Основные методы титриметрического анализа

В основе титриметрического анализа лежит химическое взаимодействие между титруемым раствором и добавляемым титрантом. Рабочий раствор подбирают таким образом, чтобы реакция протекала количественно.

Химические реакции в титриметрическом анализе

Химические процессы, которые лежат в основе взаимодействия между титрантом и определяемым веществом, могут иметь различную природу. Наиболее часто встречаются:

• реакции ионного обмена;

• окислительно-восстановительные процессы;

Зная механизм реакции, можно посчитать ее стехиометрию, а значит определить концентрацию титруемого раствора.

Обменные реакции могут:

• протекать с образованием малодиссоциирующих соединений (например, воды в реакциях нейтрализации);

• сопровождаться выпадением осадка;

• проходить с образованием комплексов.

Все эти взаимодействия должны протекать необратимо, чтобы исходные реагенты расходовались полностью. В этом случае для вычисления концентрации определяемого раствора применим закон эквивалентов.

Как контролировать точку эквивалентности в процессе титрования

В ручных методах титриметрического анализа используют особенности каждого типа реакции:

• В осадительном (седиметрическом) титровании точку эквивалентности определяют по выпадению осадка.

• В окислительно-восстановительном титровании подбирают индикаторы, которые меняют окраску при изменении степени окисления компонентов раствора.

• В кислотно-основном титровании важно подобрать индикатор, который будет менять свой цвет вблизи точки эквивалентности.

• Комплексонометрическое титрование позволяет определять содержание металлов, способных образовывать комплексы с реагентом, выступающим в качестве титранта. Эта реакция обычно также сопровождается изменением цветности раствора.

Рассмотрим несколько примеров реакций, лежащих в основе различных методов титрования.

Реакция нейтрализации. Кислотно-основное титрование.

В основе этого взаимодействия лежат реакции между кислотой и основанием. При этом сила кислоты и основания будет влиять на вид кривой титрования и расположение точки эквивалентности на ней.

При взаимодействие сильных кислот и оснований ТЭ лежит в районе нейтрального pH. Ее определение не вызывает особых сложностей, поскольку скачок титрования составляет порядка ΔрН = 5,4. В этом случае для нахождения точки эквивалентности обычно используют два распространенных индикатора: фенолфталеин или метиловый оранжевый. Их интервал перехода окраса пересекается со скачком титрования.

Таблица 1. Анализ кривых титрования при взаимодействии сильных кислот и оснований

Если происходит взаимодействие между слабой кислотой и слабым основанием, то в этом случае вид кривой титрования меняется.

В первую очередь уменьшается скачок титрования ΔрН, а выбор индикатора будет зависеть от pH точки эквивалентности. Точка эквивалентности в этом случае не будет совпадать с точкой нейтрализации. В случае титрования слабых кислот она будет лежать в области изменения окраса фенолфталеина, а у слабых оснований ТЭ попадает в кислый диапазон, где может применяться метиловый оранжевый или метиловый красный, у которого цвет изменяется в диапазоне pH 4,4-6,2.

Таблица 2. Анализ кривых титрования при взаимодействии слабых кислот с сильными основанями и слабых оснований с сильными кислотами

Таким образом, представленные методы анализа позволяет количественно определять искомые компоненты растворов при условии правильного подбора индикатора.

При взаимодействии между собой слабых кислот и оснований в водных растворах скачок титрования будет слишком малым для идентификации, поэтому такие реакции не имеют практического смысла. Для анализа этих систем используют различные ухищрения: проводят титрование в неводных средах или вводят дополнительные комплексообразователи, которые способны разрушаться в присутствии титранта.

Титрование многоосновных кислот проходит ступенчато с постепенным замещением атомов водорода в молекуле кислоты. Скачок на первой ступени соответствует образованию однозамещенной соли, на следующем этапе уходит второй атом водорода. Замещение последнего атома водорода происходит крайне медленно и эта реакция характеризуется очень маленькой константой диссоциации (≈10^-13), поэтому на кривой титрования третья ступень практически невидна. Важно отметить, что на каждой ступени титрования многоосновной кислоты необходим свой индикатор.

Если фосфорную кислоту необходимо оттитровать по всем трем ступеням, то в этом случае к ней добавляют известное количество раствора хлорида кальция (CaCl2). В результате реакции в осадок выпадет соль фосфорной кислоты, а в растворе остается свободная соляная кислота:

2H₃PO₄ + 3 CaCl₂ = Ca₃(PO₄)₂↓ + 6HCl

Определить содержание образовавшейся HCl можно щелочным рабочим раствором, а далее вычисляется количество исходной ортофосфорной кислоты. Такой способ называется обратным титрованием.

Аналогичный подход можно применять и для количественного анализа других слабых многоосновных кислот, в том числе и органических.

Следует отметить, что фиксация точки эквивалентности может происходить не только по изменениям окраски раствора, но и по изменениям других свойств. В потенциометрическом титровании регистрируются изменения электрохимических свойств системы по ходу взаимодействия титранта с анализируемым раствором. Этот подход позволяет автоматизировать методику титрования и избежать влияния человеческого фактора на результат анализа.