: 0,01% раствор во флаконах по 1 мл. При офтальмогерпесе препарат назначают в виде подкожных инъекций по 0,010-0,025 мг один раз в сутки. Рассчитайте объемы 0,01% раствора тактивина, которые соответствуют суточной дозе препарата.

W%=(m(x) /m)*100%

m = V*p => m= 1*1=1 г

m(x)= (W*m(р-ра))/100%

m(x)= (0,01%*1г)/100% = 0,1 мг

№25 Ампициллин – полусинтетический антибиотик. Форма выпуска: таблетки и капсулы по 0,25 г. Суточная доза для детей составляет из расчета 100 мг/кг. Суточную дозу делят на 4-6 приемов. Рассчитайте, какую часть таблетки нужно дать ребенку массой 10 кг на один прием: а) при четырехкратном приеме; б) при шестикратном приеме препарата в сутки?

100 мг/кг *10 кг = 1000 мг = 1 г

1:4=0,25 – 1 таблетка

1:6=0,166 – 2/3 таблетки

Ответ: a)0,25г b) 2/3 г

№26 Для определения общей кислотности желудочного сока 5 мл сока оттитровали раствором щелочи с концентрацией 0,095 моль/л в присутствии фенолфталеина. На реакцию израсходовано 2,5 мл раствора щелочи. Рассчитайте кислотность анализируемого сока в моль/л.

С2 = (С1*V1)/V2

С2 = (0,095* 2,5)/5 = 0,0475 моль/л

Ответ: 0,0475моль/л

№27 Рассчитайте массу навески КMnO 4 , необходимую для приготовления: а) 1 л раствора KMnO 4 с молярной концентрацией эквивалента 0,1 моль/л, б) 0,5 л раствора KМnO 4 c молярной концентрацией эквивалента 0,05 моль/л для проведения работ по перманганатометрическому титрованию.

M(KMnO4)=64+39+55=158

m(x)= (C(1/z x)*M(x)*V)/ z

a) m(KMnO4)=(0,1*158*1)/ 5 = 3,16

b) m(KMnO4)=(0,5*158*0,05)/ 5=0,79

Ответ: a) 3,16 b)0,79

№29 Рассчитайте массовую долю (%) уксусной кислоты, если на 10 мл ее раствора израсходовано при титровании 20 мл 0,2 моль/л раствора гидроксида натрия.

С(NaOH)*V(NaOH) = С(ук. к-ты)*V(ук. к-ты)

С (ук. к-ты) = (С (NaOH)*V (NaOH))/

/ V (ук. к-ты)

С (ук. к-ты) = (0,2* 20) / 10 = 0,4 моль/л

m (ук. к-ты) = С (ук. к-ты)*М (ук. к-ты)* В

m (ук. к-ты) = 0,4*60*0,01 = 0,24 г

р = 0,24/10 = 24 г/л

W = (С (ук. к-ты)* М (ук. к-ты)*в) / (р*10) = 0,1 %

Ответ: W = 0,1%

№31. Термодинамика, основные понятия и задачи. Параметры состояния (экстенсивные и интенсивные) и функции состояния системы.

Термодинамика – это раздел общей химии, который объясняет процессы обмена организма с окружающей средой энергией и веществом.

Термодинамика изучает процессы, связанные с переходом энергии (U) между телами в виде теплоты (Q) и работы (W).

Одним из важнейших понятий является понятие термодинамической системы – это тело или группа тел, отделенных от окружающей среды поверхностью раздела. Объекты природы, не входящие в систему, являются средой . Система характеризуется массой (m) и внутренней энергией (U).

Выделяют три вида термодинамических систем:

1. Изолированная система – система, не обменивающаяся с окружающей средой ни веществом, ни энергией. ∆U = 0, ∆m = 0. (термос).

2. Закрытая система – система, не обменивающаяся с окружающей средой веществом, но может обмениваться энергией. ∆U ≠ 0, ∆m = 0. (сосуд с водой).

3. Открытая система – обменивается с окружающей средой и веществом, и энергией. ∆U ≠ 0, ∆m ≠ 0. (клетка).

Системы делят на:

1. Гомогенные – однородные -в них нет границ раздела фаз (плазма крови, истинные растворы).

2. Гетерогенные – неоднородные - есть границы раздела фаз (кровь).

Любая система может быть охарактеризована рядом величин, которые называются параметры состояния. Их различают на:

1. Экстенсивные – суммирующиеся при сложении (масса, объем, энергия, энтропия).

2. Интенсивные – не суммирующиеся при сложении (давление, температура, плотность, концентрация).

Существуют параметры состояния, которые зависят только от начального и конечного состояния системы и не зависят от пути процесса, их называют функции состояния. Например:

Х 1 – термодинамическая величина, характеризующая начальное состояние системы.

Х 2 - термодинамическая величина, характеризующая конечное состояние системы.

∆Х = Х 2 – Х 1 – изменение термодинамической величины.

+∆Х – прибыль(приращение переменной Х).

-∆Х – убыль.

Функциями состояния являются следующие величины: температура - ∆Т, давление - ∆Р, внутренняя энергия - ∆U, энтропия - ∆S, энтальпия - ∆H, энергия Гиббса - ∆G.

№32. Понятие внутренней энергии. Работа и теплота – две формы передачи энергии. Первое начало термодинамики. Изохорные и изобарные процессы.

Внутренняя энергия системы представляет собой сумму энергии теплового движения молекул, атомов и ионов и энергии взаимодействия между ними (притяжение, отталкивание, вращательные и колебательные движения), за исключением кинетической энергии в целом и потенциальной энергии положения. Абсолютное значение внутренней энергии определить невозможно, можно только вычислить изменение внутренней энергии: ∆U = U 2 – U 1 . Изменение внутренней энергии обусловлено работой, которая совершается при взаимодействии системы со средой, и передачей теплоты между средой и системой. Взаимосвязь величин U, Q, W, в термодинамике определяется первым началом термодинамики.

В термодинамике под работой понимают работу расширения: W = p ∙ ∆V; Q = ∆U + p ∙ ∆V.

Теплота в изобарных и изохорных процессах становится функцией состояния и называется тепловым эффектом. Это было установлено Гессом в 1840 году.

Всего существует шесть общепризнанных формулировок I начала термодинамики.

1. В любой изолированной системе запас энергии остается постоянным. (Ломоносов)

2. Разные формы энергии переходят друг в друга в строго эквивалентных количествах. (Джоуль)

3. Вечный двигатель первого рода не возможен, то есть не возможно построить машину, которая давала бы механическую работу, не затрачивая на это энергию.

4.

1. Изохорный процесс – характеризуется постоянством объема системы, V – const.

Q v = ∆U + p ∙ ∆V;

Тепловой эффект изохорного процесса равен изменению внутренней энергии.

2. Изобарный процесс

Q р = ∆U + p∙(V 2 – V 1) ;

Q р = U 2 – U 1 + p V 2 – p V 1 ;

Q р = H 2 – H 1 ;

∆H = ∆U + W.

№33. Тепловой эффект химической реакции. Энтальпия как функция состояния системы. Эндотермические и экзотермические процессы.

Н – энтальпия – функция состояния, которая показывает энергию расширенной системы или теплосодержание системы.

Тепловой эффект изобарного процесса равен изменению энтальпии.

Q р = ∆U + p∙(V 2 – V 1) ;

Q р = (U 2 + pV 2) – (U 1 + pV 1);

Q р = H 2 – H 1 ;

∆H = ∆U + W.

По значению энтальпии судят о характере процесса:

1. Экзотермический – процесс, идущий с выделением энергии, ∆H < 0.

2. Эндотермический - процесс, идущий с поглощением энергии, ∆H > 0.

№34. Первое начало термодинамики для изобарных процессов. Закон Гесса. Термохимические расчеты и их использование для энергетической характеристики химических и биохимических процессов. Стандартные энтальпии образования и сгорания. Следствия из закона Гесса.

Изобарный процесс – характеризуется постоянством давления системы, Р – const.

Q р = ∆U + p∙(V 2 – V 1) ;

Q р = U 2 – U 1 + pV 2 – pV 1 ;

Q р = (U 2 + pV 2) – (U 1 + pV 1);

Q р = H 2 – H 1 ;

∆H = ∆U + W.

Н – энтальпия – функция состояния, которая показывает энергию расширенной системы или теплосодержание системы. Теплота изобарного процесса становится функцией состояния и называется тепловым эффектом. Тепловой эффект изобарного процесса равен изменению энтальпии.

Закон Гесса: Тепловой эффект реакции при постоянном объеме и давлении не зависит от пути процесса, а зависит от начального и конечного состояния системы.

Гесс ввел понятие термохимическое уравнение – уравнение химической реакции, в котором указывается агрегатное состояние реагирующих веществ и тепловой эффект реакции. Например:

Н 2(г) + 1/2О 2(г) = Н 2 О (г) , ∆H = -286кДж/моль.

2Н 2(г) + О 2(г) = 2Н 2 О (г) , ∆H = -572кДж/моль.

Тепловой эффект реакции определяют двумя путями:

Экспериментальный (проводится в калориметрах);

Теоретический, расчетный. Он основан на двух следствиях из закона Гесса, которые связаны с понятием стандартных теплот образований и сгорания.

Стандартная теплота образования – тепловой эффект преобразования из простых веществ 1моля соединения при стандартных условиях - ∆H о 298 обр.

Стандартные условия – Р = 1атм = 760 мм рт ст = 1,013·10 5 Па (Н/м 2) = 101 кПа; Т = 25 о С = 298 о К.

Стандартная теплота сгорания - тепловой эффект сгорания 1моля вещества при стандартных условиях - ∆H о 298 сгор. Чаще используют для органических веществ.

Первое следствие закона Гесса – тепловой эффект химической реакции равен разности между суммой теплот образования продуктов реакции и суммой теплот образования исходных веществ, взятых со своими стехиометрическими коэффициентами.

∆H р = ∑ i n i ∆H о 298 образования продуктов реакции – ∑ i n i ∆H о 298 образования исходных веществ реакции.

Теплоты образования простых веществ равны нулю.

Например для реакции: С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 → 6СО 2 + 6Н 2 О

∆H р = 6∆H о 298 (СО 2) + 6∆H о 298 (Н 2 О) – ∆H о 298 (С 6 Н 12 О 6) - 6∆H о 298 (О 2)

∆H р = 6(-393 кДж/моль) + 6(-296кДж/моль) – (-1260кДж/моль) – 6(0 кДж/моль) =

2874 кДж/моль

Второе следствие закона Гесса – тепловой эффект химической реакции равен разности между суммой теплот сгорания исходных веществ реакции и суммой теплот сгорания продуктов реакции, взятых со своими стехиометрическими коэффициентами.

∆H р = ∑ i n i ∆H о 298 сгорания исходных веществ реакции – ∑ i n i ∆H о 298 сгорания продуктов реакции.

№35. Энергетическая ценность пищевых продуктов, обоснование рационов питания, основные задачи биоэнергетики.

Взаимное превращение различных видов энергии идет и в живых организмах. Изучение законов и механизмов накопления, хранения и использования энергии живыми системами составляет задачу особой науки: биоэнергетики, которая позволяет составить правильное представление об энергетической ценности продуктов питания и организации режима питания. Каждый продукт обладает определенной энергией или калорийностью, поэтому зная калорийность продукта и суточную потребность человека в калориях можно правильно составить рацион питания.

При составлении рациона питания необходимо учитывать не только общий запас энергии, но и потребность в белках, жирах, углеводах и витаминах.

Суточная потребность в калориях:

Для лиц умственного труда (16-60 лет) - 2600-2800 кал;

Для работников механизированного труда - 2800-3000 кал;

Для лиц физического труда - 3400-3700 кал;

Студенты - 3000-3200 кал.

Суточная потребность в белках – 60-80г;

жирах – 60-70г;

углеводах – 200-300г.

Зная, что 1г белка дает 17 кДж (4,2 кал);

жира - 37 кДж (9 кал);

углеводов - 17 кДж (4,9 кал);

составляют рацион по общему запасу калорий и по качественному составу.

Выясним, справедливо ли первое начало термодинамики для открытых систем - живых организмов: Q=ΔU+W.

Если в живом организме t° = 37°С = const, то ΔU = 0, тогда первое начало термодинамики для живых организмов: Q = W.

В организмах совершается не только работа расширения, но и много другие виды работ – химическая (синтез белка), механическая (сокращения мышц), электрическая (проведение возбуждения по клеткам), осмотическая (перенос вещества через мембрану). Первичным источником энергии в организме для производства всех видов работ является химическая энергия пищевых веществ. Однако эта энергия не используется непосредственно для совершения всех видов работ; она трансформируется в энергию АТФ.

Первое начало термодинамики для живых организмов: все виды работ в организме совершаются за счет эквивалентного количества энергии, выделяющейся при окислении питательных веществ.

№36. Второе начало термодинамики, вклад С. Карно и Р. Клаузиуса. Энтропия как функция состояния системы. Критерии самопроизвольно протекающих процессов в изолированных системах. Связь энтропии с вероятностью состояния системы.

Второе начало термодинамики дает ответ на вопрос о направленности протекания реакции. Оно является обобщенным результатом труда многих ученых.

Первооткрывателем второго начала термодинамики считают С. Карно (1840г.). Он исследовал условия превращения теплоты в работу и сделал вывод, что в тепловых машинах количество теплоты, полученное от теплоисточника, не может полностью переходить в работу, часть ее передается холодильнику (рассеивается).

Карно вывел коэффициент полезного действия – КПД – η – отношение полезной работы к начальной:

η = (Q 1 – Q 2) /Q 1 = W / Q 1 .

КПД тепловой машины не зависит от природы рабочего тела, а определяется только интервалом температур.

η = (Т 1 – Т 2) /Т 1 .

Формулировки второго начала термодинамики:

1. Клаузиус (1850): Теплота не может самопроизвольно переходить от более холодного тела к более нагретому телу.

2. Томсон (1851): Вечный двигатель 2 рода, в котором вся теплота, сообщаемая системе, превращается в работу, невозможен.

Вывод: Протекание самопроизвольных процессов в изолированной системе сопровождается рассеиванием тепловой энергии.

Чтобы процесс рассеивания энергии охарактеризовать количественно потребовалась еще одна термодинамическая функция. Ее ввел Роберт Клаузиус в 1865 году – энтропия – это функция состояния, т.е. она не зависит от пути процесса и относится к экстенсивным (суммируемым) величинам. Величина изменения энтропии определяется по уравнению:

∆S = Q / T, Дж/К, где Q – теплота, сообщаемая системе, Т – температура системы после окончания процесса.

Из уравнения следует, что только часть теплоты идет на совершение работы, а другая часть является обесцененной или связанной. Связанная энергия не может быть превращена в работу, так как она рассеивается. Величина обесцененной энергии есть энтропия .

Математическое выражение второго начала термодинамики исходит из того, что процессы в изолированных системах идут самопроизвольно с ростом энтропии, т.е. ∆S > 0; для необратимых процессов ∆S = 0. Таким образом ∆S может быть в изолированных процессах больше или равно нулю.

Самопроизвольность процессов с увеличением энтропии следует из уравнения Больцмана:

S = К · lnω, где К – постоянная Больцмана = 1,8 · 10 -23 Дж/К, ω – термодинамическая вероятность .

Из уравнения видно, что с ростом вероятности растет и энтропия.

Вывод: хотя энтропия и есть мера обесцененной энергии, она же есть движущая сила процессов. Не будь ее в природе, все реакции достигли бы равновесия, а для живого организма это смерть, в производстве не было бы выхода продукта. Физический смысл можно определить так: энтропия – мера беспорядка.

Изменение энтропии в реакции можно рассчитать, используя 1 следствие закона Гесса: изменение энтропии равно разности суммы стандартных энтропий продуктов реакции и суммы стандартных энтропий исходных веществ, взятых с их стехиометрическими коэффициентами.

∆S р = ∑ i n i ∆S о 298 продуктов реакции – ∑ i n i ∆S о 298 исходных веществ реакции.