Тема 3.2. Титриметрические методы анализа

Сущность титриметрического анализа. Эквивалент. Молярная масса. Требования к реакциям титриметрического анализа. Способы выражения концентрации веществ в растворе: молярная концентрация эквивалента, титр, титр по определяемому веществу, массовая доля. Поправочный коэффициент. Титр стандартного раствора. Классификация методов титриметрии и их сущность. Расчет процентного и массового содержания веществ в титриметрическом анализе. Аппаратурное оформление титриметрического анализа.

Вычисление концентраций стандартных растворов в титриметрическом анализе

Теоретические основы метода кислотно-основного титрирования. Кислотно-основные индикаторы. Выбор индикаторов при титрировании. Кривые титрирования.

Стандартные растворы кислот и щелочей и их приготовление. Установочные вещества метода кислотно-основного титрирования. Титранты метода.
Лабораторная работа № 3

Определение содержания технической соды.

Сущность комплексонометрического титрирования. Комплексоны. Комплексы металлов с ЭДТА. Индикаторы. Металлоиндикаторы. Рабочие растворы. Комплексонометрическое титрирование.

Практическое применение метода комплексонометрии в химической промышленности.
Лабораторная работа № 4

Определение общей жесткости воды

Сущность методов окислительно-восстановительного титрования.

Йодометрия. Сущность метода. Рабочие растворы и установочные вещества. Определение восстановителей методом прямого титрования. Определение окислителей обратным титрованием.

Применение метода йодометрии в химической промышленности.

Определение йодного числа нефтепродуктов методом йодометрического титрования.

Момент, в который при титровании добавлено строго эквивалентное количество вещества, отвечающее стехиометрическому уравнению взаимодействия, называется точкой эквивалентности (стехиометричности).

Расчеты в титриметрическом анализе основаны на законе эквивалентов.

Для выполнения расчетов необходимо усвоить основное положение титриметрического анализа и способы выражения концентрации рабочего раствора.

Основное положение титриметрического анализа: объемы двух растворов, нацело реагирующих между собой, обратно пропорциональны нормальностям этих растворов:

V₁/V₂ = N₂/ N₁,

V₂ и N₂ – то же, другого раствора.

При изучении тем «Окислительно-восстановительное титрование», «Комплексонометрическое титрование», «Кислотно-основное титрование» необходимо усвоить сущность методов данного вида титрования, запомнить рабочие растворы и установочные вещества, индикаторы метода и изучить практическое применение метода.

m(Na₂B₄О₇·10H₂O) = 0,1·200,0·190,67/1000 = 3,81 г.

В случае приготовления раствора разбавлением
nf_экв(Х)_{исх.раст} = nf_экв (Х)Х_{приг.раст}
Сf_экв (Х)Х_исх V_исх = Сf_экв (Х)Х_приг V_MK = Сf_экв (Т)ТV_MK
Таким образом, для приготовления раствора в объеме V_MK мер­ной колбы необходимо взять следующий объем, мл, исходного раствора, концентрацию которого хотят определить:

V_исх =

Na

Н

а) растворением навески Na₂B₄О₇·10Н₂О массой 4,8950 г в мерной колбе емкостью 250,0 мл:

С (Na₂B₄О₇·10Н₂О) = ==0,05134 М,

С(1/2Na₂B₄О₇·10Н₂О) = ==0,1027 М,

Т (Na₂B₄О₇·10Н₂О) = == 0,01958 г/мл,

T(Na₂B₄О₇·10H₂O/HCl) = =

= = 0,003744 г/мл;
б) разбавлением 50 мл 0,55М раствора Na₂B₄О₇·10H₂O в мерной колбе емкостью 250,0 мл:

С (Na₂B₄О₇·10Н₂О) = = = 0,1100 М,

Подставляя значение масс и объемов, получаем значения концентра­ций, по которым вычисляем молярную концентрацию раствора кислоты:

Находим среднее значение объема затраченного раствора кислоты и рассчитываем по нему ее молярную концентрацию:

1. Дайте определение терминов «титрование», «титрант», «титруемое вещество», «индикатор», «точка эквивалентности», «конечная точка».

2. Объясните, в чем заключается сущность титриметрического метода анализа с визуальным фиксированием конечной точки титрования.

3. Изложите требования, которые должны удовлетворять реакциям, лежащим в основе титриметрического определения. Дайте объяснения необходимости выполнения каждого требования к реакциям титрования.

4. Объясните, что такое титрант, и каким требованиям он должен удовлетворять.

5. Изложите способы, которыми можно приготовить стандартные растворы и сущность каждого из них.

6. Дайте определение понятия «индикатор» и укажите основные характеристики индикаторов.

7. Объясните, что такое интервал перехода и показатель титрования индикатора, и укажите, какова связь между этими характеристиками.

8. Объясните в чем заключается сущность метода кислотно-основного титрования.

9. Назовите кислотно-основные индикаторы.

10. Опишите ход приготовления стандартных растворов кислот и щелочей.

11. Перечислите установочные вещества метода кислотно-основного титрования.

12. Изложите сущность метода комплексонометрии.

13. Назовите способы обнаружения конечной точки титрования в методе комплексонометрического титрования.

14. Перечислите требования, которым должны соответствовать металлохромные индикаторы.

15. Назовите важнейшие комплексоны, применяемые в комплексонометрическом титровании.

16. Укажите характерные особенности комплексов ЭДТА с металлами.

17. Изложите сущность методов окислительно-восстановительного титрования.

18. Изложите сущность определения восстановителей и окислителей методом иодометрии.

19. Определите случаи использования методов прямого и косвенного титрования.

20. Охарактеризуйте стандартные растворы, установочные вещества и индикаторы метода иодометрии.

Раздел 4. Физико-химические методы анализа

Тема 4.1. Фотометрические методы анализа

Колориметрия. Теоретические основы метода. Основной закон светопоглощения Бугера-Ламберта-Бера и область его применения. Оптическая плотность. Молярный коэффициент светопоглощения. Фотоэлектроколориметрия. Спектрофотометрия. ИК-спектроскопия. Точность и область применения колориметрических определений.

Фотометрическое определение ионов железа (III) в растворе

Физико-химические методы анализа можно разделить на электрохимические, спектроскопические, хроматографические.

Потенциометрия относится к электрохимическим методам анализа, а фотометрия и рефрактометрия – к спектроскопическим.

Совокупность спектральных методов качественного и коли­чественного анализа, основанных на изучении спектров погло­щения электромагнитного излучения исследуемым веществом, называется спектроскопией поглощения или абсорбционной спек­троскопией. Абсорбционные методы или спектроскопия поглоще­ния основаны на измерении интенсивности поглощенного ана­лизируемым веществом излучения вследствие неупругого взаимо­действия электромагнитного излучения с анализируемым ве­ществом.

Молекулярный абсорбционный спектральный анализ, основан­ный на поглощении электромагнитного излучения в видимой, ин­фракрасной (ИК) и ультрафиолетовой (УФ) областях спектра определяемым компонентом или его соединениями с подходя­щим реагентом называют фотометрическим анализом.

Фотометрический анализ включает визуальную фотометрию или колориметрический анализ, спектрофотометрию и фотоколори­метрию. Фотоколориметрический анализ отличается от спектро­фотометрического тем, что поглощение света измеряют, главным образом, в видимой области спектра, реже - в ближних УФ и

ИК-областях, т. е. в интервале длин волн от 320 нм до 980 нм. Для выделения нужного участка спектра, обычно шириной 10-100 нм, в фотоколориметрическом методе используют узкополосные светофильтры, тогда как в спектрофотометрии используются монохроматоры, что повышает чувствительность метода.

Поэтому сначала необходимо усвоить основной закон светопоглощающения Бугера-Ламберта-Бера и область его применения, а затем рассмотреть теоретические основы метода фотоэлектроколориметрии и спектрофогометрии, и ознакомиться с методами ИК-спектроскопии.

Методы ИК-спектроскопии весьма эффективны для качествен­ного анализа смесей частично известного или полностью неизвес­тного состава. Например, если известен основной компонент и нуж­но определить примеси, то можно использовать двухлучевой ИК­-спектрометр, поместив в канал сравнения кювету с изменяемой толщиной и известным компонентом. Регулируя толщину слоя, можно скомпенсировать поглощение этого компонента в образце.

При наличии в смеси нескольких известных или предполагае­мых компонентов можно использовать разностный метод, вычи­тая из спектра смеси спектры известных компонентов.

Одно из важнейших применений метода - анализ примесей вред­ных газов в атмосфере. Поскольку О₂ и N₂ - основные газы атмо­сферы - не дают ИК -спектров, этот метод может быть эффектив­но использован для дистанционного анализа загрязнений воздуха такими газами, как SO₂, СО или парами ядовитых веществ, на­пример, СН₃-ОН, СН₃-(С=О)-СН₃, СН₃-(С=О)-СН₂-СН₃, СНСl₃ и другие, имеющими характеристические частоты в ИК­-спектре. Эти примеси можно определить с высокой степенью точ­ности даже при относительно малых концентрациях. Поскольку величины молярных коэффициентов поглощения ИК-излучения сравнительно невелики (ε ≤ 10³), пределы обнаружения составля­ют 10-10^-1 масс. % при стандартном отклонении S_r ≈ 0,05 . . . 0,20. Это определяет невысокую точность количественного определе­ния соединений методом ИК-спектроскопии. Поэтому преимуще­ственно в аналитической химии метод ИК-сnектроскоnии применя­ют с целью идентификации соединений.

1. Сформулируйте закон Бугера-Ламберта-Бера.

2. Объясните, какие причины вызывают кажущиеся отклонения от закона Бугера-Ламберта-Бера.

3. Изложите теоретические основы метода фотоэлектроколориметрии и спектрофотометрии.

4. Охарактеризуйте методы ИК-спектроскопии.

Тема 4.2. Рефрактометрия

Теоретические основы рефрактометрического метода анализа. Показатель преломления и его зависимость от температуры, длины волны падающего света, плотности среды. Сущность метода и область применения.

Основы рефрактометрических определений. Угол преломления.

Рефрактомеры.

Определение количественного состава смеси двух жидкостей (спирт-вода) рефрактометрическим методом.

Метод рефрактометрического анализа или рефрактометрии основан на определении показателя преломления (коэффициента рефракции) и некоторых его функций. Поэтому сначала необходимо изучить явление рефракции, зависимость показателя преломления от температуры, длины волны падающего света и плотности среды, а затем усвоить сущность метода рефрактометрии и области его применения.

1. Изложите сущность метода рефрактометрии.

2. Дайте определение понятия «дисперсия»

3. Объясните, каким образом показатель преломления зависит от температуры, длины волны падающего света и плотности среды.

4. Объясните, как измеряют показатель преломления жидких, газообразных и твердых образцов.

5. Возможен ли анализ смеси веществ методом рефрактометрии.

Хроматография. Сущность хроматографии. Классификация хроматографических методов по различным признакам. Характеристика различных видов хроматографического анализа.

Ионный обмен. Теоретические основы метода. Иониты.

Методика проведения определений в хроматографии. Хроматографы. Обработка хроматограмм. Применение хроматографических методов.

Из методов разделения необходимо усвоить хроматографию и ионный обмен.

Известно большое количество видов и вариантов хроматографии. Все они основываются на одном общем принципе – разделении компонентов смеси между двумя фазами, одна из которых неподвижна и имеет развитую поверхность, а другая – представляет поток, фильтрующийся через неподвижный слой. В основе хроматографии лежит явление сорбции. Поэтому сначала необходимо усвоить следующие понятия: сорбция, абсорбция, адсорбция, физическая адсорбция, десорбция, хемосорбция, сорбент, абсорбент, адсорбент, сорбат, абсорбат, адсорбат; а затем изучить сущность хроматографического метода, его преимущества и классификацию хроматографических методов анализа.

Вид хроматографии, в основе которого лежит явление обмена ионов, содержащихся в растворе, на ионы неподвижной фазы, называют ионообменной.

Изучите теоретические основы метода ионного обмена и запомните важнейшие иониты.
Вопросы для самоконтроля:

1. Что такое сорбция, адсорбция, абсорбция, десорбция? Дайте краткую характеристику каждому процессу.

2. Что называют сорбентом (адсорбентом, абсорбентом) и сорбатом (адсорбатом, абсорбатом)? Приведите примеры.

3. В чем заключается сущность хроматографического процесса? Укажите его характерные признаки.

4. По каким признакам можно провести классификацию известных видов хроматографии?

5. Объясните, в чем заключается метод ионообменной хроматографии?

6. Что такое ионит, катионит, анионит? От чего зависят их ионообменные свойства?

7. Какие задачи можно решать, используя ионообменную хроматографию?

Теоретические основы потенциометрического метода анализа. Потенциал электрода. Формула Нернста. Электроды в потенциометрии. Общие требования к индикаторным электродам сравнения. Принципы выбора электродной системы применительно к реакциям конкретного типа. Общие сведения о кривых потенциометрического титрования и графических способах нахождения точки эквивалентности. Ионометрия. Ионоселективные электроды. Достоинства ионометрии.

Определение рН раствора потенциометрическим методом.

Потенциометрический метод анализа относится к электрохи­мическим. Это метод определения концентрации ионов в раство­ре, основанный на измерении потенциала электрода, погружен­ного в исследуемый раствор. Поскольку потенциал отдельного электрода измерить невозможно, то в действительности измеря­ют разность потенциалов между электродами или э.д.с. гальвани­ческого элемента. Следовательно, для выполнения потенциомет­рического анализа необходимо составить соответствующую галь­ваническую ячейку (пару). Она состоит из двух электродов, поме­щенных в анализируемый раствор. Потенциал одного из этих элек­тродов - индикаторного - зависит от концентрации определяе­мого иона. Потенциал другого - электрода сравнения постоянен и не зависит от состава анализируемого раствора.

В аналитической практике используют две разновидности потенциометрического анализа. Первая - прямая потенциометрия ­ измерение потенциала индикаторного электрода и нахождение концентрации определяемого иона по его величине. Вторая - по­тенциометрическое титрование - измерение потенциала индика­торного электрода (точнее э.д.с. гальванической пары) в процес­се титрования анализируемого раствора. Концентрация определя­емых ионов меняется в процессе титрования неравномерно: сна­чала это изменение невелико, затем более заметно, а при завер­шении химической реакции достигает наибольших значений. Та­ким же образом изменяется потенциал индикаторного электрода, что позволяет определить объем титранта, соответствующий ко­нечной точке титрования.

Поэтому сначала необходимо изучить характеристику электродов и требования предъявляемые к ним, запомнить формулу Нернста и установить, какая зависимость выражается уравнением Нернста, а затем усвоить сущность методов ионометрии и потенциометрического титрования.

1. Объясните, на чем основаны потенциометрические методы анализа.

2. Объясните, какая зависимость выражается уравнением Нернста.

3. Перечислите требования, которые предъявляются к электродам индикаторным и сравнения.

4. Укажите, для чего используется стеклянный электрод. Назовите его достоинства и недостатки.

5. Укажите основные типы ионоселективных электродов.

6. Объясните, в каких координатах строят кривые потенциометрического титрования и как находят конечную точку титрования.