Лекция 4 Окислительно-восстановительное титрование
Методы окислительно-восстановительного титрования, или редокс-методы,основаны на использовании реакций с переносом электронов — окислительно-восстановительных (ОВ) реакций. Другими словами, окислительно-восстановительное титрование, илиредоксметрия, — это титрование, сопровождаемое переходом одного или большего числа электронов от иона-донора или молекулы (восстановителя)Red1к акцептору (окислителю) Ох2:
Восстановленная форма одного вещества Red1, отдавая электроны, переходит в окисленную форму Ох1того же вещества. Обе эти формы oбpaзуют oдну peдoкc-пapу OxlRedl.
Окисленная форма Ох2второго вещества, участвующего в ОВ реакции, принимая электроны, переходит в восстановленную формуRed2того же вещества. Обе эти формы также образуют редокс-паруOx2Red2.
В любой окислительно-восстановительной реакции участвуют, по крайней мере, две редокс-пары.
Чем выше ОВ потенциал редокс-пары Ох2Red2, окисленная форма которой играет роль окислителя в данной реакции, тем большее число восстановителейRed1можно оттитровать и определить с помощью данного окислителя Ох2. Поэтому в редоксметрии в качестве титрантов чаще всего применяют окислители, стандартные ОВ потенциалы редокс-пар которых имеют как можно более высокие значения, например (при комнатной температуре):
Се 4+ ,Е°(Се 4+ Се 3+ )=1,44 В; МnО4 ‑ ,Е°(МnО4 ‑ , Н + Мn 2+ ) = 1,51 В,
Напротив, если определяемые вещества — окислители Ох2, то для их титрования целесообразно применять восстановители, стандартный ОВ редокс-пар которых имеет по возможности минимальное значение, например
Редокс-методы — важнейшие фармакопейные методы количественного анализа.
4.2. Классификация редокс-методов
Известно несколько десятков различных методов ОВ титрования. Обычно их классифицируют следующим образом.
Классификация по характеру титранта.В этом случае методы ОВ титрования подразделяют на две группы:
оксидиметрия —методы определения восстановителей с применением титранта-окислителя;
редуктометрия —методы определения окислителей с применением титранта-восстановителя.
Классификация по природе реагента,взаимодействующего с определяемым веществом. Ниже после названия соответствующего метода в скобках указано основное действующее вещество этого метода:броматометрия(бромат калия КВrO3,бромометрия(бромBr2),дихроматометрия(дихромат калия К2Сr2O7),иодотометрия(иодат калия КJO3),иодиметрия(иодJ2),иодометрия(иодид калия КJ, тиосульфат натрияNa2S2O3,нитритометрия(нитрит натрияNaNO2),перманганатометрия (перманганат калия КМnО4).хлориодиметрия(хлорид иода JС1),цериметрия(сульфат церия(IV)).
Реже применяются некоторые другие методы ОВ титрования, такие, как: аскорбинометрия(аскорбиновая кислота),титанометрия(соли титана(III)),ванадатометрия(ванадат аммонияNH4VO3) и т.д.
4.3. Условия проведения окислительно-восстановительного титрования
Реакции, применяемые в методах ОВ титрования, должны отвечать ряду требований, важнейшими из которых являются следующие:
Реакции должны протекать практически до конца.ОВ реакция идет тем полнее, чем больше константа равновесияК,которая определяется соотношением
при комнатной температуре, где E1° иЕ2°— соответственно стандартные ОВ потенциалы редокс-пар, участвующих в данной ОВ реакции,п — число электронов, отдаваемых восстановителем окислителю. Следовательно, чем больше разностьE°=Е1° — Е2°,тем выше константа равновесия, тем полнее протекает реакция. Для реакций типа
А + В =Продукты реакции
при n =1 иК 10 8 (при таком значенииКреакция протекает не менее чем на 99,99%) получаем дляE°:
E°0,059lg10 8 0,47 В.
Реакция должна протекать достаточно быстро,чтобы равновесие, при котором реальные ОВ потенциалы обеих редокс-пар равны, устанавливалось практически мгновенно. Обычно ОВ титрование проводят при комнатной температуре. Однако в случае медленно протекающих ОВ реакций растворы иногда нагревают, чтобы ускорить ход реакции. Так, реакция окисления сурьмы(Ш) бромат-ионами в кислой среде при комнатной температуре идет медленно. Однако при 70—80 °С она протекает достаточно быстро и становится пригодной для броматометрического определения сурьмы.
Для ускорения достижения равновесия применяют также гомогенные катализаторы. Рассмотрим, например, реакцию
Стандартные ОВ потенциалы редокс-пар, участвующих в реакции, равны при комнатной температуре E°(Се 4+ Се 3+ ) = 1,44 В,Eº (H3AsO4HAsO2= 0,56 В. Отсюда для константы равновесия этой реакции получаем (n= 2)
lgK = (1,44 ‑ 0,56)/0,059≈30;К≈10 30
Константа равновесия велика, поэтому реакция идет с очень высокой степенью полноты. Однако в обычных условиях она протекает медленно. Для ее ускорения в раствор вводят катализаторы.
Иногда катализатором являются сами продукты ОВ реакции. Так, при перманганатометрическом титровании оксалатов в кислой среде по схеме
в роли катализатора выступают катионы марганца(II) Мn 2+ . Поэтому вначале при прибавлении раствора титранта — перманганата калия — к титруемому раствору, содержащему оксалат-ионы, реакция протекает медленно.Bсвязи с этим титруемый раствор нагревают. По мере образования катионов марганца(II) достижение равновесия ускоряется и титрование проводится без затруднений.
Реакция должна протекать стехиометрически,побочные процессы должны быть исключены.
Конечная точка титрования должна определяться точно и однозначно либо с индикаторами, либо без индикаторов.
Источник
ОКИСЛИ́ТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИ́ТЕЛЬНОЕ ТИТРОВА́НИЕ
ОКИСЛИ́ТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИ́ТЕЛЬ НОЕ ТИТРОВ А́НИЕ, один из наиболее часто применяемых методов титриметрического анализа , основанный на использовании окислительно-восстановительных реакций: $\ce
Источник
2.3.4. Окислительно-восстановительного титрования
2.3.4.2. Индикаторы метода окислительно-восстановительного титрования
В окислительно-восстановительном титровании вблизи точки эквивалентности происходит резкое изменение потенциала системы. Конечную точку титрования можно определить либо потенциометрически (по резкому излому кривой титрования, построенной в координатах V — E), либо визуально. Окислительно-восстановительное титрование можно проводить для систем, у которых разность потенциалов между определяемым веществом и титрантом больше 0,20 В, причем, если разность между реальными потенциалами лежит в пределах 0,20-0,40 В, можно использовать лишь потенциометрический способ фиксирования точки эквивалентности; если же разность потенциалов больше 0,40 В, довольно надежные результаты можно получить и при визуальной индикации конечной точки титрования.
Если титрант является интенсивно окрашенным веществом, то от использования индикатора можно отказаться. Например, при титровании восстановителей раствором перманганата калия в кислой среде малиновая окраска перманганата будет обесцвечиваться до тех пор, пока в системе будет находиться даже небольшое количество определяемого вещества. Как только реакция будет закончена и в реакционной системе появится избыток титранта, раствор окрасится в розовый цвет. Если же раствор бесцветный или окраска его мало интенсивна, то для визуальной индикации конечной точки титрования необходимо использовать индикаторы. По механизму действия все индикаторы в методе окисления — восстановления можно разделить на четыре основные группы.
1. Специфические индикаторы — вещества, вступающие в специфическую реакцию с окисленной или восстановленной формой окислительно-восстановительной пары, участвующей в титровании. Например, раствор крахмала окрашивается в синий цвет при появлении в системе йода, роданид-ионы реагируют на появление в реакционной системе ионов Fe 3+ .
2. Редокс-индикаторы — окислительно-восстановительные пары, имеющие разную окраску в окисленной и восстановленной форме. Окраска этой группы индикаторов изменяется при достижении определенного значения потенциала системы. В растворах таких индикаторов существует равновесие:
Уравнение Нернста для этой полуреакции имеет вид:
Так как окисленная и восстановленная формы имеют разную окраску, то цвет индикатора в растворе будет зависеть от соотношения:
Как и в случае кислотно-основных индикаторов, при сравнении интенсивности окраски обеих форм можно различить окраску окисленной формы, если
и наоборот, окраска восстановленной формы становится различимой, если
Интервал перехода окраски находится между двумя окислительно-восстановительными потенциалами и определяется величиной
Изменение окраски у некоторых редокс-индикаторов зависит от рН раствора, поэтому, выбирая индикатор, необходимо учитывать среду, в которой проводится титрование и для которой известны реальные потенциалы.
3. Комплексные соединения некоторых металлов, способных к реакциям окисления — восстановления. Наиболее часто для аналитических целей используют комплексные соединения железа с некоторыми органическими веществами, содержащими группировку атомов.
4. Органические красители, которые окисляются необратимо. Переход окраски у данных индикаторов связан с глубоким изменением строения их молекул. Наиболее часто для данной цели используют метиловый оранжевый, индигокармин.
Окислительно-восстановительный индикатор, как и в методе нейтрализации, выбирают на основании кривой титрования. Для титрования следует брать такой индикатор, изменение окраски которого будет включать в себя значение потенциала в точке эквивалентности. При титровании необходимо учитывать, что процесс перехода электронов между окисленной и восстановленной формами происходит довольно медленно, поэтому скорость титрования, особенно вблизи точки эквивалентности, должна быть невысокой.
Источник
Окислительно-восстановительное титрование
Данный метод титриметрического анализа основан на окислительно-восстановительных реакциях между титрантом и анализируемым веществом. Реакции окисления-восстановления связаны с переносом электронов. Вещества, отдающее электроны, в этих реакциях является восстановителем (Red), а приобретающее электроны – окислителем (Ох):
Восстановленная форма одного вещества (Red1), отдавая электроны, переходит в окисленную форму (Ox1) того же вещества. Образуется сопряженная окислительно-восстановительная пара Ox1/Red1 (редокс-пара). Окисленная форма другого вещества (Ox2), принимая электроны, переходит в восстановленную форму (Red2) того же вещества. Образуется другая окислительно-восстановительная пара Ox2 /Red2. Таким образом, в окислительно-восстановительной реакции участвует не менее двух окислительно-восстановительных пар. Мерой окислительно-восстановительных свойств веществ является окислительно-восстановительный потенциал Е 0 . Сравнивая стандартные потенциалы ОВ-пар, участвующих в ОВР, можно заранее определить направление самопроизвольного протекания реакции. Окислительно-восстановительная реакция самопроизвольно протекает в направлении превращения сильного окислителя в слабый восстановитель, сильного восстановителя в слабый окислитель.
Чем больше стандартный потенциал окислительно-восстановительной пары, тем более сильным окислителем является её окисленная форма и тем более слабым восстановителем – восстановленная форма. Чем меньше стандартный потенциал ОВ-пары, тем более сильным восстановителем является восстановленная форма, тем более слабым окислителем – окисленная форма. Поэтому в окислительно-восстановительном титровании (редоксиметрии) в качестве титрантов при определении восстановителей применяют такие окислители (Ох2), стандартные ОВ-потенциалы окислительно-восстановительных пар которых имеют как можно более высокие значения, тем самым с их помощью можно оттитровать большее число восстановителей (Red1). Например, Е 0 (MnO4 — , H + , Mn 2+ ) = +1,51В, Е 0 (Cr2O7 2- , H + , Cr 3+ ) = +1,33В и др.
При определении окислителей (Ох2) в качестве титрантов применяют восстановители (Red1), стандартный ОВ-потенциал редокс-пар которых имеет по возможности минимальное значение. Например, Е 0 (I2 / 2I — ) = +0,536В, Е 0 (S4O6 2- / 2S2O3 2- ) = +0,09В и др.
Для установления точки эквивалентности в редоксиметрии используют редокс-индикаторы (окислительно-восстановительные индикаторы), представляющие собой вещества, способные обратимо окисляться и восстанавливаться, причем окисленная и восстановленная формы их имеют различную окраску. Примером такого индикатора является дифениламин. Часто в редоксиметрии применяется так называемое безиндикаторное титрование, например, в перманганатометрии роль индикатора выполняет титрант – перманганат калия. Количественные расчеты в ОВ титровании, как и в других методах титриметрического анализа, основаны на законе эквивалентов.
Молярная масса эквивалента окислителя:
Молярная масса эквивалента восстановителя:
Одним из методов окислительно-восстановительного титрованияявляется перманганатометрическое титрование. Это метод анализа, в котором в качестве титранта-окислителя используют раствор перманганата калия KMnO4. Анион MnO4 — проявляет окислительные свойства в кислой, нейтральной и щелочной средах, восстанавливаясь соответственно до катиона Mn 2+ (бесцветные ионы), оксида марганца (IV) MnO2 (бурый осадок) и аниона MnO4 2- (зеленый раствор, буреющий на воздухе).
E 0 (MnO4 — , H + ,Mn 2+ ) = +1,51В
В перманганатометрии титрование проводят в кислой среде, так как:
1) наиболее сильными окислительными свойствами перманганат-ион MnO4 — обладает в кислой среде по сравнению с нейтральной и щелочной, о чем свидетельствуют значения стандартных ОВ-потенциалов (+1,51В против +0,60В и +0,56В);
2) определению конечной точки титрования в нейтральной среде будет мешать бурый осадок MnO2; в щелочной среде образующиеся манганат-ионы MnO4 2- , имеющие зеленую окраску, также затрудняют фиксацию конечной точки титрования. Образующиеся же в кислой среде катионы Mn 2+ бесцветны;
3) при титровании в кислой среде создается возможность четко фиксировать конечную точку титрования без применения постороннего индикатора, так как одна лишняя капля перманганата калия окрашивает бесцветный раствор в бледно-розовый цвет.
Титрант: раствор перманганата калия (в кислой среде).
Индикатор: перманганат калия.
Определяемые вещества: ионы Fe 2+ , Cr 3+ , NO2 — , перекись водорода Н2О2, этиловый спирт, в биологических исследованиях мочевая кислота, глюкоза, содержание некоторых витаминов, активность фермента каталазы, окисляемость бытовых и сточных вод, органические загрязнения в атмосфере.
Одним из недостатков перманганатометрии является необходимость стандартизации раствора перманганата калия, так как его титрованный раствор нельзя приготовить по точной навеске. Кроме того, концентрация перманганата калия, переведенного в раствор, заметно уменьшается. Поэтому точную концентрацию раствора КMnO4 устанавливают не ранее чем через 5 – 7 дней после его приготовления. Для стандартизации используют щавелевую кислоту или её соли (оксалаты натрия или аммония).
Уравнение реакции, протекающей при стандартизации раствора KMnO4 по щавелевой кислоте:
MnO4 — + 8H + + 5e — → Mn 2+ + 4H2O 2
10H + 2K + 3SO4 2- 2K + 3SO4 2-
? Обучающие задачи
Методом ионно-электронного баланса (методом полуреакций) расставить коэффициенты в уравнении ОВ реакции, протекающей по схеме
Найти молярные массы эквивалентов окислителя и восстановителя.
1. Составить уравнения полуреакций, учитывая, что сильные электролиты записывают в виде ионов, слабые электролиты и вещества, не являющиеся электролитами, – в виде молекул.
2. Суммировать левые и правые части уравнений полуреакций с учетом коэффициентов.
3. Дописать противоионы в левой части и перенести их в правую часть.
4. Объединить ионы в молекулы и записать молекулярное уравнение реакции с учетом коэффициентов.
MnO4 — + 8H + + 5e — → Mn 2+ + 4H2O 2
5K + 2K + 3SO4 2- 7K + 3SO4 2-
Методом ионно-электронного баланса расставить коэффициенты в реакции между КMnO4 и этанолом в водной среде с образованием уксусной кислоты, используемой для определения окисляемости спирта. Найти молярные массы эквивалентов окислителя и восстановителя.
На титрование в сернокислой среде 10 мл раствора NaNO2 израсходовано 10,5 мл 0,05н. раствора КMnO4. Вычислить массу NaNO2 в колбе емкостью 100мл.
Схема ОВ реакции:
Навеску КMnO4 массой 0,8578 г растворили и довели объем раствора водой до 100 мл. Вычислить молярную концентрацию эквивалента данного раствора (для реакции в щелочной среде).
С (KMnO4) — ? В щелочной среде: MnO4 — + e — → MnO4 2-
? Задачи для самостоятельного решения
1. Методом ионно-электронного баланса расставить коэффициенты в уравнении реакции между раствором K2Cr2O7 и КI в сернокислой среде, используемой для определения общего количества ароматических веществ в пищевых продуктах. Реакция протекает по схеме: K2Cr2O7+KI+H2SO4 → → Cr 3+ +I2 + … Найти молярные массы эквивалентов окислителя и восстановителя. Ответ: 49 г/моль; 83 г/моль.
2. Методом ионно-электронного баланса расставить коэффициенты в уравнении реакции между раствором KMnO4 и Na2SO3. Найти молярные массы эквивалентов окислителя и восстановителя: а) в присутствии Н2SO4; б) в присутствии КОН; в) в нейтральной среде. Ответы: а) 31,6 г/моль, 63 г/моль; б) 158 г/моль, 63 г/моль; в) 52,67 г/моль, 63 г/моль.
3. Методом ионно-электронного баланса расставить коэффициенты в уравнении реакции между раствором K2Cr2O7 и FeSO4 в сернокислой среде. Найти молярные массы эквивалентов окислителя и восстановителя. Ответ: 49 г/моль, 152 г/моль.
4. Методом ионно-электронного баланса расставить коэффициенты в уравнении реакции между раствором этилового спирта и KMnO4 в сернокислой среде с образованием СН3СООН, используемой для установления присутствия алкоголя в организме. Найти молярные массы эквивалентов окислителя и восстановителя. Ответ: 31,6 г/моль, 11,5 г/моль.
5. Методом ионно-электронного баланса расставить коэффициенты в уравнении реакции между этанолом и K2Cr2O7 в сернокислой среде с образованием СН3СООН, используемой для определения содержания спирта в вине. Найти молярные массы эквивалентов окислителя и восстановителя. Ответ: 49 г/моль, 11,5 г/моль.
6. Методом ионно-электронного баланса расставить коэффициенты в уравнении реакции между раствором FeSO4 и KMnO4 в сернокислой среде, протекающей по схеме: FeSO4 + KMnO4 + Н2SO4 → Fe 3+ + Mn 2+ + … и используемой для определения сахара в пищевом сырье и продуктах. Найти молярные массы эквивалентов окислителя и восстановителя. Ответ: 31,6 г/моль, 152 г/моль.
7. Навеску KMnO4 массой 1,8750г растворили и довели объем раствора водой до 500 мл. Найти нормальную концентрацию раствора для реакции: а) в кислой среде, б) в щелочной среде, в) в нейтральной среде. Ответ: а) 0,1187н.; б) 0,0237н.; в) 0,0712н.
8. На титрование в сернокислой среде 10 мл KNO2 израсходовано 11,2 мл 0,0492н. раствора KMnO4. Найти массу KNO2 в колбе емкостью 100 мл. Ответ: 0,2342г.
9. На титрование в кислой среде 10 мл раствора FeSO4 израсходовано 13,7 мл 0,0465н. раствора KMnO4. Вычислить массу FeSO4 в колбе емкостью 100 мл. Ответ: 0,9682г.
10. На титрование в кислой среде 10 мл FeSO4 израсходовано 10,8 мл 0,0551н. раствора KMnO4. Найти массу FeSO4 в колбе емкостью 100 мл. Ответ: 0,9044г.
11. На титрование 10 мл раствора щавелевой кислоты затрачено 12,1 мл 0,0486н. раствора KMnO4. Найти массу щавелевой кислоты (Н2С2О4?2Н2О) в колбе на 100 мл. Ответ: 0,3704г.
12. На титрование в кислой среде 10 мл раствора FeSO4 израсходовано 9,45 мл 0,05н. раствора K2Cr2O7. Найти массу FeSO4 в колбе на 200 мл. Ответ: 1,4379г.
13. На титрование 10 мл 0,0523н. раствора Na2C2O4 израсходовано 11,95 мл раствора KMnO4 в кислой среде. Найти нормальную концентрацию раствора KMnO4. Ответ: 0,0438н.
14. На титрование 10 мл 0,0496н. раствора Na2C2O4 израсходовано 10,8 мл раствора KMnO4 в кислой среде. Найти нормальную концентрацию раствора KMnO4. Ответ: 0,0459н.
? Контрольные вопросы
1. Какие реакции лежат в основе ОВ титрования?
2. Что такое окислительно-восстановительная пара и ОВ-потенциал? Выбор титранта при определении восстановителей и при определении окислителей на основе значений стандартного ОВ-потенциала.
3. Что такое редокс-индикаторы?
4. Перманганатометрия. Область применения. Назовите титрант, стандартное вещество, приведите уравнение реакции стандартизации (с уравнениями полуреакций и расстановкой коэффициентов методом ионно-электронного баланса).
5. Напишите уравнения полуреакций восстановления перманганат-иона MnO4 — в кислой, нейтральной и щелочной средах. Рассчитайте молярные массы эквивалента KMnO4 в каждом случае. В какой среде предпочтительнее осуществлять перманганатометрическое титрование и почему?
6. Уравнение реакции стандартизации KMnO4 по щавелевой кислоте. Расчет величин навесок KMnO4 и Н2С2О4?2Н2О для приготовления 100 мл их 0,05н. растворов.
7. Что является индикатором в перманганатометрии? Почему первые порции раствора KMnO4 при титровании приливают медленно (см. ЛР №5 – пункт В)?
8. Почему раствор KMnO4 нельзя приготовить по точной навеске?
9. Почему концентрация KMnO4 в растворе уменьшается после его приготовления?
10. Какие процессы происходят при хранении раствора KMnO4 на свету (уравнение реакции)?
ПРИЛОЖЕНИЕ
I. Константы диссоциации слабых электролитов (при 25 0 С)
Электролит | Уравнение диссоциации | Кд |
Азотистая кислота | НNO2 ↔ H + + NO2 — | 4,0 ? 10 -4 |
Бензойная кислота | С6Н5СООН ↔С6Н5СОО + + Н + | 6,5 · 10 -5 |
Гидроксид аммония | NH4OH ↔ NH4 + + OH — | 1,79 ? 10 -5 |
Гидроксид алюминия | I Al(OH)3↔Al(OH)2 + +OH — | 1,38 ?10 -9 |
Гидроксид железа (II) | I Fe(OH)2↔FeOH + +OH — | 1,30 ?10 -4 |
Гидроксид железа (III) | II Fe(OH)2 + ↔FeOH 2+ +OH — | 1,82 ?10 -11 |
III FeOH 2+ ↔Fe 3+ +OH — | 1,35 ?10 -12 | |
Кремниевая кислота | I H2SiO3 ↔HSiO3 — +H + | 3,2 ?10 -10 |
II HSiO3 — ↔SiO3 2- +H + | 1,6 ?10 -12 | |
Муравьиная кислота | НСООН ↔ НСОО — + Н + | 1,77 · 10 -4 |
Сернистая кислота | I H2SO3 ↔ H + + HSO3 — II HSO3 — ↔ H + + SO3 2- | 1,3 ? 10 -2 6 · 10 -8 |
Сероводородная кислота | I H2S ↔ H + + HS — II HS — ↔ H + + S 2- | 8,9 ? 10 -8 1,3 · 10 -13 |
Угольная кислота | I H2CO3 ↔ H + + HCO3 — II HCO3 — ↔ H + + CO3 2- | 4,31 ? 10 -7 5,61 · 10 -11 |
Уксусная кислота | СН3СООН ↔ СН3СОО — + Н + | 1,86 ? 10 -5 |
Фосфорная кислота | I Н3РО4 ↔ Н + + Н2РО4 — II Н2РО4 — ↔ Н + + НРО4 2- III НРО4 2- ↔ Н + + РО4 3- | 7,51 · 10 -3 6,23 ? 10 -8 2,2 · 10 -13 |
Фтористоводородная кислота | HF ↔ H + +F — | 7,4 ?10 -4 |
Цианистоводородная кислота | HCN↔H + +CN — | 7,2 ?10 -10 |
Щавелевая кислота | I Н2С2О4↔Н + +НС2О4 — | 5,9 ?10 -2 |
II НС2О4 — ↔Н + +С2О4 2- | 6,4 ?10 -5 |
II. Произведения растворимости некоторых малорастворимых соединений (25 0 С)
Источник