СУЩНОСТЬ ТИТРИМЕТРИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

В титриметрическом анализе количественное определение вещества производится, исходя из объема раствора известной концентрации, затраченного на реакцию с определенным веществом.

Процесс определения содержания вещества или точной концентрации раствора объемно-аналитическим путем называется титрованием. Эта важнейшая операция титриметрического анализа заключается в том, что к исследуемому раствору медленно приливают другой раствор точно известной концентрации в количестве, эквивалентном количеству определяемого соединения.

Объемы растворов, количественно реагирующих между собой, обратно пропорциональны нормальным концентрациям этих растворов:

V₁ = N₂ или V₁ x N₁ = N₂ x V₂ V₁ x N₁ = V₂ x N₂

Где V – объем реагирующего раствора, л; N – концентрация, н.

Это положение лежит в основе титриметрического анализа. Для того чтобы определить концентрацию одного из растворов, надо знать точно объемы реагирующих растворов, точную концентрацию другого раствора и момент, когда два вещества прореагируют в эквивалентных количествах. Условиями титриметрического определения являются:

а) точное измерение объемов реагирующих веществ;

б) приготовление растворов точно известной концентрации, с помощью которых проводится титрование, так называемых рабочих растворов (титранов) (часто такие растворы известной концентрации называют стандартными (титрованными);

в) определение конца реакции.

Титриметрическое определение занимает гораздо меньшее время, чем гравиметрическое. Вместо многих длительных операций гравиметрического анализа (осаждение, фильтрование, взвешивание и т.д.) при титриметрическом определении проводят всего одну операцию – титрование.

Точность титриметрических определений несколько меньше точности гравиметрического анализа, однако разница невелика, поэтому там, где возможно, стараются вести определение более быстрым методом.

Для того чтобы та или иная реакция могла служить основой для титрования, она должна удовлетворять ряду требований.

1. Реакция должна проходить количественно по определенному уравнению без побочных реакций. Необходимо быть уверенным. Что прибавляемый реактив расходуется исключительно на реакцию с определяемым веществом.

2. Окончание реакции следует точно фиксировать, чтобы количество реактива было

эквивалентно количеству определяемого вещества. На эквивалентности реагирующих веществ основано вычисление результатов анализа.

3. Реакция должна протекать с достаточной скоростью и быть практически необратимой. Точно фиксировать точку эквивалентности при медленно идущих реакциях почти невозможно.

СПОСОБЫ ТИТРОВАНИЯ

По способу выполнения титрования различают прямое, обратное или косвенное титрование (метод замещения).

При прямом титровании к раствору определяемого вещества непосредственно добавляют титрант. Для проведения анализа по этому методу достаточно одного рабочего раствора. Например, для определения кислоты необходим рабочий раствор щелочи, для определения окислителя – раствор восстановителя.

При обратном титровании к раствору анализируемого вещества приливают известный объем рабочего раствора, взятого в избытке. После этого титруют остаток первого рабочего раствора другим рабочим раствором и рассчитывают количество реагента, которое вступило в реакцию с анализируемым веществом. Например, для определения хлорид-ионов к анализируемому раствору хлорида добавляют известный объем раствора AqNO₃, взятого в избытке. Происходит реакция

Aq⁺ +Cl = AqCl↓.

Избыток раствора AqNO₃ определяют с помощью другого рабочего раствора – тиоцианата аммония NH₄SCN:

Aq⁺ + SCN^- = AqSCN↓.

При косвенном титровании к анализируемому раствору приливается в избытке реагент, который реагирует с определяемым веществом. Затем один из продуктов реакции определяется титрованием. Например, для определения циановодородной кислоты добавляют раствор АqNO₃ в избытке. Происходит реакция

HCN + AqNO₃ = AqCN↓ + HNO₃

Затем азотная кислота легко определяется с помощью рабочего раствора щелочи NaOH:

HNO₃ + NaOH = NaNO₃ + H₂O

В этом случае слабая циановодородная кислота замещается в эквивалентных количествах сильной.

3. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ТИТРИМЕТРИЧЕСКОГО

АНАЛИЗА

В титриметрическом анализе используют реакции различного типа (кислотно-основного взаимодействия, комплексообразования и т.д,), удовлетворяющие тем требованиям, которые предъявляются к титриметрическим реакциям. Отдельные титриметрические методы получили название по типу основной реакции, протекающей при титровании или по названию титранта (например, в аргентометрических методах титрантом является раствор AqNO₃, в перманганатометрических – раствор KMnO₄ и т.д).По способу фиксирования точки эквивалентности выделяют методы титрования с цветными индикаторами, методы потенциометрического титрования, кондуктометрического, фотометрического и т.д. При классификации по типу основной реакции, протекающей при титровании, обычно выделяют следующие методы титриметрического анализа:

1 .методы кислотно-основного титрования, основанные на реакциях, связанных с процессом передачи протона:

H⁺ + OH^- = H₂O, CH₃COOH +OH^- = CH₃COO^- + H₂O,

CO₃^2- + H⁺ = HCO^-₃;

2. методы комплексообразования, использующие реакции образования координационных соединений (например, комплексонометрия):

Mg²⁺ + H₂V^2- = MgV^2_ + 2H⁺

CH₂ – COONa

ГдеV² = CH₂ – N^/

׀ / CH₂ – COO-

CH₂ – COO-

CH₂ – N

CH₂ - COONa

3. Методы осаждения, основанные на реакциях образования малорастворимых

соединений:

Aq⁺ + Cl^- + AqCl↓ (аргентометрия),

Hg₂²⁺ +2Cl^- = Hg₂Cl₂↓(меркурометрия);

4.методы окислительно-восстановительного титрования. основанные

на окислительно-восстановительных реакциях (оксидиметрия):

MnO₄^- + 5Fe²⁺ + 8H⁺ = Mn²⁺ + 5Fe³⁺ + 4H₂O (перманганатометрия);

2S₂O₃^2- + l₂ = S₄O₆^2- + 2l^-(йодометрия);

5NO^-₂ + 2MnO₄^- + 6H⁺ + 5NO^-₃ + 2Mn²⁺ +3H₂O (нитритометрия);

3SbCl₄^- + Br^-₃ + 6H⁺ + 6Cl^- = 3SbCl₆^- + Br^_ + 3H₂O (броматометрия).

В титриметрии используются самые разнообразные реакции. В зависимости от того, какая реакция лежит в основе титрования, различают следующие методы титриметрического анализа.

Кислотно-основные методы, в основе которых лежит реакция нейтрализации:

Н⁺ + ОН^- → Н₂О

Этим методом определяют количество кислот, оснований , а также некоторых солей.

Методы окисления – восстановления(оксидиметрия). Эти методы основаны на реакциях окисления-восстановления. При помощи раствора окислителя определяют количество вещества, являющегося восстановителем и, наоборот.

Методы осаждения и комплексообразования основаны на осаждении ионов в виде труднорастворимых соединений и на связывании ионов в малодиссоциированный комплекс.

Различают следующие способы титрования:

прямое, когда при титровании происходит реакция между определяемым веществом и титрантом;

обратное, когда к определяемому раствору добавляют заведомо избыточный, но точно отмеренный объем раствора известной концентрации и избыток реактива оттитровывают титрантом;

титрование заместителя, когда титрантом титруют продукт реакции определяемого вещества с каким-либо реактивом.

ТИТРАНТЫ

Титрантом называется раствор, с помощью которого производится титриметрическое определение, т.е. раствор, которым титруют. Чтобы проводить определение с помощью титранта, надо знать его точную концентрацию. Существуют два метода приготовления титрованных растворов, т.е. растворов точно известной концентрации.

1. Точная навеска, взятая на аналитических весах, растворяется в мерной колбе, т.е. готовится раствор, в котором известно количество растворенного вещества и объем раствора. В этом случае растворы называются растворами с приготовленным титром.

2. Раствор готовится приблизительно нужной концентрации, а точную концентрацию определяют титрованием, имея другой раствор с приготовленным титром. Титрованные растворы, точную концентрацию которых находят в результате титрования, называются растворами с установленным титром.

Титранты, как правило, готовят приблизительно нужной концентрации, а их точную концентрацию устанавливают. Необходимо помнить, что титр растворов с течением времени меняется и его надо проверять через определенные промежутки времени (от 1 до 3 нед. в зависимости от вещества, из которого приготовлен раствор). Поэтому, если титрант готовят по точно взятой навеске, то его титр соответствует приготовленному лишь ограниченное время.

Одним из правил титриметрического анализа является следующее:титры титрантов нужно устанавливать в таких же условиях, в каких будет выполняться анализ.

Для определения точной концентрации титранта (“установки титра”. или стандартизации) пользуются так называемым исходным или установочным веществом.

От свойств установочного вещества зависит точность определения титра титранта, а, следовательно, и точность всех последующих анализов. Установочное вещество должно удовлетворять следующим требованиям.

- Соответствие состава вещества его химической формуле.

- Химическая чистота – суммарное количество примесей не должно превышать0,1% - Устойчивость на воздухе, т.е. углекислого газа.

- Устойчивость в растворе (не окисляться и не разлагаться).

Возможно, большая эквивалентная масса – это уменьшает относительную ошибку при определении.

- Хорошая растворимость в воде.

- Способность реагировать с раствором, титр которого устанавливается по строго определенному уравнению и с большой скорость.

Для установки титра титранта из установочного вещества готовят точный раствор по точно взятой навеске.Раствор готовится в мерной колбе. Мерная колба должна быть вымыта хромовой смесью до «полной стекаемости», ополоснута много раз водой под краном и затем 3 – 4 раза дистиллированной водой. Воронка должна быть чистой, сухой и свободно входить в горло колбы.

Навеску установочного вещества отвешивают на аналитических весах в бюксе. Можно отвесить точно рассчитанное количество, а можно взять количество, близкое к рассчитанному, но точно взвешенное. В первом случае раствор будет точно заданной концентрации, а во втором – точная концентрация рассчитывается.

Взятую навеску аккуратно переносят через воронку в мерную колбу. Остатки из бюкса тщательно смывают в воронку дистиллированной водой из промывалки. Затем обмывают внутренние стенки воронки и, слегка приподняв ее, - наружную часть трубки. Необходимо следить, чтобы общее количество воды, использованное для обмывания бюкса и воронки, занимало не более половины колбы. Осторожным вращательным движением перемешивают содержимое колбы, пока навеска полностью не растворится. Затем дистиллированной водой из промывалки доводят содержимое колбы до метки. Для этого наливают воду примерно на 1 см ниже метки. Ставят колбу так, чтобы метка была на уровне глаз и осторожно, по каплям, добавляют воду до тех пор, пока нижняя часть мениска не будет касаться метки на шейке колбы (рис.1). Тщательно закрывают колбу пробкой и, переворачивая колбу, перемешивают раствор 12-15 раз. Растворы для установки титра должны быть свежеприготовленными.

Для получения титрованных растворов часто пользуются фиксаналами, представляющими собой запаянные стеклянные ампулы, с точными навесками реактивов. На каждой ампуле имеется надпись, показывающая, какое вещество и в каком количестве находится в ампуле.

В мерную колбу вставляют воронку, также тщательно вымытую и ополоснутую дистиллированной водой. Если в ампуле содержится не раствор, а сухое вещество, то воронка должна быть сухой. Затем в воронку вставляют специальный стеклянный боек (обычно прилагается к коробке с фиксаналами), также сполоснутый дистиллированной водой. Ампулу протирают этиловым спиртом, чтобы удалить надпись и обмывают дистиллированной водой. Затем ее вставляют в воронку так, чтобы она своим тонким изогнутым внутрь дном касалась бойка, приподнимают ее и слегка ударяют о конец бойка. При этом содержимое ампулы попадает через воронку в колбу (рис.2). Сбоку или сверху в ампуле имеется углубление, в котором пробивают отверстие стеклянной палочкой с заостренным концом. Через это отверстие промывают дистиллированной водой из промывалки внутренние стенки ампулы. Промывать нужно много раз маленькими порциями. После этого ополаскивают наружные стенки ампулы и ампулу выбрасывают. Ополаскивают воронку и боек, затем поднимают воронку и обмывают наружную

Часть трубки воронки. Обмывают верхнюю часть шейки мерной колбы. Производя все эти операции по промыванию, следят, чтобы количество воды в мерной колбе к концу всех операций не превышало 2∕3объема колбы. Осторожно вращательным движением перемешивают содержимое колбы. Если фиксанал содержал сухое вещество, перемешивают его до полного растворения. Затем дистиллированной водой доводят содержимое колбы до метки. Тщательно закрывают колбу и перемешивают раствор 12-15 раз.

Для установки титра титранта пипеткой отбирают отдельные порции раствора и титруют их. Можно также брать отдельные навески исходного вещества и, растворив каждую из них в произвольном количестве воды, титровать весь полученный раствор. Этот способ дает более точные результаты, чем первый, однако является слишком трудоемким. Поэтому в лаборатории практически при выполнении анализов пользуются первым способом.

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЧКИ ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ И КОНЦА

РЕАКЦИИ

При титровании употребляют не избыток реактива, а количество, эквивалентное количеству определяемого вещества. Необходимым условием при определении содержания вещества титриметрически является точное установление того момента, когда заканчивается реакция между титруемым веществом и титрантом, то есть фиксирование точки эквивалентности. Чем точнее определен конец реакции, тем точнее будет результат анализа.

Для определения конца реакции применяют особые реактивы, так называемые индикаторы. Действие индикаторов обычно сводится к тому, что они по окончании реакции между титруемым веществом и титрантом в присутствии небольшого избытка последнего претерпевают изменения и меняют окраску раствора или осадка. Когда из бюретки прибавлено столько титранта, что наблюдается заметное изменение окраски титруемого раствора, говорят что достигнута точка конца титрования.

В большинстве случаев индикаторы прибавляют к раствору исследуемого вещества и титрование происходит в присутствии индикатора. Это так называемые внутренние индикаторы. В некоторых случаях поступают иначе: по мере титрования от титруемого раствора отбирают капилляром по капле раствора, к которому по фарфоровой пластинке прибавляют каплю индикатора. Таким образом, реакция с индикатором происходит вне титруемого раствора. Применяемые в этом случае индикаторы называются внешними.

Для каждого титриметрического метода имеются отдельные индикаторы. При кислотно-основном титровании индикаторы меняют свою окраску при изменении рН раствора. В методах осаждения точку эквивалентности находят по прекращению образования осадка. Индикаторы, применяемые в этих методах, образуют ярко-окрашенный осадок или раствор с избытком титранта. Иногда, если титруют ярко-окрашенным раствором, например раствором KМnO_4, окончание титрования можно заметить без индикатора, так как первая капля титранта, которая не прореагирует с определенным веществом, изменяет окраску титруемого раствора.