Загальна характеристика методу нейтралізації

Лабораторна робота № 1

(практична)

Титриметричний аналіз

Мета роботи: розібрати та вивчити програмний матеріал, що стосується титриметричного аналізу, кислотно-основного титрування та комплексометрії; опрацювати практичні навички проведення аналізу.

Теоретична частина

1. Основні відомості про титриметричні методи аналізу

Титриметричний (об’ємний) аналіз ґрунтується на точному вимірюванні об’єму розчину реагенту відомої концентрації, що витрачається на реакцію з досліджуваною речовиною.

Розчини з точно відомою концентрацією називають робочими титрованими розчинами або титрантами. В переважній більшості випадків аналізу цими розчинами титрують. Розчини, які титрують, називають досліджуваними, концентрацію їх визначають на основі отриманих експериментальних даних.

Аналіз виконують таким чином: до розчину аналізованої речовини доливають титрований розчин, поки речовини повністю не прореагують між собою. Момент, коли речовини знаходяться в системі в еквівалентних кількостях, називають точкою еквівалентності (т.е.). В точці еквівалентності кількості еквівалентів робочого розчину та досліджуваного розчину рівні.

Саме на цьому співвідношенні засновані розрахунки в титриметрії:

c _н(1)∙ V (1) = c _н(2)· V (2),

де V (1) та V (2) − об’єми досліджуваного та титрованого розчинів, см³, c _н(1) і c _н(2) − їх молярні концентрації еквівалентів речовин. З цієї формули можна знайти молярну концентрацію еквівалента речовини досліджуваного розчину c _н(2). Виходячи з розрахованої концентрації, обчислюють масу досліджуваної речовини або її вміст в аналізованій пробі.

Основною операцією в титриметричному аналізі є титрування – процес поступового додавання титрованого розчину до досліджуваного до досягнення точки еквівалентності. Для встановлення точки еквівалентності, як правило, користуються індикаторами, що змінюють забарвлення розчину під час реакції.

Титровані розчини. Залежно від способу, яким готують титровані розчини розрізняють стандартні (приготовлені) розчині та стандартизовані (встановлені) розчини.

Стандартні розчини готують розчиненням наважки чистого реагенту, зваженної з точністю до 0,0001 г і розведенням її в дистильованій воді до точного відомого об’єму. Розчини, утворені таким способом, називаються приготовленими. Концентрація їх точно відома.

Хімічні речовини, що використовують для приготування стандартних розчинів називають установочними. Від їх властивостей залежіть правильність результатів аналізу. Вони повинні мати відомий склад, який точно відповідає хімічній формулі; бути стійкими при зберіганні як у сухому вигляді так і в розчині; мати достатньо велику молярну масу, що зменшує помилки при зважуванні наважки. В якості установочних речовин використовують хімічно чисті речовини Na₂CO₃, K₂Cr₂O₇, KBrO₃, H₂C₂O₄·2H₂O, Na₂B₄O₇·10H₂O та деякі інші.

Більшість титрантів, що використовують в об’ємному аналізі не задовольняють зазначеним вимогам. Так, при розчиненні калій перманганату відбувається його взаємодія як окисника з домішками води. При зважуванні змінюється маса лугів NaOH, KOH внаслідок поглинання ними вуглекислого газу з повітря та ін. В таких випадках готують розчин наближеної концентрації, близькою до розрахованої і далі титрують розчином іншої стандартної речовини. Обчислюють точну концентрацію розчину на основі даних титрування. Такі розчини називають установленими (приготовленими).

Для приготування титрантів користуються також стандарт-титрами або фіксаналами. Фіксанал − це заплавлена скляна ампула з кількістю речовини необхідної для приготування певного точного обۥєму точної концентрації, звичайно − 0,1 н. або 0,01 н. розчину. Фіксанали випускають у вигляді розчинів (сульфатна, хлоридна кислоти), так і вигляді сухих речовин (Na₂S₂O₃·5H₂O, Na₂C₂O₄).

Реакції, що використовуються в титриметричному методі, повинні бути швидкими та необоротними, відбуватися кількісно у відповідності до конкретного хімічного рівняння та мати чітку фіксацію точки еквівалентності.

Перевагою титриметричних методів аналізу є швидкість визначення, простота обладнання та висока точність.

Для приблизного вимірювання об’ємів реактивів, що не враховується при обчисленні результатів аналізу, використовуються мірні циліндри та мензурки та пробірки. Для точного вимірювання об’ємів рідин користуються мірними колбами, бюретками та піпетками.

Класифікація титриметричних методів

В титриметричному аналізі використовують чотири типи хімічних реакцій: кислотно-основні, окиснення-відновлення, утворення малорозчинних сполук та комплексоутворення.

Загальна характеристика методу нейтралізації

Кислотно-основне титрування (метод нейтралізації, протолітометрія) ґрунтується на реакції переносу протона:

H₃O⁺ + OH⁻ ® 2H₂O.

Ця реакція відрізняється швидкістю, утворенням продуктів відомої стехіометрії, легкістю встановлення точки еквівалентності, тобто задовольняє всім вимогам, які пред’являються до основної реакції в титриметрії.

В якості робочих розчинів в протолітометрії використовують розчини кислот або лугів. Точну концентрацію таких речовин не можна встановити за наважкою, тому готують розчини приблизної концентрації, які стандартизують за установочними речовинами або за розчинами кислот та лугів з точно відомою концентрацією. Вихідними речовинами для встановлення точної концентрації кислот є натрій тетраборат (Na₂B₄O₇·10H₂O) та натрій карбонат Na₂CO₃. Точну концентрацію лугів визначають за оксалатною H₂C₂O₄·2H₂O, янтарною H₂C₄H₄O₄ або бензойною С₆Н₅СООН кислотами.

Залежно від титрованого розчину метод нейтралізації поділяють на ацидиметрію та алкаліметрію. В ацидиметричному титруванні робочим розчином є розчин кислоти (від лат. acidum – кислота); в алкаліметричному титруванні − луги (від лат. alkali – луги).

Метод протолітометрії використовують для кількісного визначення кислот та лугів, солей що піддаються гідролізу та утворюють кисле або лужне середовище. Він дозволяє визначити не тільки індивідуальні речовини, а також суміши кислоти та солі, солі та основи, суміш солей, які підлягають гідролізу. Кількісне визначення окремих речовин в суміші можливе при встановленні декількох точок еквівалентності.

Визначення кінцевої точки титрування в протолітометрії ґрунтується на різкій зміні рН, що спостерігається поблизу точки еквівалентності. В більшості випадків кінець реакції визначають за зміною забарвлення індикаторів. При титруванні кольорових або каламутних розчинів, де кислотно-основні індикатори непридатні, користуються фізико-хімічними методами.

Значення рН в точці еквівалентності визначається природою титрованого і досліджуваного розчинів. Так, при титруванні розчином сильного лугу сильної кислоти концентрація йонів Гідрогену зменшується внаслідок їх зв’язування гідроксид-іонами, рН розчину кислоти зростає. По досягненні точки еквівалентності утворюється сіль, яка гідролізу не підлягає, тому рН в точці еквівалентності дорівнює 7. Прикладом такого титрування є взаємодія розчинів калій гідроксиду і хлоридної кислоти.

Таке ж значення рН в точці еквівалентності досягають і при титруванні розчином сильної кислоти розчином сильного лугу. рН розчину зменшується при титруванні, оскільки в реакцію з гідроксид-іонами вступають іони гідрогену. Кінець титрування визначається при рН = 7.

Індикатори в кислотно-основному титруванні

Для візуального визначення точки еквівалентності в кислотно-основному титруванні в аналізований розчин додають спеціальні речовини – індикатори, забарвлення яких змінюється залежно від рН середовища.

У відповідності до теорії Оствальда (іонна теорія) індикатори представляють собою слабкі органічні кислоти або основи, які здатні існувати в розчинах в молекулярній або іонній формі, що мають різне забарвлення.

Найбільш широкого використання в протолітометрії дістали індикатори метилоранж та фенолфталеїн.

Для кожного індикатора існує своя область рН, де відбувається зміна його кольору. Наприклад, метилоранж змінює своє забарвлення від жовтого до рожевого в межах рН 4,4 – 3,1, фенолфталеїн − в межах рН 8 − 10, тобто при рН < 8 фенолфталеїн залишається безбарвним, при рН > 10 – малиновим.

Інтервал рН, в якому спостерігається зміна забарвлення індикатора, називають інтервалом переходу індикатору. Для більшості індикаторів він знаходиться в межах двох одиниць рН. Значення рН, при якому спостерігається різка зміна забарвлення індикатора називається показником титрування. На письмі показник титрування позначають рТ.

Обираючи індикатор в кислотно-основному титруванні, дотримуються того, щоб його переходу наближався до рН в точці еквівалентності.

Таблиця 1. Кислотно – основні індикатори та їх характеристики

Індикатор	рТ	Інтервал переходу	р K	Забарвлення
рН<7	pH>7
Метиловий оранжевий		3,1−4,4	3,36	рожеве	жовте
Метиловий червоний	5,5	4,4−6,2	5,00	червоне	жовте
Лакмус	7,0	5,0-8,0	−	червоне	синє
Бромтимоловий синій	6,8	6,0-7,6	7,3	жовте	синє
Фенолфталеїн	9,0	8,2-9,8	9,53	безколірне	червоне
Тимолфталеїн	9,4	9,3-10,5	9,6	безколірне	синє