Титриметрический метод анализа кратко

Обновлено: 05.07.2024

Титриметрическим методом анализа называют метод количественного анализа, основанный на измерении объема раствора с точно известной концентрацией реактива, требующегося для завершения реакции с данным количеством определяемого вещества.

Метод заключается в том, что к раствору определяемого вещества А постепенно прибавляют раствор реактива В известной концентрации. Добавление реактива В продолжают до тех пор, пока его количество не станет эквивалентным количеству реагирующего с ним определяемого вещества А.

Количественные определения с помощью объемного метода выполняются очень быстро. Время, требуемое для завершения определения титриметрическим методом, измеряется минутами. Это позволяет без особой затраты труда проводить несколько последовательных и параллельных определений.

Основоположником титриметрического анализа является французский ученый Ж. Л. Гей-Люссак.

Точка эквивалентности. Предположим, что требуется определить в данном растворе едкого натра неизвестной концентрации содержание NaOH (определяемое вещество А). Для решения этой задачи титриметрическим методом анализа к исследуемому реактиву постепенно приливают по каплям хлористоводородную кислоту точно известной концентрации (реактив В).

При этом происходит реакция нейтрализации:

NaOH + HCI ® NaCI + H₂O

По мере прибавления НСl постепенно нейтрализуется NaOH; количество его непрерывно уменьшается, и щелочность раствора падает. Наконец, введенное количество НС1 становится равноценным (эквивалентным) количеству NaOH, содержащемуся в растворе неизвестной концентрации.

Момент, в котором количество реактива становится эквивалентным количеству определяемого вещества, называют точкой эквивалентности .

Точку эквивалентности устанавливают по показаниям специальных приборов либо с помощью индикаторов. Момент, при котором происходит изменение цвета индикатора, называют точкой конца титрования. Очень часто эта точка не совсем точно совпадает с точкой эквивалентности, соответствующей теоретической точке конца титрования.

Титрование.

Стандартный, или титрованный, раствор . Раствор реактива точно известной концентрации называют титрованным, стандартным или рабочим раствором, или титрантом. Концентрацию стандартного раствора реактива обычно выражают в граммах на миллилитр (г/мл) или в единицах нормальности.

Зная концентрацию и объем раствора реактива, израсходованного на реакцию с анализируемым раствором, можно вычислить содержание определяемого вещества в исследуемом растворе.

Например, для анализа дан раствор соляной кислоты неизвестной концентрации. Для определения содержания НС1 в растворе можно применить способ, основанный на титровании соляной кислоты титрованным раствором едкого натра. Для этого анализируемую кислоту помещают в коническую колбу, добавляют 1—2 капли индикатора, например лакмуса, и постепенно по каплям приливают из бюретки титрованный раствор едкого натра.

По мере добавления раствора NaOH постепенно нейтрализуется содержащаяся в колбе соляная кислота. Наконец наступает такой момент, когда реакция раствора станет нейтральной. В этот момент количество прибавленного реактива (NaOH) эквивалентно количеству определяемого вещества (НС1). Вслед за этим последующая добавленная капля раствора едкого натра создает щелочную реакцию среды. Прибавленный индикатор изменяет свою окраску при переходе от кислой среды к нейтральной, указывая на момент окончания реакции нейтрализации.

Если, например, было израсходовано 24,50 мл титрованного раствора NaOH, титр которого равен 0,004000 г/мл, то, следовательно, для реакций нейтрализации НС1 было израсходовано 0,004000´24,50 = 0,09800 г 100%-ного NaOH.

Количество НС1, содержащегося в оттитрованной соляной кислоте, вычисляют, составляя пропорцию:

Реакции, применяемые в объемном анализе.

Объемные методы анализа основаны на применении реакций: нейтрализации, осаждения, комплексообразования, окисления — восстановления и т. п.

Эти реакции должны удовлетворять определенным требованиям:

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 илииным способом резко и точно;

5) реакции должны по возможности протекать при комнатной температуре.

Классификация методов объемного анализа.

В соответствии с характером основных реакций, используемых для количественного определения исследуемых веществ, все методы объемного анализа делят на группы:

1) методы нейтрализации, или методы кислотно-основного титрования;

2) методы окисления-восстановления;

3) методы осаждения;

4) методы комплексообразования и т. п.

Общие приемы титрования

Простейший прием титрования в объемном анализе состоит в том, что к определенному объему раствора или к определенной навеске вещества А, растворенного в подходящем растворителе, по каплям приливают из точно прокалиброванной бюретки стандартный (титрованный) раствор реактива В. Окончание реакции узнают по изменению окраски индикатора или другим способом. Такой прием титрования называют методом прямого титрования.

Определение содержания НС1 в соляной кислоте с помощью NaOH представляет собой пример прямого титрования.

Если в распоряжении аналитика имеется титрованный раствор требуемого реактива В, то весь процесс прямого титрования вещества А занимает несколько минут.

Зная количество стандартного раствора реактива В, израсходованного на реакцию с определяемым веществом А, можно легко вычислить содержание вещества А.

Обратное титрование.

Иногда по тем или иным причинам нельзя применить метод прямого титрования. Тогда прибегают к так называемому методу обратного титрования (титрование по остатку). Этот прием состоит в том, что к определенному объему раствора или к определенной навеске вещества А, растворенного в подходящем растворителе, приливают точно измеренный объем титрованного раствора реактива В, взятый в избытке. Избыток не вошедшего в реакцию реактива В оттитровывают стандартным раствором другого вспомогательного реактива B₁ точно известной концентрации. На титрование избытка реактива В должно идти не менее 15-20 мл реактива B₁.

Например, для определения содержания НС1 в соляной кислоте неизвестной концентрации можно прибавить к ней точно отмеренное количество титрованного раствора AgNО₃, взятого с избытком, а затем непрореагировавший избыток AgNО₃ обратно оттитровать стандартным раствором подходящего реактива, реагирующего с ионами серебра, не вошедшими в реакцию. Таким реагентом является роданид аммония, К вступающий в реакцию с ионами серебра с образованием малорастворимого AgSCN.

Если реакцию обратного титрования вести в присутствии ионов железа (III), то лишняя капля титрованного раствора вспомогательного реактива B₁ вызывает окрашивание раствора в розово-красный цвет вследствие образования Fe(SCN)₃. Появление розовой окраски свидетельствует об окончании реакции.

Как и при прямом титровании, зная количество стандартного раствора реактива В, израсходованного на реакцию с определяемым веществом А, можно легко вычислить содержание вещества А.

Метод замещения.

В некоторых случаях прибегают к особому приему титрования, называемому титрованием заместителя. Сущность его заключается в следующем. К определяемому веществу А прибавляют какой-либо вспомогательный реагент B₁, реагирующий с ним с выделением эквивалентного количества нового вещества А₁, которое оттитровывают стандартным раствором основного реактива В. Другими словами, вместо непосредственного титрования определяемого вещества А титруют его заместитель A₁.

Поясним это на примере. Окислитель КМnО₄ можно оттитровать c помощью стандартного раствора восстановителя. Но не всякий восстановитель пригоден для этой цели. Например, тиосульфат - Na₂S₂O₃, являющийся хорошим восстановителем, нельзя по ряду причин непосредственно применить для титрования таких сильных окислителей, какими являются KMnO₄, K₂Cr₂O₇. МnO₂ и т.д.

Однако раствор Na₂S₂O₃ с успехом применяют для титрования такого слабого окислителя, как иод. Поэтому предварительно действуют на КМnО₄ в кислой среде вспомогательным реактивом KJ (В₁), который реагирует с КМnО₄ с выделением иода (А₁).

Иод выделяется в эквивалентном количестве по отношению к КМnО₄. Если оттитровать выделившийся иод (заместитель перманганата А₁) стандартным раствором основного реактива Na₂S₂O₃ (В), то можно вычислить количество КМnО₄ (А).

Конец титрования определяют с помощью индикатора — раствора крахмала. В присутствии иода крахмал окрашивается в синий цвет. По мере восстановления иода тиосульфатом синяя окраска крахмала постепенно исчезает; в точке эквивалентности раствор полностью обесцвечивается.

Количество израсходованного на реакцию основного реактива Na₂S₂O₃ (В) эквивалентно количеству выделившегося иода (А₁). Количество выделившегося иода (заместителя — А₁) в свою очередь эквивалентно количеству КМnО₄ (А), содержащегося в образце.

Зная, сколько основного реактива Na₂S₂О₃ израсходовано на реакцию с J₂, нетрудно вычислить содержание определяемого вещества — КМnО₄.

Приемы прямого и обратного титрования, а также титрование методом замещения широко применяют в объемном анализе.

Титриметрический метод анализа (титрование) позволяет провести объемный количественный анализ и находит широкое применение в химии. Его главное достоинство - разнообразие способов и методов, благодаря чему его можно использовать для решения разнообразных аналитических задач.

Принцип анализа

Титриметрический метод анализа основан на измерении объема раствора известной концентрации (титранта), вступившего в реакцию с исследуемым веществом.

Для анализа понадобится специальное оборудование, а именно, бюретка – тонкая стеклянная трубка с нанесенной градуировкой. Верхний конец этой трубки открыт, а на нижнем находится запорный кран. Прокалиброванную бюретку с помощью воронки заполняют титрантом до нулевой отметки. Анализ проводят до конечной точки титрования (КТТ), добавляя небольшое количество раствора из бюретки к исследуемому веществу. Конечную точку титрования идентифицируют по изменению цвета индикатора или какого-либо физико-химического свойства.

Конечный результат рассчитывается по затраченному объему титранта и выражается в титре (Т) – массе вещества, приходящейся на 1 мл раствора (г/мл).

Обоснование процесса

Титриметрический метод количественного анализа дает точные результаты, поскольку вещества реагируют друг с другом в эквивалентных количествах. Это означает, что произведение их объема и количества тождественны друг другу: C₁V₁ = C₂V₂. Из этого уравнения легко найти неизвестное значение С₂, если остальные параметры задаются самостоятельно (С₁, V₂) и устанавливаются в ходе анализа (V₁).

Обнаружение конечной точки титрования

Поскольку своевременное фиксирование конца титрования – наиболее важная часть анализа, нужно правильно подобрать его способы. Наиболее удобным считается использование цветных или флуоресцентных индикаторов, но можно применять и инструментальные методы – потенциометрию, амперометрию, фотометрию.

Окончательный выбор способа обнаружения КТТ зависит от требуемой точности и селективности определения, а также его скорости и возможности автоматизации. Особенно актуально это для мутных и окрашенных растворов, а также агрессивных сред.

Требования к реакции титрования

Чтобы титриметрический метод анализа дал верный результат, нужно правильно подобрать реакцию, которая будет лежать в его основе. Требования к ней следующие:

стехиометричность;
высокая скорость протекания;
высокая константа равновесия;
наличие достоверного способа фиксирования экспериментального конца титрования.

Подходящие реакции могут принадлежать любому типу.

Виды анализа

Классификация методов титриметрического анализа основана на типе реакции. По этому признаку различают следующие методы титрования:

кислотно-основное;
окислительно-восстановительное;
комплексометрическое;
осадительное.

В основе каждого вида лежит свой тип реакции, подбираются специфические титранты, в зависимости от которых в анализе выделяют подгруппы методов.

Кислотно-основное титрование

Титриметрический метод анализа с использованием реакции взаимодействия гидроксония с гидроксид-ионом (Н₃О + + ОН - = Н₂О) называется кислотно-основным. Если известное вещество в растворе образует протон, что характерно для кислот, метод относится к подгруппе ацидиметрия. Здесь в качестве титранта обычно используют устойчивую соляную кислоту HCl.

Если титрант образует гидроксид-ион, метод называется алкалиметрией. Используемые вещества – щелочи, например, NaOH, или соли, полученные взаимодействием сильного основания со слабой кислотой, как Na₂CO₃.

Индикаторы при этом используется цветные. В качестве них выступают слабые органические соединения – кислоты и основания, у которых различаются структура и окраска протонированных и не протонированных форм. Чаще всего в кислотно-основном титровании используется одноцветный индикатор фенолфталеин (прозрачный раствор в щелочной среде становится малиновым) и двухцветный метиловый оранжевый (красное вещество становится желтым в кислой среде).

Их широкое применение связано с высоким светопоглощением, благодаря которому их окраска хорошо заметна невооруженным глазом, и контрастности и узкой области перехода цвета.

Окислительно-восстановительное титрование

Окислительно-восстановительный титриметрический анализ – это метод количественного анализа, основанный на изменении соотношения концентраций окисленной и восстановленной форм: aOx₁ + bRed₂ = aRed₁ + bOx₂.

Делится метод на следующие подгруппы:

перманганатометрия (титрант – KMnO₄);
иодометрия (I₂);
дихроматометрия (K₂Cr₂O₇);
броматометрия (KBrO₃);
иодатометрия (KIO₃);
цериметрия (Ce(SO₄)₂);
ванадатометрия (NH₄VO₃);
титанометрия (TiCl₃);
хромометрия (CrCl₂);
аскорбинометрия (С₆Н₈ОН).

В ряде случаев роль индикатора может играть реагент, участвующий в реакции и меняющий свою окраску с приобретением окисленной или восстановленной формы. Но также применяют специфические индикаторы, например:

при определении йода используют крахмал, который образует темно-синее соединение с I₃ — ионами;
при титровании трехвалентного железа применяют тиоционат-ионы, образующие с металлом комплексы, окрашенные в ярко-красный цвет.

Кроме того, есть специальные редокс-индикаторы – органические соединения, имеющие разную окраску окисленной и восстановленной форм.

Комплексометрическое титрование

Если кратко, титриметрический метод анализа, называемый комплексометрическим, основан на взаимодействии двух веществ с образованием комплекса: M + L = ML. Если используются соли ртути, например, Hg(NO₃)₂, метод называется меркуриметрией, если этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭДТА) – комплексонометрией. В частности, с помощью последнего метода проводится титриметрический метод анализа воды, а именно, ее жесткости.

В комплексонометрии используют прозрачные металлоиндикаторы, приобретающие окраску при образовании комплексов с ионами металлов. Например, при титровании солей трехвалентного железа ЭДТА в качестве индикатора используют прозрачную сульфосалициловую кислоту. Она окрашивает раствор в красный цвет при образовании комплекса с железом.

Однако чаще металлоиндикаторы имеют собственный цвет, который меняют в зависимости от концентрации иона металла. В качестве таких индикаторов применяются многоосновные кислоты, образующие достаточно устойчивые комплексы с металлами, которые при этом быстро разрушаются при воздействии ЭДТА с контрастным изменением окраски.

Осадительное титрование

Титриметрический метод анализа, в основе которого лежит реакция взаимодействия двух веществ с образованием твердого соединения, выпадающего в осадок (М + Х = МХ↓), является осадительным. Он имеет ограниченное значение, так как обычно процессы осаждения протекают неколичественно и нестехиометрично. Но иногда он все-таки используется и имеет две подгруппы. Если в методе используются соли серебра, например, AgNO₃, он называется аргентометрией, если соли ртути, Hg₂(NO₃)₂, то меркурометрией.

Для обнаружения конечной точки титрования используют следующие способы:

метод Мора, в котором индикатором служит хромат-ион, образующий красно-кирпичный осадок с серебром;
метод Фольгарда, основанный на титровании раствора ионов серебра тиоцианатом калия в присутствии трехвалентного железа, образующего с титрантом красного комплекса в кислой среде;
метод Фаянса, предусматривающий титрование с адсорбционными индикаторами;
метод Гей-Люссака, в котором КТТ определяется по просветлению или помутнению раствора.

Последний метод в последнее время практически не используется.

Способы титрования

Титрование классифицируется не только по лежащей в основе реакции, но и по способу выполнения. По этому признаку выделяют следующие виды:

прямое;
обратное;
титрование заместителя.

Первый случай используют только в условиях идеального протекания реакции. Титрант при этом добавляют непосредственно к определяемому веществу. Так с помощью ЭДТА определяют магний, кальций, медь, железо и еще около 25 металлов. Но в других случаях чаще используют более сложные способы.

Обратное титрование

Идеальную реакцию удается подобрать не всегда. Чаще всего она медленно протекает, или для нее сложно подобрать способ фиксирования конечной точки титрования, или среди продуктов образуются летучие соединения, из-за чего определяемое вещество частично теряется. Преодолеть эти недостатки можно, используя метод обратного титрования. Для этого к определяемому веществу приливают большое количество титранта, чтобы реакция прошла до конца, а затем определяют, какое количество раствора осталось непрореагировавшим. Для этого остатки титранта от первой реакции (Т₁) титруются другим раствором (Т₂), и его количество определяется по разности произведений объемов и концентраций в двух реакциях: С_Т1V_T₁-C_T₂V_T₂.

Применение титриметрического метода анализа обратным способом лежит в основе определения диоксида марганца. Его взаимодействие с сульфатом железа протекает очень медленно, поэтому соль берется в избытке и реакция ускоряется при помощи нагревания. Непрореагировавшее количество иона железа титруется дихроматом калия.

Титрование заместителя

Титрование заместителя используется в случае нестехиометричных или медленных реакций. Его суть в том, что для определяемого вещества подбирается стехиометричная реакция со вспомогательным соединением, после чего титрованию подвергают продукт взаимодействия.

Именно так поступают при определении дихромата. К нему добавляют иодид калия, в результате чего выделяется эквивалентное определяемому веществу количество йода, которое затем титруется тиосульфатом натрия.

Таким образом, титриметрический анализ позволяет определить количественное содержание широкого круга веществ. Зная их свойства и особенности протекания реакций, можно подобрать оптимальный метод и способ титрования, который даст результат с высокой степенью точности.

Читайте также: