Общая характеристика объёмного анализа Выполнили: Ивакина Лилия Малыгина Марина 2 курс 7 группа 2013
Титриметрический метод анализа – метод количественного анализа, основанный на изменении объема титранта(реагента), затраченного на реакцию с определяемым веществом. Преимущества: - быстрота анализа - простота оборудования - возможность автоматизации определения - точность (относительная погрешность 0, 1 – 0, 01 %) - позволяет определять несколько компонентов Недостатки: Каждый метод титриметрии имеет специфичные для него недостатки
Титрование - процесс непрерывно контролируемого постепенного смешивания измеренного количества твердого, жидкого или газообразного вещества, или чаще, точно измеренного объема стандартного раствора реагента В с исследуемым веществом А. При этом количество реагента соответствует содержанию определяемого компонента А, реагирующего с реагентом В в строго эквивалентных количествах.
Реагент - вещество, непосредственно вступающее в реакцию. Реактив - химический препарат, который может представлять собой сложную смесь различных веществ, содержащую наряду с собственно реагентом вспомогательные вещества и растворитель. Например: «реактив Несслера» (для определения NH 3) — смесь Hgl 2 + KI + КОН + Н 20, реагентом в этом реактиве служит [Hgl 4]2 -. «Реактив Чугаева» - смесь диметилглиоксима со спиртом и водным раствором аммиака (собственно реагентом в этом реактиве является диметилглиоксим). Твердое, жидкое или газообразное вещество, вступающее в реакцию с определяемым веществом А, называют реагентом и обозначают буквой В.
Раствор реагента В точно известной концентрации, применяемый для титрования в методах объемного (титриметрического) анализа, называют стандартным, или титрованным раствором, или титрантом(Т). Обычно титрование проводят, прибавляя титрант из калиброванной бюретки в колбу для титрования с анализируемым раствором. Титр - точная концентрация стандартного раствора реагента В (титранта); 3 выражают числом граммов растворенного вещества, содержащегося в 1 см (мл) раствора. Стандартизация - процесс нахождения концентрации активного реагента в растворе. Стандартный раствор – раствор, имеющий известную концентрацию активного вещества. Первичный стандартный раствор приготовлен из первичного стандартного вещества, концентрация которого известна по массе этого вещества в опр. объеме растворителя. Вторичный – тот раствор, концентрация которого установлена стандартизацией, или приготовленный по известной массе вторичного стандартного вещества. Аликвотная доля (аликвота) – точно известная часть анализируемого раствора, взятая для анализа. Часто отбирается калиброванной пипеткой.
Правило (закон) эквивалентности Химические элементы или их соединения вступают в химические реакции друг с другом в строго определенных весовых количествах, соответствующих их химическим эквивалентам. Согласно правилу эквивалентности: где n. А, n. B — число грамм-эквивалентов растворенного вещества А и В; N — нормальность раствора, моль/л; V — объем раствора, мл; а — количество растворенного вещества, г; Э — эквивалент растворенного вещества; Т — титр, г/см 3 (мл). Нормальность раствора выражают молем вещества, содержащегося в 1 л раствора: Растворы, содержащие 1 моль вещества в 1 л – нормальные (или однонормальные). Однонормальные и полунормальные (0, 5 н. ) расвторы мало пригодны для титриметрического анализа как слишком концентрированные. Чаще пользуются в 10 разб. – децинормальными (0, 1 н. ) или в 50 разб. – двусантинормальными (0, 02 н. ) растворами.
Точка эквивалентности (ТЭ) , стехиометрическая, или теоретическая конечная точка – точка или момент титрования, в которой количество прибавляемого титранта (Т) эквивалентно титруемому раствору вещества. Конечная точка титрования(ККТ) - точка или момент титрования, в которой некоторые свойства раствора ( например, его окраска) оказывают резкое или заметное изменение.
Индикатор – вещество, проявляющее видимые изменения в ТЭ или вблизи неё. Область значений р. Н, в которой становится видимым изменение цвета индикатора, называют интервалом перехода индикатора. Оптимальное значение р. Н титруемого раствора, при котором наблюдается наиболее резкое изменение окраски индикатора, свидетельствующее об окончании титрования, называют показателем титрования индикатора и обозначают символом р. Т. Интервалы перехода цвета индикаторов
Индикаторы Внутренние : В процессе титрования индикатор все время находится в титруемом растворе Обратимые: Изменяется по мере изменения какого-либо физ-химического. Параметра (например, смена окраски при изменении p. H любое число раз) Внешние: Капля раствора на индикаторной бумажке, или с индикатором на часовом стекле. Необратимые: КТТ наблюдается один раз(необратимое изменение хим. состава и строения индикатора)
Предполагаемый индикатор должен отвечать целому ряду требований: v. Индикатор должен хорошо растворяться, давая растворы, устойчивые при хранении; v. В растворе индикатор должен существовать в нескольких формах, различных по структуре молекулы. Между формами должно устанавливаться подвижное химическое равновесие. Например, кислотная форма индикатора переходит в основную (и обратно), металлохромный индикатор обратимо связывается в комплекс с ионами металла, и т. п. ; v. Цветной индикатор должен интенсивно поглощать свет в видимой области спектра. Окраска его раствора должна быть различима даже при очень низкой концентрации (10 -6 – 10 -7 моль/л). В этом случае можно будет вводить в титруемый раствор очень малые количества индикатора, что способствует получению более точных результатов анализа; v. Разные формы индикатора должны быть различны по своей окраске, то есть по спектру поглощения в видимой области. В таком случае в ходе титрования будет наблюдаться контрастный цветовой переход. Например, переход окраски индикатора из розовой в изумрудно-зеленую хорошо заметен на глаз. Зафиксировать же конечную точку титрования (к. т. т. ) по переходу розовой окраски в оранжевую или фиолетовую гораздо труднее. Очень важно, насколько различны спектры поглощения двух форм индикатора. v. Переход индикатора из одной формы в другую при изменении состава раствора должен проходить очень быстро, за доли секунды; v. Переход должен вызываться единственным фактором, одним и тем же у всех индикаторов данного типа. Так, изменение окраски кислотно-основного индикатора не должно происходить за счет реакций другого типа, например при взаимодействии с окислителями, или ионами металлов, или белками! Напротив, редокс-индикаторы должны менять свою окраску только вследствие взаимодействия с окислителями и восстановителями, и происходить это должно при определенном потенциале, специфическом для каждого редоксиндикатора. Окраска этих индикаторов и потенциал перехода не должны зависеть от р. Н раствора. К сожалению, на практике потенциал перехода многих редокс-индикаторов зависит и от р. Н.
Кривая титрования - графическое изображение зависимости изменения концентрации определяемого вещества от объема прибавляемого титранта. Кривые титрования помогают выбрать индикатор, оценить погрешность, наглядно проследить за ходом титрования. На оси абсцисс откладывают имеющийся в разные моменты титрования избыток кислоты или щёлочи в растворе( в %), а на оси ординат- соответствующие им величины р. Н раствора. Ход кривой слева направо характеризует изменение р. Н при титровании кислоты щелочью. Наоборот , справа налево- соответствует изменению р. Н при титровании щелочи кислотой. Кривая титрования 0, 1 М раствора H 3 PO 4 0, 1 н. раствором Na. OH
Требования, предъявляемые к реакциям Реакции, используемые в объемном анализе, должны удовлетворять следующим условиям: 1) вещества, вступающие в реакцию, должны реагировать в строго определенных количественных соотношениях (стехиометрических отношениях); 2) реакции, протекающие между определяемым веществом и стандартным (титрованным) раствором реактива, должны протекать быстро и практически до конца; 3) посторонние вещества, присутствующие в исследуемом продукте и переходящие вместе с основным определяемым компонентом в раствор, не должны мешать титрованию определяемого вещества; 4) точка эквивалентности должна фиксироваться тем или иным способом резко и точно; 5) реакции должны по возможности протекать при комнатной температуре; 6) титрование не должно сопровождаться побочными реакциями, искажающими результаты анализа.
Требования, предъявляемые к реактивам Для приготовления растворов с точно известной концентрацией используют стандартные вещества (установочные). Первичное стандартное вещество (первичный стандарт ) - вещество высокой чистоты, которое применяется для установления концентраций титранта – стандартизации вещества, в основе чего лежит стехиометричность взамодействия (Na 2 B 4 O 7 * 10 H 2 O – бура ; Na 2 CO 3; Na. HCO 3; H 2 C 2 O 4 * 2 H 2 O; K 2 Cr 2 O 7; Na. Cl; динатриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА). Первичное стандартное вещество должно удовлетворять требованиям: 1. высокая чистота ( строгая стехиометричность состава); 2. устойчивость на воздухе; 3. отсутствие гигроскопической влаги; 4. отсутствие токсичности; 5. большая Мэкв. Вторичное стандартное вещество(вторичный стандарт ) – вещество, используемое для стандартизации; содержание компонента в нем находят с помощью первичного стандарта.
Условия титрования 1. Место титрования должно быть тщательно подготовлено и хорошо освещено дневным или электрическим светом. 2. Применяемые посуда и измерительные приборы должны быть тщательно вымыты и точно откалиброваны перед началом титрования. 3. Используемые реактивы, побочные продукты, вводимые в титруемую смесь, дистиллированная или деионизированная вода должны удовлетворять предъявляемым к ним требованиям и не содержать посторонних примесей, искажающих результаты анализа. 4. В тех случаях, когда на процесс титрования оказывают влияние кислород или двуокись углерода для предотвращения побочных, нежелательных реакций, титрование проводят в атмосфере достаточно инертного газа (обычно в атмосфере газообразного азота). 5. Процесс титрования должен сопровождаться тщательным и непрерывным перемешиванием реагирующих веществ (вручную или при помощи механической или магнитной мешалки). 6. Титрование должно завершаться по возможности в течение 5— 10 мин и протекать в строго контролируемых условиях температуры, р. Н раствора, в присутствии или отсутствие индикатора и т. п. Если необходимо, титрование проводят при нагревании или охлаждении. 7. При титровании Следует, согласно методике определения, поддерживать требуемую кислую или щелочную реакцию среды, добавлять в титруемую смесь необходимые электролиты (фон), органические растворители или экстрагенты, буферные смеси, комплексообразователи, катализаторы, индукторы, индикаторы и т. п. 8. Выбранный индикатор или какой-либо инструментальный метод определения конечной точки должны обеспечивать наиболее четкую и резкую фиксацию этой точки титрования, по возможности совпадающей с точкой эквивалентности. 9. Титры применяемых стандартных растворов перед титрованием должны быть тщательно установлены или проверены по химически чистым установочным веществам. 10. Все параллельные титриметрические определения необходимо закончить в один рабочий день. Перенесение параллельных титрований на следующий день возможно лишь в случае полной уверенности в устойчивости титра стандартного раствора, применяемого для титрования. Если такой уверенности нет, следует на другой день снова проверить титранта.
Общие приемы титрования Прямое титрование. Используется, когда определяемый ион непосредственно взаимодействует с титрантом, и наоборот. Примером является определение содержания НСl в технической соляной кислоте с помощью Na. OH. HCl + Na. OH ↔ Na. Cl + H 2 O Обратное титрование ( титрование по остатку). К анализируемому раствору прибавляют небольшой избыток реагента, и этот избыток оттитровывают другим реагентом. На титрование избытка реагента B уходит не менее 15— 20 мл реагента В 1 (макрометодом) или 1, 5— 2 мл (микрометодом). Как и прямом титровании, зная количество стандартного раствора реагента В, израсходованного на реакцию с определяемым веществом А, можно легко вычислить содержание вещества А. Например, иодометрия: 2 Cu. SO 4 + 4 KI ↔ 2 Cu. I + 2 K 2 SO 4 +I 2 + 2 Na 2 S 2 O 3↔ Na 2 S 4 O 6 + 2 Na. I (в присутствии крахмала) Титрование заместителя (косвенное). К определяемому веществу А прибавляют вспомогательный реагент В 1 , реагирующий с ним с выделением эквивалентного количества нового вещества A 1 которое оттитровывают стандартным раствором основного реагента В. Определение кальция в карбонатах: Ca. CO 3 + 2 HCl ↔ Ca. Cl 2 + CO 2 ↑ + H 2 O Ca. Cl 2 + (NH 4)2 C 2 O 4 ↔ Ca. C 2 O 4 ↓ + 2 NH 4 Cl Ca. C 2 O 4 + 2 HCl ↔ Ca. Cl 2 + H 2 C 2 O 4 + 2 KMn. O 4 + 2 H 2 SO 4 ↔ 2 Mn. SO 4 + K 2 SO 4 + 2 CO 2 ↑ + 3 H 2 O
Посуда, применяемая для измерения объемов растворов Помимо обычной химической посуды, в объемном анализе широко применяют мерную посуду, которая служит для точного измерения объемов растворов. Мерные колбы представляют собой круглые плоскодонные стеклянные сосуды с длинной узкой шейкой (горлом) с кольцевой меткой. Мерные колбы служат для измерения объемов растворов, приготовления растворов определенной концентрации. Объем жидкости, вмещаемой колбой, выражают в миллилитрах. На колбе указывают ее емкость и температуру (обычно 20° С), при которой эта емкость измерена. Мерные колбы бывают различной емкости: от 25 до 2000 мл.
Пипетки представляют собой длинные узкие стеклянные трубки, расширенные в средней части; один конец трубки оттянут; трубка снабжена кольцевой меткой. Некоторые пипетки имеют цилиндрическую форму. Пипетки служат для отмеривания небольших объемов растворов и перенесения определенного объема раствора из одного сосуда в другой. Объем жидкости, вмещаемой пипеткой, выражают в миллилитрах. На расширенной части пипетки указывают ее емкость и температуру (обычно 20° С), при которой эта емкость измерена. Пипетки бывают различной емкости: от 1 до 100 мл. Измерительные пипетки небольшой емкости не имеют расширения и градуированы на 0, 1— 1 мл.
Бюретки (рис. 1) представляют собой узкие, градуированное по длине цилиндрические стеклянные трубки. Один конец бюретки сужен и снабжен стеклянным краном или резиновой трубкой, соединенной с капилляром, через который из бюретки выливается раствор. Резиновая трубка зажимается снаружи металлическим зажимом или закрывается изнутри стеклянным шариком. При надавливании на зажим указательным и большим пальцами или при оттягивании резиновой трубки в том месте, где помещается шарик, из бюретки выливается жидкость. Обычно бюретки градуируют на миллилитры и доли миллилитра. Для отсчета объемов растворов, расходуемых на титрование, на бюретке нанесены деления и цифры. Нулевое деление помещено в верхней части бюретки. В макрометоде применяют бюретки емкостью 25— 50 мл. Такие бюретки градуируют с точностью до 0, 1 мл. Расстояние между двумя соседними делениями делят на глаз (рис. 2). Это дает возможность проводить отсчет с точностью до сотых долей миллилитра; объемы бесцветных растворов отсчитывают по нижней части мениска (рис. 3), окрашенных — по верхней части (рис. 4). бюретки заполняют титрованными растворами с помощью воронок. Рис. 3 Рис. 1 Рис. 2 Рис. 4 Отсчеты по бюретке при помощи белого экрана с черной полосой. В бюретку налит прозрачный раствор. Отсчет 24, 87 мл. Отсчет по бюретке уровня непрозрачного раствора. Источник света находится сзади наблюдателя. Отсчет 25, 62 мл.
Правила работы с пипетками Во время работы с пипеткой избегают прикосновения рукой к ее средней части. От тепла, сообщаемого рукой стеклу, емкость пипетки и, следовательно, объем вмещаемой ею жидкости увеличиваются. При работе пипетку берут за верхнюю часть большим и средним пальцами правой руки и глубоко (почти до самого дна сосуда) погружают нижний конец пипетки в раствор. Придерживая левой рукой сосуд, из которого берут жидкость, всасывают резиновой грушей жидкость в пипетку так, чтобы уровень в ней поднялся на 2— 3 см выше метки. Затем быстро закрывают верхнее отверстие пипетки указательным пальцем, чтобы жидкость не выливалась из пипетки. Избыток жидкости медленно сливают из пипетки, ослабив слегка нажим пальца. Когда нижняя полоса мениска коснется метки, отверстие пипетки плотно закрывают, усилив нажим пальца на верхнее отверстие, и переносят содержимое пипетки в колбу для титрования. При этом пипетку держат так, чтобы метка находилась на уровне глаза. Во время сливания жидкости пипетку держат в вертикальном положении. К концу сливания в пипетке все же остается некоторая часть жидкости. Поэтому по окончании сливания прикасаются на мгновение нижним концом пипетки к внутренней стенке сосуда, в который сливают раствор.
Установка для титрования 1 – бюретка, 2 – штативы, 3 – двупалая лапка, 4 – муфты, 5 – кольцо, 6 –сетка, 7 – спиртовка, 8 – химический стакан(или коническая колба)
Классификация титриметрических методов Реакция Метод Реагент (титрант) Вариант метода Определяемые вещества Протолиз Метод нейтрализации НCl, HCl. O 4, HNO 3 KOH, Na. OH и др. Ацидиметрия Ocнования Алкалиметрия Кислоты Комплексонометрия Комплексометрия комплексон-III/трилон Б/ хелатон III/ ЭДТА C 10 H 14 O 8 N 2 Na 2*2 H 2 O Na. F Металлы и их соединения Фторидометрия, цианидометрия Некоторые металлы, органические вещества KMn. O 4 Перманганатометрия Восстановители, К 2 Сr 2 O 7 хроматометрия Ок-ли KJ и Na 2 S 2 O 3 Иодометрия Восстановители, окислители, кислоты Аскорбиновая кислота Ag. NO 3 Hg 2(NO 3)2 KSCN Аскорбинометрия Окислители Аргентометрия Галогениды Роданометрия Некоторые металлы Ba(NO 3)2 Бариеметрия Сульфаты Комплексообразование KCN Окислениевосстановление Осаждение Редоксметрия Седиметрия Меркуриметрия
Комплексонометрия Метод анализа, основанный на использовании реакций, которые сопровождаются образованием комплексных соединений катионов с органическими реактивами, называемыми комплексонами –органическими соединениями, представляющими собой производные аминополикарбоновых кислот. Простейший комплексон — нитрилотриуксусная кислота (НТА), известная под названием комплексон 1: Наибольшее значение имеет четырехосновная этилендиаминтетрауксусная кислота— комплексон II:
На практике обычно применяют двунатриевую соль этилендиамин- тетрауксусной кислоты, которую называют комплексоном III или трилоном Б. Комплексон III образует со многими катионами устойчивые малодис- социированные растворимые в воде внутрикомплексные соли, построенные по типу известной комплексной соли диметилглиоксимата никеля. Реакции между комплексоном и ионами металлов-комплексообразователей протекают стехиометрически, т. е. в строго эквивалентных отношениях, это обстоятельство открывает широкие возможности применения комплексонов для количественного определения многих катионов, в том числе кальция, цинка, меди, алюминия, индия и др.
Методы окисления-восстановления(редоксиметрия) В редоксиметрии используются реакции окисления-восстановления, связанные с переходом электронов от одного иона(молекулы) к другому. В качестве стандартных (титрованных) растворов применяют растворы самых разнообразных окислителей и восстановителей:
Перманганатометрия Перманганатометрию ведут в кислой среде: p. H<7 Mn+7(Mn. O 4 -) ↔ Mn+2 (бесцв. ) p. H=7 Mn+7(Mn. O 4 -) ↔ Mn+4 (Mn. O 2 ↓ - бурый осадок) p. H>7 Mn+7(Mn. O 4 -) ↔ Mn+6 (Mn. O 42 - - зеленая окраска) Индикатор – KMn. O 4 , поэтому посторонние индикаторы не добавляют.
Определение окислителей и восстановителей этим методом: 10 Fe. SO 4+8 H 2 SO 4+2 KMn. O 4 ↔ 5 Fe 2(SO 4)3+K 2 SO 4+8 H 2 O+2 Mn. SO 4 2 KMn. O 4 +10(NH 4)2 Fe(SO 4)2+8 H 2 SO 4 ↔ 2 Mn. SO 4+5 Fe 2(SO 4)3+K 2 SO 4+10(NH 4)2 SO 4+8 H 2 O 2 KMn. O 4+5 KNO 2+3 H 2 SO 4 ↔ 2 Mn. SO 4+K 2 SO 4+5 KNO 3+3 H 2 O
Йодометрия Йодометрический метод анализа основан на окислительновосстановительных процессах, связанных с восстановлением I 2 до I- -ионов или с окислением I- -ионов до I 2: I 2 + 2 е ↔ 2 I- Косвенное титрование проводят стандартным раствором Na 2 S 2 O 3, который готовят из кристаллогидрата Na 2 S 2 O 3* 5 H 2 O; устойчивы при p. H 9 -10, для их стабилизации вводят Na 2 CO 3. Применение: 1. Для определения окислителей: H 2 O 2, Na 2 O 2, K 2 Cr 2 O 7, KMn. O 4 и т. д. H 2 O 2+2 KI+H 2 SO 4 ↔ I 2+K 2 SO 4+2 H 2 O I 2+2 Na 2 S 2 O 3 ↔ Na 2 S 4 O 6+2 Na. I 2. Для определения восстановителей: 2 Cu. SO 4+4 KI ↔ I 2+2 K 2 SO 4+2 Cu. I
Осаждение Метод анализа, основанный на измерении объема титранта, образующего с определяемым ионом малорастворимый электролит. Общая схема: Kt+ + An- ↔ Kt. A ↓ Требования к реакциям: 1. Осадок должен быть практически нерастворим 2. Выпадение осадка должно происходить достаточно быстро ( т. е. не должно сказываться явление образования пересыщенных растворов) 3. Результаты титрования не должны в заметной степени искажаться явлениями адсорбции (соосаждения) 4. Должна иметься возможность фиксировать точку эквивалентности при титровании
Методы осадительного титрования Обычно классифицируют по природе активного реагента, взаимодействующим с определяемыми веществами: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Аргентометрия (реагент Ag. NO 3) тиоцианатометрия (KCNS/NH 4 CNS) Меркурометрия (Hg 2(NO 3)2) Гексацианоферратометрия (K 4[Fe(CN)6]) Сульфатометрия (H 2 SO 4) Бариеметрия (Ba. Cl 2) Меркуриметрия (Hg. Cl 2) Индикаторы методов: - Осадительные - Металлохромные - Адсорбционнные
Жесткость воды - cвойство воды, которое характеризуется содержанием в ней солей кальция и магния. Суммарное содержание растворимых солей кальция и магния определяет общую жесткость воды: ЖОБЩ = [Ca 2+] + [Mg 2+] В зависимости от природы анионов принято различать карбонатную ЖК и некарбонатную ЖНК жесткость, сумма которых определяет общую жесткость воды: ЖОБЩ = ЖК + ЖНК. Карбонатная жесткость характеризуется присутствием в воде растворимых гидрокарбонатов кальция Ca(HCO 3)2 и магния Mg(HCO 3)2. Она обусловлена растворением в воде CO 2 и образованием раствора угольной кислоты: СО 2 + Н 2 О ↔ Н 2 СО 3 которая, диссоциируя, образует гидрокарбонат-ионы НСО 3¯: Н 2 СО 3 ↔ Н+ + НСО 3¯ связываемые затем ионами Са 2 и Mg 2 + с образованием гидрокарбонатов: Са 2+ + НСО 3¯ ↔ Ca(HCO 3)2 Mg 2+ + НСО 3¯ ↔ Mg(HCO 3)2 При длительном кипячении воды с карбонатной жесткостью появляется осадок (Ca. CO 3 и Mg. CO 3) вследствие разложения солей: Ca(HCO 3)2 = Ca. CO 3↓+ Н 2 О + СО 2↑ Mg(HCO 3)2 = Mg. CO 3↓ + Н 2 О + СО 2↑ Поэтому карбонатную жесткость называют также временной или устранимой жесткостью.
Некарбонатная жесткость обусловлена присутствием в воде солей сильных кислот – сульфатов или хлоридов кальция и магния (Mg. SO 4, Mg. Cl 2, Ca. Cl 2 и др. ), которые при кипячении не удаляются. Поэтому некарбонатную жесткость принято называть также постоянной жесткостью Жесткость воды выражается суммой миллимолей эквивалентов ионов кальция и магния, содержащихся в одном литре воды. Один миллимоль эквивалентов жесткости отвечает содержанию 20, 04 мг/л катионов Ca 2+ или 12, 16 мг/л катионов Mg 2+. Жесткость вод морей изначально выше, чем рек и озер. Так, вода Черного моря имеет общую жесткость 65, 5 ммоль экв/л. Среднее значение жесткости воды мирового океана 130, 5 ммоль экв/л (в том числе на Ca 2+ приходится 25, 5 ммоль экв/л, на Mg 2+ – 108 ммоль экв/л). В зависимости от величины жесткости воду делят на 5 классов: очень мягкую – 0 -1 ммоль экв/л; мягкую – 1 -3 ммоль экв/л; умеренно жесткую – 3 -6 ммоль эвк/л; жесткую – 6 -10 ммоль эвк/л и очень жесткую >10 ммоль экв/л.
АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ВОДЫ 1. Общая жесткость воды ЖОБЩ определяется методом комплексонометрии, основанным на титровании воды раствором комплексона III в присутствии аммиачного буферного раствора (p. H=10, 0) и индикатора до перехода исходной розовой окраски в голубую. Эти индикаторы окрашиваются в розовый цвет при наличии в воде ионов жесткости Ca 2+ и Mg 2+, а в их отсутствии – в голубой. Комплексон III (EDTA, трилон Б) При титровании ион кальция Ca 2+ (или Mg 2+) выступает в роли комплексообразователя. Достоинством комплексонов является то, что в ряде случаев представляется возможность титровать одни катионы в присутствии других, не прибегая к предварительному их разделению.
Эриохром черный Т (голубой) Эриохром черный Т – комплекс с кальцием (винно-красный) Анализируемая вода подщелачивается аммонийной буферной смесью и титруется раствором комплексона III. В качестве красителя – эриохром черный Т (хромоген черный ЕТ-00). В среде аммиачного буфера эриохром черный окрашен в голубой цвет. С катионами некоторых металлов (например, Mg, Ca, Zn) эриохром черный образует комплексы, окрашенные в винно-красный цвет. При действии ЭДТА эти комплексы разрушаются, что и объясняет изменение окраски при титровании. Комплекс катиона металла с этилендиаминтетрауксусной кислотой (бесцветен или слабоокрашен)
1 2 3
2. Карбонатная жесткость воды ЖК определяется методом нейтрализации. Он основан на титровании воды, в которую добавляется метиловый оранжевый, раствором HCl до перехода желтой окраски индикатора в оранжевую. Метиловый оранжевый - кислотно-основный индикатор, который при p. H < 3, 1 имеет красную окраску, а при p. H > 4, 4 окрашивается в желтый цвет. В интервале значений p. H 3, 1 4, 4 окраска оранжевая. Протекание реакции нейтрализации: OH¯ + H+ → H 2 O, в которой ионы H+ нейтрализуют гидроксид-ионы OH‾, образующиеся в результате гидролиза анионов HCO 3‾ в воде HCO 3¯ + H 2 O ↔ H 2 CO 3 + OH¯. количество нейтрализующихся ионов OH¯ эквивалентно концентрации иона HCO 3¯. МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ВОДЫ Для умягчения и обессоливания воды применяются: физические (кипячение, дистилляция, вымораживание, электродиализ, магнитно-ионизационный метод, магнитная обработка, ультразвуковая обработка), физико-химические (ионный обмен) и химические (осаждение нерастворимых соединений) методы очистки.
Карбонатная жесткость устраняется кипячением воды, определяющим существо термического метода. При этом гидрокарбонаты переходят в нерастворимые карбонаты. Образующиеся осадки удаляются фильтрованием. Mg 2+ + 2 HCO 3¯ + 2 OH¯ = (Mg. OH)2 СО 3↓ + Н 2 О + CO 2↑ Для уменьшения карбонатной жесткости также применяется метод осаждения, при котором в обработанную воду вводят известь (известкование – известковый способ): Ca(HCO 3)2 + Ca(OH)2 = 2 Ca. CO 3↓ + 2 H 2 O, Mg(HCO 3)2 + 2 Ca(OH)2 = Mg(OH)2↓ + 2 Ca. CO 3↓ + 2 H 2 O 2. Устранение карбонатной ЖК и некарбонатной ЖНК жесткости осуществляется также методом осаждения, т. е. действием на воду едким натром (натронный способ): Ca(HCO 3)2 + 4 Na. OH = Ca. CO 3↓ + Na 2 CO 3 + 2 H 2 O, Mg(HCO 3)2 + 2 Na. OH = Mg(OH)2↓ +2 Na 2 CO 3 + 2 H 2 O, действием кальцинированной содой (содовый способ): Ca. Cl 2 + Na 2 CO 3 = Ca. CO 3↓ + 2 Na. Cl, Mg. SO 4 + Na 2 CO 3 = Ca. CO 3↓ + Na 2 SO 4, а также действием фосфатом натрия Na 3 PO 4 (фосфатный способ): 3 Ca(HCO 3)2 + 2 Na 3 PO 4 = Ca 3(PO 4)2↓ + 6 Na. НCО 3, 3 Mg. SO 4 + 2 Na 3 РO 4 = Mg 3(PO 4)2↓ + 3 Na 2 SO 4, 3 Ca. Cl 2 + 2 Na 3 PO 4 = Ca 3(PO 4)2↓ + 6 Na. Cl. С помощью применения известкового и содового способов умягчения (обычно они используются вместе) жесткость воды понижается до 0, 3 ммоль экв/л, а фосфатного – до 0, 03 ммоль экв/л.
3. Метод ионного обмена получил широкое распространение в технике. Он основан на способности ионитов обменивать входящие в их состав радикалы на ионы, которые находятся в растворе: природные и синтетические соединения (алюмосиликатынатриевый алюмосиликат (Na 2 OAl 2 O 32 Si. O 2 n. Н 2 О)), а также синтетические органические ионообменники (ионообменные смолы). Они содержат подвижные функциональные группы: сульфо- (-SO 2 OH), карбоксо- (-COOH), гидроксо- (-ОН) группы. Иониты, сорбирующие катионы, называются катионитами, а сорбирующие анионы – анионитами. В качестве катионитов в основном применяются Na+-катиониты (алюмосиликаты: цеолит, глауконит, пермутит) и Н+-катиониты (синтетические смолы и сульфированный уголь). К используемым анионитам относятся ОН¯-аниониты на основе карбамидных смол. При пропускании воды через слой катионита катионы Ca 2+ и Mg 2+ обмениваются на катионы Na+. Для удаления из воды не только катионов Ca 2+ и Mg 2+, но и других катионов и анионов ее пропускают через катионит, содержащий в обменной форме водородные ионы (H+катионит) и анионит, содержащий гидроксид-ионы (OH¯-анионит). В итоге, если очищаемую воду пропустить последовательно через катионит и анионит, то она освободится как от катионов, так и анионов солей. Такая обработка воды называется обессоливанием. Катионитный метод умягчения воды снижает ее карбонатную жесткость до 0, 01 - 0, 05 ммоль экв/л.
4. Метод электродиализа основан на явлении направленного движения ионов электролита к электродам, подключенным к источнику постоянного тока, через пористые мембраны, которые расположены перед электродами на пути движения ионов. Мембраны, расположенные возле катода, содержат катионит, а возле анода - анионит. Ионы электролита обмениваются с ионами ионообменников, разряжаемых на поверхности соответствующих электродов. Таким образом, ионы металлов, обусловливающие жесткость воды, задерживаются у электродов и отделяются от воды, выходящей из аппарата водоочистки. 5. Магнитно-ионизационный метод так же использует явление направленного движения ионов, но уже под действием магнитного поля. 6. Магнитная обработка воды заключается в пропускании воды через систему магнитных полей противоположной направленности. В результате этого происходит уменьшение степени гидратации растворённых веществ и их объединение в более крупные частицы, которые выпадают в осадок. 7. Ультразвуковая обработка воды так же, как и магнитная, приводит к образованию более крупных частиц растворенных веществ с образованием осадка. Для определения жесткости воды необходимо сделать её анализ и затем рассчитать жесткость в единицах ГОСТ, используя закон эквивалентов.
Методы кислотно-основного титрования (нейтрализации)
Титранты в данном случае – растворы сильных кислот и оснований (H 2 SO 4, HCl, Na. OH, KOH и др. ) Концентрации этих веществ устанавливают стандартизацией их растворов. Также используют: Na 2 B 4 O 7*10 H 2 O (бура), Na 2 CO 3, H 2 C 2 O 4*2 H 2 O - щавелевая кислота) Ацидиметрическое титрование – метод определения сильных и слабых оснований, солей слабых кислот, основных солей, соединений, обладающих основными свойствами, путем титрования стандартным раствором сильной кислоты. Алколометрическое титрование – метод определения сильных и слабых кислот, кислых солей, солей слабых оснований путем титрования стандартным раствором сильного основания.
Требования, предъявляемые к кислотно-основным индикаторам: 1. Окраска индикатора при близких значениях p. H должна явно отличаться 2. Изменение цвета индикатора должно происходить резко в небольшом интервале значений p. H 3. Окраска индикатора должна быть интенсивной 4. Количество щелочи или кислоты, необходимое для изменения окраски индикатора, должно быть настолько мало, чтобы не искажались результаты титрования 5. Изменение окраски индикатора должно быть вполне обратимым процессом. Вывод: очень большое значение имеет правильный выбор индикатора при титровании.
Теории индикаторов
Хромофорная теория
Ионно-хромофорная теория индикаторов Согласно этой теории изменение цвета кислотно-основного индикатора, происходящее вследствие последовательного присоединения органическими соединениями ионов водорода при действии кислот или отнятия ионов водорода при действии щелочей, связано со смещением ионных равновесий индикаторов, сопровождающихся одновременным изменением их структуры. У бесцветных или слабоокрашенных соединений появление или углубление окраски связано с введением в их молекулы хромофоров и ауксохромов и увеличением числа сопряженных связей , диссоциацией или ассоциацией их молекул и, наконец, образованием внутрикомплексных соединений (например, диметилглиоксимата никеля). Для кислотно-основных индикаторов наиболее характерными факторами, вызывающими изменение окраски, являются изменение соотношения количеств молекулярной и ионной форм индикатора, происходящее под влиянием кислот и щелочей, и появление или исчезновение хромофорных групп или превращение одних хромофорных групп в другие.
Теория цветности органических соединений Цветность органических соединений в настоящее время рассматривается как следствие их специфического электронного строения; при этом особая роль отводится смещению валентных электронов и перераспределению плотности электронного облака между хромофорами. Поглощение световых волн данным соединением зависит от подвижности его электронов. Чем более свободно электроны перемещаются в молекуле соединения, тем более длинные волны поглощает данное вещество. «Зеленой улицей» для свободного перехода электронов в молекулах индикаторов является наличие большого числа сопряженных связей. Следовательно, меняя строение вещества или подбирая соответствующие вещества, характеризующиеся определенным строением, можно повышать или понижать подвижность электронов, которая сказывается на повышении или углублении цвета химического соединения. Для углубления цвета необходимо увеличивать свободу перемещения электронов, что можно достичь увеличением числа сопряженных связей в молекуле индикатора (удлинением системы конъюгации) или усилением ионизации молекул. Значительное усиление поглощения при наличии системы конъюгации наблюдается при введении в состав молекул индикаторов электронно-донорных (СНз, ОН, ΝΗ 2, NHR и др. ) и электронно-акцепторных (SO 2 NH 2, S 02 OH, СООН, COOR, CO, N 02) групп. Очень показательным в этом отношении является пример введения в хлористый трифенилметил, характеризующийся желтой окраской, двух электронно-донорных (ауксохромных) групп углубляющих его цвет до зеленого:
Фенолфталеин. Относится к кислотным индикаторам. Фенолфталеин представляет собой бесцветные кристаллы, нерастворимые в воде, но растворимые в спирте. Применят в виде 0, 1% -ного и 1 %-ного раствора в 50%-ном спирте. Формула индикатора: При действии разбавленных растворов едкого натра на фенолфталеин получается двунатриевая соль, имеющая хиноидное строение, окрашенная в красный цвет: Эти структурные изменения в молекуле фенолфталеина происходят при р. Н = 8— 10.
При действии кислот (при р. Н < 8) наблюдается обратная картина: окрашенная форма переходит в бесцветную. Если р. Н= 13— 14, фенолфталеин претерпевает новую структурную перегруппировку. При этом образуются бесцветные анионы трехзамещенной натриевой соли. Этим объясняется обесцвечивание фенолфталеина при действии большого избытка щелочи. Таким образом, интенсивно малиново-красная окраска фенолфталеина обусловлена образованием хромофорной системы: В левой пробирке среда кислая, в средней - нейтральная, в правой - щелочная
Метиловый оранжевый. Относится к основным индикаторам, точнее он амфотерен , так как молекулы его содержат одновременно кислотную SO 3 H и основную N(CH 3)2 группы. Представляет собой оранжево-желтый порошок. Применяют его в виде 0, 1 %-ного водного раствора. Формула: В щелочной среде или в сильно разбавленном водном растворе метиловый оранжевый имеет желто-оранжевую окраску. При действии кислот наблюдается переход желто-оранжевой окраски в оранжево-красную и красную. Область перехода лежит в пределах р. Н — 3, 1— 4, 4: При действии щелочей на растворы метилового оранжевого красного цвета наблюдается изменение окраски раствора в желтую. Индикаторные свойства метилового оранжевого обусловлены таутомерией между бензоидной и хиноидной формами.
Метиловый оранжевый (метилоранж). Кислотно-основный индикатор. В левой пробирке среда кислая, в средней - нейтральная, в правой - щелочная
Метиловый красный. Кислотно-основный индикатор. В левой пробирке среда кислая, в правой - нейтральная
Случаи кислотно-основного титрования 1. Титрование сильных кислот сильными основаниями (или наоборот) HCl + Na. OH ↔ Na. Cl + H 2 O H+ + OH- ↔ H 2 O Предположим, что для титрования взято 100 мл 0, 1 н. раствора НСl, который титруется 0, 1 н. раствором Na. OH.
Кривая титрования 0, 1 н. раствора НСl 0, 1 н. раствором Na. OH.
Анализ кривой нейтрализации. В начале титрования р. Н раствора изменяется медленно; вблизи точки эквивалентности — очень быстро, после точки эквивалентности — опять медленно. Другими словами, если в начале титрования прибавление титрованного раствора основания в количествах, измеряемых миллилитрами, мало изменяет значение р. Н раствора, то под конец титрования, вблизи точки эквивалентности, большое значение приобретают уже небольшие количества (капли и доли капли) титрованного раствора Na. OH, быстро (скачкообразно) изменяющие р. Н титруемого раствора. Изменение величины показателя иона водорода может быть выражено величиной р. Н/ С, которая означает среднее изменение показателя ионов водорода при добавлении 1 мл титрованного раствора (в данном случае раствора Na. OH). р. Н — приращение показателя иона водорода на данном отрезке титрования; С — количество прибавленного титрованного раствора (в данном случае 0, 1 н. раствора Na. OH в мл или в %). это отношение достигает максимума в точке эквивалентности, чем больше величина на участке вблизи точки эквивалентности, тем точнее титрование.
Влияние концентрации растворов кислот и основании на характер кривой титрования:
2. Титрование слабой кислоты сильной щелочью (или наоброт): CH 3 COOH + Na. OH ↔ CH 3 COONa + H 2 O Предположим, что для титрования взято 100 мл 0, 1 н. раствора СН 3 СООН, титруемого 0, 1 н. раствором Na. OH. Точка эквивалентности в случае нейтрализации слабых кислот (или слабых оснований) сильными основаниями (или сильными кислотами) не совпадает с точкой нейтрализации, т. е. с моментом, при котором происходит изменение цвета индикатора, меняющего свою окраску при р. Н = 7. В точке эквивалентности вся уксусная кислота будет нейтрализована и в растворе будет находиться только продукт ее нейтрализации — ацетат натрия, гидролизующийся под влиянием воды.
Титрование слабого основания сильной кислотой Вычисление р. Н раствора в различные моменты титрования. Для титрования взято 100 мл 0, 1 н. раствора аммиака ( K NH 4 OH =1, 81. 10 -5 ), титруемого 0, 1 н. раствором НСl. До начала титрования : (1) Подставляя соответствующие значения p. KNH 4 OH и lg C NH 4 OH = lg 0, 1 = -1 в формулу(1), получим: Концентрацию ионов водорода и pΗ в водных буферных растворах слабых оснований и их солей, вычисляют по формулам :
Вычисление рΗ промежуточных точек титрования, предшествующих точке эквивалентности. Например, если прилито 50 мл Na. OH, то : Аналогичным путем можно рассчитать значения р. Н для других промежуточных точек. Данные этих расчетов сведены в таблице:
До достижения точки эквивалентности, т. е. тогда, когда еще не весь ΝΗ 4ΟΗ нейтрализован и прилито только 99, 8 мл 0, 1 н. раствора НСl, р. Н раствора меньше 7 (6, 56), а среда раствора становится кислой. В точке эквивалентности весь ΝΗ 4ΟΗ нейтрализован и в растворе находится только продукт его нейтрализации — хлорид аммония, гидролизующийся под влиянием ионов воды. Концентрацию ионов водорода в водных растворах гидролизующихся солей (типа NH 4 Cl) вычисляют:
При добавлении избытка раствора НСl величина р. Н определяется присутствующей в титруемом растворе свободной кислотой НСl и вычисляется по общей концентрации этой кислоты известным способом. Результаты вычислений р. Н приведены в таблице. На основании полученных данных построена кривая титрования. Анализ кривой нейтрализации. Полученная кривая нейтрализации показывает, что: 1. Точка эквивалентности при титровании слабого основания сильной кислотой не совпадает с точкой нейтрализации, а находится в области кислой среды (при р. Н = 5, 13). Скачок р. Н наблюдается в интервале 6, 26— 4. 2. Кривая нейтрализации слабого основания сильной кислотой несимметрична в отношении точки нейтрализации. 3. Кривая титрования слабого основания сильной кислотой характеризуется наличием треугольника, образующегося в результате пересечения кривой титрования, линии нейтральности и линии эквивалентности. Вершины этого треугольника лежат в точке нейтрализации (а); в начальной точке соприкосновения кривой с линией Кривая нейтрализации 0, 1 н. раствора аммиака 0, 1 н. эквивалентности (b) и в точке пересечения раствором НСl. линий нейтральности и эквивалентности (с).
Титрование многоосновных кислот Ступенчатая нейтрализация многоосновных кислот. Диссоциация многоосновных кислот совершается по ступеням. Соответственно ступенчатой диссоциации многоосновных кислот нейтрализация их щелочами протекает также ступенчато с образованием кислых и средних солей. Каждой ступени нейтрализации соответствует своя точка эквивалентности. Например, при нейтрализации трехосновной фосфорной кислоты сильным основанием наблюдаются три точки эквивалентности соответствующие добавлению к одному молю кислоты одного, двух и трех молей Na. OH. При этом реакция сопровождается образованием одно-, двух- и трехзамещенной соли. : Кривая нейтрализации Н 3 РO 4 раствором Na. OH.
Таким образом: 1. При титровании многоосновных кислот или смесей кислот, равно как и многоосновных оснований, каждая ступень титрования характеризуется своей точкой эквивалентности. Если отношение величин констант электролитической диссоциации велико (порядка 10 000), то наблюдается достаточно резкий скачок р. Н в соответствующих точках эквивалентности. Если СHAn 2 значительно превышает СHAn 1 то отношение К 1 : К 2 должно быть еще больше. Благодаря этому можно применять индикаторы, меняющие свою окраску при значениях р. Н, соответствующих этим точкам эквивалентности. 2. Кривые титрования многоосновных кислот или многоосновных оснований, а также смеси кислот или смеси оснований различной силы характеризуются несколькими скачками, число которых не превышает суммы ступеней диссоциации этих кислот или оснований. Обычно наблюдаемые перегибы кривых титрования многоосновных кислот в водных растворах не столь резки, как перегибы кривых титрования одноосновных кислот. Резкость скачков титрования можно увеличить, титруя слабые электролиты в неводных растворах.
Титрование солей, образованных катионами сильных оснований и анионами слабых многоосновных кислот Титрование карбоната натрия-Na 2 CO 3. При титровании карбоната натрия хлористоводородной кислотой наблюдается два скачка р. Н: 1. При приливании половины кислоты, требующейся для полной нейтрализации всего количества Na 2 C 03 (т. е. 1 моль HCl на 1 моль Na 2 C 03), образуется бикарбонат: 2. При приливании теоретического количества хлористоводородной кислоты (т. е. 2 моль НСl на 1 моль Na 2 C 03) получается угольная кислота:
Вычисление р. Н раствора в различные моменты титрования Na 2 C 03 кислотой. Карбонат натрия в растворе гидролизуется согласно уравнениям : Сильнее подвергается гидролизу соль более слабой кислоты, т. е. соль кислоты, константа диссоциации которой наименьшая. В данном случае КHCO 3 - <KH 2 CO 3 в 8800 раз. ОН--ионы, образующиеся при гидролизе Na 2 C 03 по I ступени, тормозят гидролиз по II ступени.
Кривая нейтрализации Na 2 C 03 раствором HCI.
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ !
Скачать презентацию Общая характеристика объёмного анализа Выполнили Ивакина Лилия Малыгина
Химия.pptx