7.3. Практическое применение методов кислотно-основного титрования

Методы кислотно-основного титрования применяют в контроле производства в химической и текстильной промышленности, технологии пластмасс и волокон, удобрений в гидро- и электрометаллургии, в оценке состояния природных и сточных вид и т.д.

При помощи этого метода определяют кислоты, основания, некоторые соли, азот, серу в органических соединениях и др.

Практические работы

Работа 1. Стандартизация раствора НСl по карбонату натрия

Ион СО₃^2– является основанием способным последовательно присоединять протоны:

СО₃^2– + Н⁺ = НСО₃^–;

НСО₃^– + Н⁺ = Н₂СО₃.

Титровать кислотой можно до образования в растворе либо НСО₃^– (NaHCO), либо Н₂СО₃. В первом случае оттитровывают половину карбоната натрия, во втором – весь карбонат натрия. Естественно, что если титруют до NaHCO₃ (рН этого раствора равен 8,34 , поэтому титрование проводят в присутствии фенолфталеина), то для расчета количества Na₂CO₃ в исследуемом растворе нужно удвоить число миллилитров HCl пошедшей на титрование. Если титруют до Н₂СО₃ (рН = 4,25), то применяя в качестве индикатора метиловый оранжевый, оттитровывают весь карбонат натрия.

Реагенты

Соляная кислота, HCl, 0,1 М раствор.

Карбонат натрия Na₂CO₃, 0,1000 М (½ Na₂CO₃ ) стандартный раствор.

Индикатор метиловый оранжевый, 0,1 %-ный водный раствор.

Выполнение определения. В бюретку наливают раствор HCl, отбирают пипеткой 10,00 мл стандартного раствора карбоната натрия, переносят в коническую колбу для титрования, вместимостью 100 мл, добавляют 1 каплю метилового оранжевого, 20 мл дистиллированной воды и титруют соляной кислотой до изменения окраски раствора из желтой в оранжевую.

При титровании с метиловым оранжевым удобно пользоваться свидетелем, т.е. раствором, имеющим окраску, до которой следует титровать исследуемый раствор. Для приготовления свидетеля в коническую колбу для титрования вместимостью 100 мл вносят мерным цилиндром 40 мл дистиллированной воды, одну каплю метилового оранжевого и 1–2 капли 0,1 М раствора кислоты до появления оранжевой окраски.

Работа 2. Стандартизация раствора гидроксида натрия по соляной кислоте

Благодаря большому скачку рН на кривой титрования и тому, что точка эквивалентности соответствует рН = 7, сильные кислоты можно титровать сильными основаниями с индикаторами, значения рТ которых лежит как при рН < 7, так и при рН > 7.

Реагенты

Соляная кислота, HCl, 0,1000 М стандартный раствор.

Гидроксид натрия, NaOH, 0,1 М раствор.

Индикаторы: метиловый оранжевый, 0,1%-ный водный раствор; фенолфталеин, 0,1%-ный раствор в 60 %-ном этаноле.

Выполнение определения

1. Титрование с метиловым оранжевым. В тщательно вымытую и затем ополоснутую раствором NaOH, в бюретку наливают раствор NaOH и закрывают бюретку трубкой с натронной известью. Ополоснув пипетку раствором HCl, отбирают пипеткой 10,00 мл этого раствора и переносят в коническую колбу для титрования вместимостью 100 мл, добавляют мерным цилиндром 20 мл дистиллированной воды, 1 каплю метилового оранжевого и титруют раствором гидроксида натрия до изменения окраски раствора из красной через оранжевую в чисто-желтую. Титруют не менее трех раз. Результаты трех титрований должны отличаться друг от друга не более, чем на 0,1 мл.

2. Титрование с фенолфталеином. В колбу для титрования помещают пипеткой 10,00 мл стандартного раствора HCl, 2–3 капли фенолфталеина и титруют раствором гидроксида натрия до бледно-розовой окраски, устойчивой в течение 30 секунд. Титровать нужно по возможности быстро, раствор не следует перемешивать слишком интенсивно во избежание поглощения раствором СО₂ из воздуха.

Работа 3. Определение карбонат- и гидрокарбонат-ионов или карбонат-ионов

и щелочи при совместном присутствии

Карбонат-ион является двухосновным основанием с константами основности, равными К_В,1=2,1·10^–4 и К_В,2=2,2·10^–8. Поскольку отношение К_В,1: К_В,2 =10⁴, то на кривой титрования карбонат-ионов кислотой наблюдаются два отчетливых скачка титрования; первая точка эквивалентности (рН = 8,34) – карбонат-ионы переходят в гидрокарбонат-ионы; вторая (рН = 4,25) – гидрокарбонат-ионы переходят в угольную кислоту.

Если титровать смесь ионов СО₃^2– и НСО₃^– раствором HCl с фенолфталеином (рТ = 9,0) до обесцвечивания (V₁), то ион СО₃^2- будет оттитрован до НСО₃^-. Тогда

с(СО₃^2-) = .

В оттитрованный по фенолфталеину раствор добавляют метиловый оранжевый (рТ = 4,0) и продолжают титровать кислотой (V₂) до изменения окраски раствора из желтой в оранжевую. В этом случае оттитровывают все ионы НСО₃^-, присутствующие изначально в смеси и образовавшиеся из СО₃^2-. Тогда

с(НСО₃^–) = .

Можно титровать отдельные аликвоты, применяя соответственно индикаторы: фенолфталеин (V₁) и метиловый оранжевый (V₃). Тогда

с(НСО₃^–) = .

Аналогично можно оттитровать и смесь NaOH и Na₂CO₃. По фенолфталеину (V₁) оттитровывают всю щелочь и Na₂CO₃ до NaHCO₃, а по метиловому оранжевому (V₂) – NaHCO₃ до Н₂СО₃. Тогда объем раствора HCl, использованный на титрование Na₂CO₃ будет равен 2V₂ ,а затраченный на титрование NaOH равен V₁ – V₂.

Реагенты

Соляная кислота, HCl, 0,1000 М стандартный раствор.

Индикаторы: метиловый оранжевый, 0,1 %-ный водный раствор; фенолфталеин, 0,1 %-ный раствор в 60 %-ном этаноле.

Анализируемые смеси.

Выполнение определения

1. Определение карбонат-ионов. Раствор смеси СО₃^2– и НСО₃^– в мерной колбе вместимостью 50,0 мл разбавляют водой до метки и хорошо перемешивают. Пипеткой отбирают 10,00 мл раствора в коническую колбу для титрования вместимостью 200-250 мл, прибавляют 20 мл воды, 5 капель фенолфталеина и титруют из бюретки раствором HCl до обесцвечивания от одной капли титранта. Измеряют объем HCl (V₁). Раствор не выливают, а используют для определения гидрокарбонатов-ионов.

2. Определение гидрокарбонат-ионов. В оттитрованный по фенолфталеину раствор вводят 2 капли метилового оранжевого и титруют раствором HCl до изменения окраски из чисто-желтой в оранжевую. Измеряют объем HCl (V₂).

Содержание ионов (г) рассчитывают по формулам

; ,

где 60,0 и 61,0 – молярные массы эквивалента СО₃^2- и НСО₃^- соответственно; V – объем мерной колбы с анализируемым раствором.

Работа 4. Определение соляной и борной кислот при совместном

присутствии с двумя индикаторами

До начала титрования рН смеси определяется концентрацией сильной кислоты (HCl), так как в ее присутствии диссоциация слабой кислоты подавлена. Поэтому вначале будет оттитрована практически вся сильная кислота, а затем будет оттитровываться и слабая. Борная кислота является очень слабой (К = 6,4·10^-10), непосредственно ее оттитровать нельзя. Но если в раствор добавить некоторые органические вещества (маннит, глицерин и т.п.), то они образуют с борной кислотой более сильные комплексные кислоты, которые уже можно титровать с таким индикатором как фенолфталеин.

Реагенты

Гидроксид натрия, NaOH, 0,1000 М стандартный раствор.

Глицерин (предварительно нейтрализованный по фенолфталеину).

Индикаторы: метиловый оранжевый, 01 %-ный водный раствор; фенолфталеин, 0,1 %-ный раствор в 90 %-ном этаноле.

Анализируемая смесь кислот.

Выполнение определения

В бюретку наливают стандартный раствор гидроксида натрия и закрывают бюретку трубкой с натронной известью. Раствор, содержащий соляную и борную кислоты, помещают в мерную колбу, вместимостью 50,0 мл, разбавляют водой до метки и хорошо перемешивают. Затем пипеткой отбирают 10,00 мл этого раствора, переносят в коническую колбу вместимостью 100 мл, добавляют 1 каплю раствора метилового оранжевого и титруют раствором гидроксида натрия до изменения окраски раствора из красной в чисто-желтую. Отмечают объем раствора NaOH, пошедший на титрование HCl. Затем в титруемый раствор добавляют 10 мл глицерина, хорошо перемешивают, добавляют 6–7 капель раствора фенолфталеина и продолжают титрование раствором NaOH до изменения окраски из желтой в оранжево-красную. Добавляют еще 5 мл глицерина и, если оранжево-красная окраска исчезла, продолжают титрование раствором NaOH до появления оранжево-красной окраски. Объем раствора гидроксида натрия, пошедшего на титрование в присутствии фенолфталеина, соответствует содержанию борной кислоты в аликвотной порции смеси.

Работа 5. Определение солей аммония формальдегидным методом

Одним из самых точных методов определения солей аммония является формальдегидный. Он основан на реакции

4NH₄Cl + 6H₂CO = (CH₂)₆N₄ + 6H₂O + 4HCl.

Образующуюся в результате реакции кислоту титруют раствором гидроксида натрия в присутствии фенолфталеина. Этот индикатор необходимо применять потому, что точка эквивалентности лежит при рН > 7, так как одним из продуктов взаимодействия формальдегида с хлоридом аммония является слабое основание – гексаметилентетраамин (уротропин). Кроме того, формальдегид часто загрязнен муравьиной кислотой, которая также оттитровывается раствором NaOH с образованием формиата натрия, имеющего щелочную реакцию.

Реагенты

Гидроксид натрия, NaOH, 0,1000 М стандартный раствор.

Формальдегид CH₂O, 20 %-ный раствор.

Индикатор фенолфталеин, 0,1 %-ный раствор в 90 %-ном этаноле.

Выполнение определения

Отбирают пипеткой 10,00 мл анализируемого раствора в коническую колбу для титрования вместимостью 100 мл, добавляют туда же из бюретки 5,00 мл формальдегида и оставляют на 1–2 мин, затем добавляют 2–3 капли фенолфталеина и титруют раствором гидроксида натрия до появления бледно-розовой окраски, устойчивой в течение 30 секунд.

Примечание. В результаты титрования нужно ввести поправку на содержание в формальдегиде муравьиной кислоты. Для этого в колбу для титрования отмеряют бюреткой 10,00 мл раствора формальдегида, добавляют 2–3 капли фенолфталеина и полученный раствор титруют раствором NaOH. Объем раствора NaOH, затраченный на титрование, делят на 2 и вычитают из объема, затраченного на титрование исследуемого раствора.

Работа 6. Определение молярной массы эквивалента слабой органической

кислоты

Методы кислотно-основного титрования удобны для определения (прямого или косвенного) различных функциональных групп органических соединений.

Наиболее обычными функциональными группами, обусловливающими кислотные свойства органических соединений, являются карбоксильные и сульфогруппы. Большинство карбоновых кислот имеют константу диссоциации (Кд) от 10^-4 до 10^-6 и поэтому легко титруются. Для фиксации точки эквивалентности необходим индикатор с переходом окраски в щелочной области (например, фенолфталеин).

Многие карбоновые кислоты малорастворимы в воде и их нельзя оттитровать непосредственно в водных растворах. В таких случаях кислоту обычно растворяют в этаноле и титруют водным раствором щелочи. Можно поступить иначе: растворить кислоту в избытке стандартизованного раствора щелочи и непрореагировавший остаток оттитровать стандартным раствором кислоты.

Сульфокислоты являются обычно сильными кислотами, легко растворимы в воде, поэтому оттитровать их щелочью просто.

Для идентификации слабой кислоты полезно установить ее молярную массу эквивалента. Ее можно определить титрованием взвешенного количества очищенной кислоты стандартизированным раствором NaOH.

Реагенты

Гидроксид натрия, NaOH, 0,1000 М стандартизированный раствор.

Индикатор фенолфталеин, 0,1 %-ный раствор в 90 %-ном этаноле.

Выполнение определения

Берут навеску (~0,3 г) на аналитических весах (определяют ее массу до 10^–4 г) очищенной кислоты. Помещают ее в коническую колбу на 250 мл и растворяют в 50–75 мл свежеприготовленной дистиллированной воды. Прибавляют две капли фенолфталеина и титруют гидроксидом натрия до появления бледно-розовой окраски, не исчезающей в течение 30 секунд. Рассчитывают эквивалентную массу кислоты, полагая, что образец содержит ее 100 %.