Вопрос №31. Окислительно-восстановительное титрование. Пермангонатометрия. Йодометрия. Титранты и индикаторы.
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.
В основе перманганатометрии лежит реакция окисления различных восстановителей рабочим раствором перманганата калия, т.е. ионом MnO4-. Окисление перманганатом калия можно проводить в кислой, нейтральной и в щелочной среде.
· В сильнокислой среде перманганат-ионы (МnО4-) обладают высоким окислительно-восстановительным потенциалом, восстанавливаясь до Мn2+, и их применяют для определения многих восстановителей:
МnО4- + 8Н+ + 5е = Мn2+ + 4Н2О
· В щелочной среде МnО4- восстанавливается до манганат иона:
МnО4- + е = МnО42-
· В нейтральной или слабощелочной среде перманганат ион восстанавливается до марганцовистой кислоты MnO(OH)2 или до MnO2:
МnО4- + 2Н2О + 3е = МnО2 + 4ОН-
Раствор КМnО4 относится к титрантам с установленным титром. В связи с этим перед использованием его в анализе в качестве титранта раствор КМnО4.
Лабораторная работа по определению нормальности и титра раствора перманганата калия по приготовленному титрованному раствору оксалата калия.
В колбу для титрования отмерили пипеткой раствор оксалата натрия известной концентрации, туда же добавили серную кислоту, нагрели до сильного парообразования и титровали раствором перманганата калия при постоянном помешивании до эквивалентной точки, которая определяется по появлению стойкой бледно-розовой окраски.
Затем составили таблицу результатов титрования, записали уравнение взаимодействия оксалата натрия и перманганата калия в кислой среде. Вычислили эквивалентные массы, рассчитали нормальность и титр.
5Na2C2O4 + 2KMnO4 + 8H2SO4 à K2SO4 + 5Na2SO4 + 2MnSO4+ 10CO2 + 8H2O
C23+ -2e à 2C4+ │5│вос-ль
Mn7+ +5e à Mn2+ │2│ок-ль
Иодометрия - метод, в котором рабочим титрованным раствором служит раствор свободного иода в КI. Метод позволяет определять как окислители, так и восстановители. В качестве титранта при определении окислителей применяется раствор тиосульфата натрия, который взаимодействует с выделившимся йодом (заместитель) в эквивалентном количестве.
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.
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.
Лабораторная работа по определению нормальности и титра раствора тиосульфата натрия по приготовленному титрованному раствору дихромата калия.
В колбу для титрования отмерили пипеткой раствор дихромата калия известной концентрации, добавили 3% раствор йодида калия и раствор серной кислоты. Раствор перемешали, колбу накрыли стеклом и оставили на 5 минут. Бюретку заполнили раствором тиосульфата натрия неизвестной концентрации. Выделившийся йод протитровали раствором тиосульфата натрия до светло-желтого цвета, прибавили 1% раствор крахмала и продолжили титровать до появления бледно-голубой окраски, которая должна исчезнуть от одной капли титранта. В эквивалентной точке раствор имеет зеленоватый оттенок за счет присутствия солей хрома Cr3+
Затем составили таблицу результатов титрования, записали уравнение взаимодействия йодида калия с дихроматом калия в кислой среде и тиосульфата натрия с йодом. Рассчитали нормальность и титр.
K2Cr2O7 + 6 KI + 7H2SO4à 3I2 + Cr2(SO4)3 + 4K2SO4 + 7H2O
Cr2O7 2- +15H+ +6e à 2Cr2+ + 7H2O │3
2I- - 2e à I02 │1
I2 + 2Na2S2O3 à 2NaI + Na2S4O6
I20 + 2eà 2I- │1
2 S2O32- - 2e à S4O62- │1
Вопрос 32. Потенциометрия.
Потенциометрия – один из электрохимических методов анализа. Гальванические элементы, используемые в потенциометрии, составляют из измерительного электрода и электрода сравнения. Измерительный электрод отражает свойства раствора (активность ионов, концентрации веществ). По механизму возникновения различают ионно-металлические, редокс-электроды, мембранные.
Ионно-металлический электрод – металл, опущенный в раствор соли металла, функционирует как электрод I рода, если его потенциал зависит от активности катиона в растворе. Полуреакция: Mz++ze-=M
В газовых электродах потенциал-определяющий материал не является проводником, поэтому используют инертные металлы, насыщенные соответствующим газом. Электроды II рода представляют собой малоактивный металл, покрытый слоем собственного труднорастворимого электролита, опущенный в раствор хорошо растворимого электролита с одноименными анионами. Полуреакции Mz++ze-=M дополнительно идет реакция: MA= Mz++Az-. Суммарная реакция: MA++ze-=M+ Az-.
Электроды II рода – электроды, обратимые по отношения к катионам и анионам.
Мембранные электроды подразделяют на электроды с твердой мембраной, стеклянные электроды, электроды с жидкой мембраной. Потенциал мембранного электрода зависит от активности ограниченного числа ионов. Электроды, зависящие только от одного рода ионов – ионоселективные.
В стеклянной мембране переносчик электричества – ионы. В настоящее время использую H+ -селективные электроды.
Водородный электрод при давлении водорода рН2 равном 1 атм (1,01 х 105 Па), термодинамич. активности ионов водорода в р-ре аН+, равной 1, наз. стандартным водородным электродом, а его потенциал условно принимают равным нулю. Потенциалы других электродов, отнесенные к стандартному водородному электроду, составляют шкалу стандартных электродных потенциалов .Для водородного электрода сравнения Нернста уравнение записывается в виде:
где Т - абс. т-ра; F - постоянная Фарадея; R - газовая постоянная. При рН2 = 1 атм электродный потенциал
Используется в широком диапазоне рН - от значений, соответствующим конц. к-там, до значений, соответствующим конц. щелочам. Однако в нейтральных р-рах водородный электрод сравнения может нормально функционировать лишь при условии, что р-р обладает достаточно хорошими буферными св-вами. Это связано с тем, что при установлении равновесного потенциала на платинированной платине, а также при пропускании тока через водородный электрод сравнения появляется (или исчезает) нек-рое кол-во ионов Н+, т. е. изменяется рН р-ра, что особенно заметно в нейтральных средах. Водородный электрод применяют в широком интервале т-р, отвечающем существованию водных р-ров. Следует, однако, учитывать, что при повышении т-ры парциальное давление водорода падает вследствие роста давления паров р-рителя и обусловленное этим изменение потенциала электрода сравнения соответствует ур-нию
, где р - барометрич. давление (в кПа), a ps - суммарное давление насыщ. паров над р-ром (кПа). Возможность использования водородного электрода в орг. средах требует спец. проверки, т. к. Pt может катализировать процессы с участием орг. соед., вследствие чего нарушается равновесие электродной р-ции и электрод приобретает стационарный потенциал, отличный от равновесного.
Каломельный электрод сравнения изготавливают, используя ртуть и р-ры каломели в хлориде калия. Электродная р-ция на этом электроде отвечает ур-нию: 2Hg + 2Сl- Hg2Cl2, а соответствующее ур-ние Нернста имеет вид:
где E0 - стандартный потенциал. В зависимости от концентрации КС1 различают насыщенный, нормальный и децинормальный каломельные электроды сравнения. Эти электроды сравнения хорошо воспроизводимы, устойчивы и пригодны для работы при т-рах до 80 °С. При более высоких т-рах начинается разложение хлорида ртути. Часто каломельный электрод сравнения подсоединяют через солевой мостик, состоящий из концентриров. р-ра КС1 для снижения диффузионного потенциала. Потенциал Е каломельного электрода сравнения зависит от т-ры, причем температурный коэф. минимален для децинормального электрода, для к-рого Е =0,3365 - 6 х 10-5(t-25), где t - т-ра (°С).
Галогеносеребряные электроды сравнения представляют собой серебряную проволоку, покрытую галогенидом серебра, к-рый наносится путем термич. или электрохим. разложения соли серебра. Электродная р-ция отвечает ур-нию: Ag + Hal- AgHal + е (Hal - галоген), а ур-ние Нернста имеет вид: .
Удобны при работе с электрохим. ячейками без жидкостного мостика, применимы как в водных, так и во мн. неводных средах, устойчивы при повышенных т-рах. В области т-р 0-95 °С потенциал хлорсеребряного электрода сравнения описывается ур-нием: E=0,23655-- 4,8564 x 10-4t - 3,4205 x 10-6t2 + 5,869 x 10-9t3.
Оксидно-ртутный электрод сравнения приготавливают из ртути и насыщенных р-ров оксида ртути в водном р-ре щелочи. Электродная р-ция: Hg2O + 2e + H2O 2Hg + 2OH ;
ур-ние Нернста:
Удобен при работе в щелочных р-рах, т. к. при этом легко реализовать цепи без жидкостного соединения.
Потенциометрический метод титрования основан на измерении потенциала электрода, погруженного в раствор. Величина этого потенциала пропорциональна концентрации соответствующих ионов в растворе. Электрод, по потенциалу которого судят о концентрации определяемых ионов в растворе, называют индикаторным электродом. Потенциал индикаторного электрода определяют, сравнивая его с постоянной величиной потенциала электрода сравнения. Обычно в качестве электрода сравнения применяют нормальный водородный электрод или каломельный электрод.
Рис. 17. Кривые потенциометрического титрования.
а - кривая нейтрализации хлористоводородной кислоты едким натром (10-1 и 10-3 н. растворы); б - кривая нейтрализации уксусной кислоты едким натром; в - кривая нейтрализации аммиака хлористоводородной кислотой.
Зависимость величины потенциала индикаторного электрода от концентрации раствора позволяет установить точку эквивалентности при титровании, так как в этой точке концентрация определяемого иона становится ничтожно малой, что в свою очередь приводит к резкому изменению (скачку) потенциала (рис. 17).
Титрование, при котором точка эквивалентности определяется по скачку потенциала электрода, погруженного в раствор, называют потенциометрическим титрованием, Потенциометричеокое титрование может успешно использоваться для титрования окрашенных и мутных растворов, слабых кислот и оснований, смесей кислот или оснований, смесей окислителей или восстановителей в неводных средах, для определения рН исследуемых растворов и т. д. Таким образом, метод потенциометрического титрования имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с индикаторным методом.