Потенциометрия

 

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ І СПОРТУ УКРАЇНИ

     ДОНЕЦЬКИЙ  НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

 

 

 

 

                                                                                                  Кафедра ПЕ та ОПС

 

 

 

 

 

 

 

                                      Індивідуальна робота

                                з екологічного моніторингу

                                                 на тему:

                                        «Потенціометрія»

 

 

 

 

 

 

 

Виконала ст.гр. ОС-09______________________________Богоявленська А.Є.

 

 

Перевірив                          ____________________________Горбатько С.В. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                       Донецьк, 2011                                       

                                                РЕФЕРАТ 

 

     Индивидуальная  работа: 26с., 6 рис., 2таблицы.

     Задачей данной работы будет разобраться, что же представляет собой метод потенциометрического титрования и каковы его границы применения, рассмотреть как устанавливается точка эквивалентности в данном методе, каковы ошибки при его применении.

     В практической части работы мы рассмотрим потенциометрическое титрование раствора серной кислоты гидроксидом натрия и рассмотрим построение графиков зависимости рН от объема титранта.

 

ПОТЕНЦИОМЕТРИЯ, ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ  МЕТОДЫАНАЛИЗА, ТИТРОВАНИЕ, ЭЛЕКТРОД, ИНДИКАТОР, ТОЧКА ТИТРОВАНИЯ.

 

                                       

                                           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                         СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение………………………………………………………………………..4

1 Общая характеристика  электрохимических методов анализа…………….5

2 Понятие потенциометрического  титрования………………………………6

3 Виды потенциометрического  титрования………………………………….7

  3.1 Методы осаждения и комплексообразования…………………………..7

  3.2 Методы окисления – восстановления…………………………………...8

  3.3 Методы кислотно-основного титрования……………………………….9

4 Определение конечной  точки титрования………………………………….10

5 Дифференциальное титрование. Методы автоматического титрования…12

6 Методика проведения  потенциометрического титрования……………….14

  6.1 Подготовка задачи………………………………………………………...14

  6.2 Приготовление  растворов………………………………………………...14

7 Приборы потенциометрического  титрования………………………………17

8 Потенциометрическое титрование. Обработка результатов……………….18

Заключение………………………………………………………………………24

Список литературы……………………………………………………………...25

 

       

 

                                                

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                ВВЕДЕНИЕ

 

     Потенциометрический метод анализа – один из старейших электрохимических методов. В начале 20 столетия он широко использовался для определения рН растворов, определения ряда катионов (серебро, медь, никель и др.), анионов (хлор, бром, сероводород и т.д.), а также ряда органических веществ. Однако, к 30-м годам нашего столетия потенциометрический метод в значительной степени был вытеснен другими электрохимическими и оптическими методами анализа. Это было связано с тем, что по своей чувствительности  и возможности анализа смеси веществ потенциометрический метод уступал новым методам, таким как полярографический, кулонометрический и др. Значительные трудности возникали из-за необходимости подбора специфических для каждого определения реакций. До последнего времени потенциометрический метод использовался в основном для быстрых обратимых реакций. Необратимые реакции, которые очень часто встречаются в аналитической химии, не могли быть использованы для этого метода, что также снижало его возможности.

     Предложенное в начале нашего века потенциометрическое титрование с поляризованными электродами долгое время находило ограниченное применение из-за недостаточно разработанной теории, отличающейся от теории классического потенциометрического титрования с неполяризованными электродами.

     Только  с 50-х годов 20 столетия потенциометрический  метод на базе использования  поляризованных электродов вступает  в новую фазу развития. Создается  теория титрования  с поляризованными  электродами. В настоящее время этот метод нашел широкое применение для определения неорганических и органических веществ. Преимуществом метода является возможность более четко определить эквивалентную точку титрования.

     Потенциометрическое титрование позволяет решать как аналитические задачи – определение концентрации веществ, так и физико-химические – определение произведений растворимости, констант устойчивости, протолитической диссоциации.

     Основоположником потенциометрии является В. Нернст, получивший в1889 году знаменитое уравнение для равновесных электродных потенциалов: E=E0 + S lg(a). В данном уравнении а - активность анализируемых ионов в растворе, S - крутизна электродной функции (2.3 RT/nF).

    Позже, спустя почти целый век, в 1893 г. Р. Беренд осуществил первое потенциометрическое титрование. Сферы применения потенциометрии разнообразны. Сегодня потенциометрия применяется в аналитической и физической химии.

    Рассмотрим основные понятия потенциометрического титрования, его виды и методы проведения, способы установления точки эквивалентности при титровании.

 

     1ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ                АНАЛИЗА

 

    Для качественного и количественного анализа химических веществ разработаны различные электрохимические методы, которые часто оказываются полезными также для определения термодинамических и кинетических параметров электродных реакций и изучения их механизмов.

     Электрохимические методы анализа и исследования основаны на изучении и использовании процессов, протекающих на поверхности электрода или в приэлектродном пространстве. Любой электрический параметр (потенциал, сила тока, сопротивление и др.), функционально связанный с концентрацией анализируемого раствора и поддающийся правильному измерению, может    

служить аналитическим сигналом.

     Электрохимические методы классифицируют в зависимости от типа явлений, замеряемых в процессе анализа. В общем случае различают две группы электрохимических методов:

- методы без наложения постороннего потенциала, основанные на измерении разности потенциалов, который возникает в электрохимической ячейке, состоящей из электрода и сосуда с исследуемым раствором. Эту группу методов называют потенциометрическими. В потенциометрических методах используют зависимость равновесного потенциала электродов от концентрации ионов, участвующих в электрохимической реакции на электродах.

-методы с наложением постороннего потенциала, основанные на измерении: а) электрической проводимости растворов – кондуктометрия; б) количества электричества, прошедшего через раствор – кулонометрия; в) зависимости величины тока от приложенного потенциала – вольт-амперометрия; г) времени, необходимого для прохождения электрохимической реакции – хроноэлектрохимические методы (хроновольтамперометрия, хронокондуктометрия). В методах этой группы на электроды электрохимической ячейки налагают посторонний потенциал.

     Основным элементом приборов для электрохимического анализа является электрохимическая ячейка. В методах без наложения постороннего потенциала она представляет собой гальванический элемент, в котором вследствие протекания химических окислительно-восстановительных реакций возникает электрический ток. В ячейке типа гальванического элемента в контакте с анализируемым раствором находятся два электрода – индикаторный электрод, потенциал которого зависит от концентрации вещества, и электрод с постоянным потенциалом – электрод сравнения, относительно которого измеряют потенциал индикаторного электрода.     Измерение разности потенциалов производят специальными приборами – потенциометрами.

     В методах с наложением постороннего потенциала применяют электрохимическую ячейку, названную так потому, что на электродах ячейки под действием наложенного потенциала происходит электролиз – окисление или восстановление вещества. В кондуктометрическом анализе используют кондуктометрическую ячейку, в которой замеряют электрическую проводимость раствора. По способу применения электрохимические методы можно классифицировать на прямые, в которых концентрацию веществ измеряют по показанию прибора, и электрохимическое титрование, где индикацию точки эквивалентности фиксируют с помощью электрохимических измерений. В соответствии с этой классификацией различают потенциометрию и потенциометрическое титрование, кондуктометрию и кондуктометрическое титрование и т.д.

     Приборы для электрохимических определений кроме электрохимической ячейки, мешалки, нагрузочного сопротивления включают устройства для измерения разности потенциалов, тока, сопротивление раствора, количества электричества. Эти измерения могут осуществляться стрелочными приборами (вольтметр или микроамперметр), осциллографами, автоматическими самопишущими потенциометрами. Если электрический сигнал от ячейки очень слабый, то его усиливают с помощью радиотехнических усилителей. В приборах методов с наложением постороннего потенциала важной частью являются устройства для подачи на ячейку соответствующего потенциала стабилизированного постоянного или переменного тока (зависит от типа метода). Блок электропитания приборов электрохимического анализа включает обычно выпрямитель и стабилизатор напряжения, который обеспечивает постоянство работы прибора.                      

     Электрохимические методы анализа используют для определения свыше 60 элементов в различных природных и промышленных материалах, в том числе рудах, горных породах и минералах; например, полярографическим методом определяют сурьму в кварце и силикатных породах, марганец в осадочных породах, свинец в монаците, амперометрическим и потенциометрическим — цинк в цинковой обманке.                                                                                          

     Потенциометрическое титрование широко используется в лабораторной практике. Оно применяется в тех случаях, когда надо провести экспресс-анализ вещества, а необходимых реактивов и оборудования нет или оно недостижимо в данное время. Создание новых моделей рН-метров, более компактных, надежных и удобных только повышает его востребованность.

 

       2 ПОНЯТИЕ ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКОГО ТИТРОВАНИЯ

     Потенциометрический метод – это метод качественного и количественного анализа, основанный на измерении потенциалов, возникающих между испытуемым раствором и погруженным в него электродом. Данный метод рекомендуется для проведения анализов окрашенных растворов или малых концентраций веществ, для количественного анализа некоторых фармакопейных препаратов. Используя потенциометрическое титрование, можно более объективно устанавливать точку эквивалентности, поэтому метод находит широкое практическое применение, особенно в заводских лабораториях и экспресс-анализе. Помимо аналитических целей метод может быть использован для изучения кинетики химических процессов.

     Потенциометрическое титрование основано на определении точки эквивалентности по результатам потенциометрических измерений. Вблизи точки эквивалентности происходит резкое изменение (скачок) потенциала индикаторного электрода. Это наблюдается, конечно, лишь тогда когда хотя бы один из участников реакции титрования является участником электродного процесса. Так, например, титрование по методу кислотно-основного взаимодействия может быть выполнено со стеклянным электродом. Определение хлорида - с хлорсеребряным и т.д. Так же, как и в других титриметрических методах, реакции потенциометрического титрования должны протекать строго стехиометрически, иметь высокую скорость и идти до конца.

      Главной  особенностью потенциометрического  титрования есть использование  различных видов электродов от  выбора которых напрямую зависит  точность проведенных исследований. Поэтому при проведении титрования надо учитывать некоторые особенности электродов:

     - если есть возможность выбора – предпочтение следует отдавать электродам с наименьшим электрическим сопротивлением, т.к. это позволит снизить электростатические наводки и сделать измерения более точными, быстрыми и комфортными;

      - при анализе щелочных растворов с высоким содержанием ионов натрия следует применять высокоомные электроды;

      - для анализа растворов имеющих повышенную температуру (>50°С) предпочтительны высокоомные электроды, т.к. в этих условиях их сопротивление значительно снижается, и они приобретают все положительные свойства низкоомных электродов, но при этом имеют более широкий диапазон измерений и больший ресурс работы.

     В основе  метода лежит уравнение Нернста:

 

                     Eок/вос = Е°ок/вос + RT / nF * ln aок / авос

 

        3 ВИДЫ ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКОГО ТИТРОВАНИЯ

     Классификация потенциометрических методов анализа такова, как и обычного объемного анализа. В ее основу положены типы химических реакций: нейтрализации, осаждения, комплексобразования, окисления – восстановления и т. п.

 

3.1 Методы осаждения и комплексообразования.

    

    Широко распространено титрование раствором нитрата серебра. Так можно определять анионы и их смеси, образующие малорастворимые осадки с ионами серебра, например хлориды, бромиды, иодиды, роданиды, фосфаты и др.Раствором хлорида натрия, наоборот, можно титровать ионы серебра, висмута, например:

             

               Bi (NO3)3 + NaCl + H2O = BiOCl + NaNO3 + 2HNO3

    

    Гексацианоферрат (II) калия образует малорастворимые соли с катионами меди, цинка, кадмия, свинца, серебра, что можно использовать для определения этих катионов. Так, взаимодействие с солями цинка происходит по уравнению: