Кривые титрования графический способ изображения

Кривые титрования графический способ изображения

КИСЛОТНО-ОСНОВНОЕ ТИТРОВАНИЕ. СУЩНОСТЬ МЕТОДА И ЕГО ВОЗМОЖНОСТИ. ИНТЕРВАЛ ПЕРЕХОДА ОКРАСКИ КИСЛОТНО-ОСНОВНЫХ ИНДИКАТОРОВ. КРИВЫЕ ТИТРОВАНИЯ.

Метод кислотно-основного титрования основан на реакциях взаимодей­ствия между кислотами и основаниями, то есть на реакции нейтрализации:

Н + + ОН — ↔ Н₂О

Рабочими растворами метода являются растворы сильных кислот (HC l , H₂S, НNОз и др.) или сильных оснований (NaOH, КОН, Ва(ОН)₂ и др.). В зависимости от титранта метод кислотно-основного титрования подразде­ляют на ацидиметрию, если титрантом является раствор кислоты, и алкалиметрию, если титрантом является раствор основания.

Рабочие растворы в основном готовят как вторичные стандартные раство­ры, поскольку исходные для их приготовления вещества не являются стан­дaртными, а затем их стандартизуют по стандартным веществам или стандарт­ным растворам. Например: растворы кислот можно стандартизовать по стан­дартным веществам — натрия тетраборату Na₂B₄О₇ ∙10Н₂О, натрия карбонату Nа₂СО₃ ∙10Н₂О или по стандартным растворам NaOH, КОН; а растворы ос­нований — по щавелевой кислоте Н₂С₂О₄ ∙ 2Н₂О, янтарной кислоте Н₂С₄Н₄О₄ или по стандартным растворам HC l , H₂S O ₄ , НNО₃.

Точка эквивалентности и конечная точка титрования . Согласно правилу эквивалентности титрование необходимо продолжать до тех пор, пока количе­ство прибавленного реагента не станет эквивалентным содержанию опреде­ляемого вещества. Наступающий в процессе титрования момент, когда коли­чecтвo стандартного раствора реагента (титранта) становится теоретически строго эквивалентным количеству определяемого вещества согласно опреде­ленному уравнению химической реакции, называют точкой эквивалентности.

Точку эквивалентности устанавливают различными способами, напри­мер по изменению окраски индикатора, приба-вляемого в титруемый рас­твор. Момент, при котором происходит наблюдаемое изменение цвета ин­дикатора, называют конечной точкой титрования. Очень часто конечная точка титрования не совсем совпадает с точкой эквивалентности. Как правило, они отличаются друг от друга не более чем на 0,02-0,04 мл (1-2 капли) титранта. Это то количество титранта, которое необходимо для взаимодей­cтвия с индикатором.

ИНДИКАТОРЫ В МЕТОДЕ КИСЛОТНО-ОСНОВНОГО ТИТРОВАНИЯ

В методах кислотно-основного титрования для определения конечной точки титрования используют кислотно-основные индикаторы. Кислотно-основные индикаторы — это органические вещества, способные видимо и обратимо изменять свою окраску в растворе при изменении рН среды. Существуют различные теории индикаторов, каждая из которых по-свое­му объясняет поведение кислотно-основных индикаторов в кислых и щелоч­ных средах.

Ионная теория индикаторов . В связи с тем, что кислотно-основные индикаторы представляют собой слабые кислоты или слабые основания, любой индикатор диссоциирует в растворе согласно уравнению:

H I nd ↔ Н + + Ind­ —

Окраска раствора, в котором индикатор находится в молекулярной форме (HInd), отличается от окраски раствора, в котором индикатор находится в ионной форме (Ind — ). Так, моле-кулы фенолфталеина HInd бесцветны, а его анионы Ind — окра­шены в малиновый цвет. Достаточно к раствору, содержащему фенолфталеин, прибавить 1-2 кап­ли щелочи, как введенные ОН — -ионы станут связывать катионы Н + с образо­ванием слабого электролита — молекул воды. При этом равновесие диссоци­ации индикатора сместится вправо, и накопление анионов Ind­ — вызовет окра­шивание раствора в малиновый цвет.

Переход одной окраски, присущей молекулярной форме кислотно-основного индикатора, в другую, свойственную его ионной форме, происходит под влиянием Н + или ОН — -ионов, то есть зависит от рН раствора.

Хромофорная теория индикаторов . Поведение индикаторов, объясняемое ионной теорией индикаторов, дополняется хромо-форной теорией индикато­ров, согласно которой изменение окраски индикаторов связано с изменением структуры их молекул, внутримолекулярной перегруппировкой, вызываемой действием Н + или ОН — -ионов. По хромофорной теории в процессе изменения рН раствора меняется стро­ение молекул кислотно-основных индикаторов. Это явление обусловливается бензоидно-хиноидной таутомерией. При изменении рН среды раствора или при диссоциации хромофоры могут перегруппировываться. Перемена окраски у индикаторов является результатом изменений в их внутреннем строении. У одноцветных индика­торов окраска изменяется в связи с появлением или исчезновением хромофо­ров. У двухцветных индикаторов эти изменения обусловлены превращением одних хромофоров в другие.

Типичным одноцветным индикатором является фенол-фталеин. При рН

Дальнейшее увеличение рН до 13-14 вызывает другую пере-группировку, в результате чего получается трехзамещенная соль, лишённая хиноидной груп­пировки и поэтому бесцветная:

Вследствие этого фенолфталеин обесцвечивается при действии большого избытка щелочи, например, натрия гидроксида. Типичным двухцветным индикатором является метиловый оранжевый:

При рН = 3,2. 4,3 он оранжевый, при рН ≤ 3,1 приобретает красную, а при рН ≥ 4,4 — желтую окраску. Это объясняют присоединением ионов водорода кислоты к атому азота азогруппы индикатора, вследствие чего про­исходит смещение электронов по всей системе, сопровождающееся обра­зованием хиноидной структуры, которая обусловливает появление красной окраски раствора. Таким образом, при действии кислот наблюдают переход желтой окраски индикатора в красную, а при действии щелочей — обратное превращение:

[ (CH3)2N N═N SO3 ] + Н2 О

Цветность органических соединений, согласно хромофорной теории, обу­словливается не только хиноидной структурой молекул, но и присутствием в них других хромофорных группировок (-N=N-, -N0­­2­ , -NO, =С=С=, =С=О). При введении в молекулы органических веществ, содержащих хро­мофорные группы, ряда других групп — ауксохромов (-ОН, -Nh4 , -NHR, -NHR) происходит углубление цвета окрашенного вещества.

Ионно-хромофорная теория индикаторов. Согласно дополняющим друг друга ионной и хромофорной теориям, в раст-ворах кислотно-основных индикато­ров одновременно сосущест-вуют равновесия, обусловливаемые диссоциацией молекул, и равновесия, связанные с внутримолекулярными перегруппировка­ми (ионно-хромофорная теория). Для кислотно-основных индика-торов наи­более характерными факторами, вызывающими измене-ние окраски, являют­ся изменение соотношения количеств молеку-лярной и ионной форм индика­тора, происходящее под влиянием кислот и щелочей, и появление или исчезновение хромофорных групп или же превращение одних хромофорных групп в другие.

Способность молекул различных индикаторов диссоциировать в нейтраль­ной среде характеризуют константами диссоциации. Например, у метилового оранжевого Кa≈ 10 -4, у лакмуса Кa ≈ 10 -8, а у фенолфталеина Кa ≈ 10-9. Следо­вательно, фенолфталеин является наиболее слабой органической кислотой из этих индикаторов.

Известно, что прибавление к любому раствору любой кислоты или щело­чи влечет за собой изменение концентрации ионов Н+ в нем, а следовательно, и величины рН. Перемена окраски у индика-торов также связана с измене­нием рН раствора. Однако каждый индикатор изменяет окраску только в определенном, ха­рактерном для него интервале значений рН. Объясняется это тем, что окраска индикатора зависит от соотношения концентраций его диссоци-ированной и недиссоциированной форм, то есть от отношения:

[Ind-] / [HInd] = KHInd / [H+] или [HInd] / [Ind-] = [H+] / KHInd .

Когда KHInd = [Н+], то [Ind-] / [HInd] = 1.

Если КHInd / [Н+] > 1, то в растворе превалирует диссоцииро-ванная форма индикатора, а если КHInd / [Н+]

При одной и той же концентрации ионов водорода отношение КHInd / [Н+] будет тем больше, чем больше КHInd .

Для фенолфталеина КHInd = [Н+] [Ind-] / [HInd] ≈ 10-9.

При рН = 7 [Н+] = 10 -7, а [HInd] / [Ind-] = 10-7 / 10-9 , то есть при рН = 7 на каж­дые 100 бесцветных молекул фенолфталеина приходится лишь 1 окрашенный ион, следовательно, раствор — бесцветный. Если к раствору фенолфталеина прибавить щелочь и довести рН раствора до 8, то соотношение [HInd] / [Ind -] = 10 -8 /10-9 (уменьшится в 10 раз), и раствор станет бледно­ розовым. А при рН=9 соотношение [HInd] / [Ind-] = 10-9 / 10-9 = 1, то есть в растворе присутствуют равные количества бесцветных молекул индикатора и окрашенных в красный цвет ионов и раствор приобретает розовую окраску.

Таким образом, переход­ная окраска индикатора появляется при рН среды, равном рКHInd, но так как изменение цвета индикатора происходит постепенно, цвет недиссоциирован­ных молекул индикатора начинает маскироваться цветом ионов задолго до достижения соотношения [HInd] / [Ind-] = 1.

Следовательно, цвет водного раствора индикатора определяется соотноше­нием концентрации его молекулярной и ионной форм, отличающихся различной окраской, и зависит от [Н+]. Величину рН, до которой титруют раствор с дан­ным индикатором, называют показателем титрования этого индикатора рТ.

Важнейшие индикаторы имеют следующие области перехода и показатели титрования:

Показатель титрования рТ Область перехода рН

Метиловый оранжевый…4,0…………… 3,1 — 4,4

Метиловый красный….. 5,5…………… 4,4 — 6,2

Фенолфталеин……………9,0………….. 8,0 — 10,0

КРИВЫЕ ТИТРОВАНИЯ. ВЫБОР ИНДИКАТОРА

Кривая кислотно-основного титрования — это графическое изображение изменения рН раствора в ходе титрования.

Титрование сильной кислоты сильным основанием.

Допустим, что для титрования взяли 20 см3 раствора 0,1 моль/дм3 HCl, а в качестве титранта использовали раствор 0,1 моль/дм3 NaOH. Поскольку каждая молекула НСl дает при диссоциации один ион Н+, об­щая концентрация водородных ионов в 1 дм3 исходной 0,1 моль/дм3 кислоты составляет 0,1 (или 10 -1) моль-ион. Следовательно, рН этого раствора равен 1.

Когда 90 % соляной кислоты будет оттитровано, ионов Н+ останется 10 % от первоначального количества, то есть 0,01 (или 10-2) моль-ион в 1 дм3, а рН раствора станет равен 2. При нейтрализации 99,0 % соляной кислоты рН = 3; при нейтрализации 99,9 % кислоты рН = 4 и т. д. В момент полной нейтрали­зации соляной кислоты титруемый раствор содержит только натрия хлорид и имеет рН = 7. Прибавление избытка натрия гидроксида ведет к увеличению рН раствора, как это показано в табл. 3.1.

Результаты этих вычислений изображают графически. На оси абс-цисс откладывают избыток кислоты или щелочи в разные моменты титрования, а на оси ординат — соответствующие значения рН раствора. Получающийся гра­фик называют кривой титрования.

Ход этой кривой свидетельствует, что в конце титрования сильной кислоты сильным основанием происходит резкий скачок в измене-нии рН раствора. К моменту нейтрализации 99,9 % кислоты рН по­степенно растет от 1 до 4, то есть всего на три единицы, а при переходе от 0,1 % остатка НСl к 0,1 % избытку NaOH рН раствора резко увеличивается с 4 до 10. Это означает, что добавление одной капли щелочи в конце титрова­ния понижает концентрацию ионов Н+ с 10 -4 до 10 -10 моль в литре или в миллион раз.

Изменение рН раствора при титровании сильной кислоты сильным основанием

Прибавлено NaOH

Осталось HCl

Избыток NaOH

В результате резкого из­менения рН раствора от по­следней капли раствора основания происходит и рез­кое изменение окраски ин­дикатора. При отсутствии скачка рН на кривой титро­вания окраска индикатора изменялась бы постепенно и определить точку эквива­лентности было бы невоз­можно.

Титрование слабой кислоты сильным основанием

Кривую титрования слабой кислоты сильным основанием рассчитывают несколько иначе, так как при этом концентрацию ионов Н+ уже нельзя при­равнивать к общей концентрации кислоты. Ее приходится вычислять с уче­том константы диссоциации кислоты. Не вдаваясь в подробности вычислений, приведем кривую титрования раствора 0,1 моль/дм3 уксусной кис­лоты раствором 0,1 моль/дм3 NaOH (рис.3.2). Интервал скачка рН на ней значительно уже, чем в первом случае. Он простирается от рН = 7,8 (остатка кислоты в 0,1 %) до рН = 10 (∆pH = 2,2 избытка щелочи в 0,1 %). Слабая уксусная кислота посылает в раствор гораздо меньше ионов Н+, чем хлороводородная. Поэтому перед началом титрования рН раствора 0,1 моль/дм3 уксусной кислоты равен 3, а не 1, как в случае с хлороводородной кислотой. В ходе титрования рН раствора уксусной кислоты все время остается выше, чем при тех же концентрациях хлороводородной кислоты. Поэтому и скачок на кривой начинается с более высокого значения рН. Заканчивается он, как и впервом случае, при рН = 10, так как титрование производят тем же раствором 0,1 моль/дм3 NaOH.

Получающийся в результате титрования натрия ацетат СН­3СООNа гидролизуется с образованием некоторого избытка ионов ОН -. В связи с этим при титровании слабой кислоты сильной щелочью точка эквивалентности не совпадает с точкой нейтральности. Она лежит в щелочной области при рН = 8,9.

Для титрования слабой кислоты сильным основанием пригоден индикатор фенолфталеин. Его показатель титрования входит в пределы скачка рН на кривой и почти совпадает с точкой эквивалентности. Другие индикаторы (метиловый оранжевый, метиловый красный и даже лакмус) не могут быть использованы в этом случае, так как показатели титрования их не входят в интервал скачка.

Нейтрaлизация слабой кислоты слабым основанием

Выше было показано, что при титровании слабой кислоты сильным осно­ванием сужается интервал скачка на кривой в области кислот-ных значений рН. И наоборот, при титро­вании слабого основания сильной кислотой интервал скачка уменьшается в щелочной обла-сти рН. Если попытаться титровать слабую кислоту слабым основа-нием (или наоборот), то сужение интервала скачка происходит и в кислотной, и в щелочной областях рН. Вследствие этого интервал скачка рН на кривой вовсе исчезает. На рис. 3.4 показан ход изменения рН раствора при нейтрализации раствора 0,1 моль/дм3 СН3СООН раствором 0,1 моль/дм3 NН4ОН. Приведенная кривая не име­ет скачка рН. Поэтому в дан­ном случае нельзя ожидать и резкого изменения окраски индикаторов Титрование слабой кислоты слабым основанием вообще невозможно.

ВЫБОР ИНДИКАТОРА ПО ПРОДУКТАМ РЕАКЦИИ

В случае экспрессного анализа, когда нет возможности провести титрова­ние стандартного образца и построить кривую титрования, чтобы максималь­но точно подобрать индикатор, его выбирают по продуктам реакции. Это бо­лее быстрый, но менее точный способ выбора индикатора. Как пользоваться этим методом, рассмотрим на примере количественного определения щавеле­вой кислоты ( Ка1 = 5,62 ∙ 10-2 , Ка2 = 5,89 ∙ 10-5 ):

Н2С2О4 + 2NaOH → Na2C2О4 + 2Н2О

Продуктами данной реакции являются вода (рН = 7) и гидролизующаяся соль сильного основания и слабой кислоты, гидролиз которой идет по анио­ну. Следовательно, в точке эквивалентности рН > 7. Значит, в данном случае подойдет индикатор, интервал перехода окраски которого лежит в щелочной среде (например, фенолфталеин).

Правильное определение точки эквивалентности при титровании зависит не только от выбора индикатора, но и от порядка титрования. По методу нейтрализации титруют растворы кислот растворами основа­ний или наоборот. Этот порядок следует учитывать при выборе индикатора. Например, если титруют кислоту основанием и в качестве индикатора ис­пользуют метиловый оранжевый (или метиловый красный), то розовая окрас­ка индикатора от избыточной капли щелочи должна перейти в желтую. Такое изменение окраски гораздо хуже улавливается глазом, чем переход ее из жел­той в розовую. Поэтому с метиловым оранжевым (или метиловым красным) рекомендуют титровать растворы оснований растворами кислот. С фенолфта­лeином удобнее титровать растворы кислот растворами оснований, так как при этом бесцветный раствор становится малиновым. Следует заметить, что при использовании индикаторов для фиксирования конечной точки титрова­ния возможно появление индикаторной ошибки. Она образуется в случае не­совпадения рН раствора в точке эквивалентности и рТ индикатора. Если та­кое несовпадение имеет место, то раствор обычно либо несколько перетитро­вывают, либо наоборот — недотитровывают.

Для уменьшения индикаторной ошибки титрование проводят с так называемым «свидетелем». В запасную коническую колбу (или стакан) наливают дистиллированную воду в количестве, приблизительно равном объему жидкости, получающейся в конце титрования. Прибавляют к воде столько же ка­пель индикатора, например метилового оранжевого, сколько и к титруемому раствору, и приливают из бюретки 1-2 капли кислоты, вызывающей слабое порозовение раствора. Приготовленный таким образом «свидетель» использу­ют в качестве образца при титровании, добиваясь, чтобы окраска анализиру­емого раствора и «свидетеля» была одинакова. С помощью «свидетеля» вводят также поправку в результаты титрования на прибавленный избыток кислоты, то есть из затраченного ее объема вычитают объем двух капель ( ≈ 0,04 мл), использованных на окрашивание индикатора в «свидетеле».

Наконец, правильное определение точки эквивалентности зависит от ко­личества прибавленного индикатора. Иногда стараются прилить, побольше индикатора, полагая, что большая интенсивность окраски раствора облегчит определение точки эквивалентности. Но чем больше прибавлено индикатора, тем труднее заметить изменение окраски, так как оно будет происходить мед­леннее. Для установления конечной точки титрования имеет значение не столько яркость окраски раствора, сколько четкость ее изменения. Опытным путем найдено, что на 10-15 мл анализируемого раствора следует брать одну каплю раствора индикатора, а на 25 мл — не более 2 капель.

Таким образом, результат объемного определения зависит не только от выбора индикатора, но также от взятого количества его и от принятого порядка титрования.

Источник