Комплексонометрия

Аналитическая реакция – связывание определяемого элемента в растворимый комплекс. В качестве титрантов используют органические комплексоны с несколькими функциональными группами в молекуле, которые образуют с катионами металлов пяти- или шестичленные гетероциклы, называемые хелатами. Наиболее распространенный комплексон – дигидроэтилендиаминтетраацетат натрия, имеющий техническое название трилон Б. Формула трилона Б следующая:

(NaOOCH₃C)N¾СH₂¾CH₂¾N(CH₃COONa)

½

CH₃COOH CH₃COOH

Образующийся в результате диссоциации в растворе анион дигидроэтилендиаминотетраацетата обозначим условно H₂Tr^2-. Он реагирует с катионами металлов по уравнению:

H₂Tr^2- + Me^Z+ ® MeTr^Z-2 + 2H⁺.

Как следует из уравнения реакции, она протекает не в эквивалентных, а в молярных соотношениях: 1 моль определяемого элемента на один моль трилона. Поэтому при расчете результатов по формуле (2.2) используют не нормальные, а молярные концентрации.

Индикаторы трилонометрического титрования – это слабые окрашенные органические кислоты, образующие с катионами металлов комплексы, менее устойчивые, чем комплексы с трилоном. При добавлении индикатора раствор окрашивается за счет образования металл-индикаторного комплекса:

Me²⁺ + 2HInd Û Me(Ind)₂ + 2H⁺;

С индикатором связана малая часть катионов металла. Остальные катионы определяемого элемента в ходе титрования постепенно связываются в комплекс с трилоном. Когда все свободные катионы металла будут связаны с трилоном, он вытеснит индикатор из неустойчивого металл-индикаторного комплекса:

Me(Ind)₂ + H₂Tr^2- Û MeTr^2- + 2HInd.

В результате окраска раствора изменяется, что позволяет установить эквивалентную точку.

2.5. Лабораторная работа «Определение содержания соды в присутствии щелочи»

Студенты получают для анализа раствор, содержащий щелочь и карбонат натрия, который титруют раствором соляной кислоты. В ходе титрования последовательно протекают следующие реакции:

NaOH + HCl ® NaCl + H₂O; (2.5)

Na₂CO₃ + HCl ® NaHCO₃ + NaCl; (2.6)

NaHCO₃ + HCl ® H₂CO₃ + NaCl; (2.7)

Каждой реакции соответствует эквивалентная точка. Первую эквивалентную точку с помощью цветных индикаторов определить невозможно, так как скачок рН в ней мал и лежит в сильнощелочной области. Вторая и третья эквивалентные точки рассчитаны в табл.3, соответствующие им скачки рН иллюстрирует рис.5. Вторую эквивалентную точку, отвечающую полному протеканию реакции (2.6) и имеющую значение рН = 8,3, можно установить по обесцвечиванию розовой окраски индикатора фенолфталеина. Соответствующий ей эквивалентный объем титранта обозначим V₂. Третья эквивалентная точка лежит при значении рН = 3,8, соответствующем переходу окраски метилоранжа от желтой к красной. Эквивалентный объем титранта обозначим V₃.

Объем титранта, эквивалентный общему содержанию соды, равен удвоенному объему, израсходованному на реакцию (2.7). Если обозначить его V₄, то можно предложить следующую формулу для расчета:

V₄ = 2(V₃ – V₂); (2.8)

Объем титранта V₁, эквивалентный содержанию щелочи, равен разности между общим расходом титранта V₃ и расходом его на нейтрализацию соды V₄. Отсюда получаем формулу:

V₁ = V₃ – V₄ = 2V₂ – V₃; (2.9)

Подставив эти значения эквивалентных объемов в формулу (2.2), получаем уравнения для расчета результатов титрования:

, экв/л. (2.10)

Чтобы получить концентрацию в граммах на литр (г/л), которую часто используют на производстве, надо нормальную концентрацию домножить на эквивалент соды, равный половине её молярной массы.

, экв/л. (2.11)

Концентрацию обычно выражают в г/л путем домножения на эквивалент щелочи, равный её молярной массе.

Порядок выполнения работы.

Из раствора пробы с помощью мерной пипетки отбирают в конические колбы для титрования не менее 2-х аликвот объемом 5 мл. Аликвоты разбавляют дистиллированной водой до объема 20-30 мл, добавляют 2 капли фенолфталеина и титруют из бюретки 0,1 н. раствором соляной кислоты до полного исчезновения розовой окраски. Окраска не должна восстанавливаться при перемешивании раствора в течение 30 секунд. Записывают эквивалентный объем V₂.

Не прерывая опыт, добавляют 2-3 капли метилового оранжевого и продолжают титрование до перехода желтой окраски раствора в красную. Записывают эквивалентный объем V₃.

Повторяют титрование до получения не менее двух результатов, совпадающих между собой в пределах погрешности измерений. Эквивалентные объемы в разных аликвотах должны совпадать друг с другом в пределах погрешности измерения объема, то есть в пределах цены деления бюретки. Затем рассчитывают результаты по формулам (2.10) и (2.11).

2.6. Лабораторная работа «Перманганатометрическое определение содержания железа (2+)»

Определение основано на реакции:

10FeSO₄ + 2KMnO₄ + 8H₂SO₄ ® 5Fe₂(SO₄)₃ + 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 8H₂O

2Fe²⁺ - 2e^- ® 2Fe³⁺ ½5

MnO₄^- + 8H⁺ + 5e^- ® Mn²⁺ + 4H₂O ½2

Студенты получают для анализа раствор соли железа (2+). Из него с помощью мерной пипетки отбирают в конические колбы для титрования не менее 2-х аликвот объемом 5 мл. К аликвотам добавляют мерным цилиндром по 2 мл раствора фосфорной кислоты и разбавляют дистиллированной водой до объема 20-30 мл. Полученные растворы титруют из бюретки 0,1 н. раствором перманганата калия до появления розовой окраски избыточного титранта, не исчезающей при перемешивании в течение 1 минуты. Записывают эквивалентный объем титранта. Титрование повторяют до получения не менее двух сходящихся значений. Расчет результатов ведут по формуле (2.2). Для перевода полученной нормальной концентрации в г/л результат домножают на электрохимический эквивалент железа, равный его молярной массе, так как в полуреакции окисления каждый атом железа отдает всего 1 электрон.

2.7. Лабораторная работа «Йодометрическое определение содержания меди»

Определение основано на восстановление меди (2+) до меди (1+) йодидом калия. Однако эта реакция протекает медленно, и прямое титрование невозможно. Поэтому к раствору соли Cu²⁺ добавляют избыток KJ. В результате выделяется йод в количестве, эквивалентном содержанию меди. Полученный йод оттитровывают раствором тиосульфата натрия. Протекающие в ходе анализа реакции можно отобразить следующими уравнениями:

2CuSO₄(p-p) + 4KJ(тв) Û Cu₂J₂(тв) + K₂SO₄(p-p) + J₂(p-p) (2.12)

В ходе реакции образуются белый осадок йодида меди (I) и бурый раствор йода. Реакция протекает в течение 3-5 минут, лучше в темноте. Выделившийся йод титруют раствором тиосульфата натрия по реакции:

2Na₂S₂O₃ + J₂ Û 2NaJ + Na₂S₄O₆; (2.13)

Суммарную реакцию можно отобразить уравнением:

2Сu²⁺ + 2S₂O₃^2- Û 2Cu⁺ + S₄O₆^2-; (2.14)

Тиосульфат расходуется при титровании в количестве, эквивалентном содержанию меди в пробе, согласно реакции (2.14), хотя непосредственно данная реакция не протекает.

Из раствора пробы отбирают пипеткой в конические колбы для титрования не менее 2-х аликвот объемом по 5 мл, добавляют 10-15 капель 2 н. раствора серной кислоты и разбавляют дистиллированной водой до 20-30 мл. Затем в колбы с помощью шпателя добавляют избыток сухого йодида калия и оставляют колбы на 5 минут в темноте при периодическом перемешивании для полного протекания реакции. В это время готовят бюретку для титрования. По окончании реакции выделившийся йод оттитровывают раствором тиосульфата натрия. Эквивалентную точку определяют по обесцвечиванию крахмала, который добавляют в количестве 5-6 капель в качестве индикатора на йод. Расчет результатов ведут по формуле (2.2). Для перевода полученной нормальной концентрации в г/л, результат домножают на электрохимический эквивалент меди, равный её молярной массе.

2.8. Лабораторная работа «Определение содержания кальция и магния в совместном присутствии»

Задача определения содержания кальция и магния при их совместном присутствии в растворе возникает при определении жесткости воды. Её решают трилонометрическим методом. Поскольку при реакции трилона с катионами металлов выделяются катионы Н⁺, титрование ведут в среде аммиачно-хлоридного буфера (смеси растворов NH₄OH и NH₄Cl). Полученный эквивалентный объем трилона V₁ отвечает суммарному содержанию кальция и магния. Затем титрование повторяют в сильнощелочной среде, при рН = 13-14. При этом магний выпадает в осадок в виде гидроксида. Эквивалентный объем V₂ отвечает содержанию в пробе только кальция. Содержанию магния соответствует разность полученных эквивалентных объемов DV = V₁ – V₂.

Для титрования из раствора пробы отбирают пипеткой в конические колбы 2 аликвоты объемом 5 мл. К аликвотам добавляют по 5 мл аммиачно-хлоридного буфера и дистиллированную воду до объема 20-30 мл. Затем вносят в колбы немного сухого индикатора «эриохром черный» и титруют из бюретки раствором трилона Б до перехода красной окраски в синюю. Записывают эквивалентный объем V₁.

Затем приступают ко второй части работы. Вновь из раствора пробы отбирают в конические колбы 2 аликвоты по 5 мл, добавляют к ним по 5 мл раствора щелочи с концентрацией 1 н. и перемешивают. Затем вносят в колбы немного сухого индикатора «мурексид» и титруют трилоном до перехода окраски от розовой к сиреневой. Записывают эквивалентный объем трилона V₂.

Результаты рассчитывают по формулам:

, моль/л

, моль/л.

Для перевода полученных молярных концентраций в г/л их надо домножить на молярные массы элементов.

2.9. Лабораторная работа «Определение содержания цветных металлов трилонометрическим методом»

В работе определяют концентрации меди (2+), никеля и цинка в раздельных пробах. Из выданных для анализа растворов отбирают мерной пипеткой в конические колбы по 2 аликвоты объемом 5 мл. Затем создают необходимую для титрования среду, добавляют дистиллированную воду до объема 20-30 мл, немного сухого индикатора и титруют раствором трилона Б. Медь и никель титруют в аммиачной среде (аммиак добавляют к аликвотам по каплям при перемешивании до растворения образующейся от первых капель основной соли) с индикатором «мурексид». Переход окраски индикатора в эквивалентной точке от желтой к сиренево-фиолетовой.

Цинк титруют в среде аммиачно-хлоридного буфера, который добавляют к аликвотам с помощью мерного цилиндра в количестве 5 мл. Эквивалентную точку определяют по переходу окраски индикатора «эриохром черный» от красной к синей.

Результаты рассчитывают по формуле (2.2). Полученные молярные концентрации переводят в г/л путем домножения их на молярные массы элементов.

Дата добавления: 2015-07-14