Кислотно основное титрование основное уравнение метода

Урок 18. Кислотно-основное титрование

В уроке 18 «Кислотно-основное титрование» из курса «Химия для чайников» дадим определение процессу титрования; выясним что такое точка эквивалентности; выполним разбор задач на титрование. Для понимания материала данного урока Вам следует внимательно изучить уроку 16 «Кислоты и основания» и урок 17 «Реакция нейтрализации».

Титрование это

Титрование является очень популярной процедурой определения относительных концентраций химических эквивалентов в кислотных или основных растворах. И если Вам не приходилось выполнять лабораторные работы по титрованию в школе, то в университете или колледже титровать Вы будете не раз! Итак, переходим к определению:

Титрование — это способ определения концентрации кислоты или основания в растворе, путем измерения объема титранта (основания или кислоты с заданной концентрацией) необходимого для полной нейтрализации имеющегося реагента.

Точка эквивалентности

Поговорим о сущности процесса кислотно-основного титрования. Из необходимого оборудования, грубо говоря, вам понадобится лишь бюретка (стеклянная трубка с краником) и колба. Бывают два случая:

1. Когда нужно определить концентрацию основания в колбе путем добавления из бюретки кислоты известной концентрации.
2. Наоборот, когда необходимо определить концентрацию кислоты в колбе путем добавления основания известной концентрации.

Рассмотрим титрование в первом случае, когда титруемый раствор — основание, а титрант — кислота. Начинаем к анализируемому образцу основания постепенно добавлять раствор кислоты с заранее определенной концентраций до тех пор, пока число эквивалентов кислоты не будет равно числу эквивалентов основания. Продолжая титровать, в конце концов мы достигнем конечной точки титрования, или, как ее еще называют, точки эквивалентности — момент титрования, когда число эквивалентов титранта и титруемого раствора будут точно равны.

Чтобы понять, достигнута точки эквивалентности или еще нет, обычно используют различные кислотно-основные индикаторы. Для этого перед непосредственным титрованием в колбу с анализируемым раствором добавляют пару капель необходимого индикатора, и в момент достижения точки эквивалентности раствор начинает менять свой цвет.

Зная использованный объем титранта и его концентрацию, можно вычислить число эквивалентов основания в анализируемом образце. Если N_A и N_B — нормальности растворов кислоты и основания, а V_A и V_B — их объемы в момент нейтрализации, то:

С теорией покончено, переходим к решению задач на титрование.

Задачи на титрование

Пример 1. Допустим, химичка потребовала, чтобы вы нейтрализовали 25,00 мл раствора кислоты H₃PO₄. На титрование у вас ушло 30,25 мл раствора NaOH. Вычислите отношение нормальных и молярных концентраций обоих растворов.

Нормальная концентрация NaOH совпадает с молярной, а у H₃PO₄ нормальность в три раза больше молярной концентрации, поэтому:

Пример 2. Вы израсходовали 10,81 мл 0,1 н раствора HCl на титрование 25,00 мл раствора Ca(OH)₂. Какую нормальность и молярность имеет анализируемый раствор? Сколько граммов Ca(OH)₂ содержится в растворе?

Первым делом вычислим нормальную концентрацию анализируемого раствора Ca(OH)₂:

Молярная концентрация Ca(OH)₂ вдвое меньше его нормальной концентрации, так как химический эквивалент Ca(OH)₂ равен 2. Поэтому анализируемый раствор имеет молярность 0,0216 М Ca(OH)₂. Чтобы ответить на вопрос, сколько граммов Ca(OH)₂ содержится в растворе, необходимо найти его количество вещества в растворе, для этого следует множить молярность на объем:

• 0,0216 моль/л × 0,025 л = 0,000514 моля

По таблице Менделеева определяем, что молекулярная масса Ca(OH)₂ равна 74,1 г/моль, а значит в растворе содержится:

• 0,000541 моля × 74,1 г/моль = 0,0401 г Ca(OH)₂

Пример 3. Химик-органик синтезирует новую кислоту. Он растворяет 0,5 г этой кислоты в определенном объеме воды и устанавливает, что для нейтрализации полученного раствора требуется 15,73 мл 0,437 н. раствора NaOH. Чему равен грамм-эквивалент синтезированной им кислоты? Если известно, что эта кислота содержит три ионизуемые группы –COOH, чему равна ее молекулярная масса?

Число эквивалентов основания, понадобившееся для нейтрализации, равно:

• 0,01573 л × 0,437 экв/л = 0,00687 экв

Грамм-эквивалент кислоты определяется из соотношения:

• 0,500 г / 0,00687 экв. = 72,8 г/экв

Так как грамм-эквивалент кислоты равен 72,8 г, а каждый ее моль высвобождает 3 эквивалента ионов водорода H + , молекулярная масса кислоты должна быть равна 3·72,8 г = 218 г.

Надеюсь урок 18 «Кислотно-основное титрование» был познавательным и понятным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.

Лекция № 14 Методы кислотно – основного титрования (нейтрализации)

Методы кислотно – основного титрования (нейтрализации)

1) Сущьность метода.

2) Индикаторы метода кислотно-основного титрования.

3) Кривые титрования.

4) Расчеты при титровании.

В основе метода кислотно-основного титрования положена реакция взаимодействия ионов водорода или гидроксония с гидроксид-ионами, сопровождаются образованием слабодисоциируемых молекул воды (растворителя).

H++ OH-→ H2O H3O+ + OH-→ 2H2O

Этот метод применяется для количественного определения кислот (H2 SO4 , HNO3 , HCl, H3 PO4 , CH3 COOH, H2C2O4 ) гидроксидов (KOH, NaOH, Ba(OH)2 ) солей, способных гидролизироваться в водных растворах (Na2 CO3 , K2CO3), а также их смесей (смесь NH4Cl, и NaOH).

Кислотно-основное титрования имеет два основных метода: ацидиметрия — определение оснований и алкалиметрия – определение кислот. В качестве рабочих растворов используют чаще всего растворы кислот – HCl и H2 SO4, растворы KOH, NaOH. Поскольку эти кислоты и гидроксиды не могут быть использованы как исходные в-ва для приготовления титрованных растворов, то сначала готовят растворы примерной концентрации, а точный титр и нормальность (м. к.э.) их устанавливают по исходным веществам. чаще всего применяют 0,1 – 0,5 н р-ры.

В качестве исходных в-ва для установления титра растворов кислот используют чаще тетраборат натрия Na2B4O4 и Na2CO3 а для установления титра р-ров щелочей – щавеливую кислоту H2C2O4 * 2H2O или янтарную H2C4H4O4 . Все эти в-ва весьма удобны для работы и дают хорошие результаты при титровании. Для выяснения сущьности процессов происходит при кислотно-основном титровании, изучим реакцию среды в эквивалентном точке при различных случаях титрования. При данном методе точка эквивалентности может лежать в нейтральной (pH =7) щелочной (pH > 7) и кислой среде (pH 7

В р-ре избыток OH-. Следовательно при титровании слабых кислот сильными основаниями точка эквивалентности не совпадает с точкой нейтральности и будет находиться в щелочной среде.

3) Титрование слабого основания сильной кислотой.

NH4OH + HCl → NH4Cl + H2O

NH4OH + H+ → NH4+ + H2O

NH4Cl + HOH → NH4OH + HCl

NH4+ + HOH → NH4OH + H+ pH 10-9 (pH 10-9 (pH>9) ионизируемой форме малиново-красного цвета (образование коллоидной формы). Изменения цвета индикатора происходит не сразу, скачком, а в некотором интервале с изменением pH, который называют интервалом перехода индикатора. Каждый индикатор имеет свой интервал перехода, который зависит от особенности структуры индикатора. Кроме интервала перехода индикаторы характеризуются показателем титрования pT, который равен pH середины перехода, когда 50% молекул индикатора перешло из одной формы в другую и концентрации обеих форм уравнялись:[Ind-]=[HInd]. В этом случае константа равновесия системы HInd/ Ind — также равна pH среды

pK= pH +lg [HInd] /[Ind-] =pH +lg1 =pH ; pK =pK1=pT

Например м/о изменяет окраску от красной до желтой в интервале pH 3,1-4,4 и имеет показатель титрования pT =4,0 т. к. при pH=4 половина его молекул находиться в не ионизируемой, половина в ионизируемой форме.

Задача 1. Вычислить для 0,1135 н HCl титрования раствора и титрования его по CaO.

THCl/CaO -? THCl = CHCl * MЭHCl /1000 = 0,1135*36,5/1000= 0,004138 г/мл

Титр по определяемому в-ву можно вычеслить по формуле:

THCl/CaO = CHCl * MЭCaO /1000 = 0,1135*28,0397/1000= 0,003182 г/мл

Задача 2. Чему равен титр р-ра H2SO4 если для получения 3л этого р-ра взято 25мл H2SO4 ρ=1,515 (61,54%)

V( H2SO4)=3л m(H2SO4)=V* ρ* ω=25*1,515*0,6154=23,3 г

ω(H2SO4)=61,54% T (H2SO4 )= m/V=23,3/3000=0,007769 г/мл

Задача 3. Какому объему точно 0,1 н. р-ра HCl соответствует 21мл 0,1н р-ра. NaOH Поправочный коэффициент равен отношению практически взятой навески и теоретически вычисляемой. K=0,950

Cэ1 =0,1 моль/л Cэ = K Cэ1 =0,95*0,1=0,095 моль/л

V2 =21 мл C1 /C2 =V1 /V2 V1= C1 *C2/V2 =0,095 *21/0,1= 18,95мл (HCl)

Кислотно-основноЕ титрованиЕ

Методы кислотно-основного титрования основаны на реакциях нейтрализации. Процесс нейтрализации в водных растворах заключается во взаимодействии ионов гидроксония (водорода) с ионами гидроксила, которое сопровождается образованием слабодиссоциированных молекул воды, что описывается уравнением:

Методы кислотно-основного титрования позволяют количественно определять вещества, обладающие кислотными или основными свойствами. Для классификации веществ по их кислотно-основным свойствам целесообразно использовать протолитическую теорию кислот и оснований Бренстеда-Лоури. Определение кислот ведут с помощью титрованных растворов щелочей, а основания определяют с помощью титрованных растворов кислот. Применяя специальные приемы титрования, методами нейтрализации можно определять содержание многих солей, дифференцированно титровать смеси сильных и слабых кислот, а также смеси оснований и солей в неводных средах [[2]].

Следует отметить, что в качестве титранта применяют только растворы сильных кислот или щелочей, а титруемыми веществами могут быть как сильные, так и слабые кислоты и основания и их соли, проявляющие кислотно-основные свойства.

В процессе титрования рН титруемого раствора изменяется в зависимости от объема прибавленного титранта (V_R). Графическое отображение процесса изменения рН в зависимости от объема титранта называется кривой титрования (рис.1). Построение кривой титрования ведут с таким расчетом, чтобы показать значения рН раствора, соответствующие основным моментам титрования: в начальной точке титрования, в начале скачка титрования, в точке эквивалентности, в конце скачка титрования. Под скачком титрования понимают резкое изменение рН раствора вблизи точки эквивалентности
(в интервале от 99,9 до 100,1 % объема добавленного титранта). Значения рН растворов, соответствующие различным моментам титрования, вычисляют по формулам, выражающим значения концентраций ионов водорода в воде,
в водных растворах кислот, оснований, гидролизующихся солей и в буферных смесях (табл. 1).

Формулы для вычисления рН растворов электролитов

Раствор электролита	Примеры	Формула для вычисления рН
Сильная кислота	HCl, H2SO4, HNO3	рН = -lgCкисл
Сильное основание	NaOH	рН = 14 + lgCосн
Слабая кислота	CH3COOH	рН = рКа — lgCкисл
Слабое основание	NH4OH	рН = 14 — рКb + lgCосн
Соль, образованная сильным основанием и слабой кислотой	CH3COONa	рН = 7 + рКа + lgCсоли
Соль, образованная слабым основанием и сильной кислотой	NH4Cl	рН = 7 — рКb — lgCсоли
Соль, образованная слабым основанием и слабой кислотой	NH4CH3COO	рН = 7 + рКа — рКb
Кислая соль	NaHCO3	pH =
Кислый буфер	CH3COOH, CH3COONa	pH = pKa — lg
Щелочной буфер	NH4Cl, NH4OH	pH = 14 – pKb + lg

pK_a – показатель константы ионизации слабой кислоты (прил. 1),

pK_b – показатель константы ионизации слабого основания (прил. 2).

Кривые титрования дают возможность проследить изменение рН раствора в различные моменты титрования, рассмотреть влияние концентрации реагирующих веществ на процесс нейтрализации, рассчитать точку эквивалентности и сделать правильный выбор индикатора [[3]]. Вид кривых титрования зависит от степени диссоциации кислоты или основания, от концентрации реагирующих веществ и от природы образующихся веществ.
В процессе титрования сильных кислот или оснований в растворе до точки эквивалентности существует смесь сильной кислоты (основания) и ее (его) соли. В случае, когда концентрация титруемого вещества и титранта одинаковые, кривая титрования является симметричной относительно точки эквивалентности (рис. 1).

Рис. 1. Кривая титрования 100,00 см 3 раствора HCl с С_1/z=0,1000 моль/дм 3 раствором NaOH с С_1/z=0,1000 моль/дм 3

В процессе титрования слабых кислот (оснований) в растворе до точки эквивалентности существует смесь слабой кислоты (основания) и ее (его) соли, которая представляет собой буферный раствор. Кривая титрования является асимметричной относительно точки эквивалентности (рис. 2).

Рис. 2. Кривая титрования 100,00 см 3 раствора CH₃COOH

Под буферными растворами понимают электролиты, рН которых изменяется незначительно при разбавлении или добавлении к ним небольших количеств сильной кислоты или щелочи.

Буферные системы могут быть 3 типов.

1. Слабая кислота и ее анион А — / НА: ацетатная буферная система СН₃СОО — / СН₃СООН в растворе СН₃СООNa и СН₃СООН, область действия рН =3,8 – 5,8.

2. Слабое основание и его катион В/ ВН + : аммиачная буферная система NH₃×H₂O/ NH₄ + в растворе NH₃ и NH₄Cl, область действия рН = 8,2 – 10,2.

3. Смесь амфолита с сопряженной кислотой (основанием):

· водородно-гидрокарбонатная буферная система H₂CO₃/ HCO₃ — в растворе H₂CO₃ и NaHCO₃, область действия рН =5,4 – 7,4;

· гидрокарбонатно-карбонатная буферная система HCO₃ — / CO₃ 2- в растворе NaHCO₃ и Na₂CO₃, область действия рН =9,3 – 11,3;

· дигидрофосфатно-гидрофосфатная буферная система H₂PO₄ — / HPO₄ 2- в растворе NaH₂PO₄ и Na₂HPO₄, область действия рН =6,2 – 8,2

Механизм буферного действия заключается в связывании свободных Н + (ОН — ) ионов сопряженной кислотно-основной системой буферного раствора за счет протекания химической реакции и образования эквивалентного количества слабодиссоциированного электролита.

СH3COO — + H + ® CH₃COOH

Способность буферного раствора сохранять рН при добавлении сильной кислоты (щелочи) ограничена величиной буферной ёмкости, которая зависит от концентрации компонентов буферной смеси и их соотношения.

Буферную ёмкость измеряют количеством молей сильной кислоты или щелочи, которое необходимо добавить к 1 литру буферного раствора
с определенной концентрацией, чтобы изменить его рН на единицу.

Кислотно-основные индикаторы представляют собой слабые органические кислоты или основания с определенным рК_а (рК_b), которые изменяют окраску в зависимости от рН раствора (см. прил. 3). Интервал значений рН, при которых происходит изменение окраски индикатора
(рН = рТ_Ind ± 1), называется интервалом перехода рН, а значение рН, при котором происходит наиболее резкое изменение окраски, называется показателем титрования индикатора (рТ). Интервалы перехода рН индикаторов приведены в справочнике [[4]], а значение рТ, как правило, находится в середине интервала рН перехода.

Существует два способа выбора индикатора (рис.3):

1. по рТ индикатора: значение рТ индикатора должно совпадать с рН
в точке эквивалентности (рТ = рН_т.э). Чем ближе рТ индикатора находится
к рН_т.э, тем меньше индикаторная ошибка титрования;

2. по скачку титрования: интервал рН перехода окраски индикатора должен лежать внутри скачка титрования.

Рис. 3. Кривая титрования 100,00 см 3 раствора HCl с С_1/z=0,1000

моль/дм 3 раствором NaOH с С_1/z =0,1000 моль/дм 3 (интервалы

перехода окраски индикаторов)

Правильный выбор индикатора возможен лишь при четком представлении о взаимосвязи скачка титрования и рН точки эквивалентности с константой диссоциации кислот и оснований.

Методика анализа сводится к приготовлению, стандартизации титранта
и определению концентрации (массы) кислоты или основания в образце методом кислотно-основного титрования.

Лабораторная работа 1
Определение содержания уксусной кислоты