Закон эквивалентов: вещества реагируют друг с другом в равных количествах их эквивалентов

Понятие химического эквивалента значительно упрощает расчеты в количественном анализе. Молярную концентрацию и молярную массу эквивалента вещества Х можно рассчитать по формулам:

Тогда закон эквивалентов можно записать в виде:

(1.1)

где V(X) и V(Y) – объемы реагирующих веществ Х и Y.

Эта формула позволяет рассчитать концентрацию эквивалента определяемого вещества (анализируемый раствор), если точно известна концентрация реагирующего с ним вещества (титрант). Добавление раствора титранта к анализируемому раствору небольшими порциями (по каплям) называется титрованием. При проведении титрования контролируют объем добавленного титранта. Процесс титрования заканчивается при достижении точки эквивалентности – состояния системы, в котором количества веществ эквивалентов анализируемого вещества (Х) и титранта (Т) становятся равны. Измерив объем титранта рассчитывают концентрацию эквивалента анализируемого вещества, используя (1.1):

Реакции, используемые в титриметрическом анализе, должны осуществляться достаточно быстро, быть практически необратимыми, не сопровождаться образованием побочных продуктов и позволять надежно фиксировать точку эквивалентности.

В зависимости от типа химической реакции выделяют следующие методы титриметрического анализа:

• Кислотно-основное титрование (ацидиметрия, алкалиметрия);
• Окислительно-восстановительное титрование – оксидиметрия (перманганатометрия, иодиметрия, броматометрия);
• Осадительное титрование (аргентометрия, меркуриметрия);
• Комплексометрическое титрование (комплексометрия, комплексонометрия);

По способам титрования различают: прямое титрование, когда к раствору анализируемого вещества непосредственно добавляют раствор титранта; при обратном титровании к раствору анализируемого вещества добавляют строго определенное количество вспомогательного реагента, избыток которого титруют раствором титранта; при косвенном титровании к раствору анализируемого вещества добавляют нефиксированный избыток вспомогательного реактива с последующим титрованием продукта реакции раствором титранта.

Кислотно-основные реакции в титриметрическом анализе. Определение веществ с применением в качестве титрантов стандартных растворов кислот называется ацидиметрия, а с применением растворов щелочей – алкалиметрия. Ацидиметрическим титрованием можно определить содержание в растворе сильных и слабых оснований, а также солей, образованных слабыми кислотами и гидролизующихся по аниону. Точка эквивалентности в этих случаях находится в кислой среде, в области рН≤7. Алкалиметрически можно определить содержание в растворе сильных и слабых кислот, а также солей, образованных слабыми основаниями и гидролизующихся по катиону. Точка эквивалентности в этих случаях находится в щелочной среде, в области

рН ≥7.

Зависимость рН (или какого-либо другого физического свойства) от объема добавленного титранта называется кривой титрования, на ней фиксируется скачок – резкое изменение свойства – в точке эквивалентности (рис.1).

Точка эквивалентности определяется, как правило, визуально по изменению окраски раствора. Часто для этих целей используют кислотно-основные индикаторы – органические соединения, которые изменяют окраску в зависимости от концентрации ионов Н⁺, то есть от рН раствора. Изменение цвета индикатора отмечается в области рН, которая называется интервалом перехода индикатора (таблица 2 и таблица 4 приложения). Индикатор подбирают так, чтобы интервал перехода окраски включал значение рН, которое должен иметь раствор в точке эквивалентности (рис. 1). Смеси индикаторов, которые непрерывно изменяют окраску во всей области рН от 1 до 14, называются универсальными. Их используют для приблизительной оценки рН растворов.

Оборудование и методика проведения титриметрического анализа. Основным оборудованием в титриметрическом анализе является мерная химическая посуда – бюретки, мерные пипетки, мерные и конические колбы (рис.2). Мерная посуда обязательно должна иметь маркировку с указанием вместимости (в мл), которая реализуется при наполнении жидкостью при указанной температуре.

Бюретка представляет собой калиброванную стеклянную трубку с клапанным устройством на оттянутом конце, предназначенную для добавления растворов небольшими порциями или каплями и измерения объема. Цена бюретки вместимостью 25 мл или 50 мл составляет 0,1 мл. Заполняется бюретка раствором через верхнее отверстие с помощью воронки. Мерные пипетки – это стеклянные трубки, предназначенные для отмеривания и переноса заданного объема раствора для проведения анализа – аликвотной доли – из одного сосуда в другой. Пипетка может быть рассчитана на отмеривание одного объема (пипетка Мора) или на любой объем в пределах вместимости (градуированная пипетка). Для заполнения пипеток используют медицинские груши. Мерные колбы представляют собой плоскодонные колбы с узким горлышком, на которое нанесена кольцевая метка. Мерные колбы предназначены для приготовления растворов точно заданного объема. Конические колбы – плоскодонные колбы, предназначенные для непосредственного проведения реакций.

Этапы выполнения титриметрического анализа показаны на рисунке 3. Анализируемый раствор переносят в мерную колбу (1) и добавляют дистиллированную воду строго до метки. Из мерной колбы с помощью пипетки Мора отбирают аликвотную долю анализируемого раствора (2) и переносят в коническую колбу для титрования (3). Перед началом титрования в колбу при необходимости добавляют вспомогательные растворы или индикатор. Титруют (4) анализируемый раствор в конической колбе раствором титранта из бюретки, предварительно заполнив ее до нулевой метки. Следует помнить, что заполнение бюретки и измерение объемов для неокрашенных или слабоокрашенных жидкостей проводят по центру мениска жидкости, а для интенсивноокрашенных жидкостей – по краю мениска.

Задание для самостоятельной подготовки

При подготовке к занятию необходимо усвоить следующие основные понятия:

1) Количественный анализ;

2) Химический эквивалент

3) Закон эквивалентов;

4) Титрование и титрант;

5) Точка эквивалентности и кривая титрования;

6) Основные методы титриметрического анализа и способы титрования;

7) Ацидиметрия и алкалиметрия;

8) Принцип выбора индикатора;

Для подготовки к занятию в качестве основного рекомендован учебник [ ], дополнительно может быть использована литература: [ ]

Контрольные вопросы

1. В чем сущность титриметрического метода анализа?
2. Дайте определение понятий «титрование», «титрант».
3. Сформулируйте закон эквивалентов.
4. Рассчитайте факторы эквивалентности фосфорной кислоты, если в результате ее взаимодейсвия с гидроксидом натрия образуются: а) дигидрофосфат натрия; б) фосфат натрия.
5. Рассчитайте факторы эквивалентности перманганата калия и щавелевой кислоты в реакции: 2 KMnO₄ + 5 H₂ С₂O₄ + 3 H₂SO₄ → 2 MnSO₄ + 10 СO₂ + K₂SO₄ + 8 H₂O
6. Пользуясь таблицами 2 и 4 Приложения, подберите индикатор для каждого случая ацидиметрического титрования соляной кислотой растворов: а) карбоната натрия; б) аммиака; в) гидроксида калия. Выбор поясните.
7. Вычислите объем раствора азотной кислоты с концентрацией 0,065 моль/л, необходимый для титрования раствора, содержащего 0,1 г гидроксида калия.
8. Раствор муравьиной кислоты массой 2,32 г разбавлен водой до 100 мл. На титрование 10 мл разбавленного раствора затрачено 7,2 мл раствора гидроксида калия с концентрацией 0,15 моль/л. Рассчитайте массовую долю муравьиной кислоты в исходном растворе.

Рис.1. Кривые титрования: сильного основания (щелочи) сильной кислотой (а) и слабой кислоты сильным основанием (б).

Рис.2. Оборудование для титриметрического анализа: а – бюретки; б – пипетки; в – мерная колба; г – коническая колба.

Рис.3. Этапы выполнения титриметрического анализа (пояснения в тексте).

Дата добавления: 2015-06-25