Термометрическое титрование

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.Носова»

Кафедра физической химии и химической технологии

Реферат

по дисциплине: Аналитическая химия

на тему: «Термометрическое титрование»

Выполнил: студент группы МХТб-12

Япанова Г.Ф.

Проверил: к.т.н., доцент

Костина З.И.

Магнитогорск 2014

Введение

Титриметрический анализ (титрование) -- метод количественного, массового анализа, который часто используется в аналитической химии, основанный на измерении объёма раствора реактива точно известной концентрации, расходуемого для реакции с определяемым веществом. Титрование -- процесс определения титра исследуемого вещества. Титрование производят с помощью бюретки, заполненной титрантом до нулевой отметки. Титровать, начиная от других отметок, не рекомендуется, так как шкала бюретки может быть неравномерной. Заполнение бюреток рабочим раствором производят через воронку или с помощью специальных приспособлений, если бюретка полуавтоматическая. Конечную точку титрования (точку эквивалентности) определяют индикаторами или физико-химическими методами (по электропроводности, светопропусканию, потенциал у индикаторного электрода и т. д.). По количеству пошедшего на титрование рабочего раствора рассчитывают результаты анализа.

Термические методы анализа основаны на измерении температур фазовых переходов и теплот химических реакций. Существуют различные виды термического анализа, одним из которых является термическое титрование. Термометрическое титрование - титрование, в котором точка эквивалентности определяется по изменению температуры титруемой смеси.

Целью настоящей работы является изучение термометрического титрования. Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

- рассмотреть основные термические методы анализа;

- изучить основы метода термометрического титрования;

- рассмотреть оборудование для термометрического титрования.

1. Термические методы анализа

Термические методы анализа основаны на измерении температур фазовых переходов и теплот химических реакций. Развитие получили следующие виды термического анализа:

- термометрия (термоанализ) - измерение температуры фазовых переходов

- плавление, кипение, затвердевание веществ и их смесей;

- термогравиметрия - измерение массы веществ, подвергаемчхнагреванию;

- калориметрия (энтальпиметрия) - измерение теплоты химических реакций;

- термометрическое титрование - титрование, в котором точка эквивалентности определяется по изменению температуры титруемой смеси.

По способу отсчета различают следующие виды термометрического анализа - прямые, в которых определяют значение температуры или количество теплоты,

и дифференциальные, основанные на измерении разности температур.

Термометрические методы основаны на положениях и законах термодинамики.

При протекании любой химической реакции изменяются свободная энергия системы Е°; ее изменения ДЕ° связаны с константой равновесия К химической реакции, а также с изменениями энтальпии ДН°, энтропии Д5° и температурой Т соотношениями:

AE° = -RTInK, (1)

ДЕ° = ДН° - ТД5°. (2)

термический титрование калориметрия

Изменения энтальпии регистрируют либо по тепловому эффекту реакции Q, либо по изменениям температуры системы ДТ, поскольку обе эти величины зависят от энтальпии:

Q = -пДН, (3)

Q = сДТ, (4)

ДТ = ДН°п/с, (5)

где п - число молей продукта реакций, с - теплоемкость системы.

В уравнения 3 и 5 входит концентрация продукта реакции (число молей), что позволяет применять термометрические методы для аналитических определений.

Термометрические методы универсальны, поскольку любая химическая реакция сопровождается изменениями энергии в системе, обладает высокой чувствительностью, позволяет надежно устанавливать присутствие примесей, определять чистоту веществ, проводить идентификацию веществ по температурным константам и их изменениям, исследовать процессы нагревания, сушки, плавления, кристаллизации.

2. Термометрическое титрование

Термометрическое титрование является сравнительно новым методом количественного анализа и может быть определено как объемное определение концентрации какого-либо компонента в растворе, проведенное с помощью измерения тепла, выделяемого при реакции между анализируемой пробой и подходящим реагентом в адиабатическом реакторе. Метод получил развитие лишь с появлением чувствительных элементов - термисторов, с помощью которых осуществляется контроль температуры при реакции. Данный метод отличается от калориметрической титриметрии тем, что теплота реакции, о которой свидетельствует падение или рост температуры, не используется для определения количества содержащегося в исследуемом образце раствора вещества. Напротив, точка эквивалентности определяется на основе области, в которой происходит изменение температуры. В зависимости от того, является реакция между титрантом и исследуемым веществом экзотермической или эндотермической, температура в течение процесса титрования будет, соответственно, возрастать или падать. Когда все исследуемое вещество прореагировало с титрантом, изменение области, в которой происходит рост или падение температуры, позволяет определить точку эквивалентности и изгиб на кривой температуры. Точно точку эквивалентности можно определить, взяв вторую производную кривой температуры: четкий пик будет указывать на точку эквивалентности.

Термотитрование является универсальным методом анализа и имеет ряд преимуществ:

- решение проблемы для сложных образцов, которые нельзя оттитровать потенциометрически;

- быстрые результаты;

- не требуется калибровка датчика;

- устойчивый метод для рутинной работы;

- подходит для агрессивных сред.

Метод термотитрования является очень универсальным и идеально дополняет потенциометрическое титрование. Он может быть применим в следующих случаях:

- когда невозможно подобрать потенциометрический электрод;

- когда невозможно подобрать подходящий электрод сравнения;

- когда образец как-то влияет на измерительный электрод или портит его;

- когда невозможно подобрать подходящий для потенциометрии растворитель.

3. Основы метода термометрического титрования

Этот метод, называемый также «энтальпическим» титрованием, основан на измерении теплового эффекта процесса комплексообразования. Согласно описанной Йорданом методике, концентрированный стандартный (приблизительно одномолярный) раствор комплексона подают с постоянной скоростью из бюретки в калориметр, в котором находится исследуемый раствор. Изменение температуры раствора регистрируется с помощью термисторов, включенных в мостиковую схему, и записывается самописцем.

На кривых титрования (выражающих зависимость температуры от объема раствора титранта) в точке эквивалентности имеется зубец. Чувствительность определения свинца, меди, цинка, кадмия, никеля, кобальта, кальция и магния составляет 0,5--2 ммоль/л при точности около 3%. Аналогичные результаты для многочисленных двухвалентных ионов металлов получил Гармелин.

Кривые титрования можно также использовать для вычисления теплот реакций.

Представляет интерес возможность применения этого метода для последовательного титрования присутствующих в одном растворе нескольких металлов, даже если константы устойчивости их комплексов довольно близки друг к другу. В этом случае решающее значение имеет не только отношение констант устойчивости, но и разница в теплотах реакций комплексообразования. Метод особенно пригоден для определения кальция и магния титрованием раствором ЭДТА, поскольку соответствующие тепловые эффекты не только сильно различаются между собой, но даже имеют противоположные знаки.

До настоящего времени практическое применение этого метода было весьма ограниченным. Возможно, его расширению будет способствовать разработанная Пристли и др. аппаратура, которая автоматизирует и, следовательно, сильно упрощает определения. Объем раствора титранта можно отсчитывать по счетчику или записывать полную кривую титрования самописцем. Таким способом изучено множество разнообразных методов титрования (в том числе и не комплексонометрических).

На рисунке 1 показана типичная кривая термометрического титрования. До начала титрования стабилизируют температуру анализируемого раствора (участок 1), например, помещая его в сосуд Дьюара (Сосумд Дьюмара -- сосуд, предназначенный для длительного хранения веществ при повышенной или пониженной температуре. Перед помещением в сосуд Дьюара вещество необходимо нагреть или охладить. Постоянная температура поддерживается пассивными методами, за счет хорошей теплоизоляции и/или процессов в хранимом веществе (например, кипение). В этом основное отличие сосуда Дьюара от термостатов, криостатов). При титровании титрант подают с постоянной скоростью, раствор в сосуде при этом перемешивается. Если реакция экзотермична, температура раствора поднимается. Основным условием проведения термометрического титрования является быстрота реакции по отношению к скорости подачи титранта. Подъем температуры раствора (участок 2) происходит до того момента, когда все компоненты прореагируют (конечная точка титрования). Если теперь добавить титрант, то температура раствора может изменяться по-разному (кривые 3 и 4) в зависимости от тепла, содержащегося в растворе титранта.

Среди приборов этого типа наибольшее распространение получили титрографы. Известно также несколько конструкций полуавтоматических титраторов, а также автоматических титраторов непрерывного действия. Приборы для термометрического титрования более подробно рассмотрим в следующем разделе.

4. Приборы для термометрического титрования

Первым прибором, где использовалась непрерывная подача титранта и регистрация кривой титрования, был титрограф с использованием моста Уинстона (измерительный мост Уитстона, мостик Витстона) -- устройство для измерения электрического сопротивления, предложенное в 1833 Самуэлем Хантером Кристи, и в 1843 году усовершенствованное Чарльзом Уитстоном. Мост Уитстона относится к одинарным мостам в отличие от двойных мостов Томсона. Электрический аналог рычажных аптекарских весов. Принцип измерения основан на взаимной компенсации сопротивлений двух звеньев, одно из которых включает измеряемое сопротивление. В качестве индикатора обычно используется чувствительный гальванометр, показания которого должны быть равны нулю в момент равновесия моста. В одно из плеч моста (рисунок 2,а) был помещен термистор Т, мост питался от батареи Б. Потенциал, соответствующий температуре раствора в титровальной сосуде V, регистрировался потенциометром Р. Титрант в сосуд для титрования подавался из сосуда Мариотта М (рисунок 2,6) с постоянной скоростью через капилляр К, помещенный в термостат.

Рисунок 2 Схема термометрического титрографа

Развитием вышеописанного прибора явились так называемые дифференциальные термометрические титрографы, в которых в одно из плеч моста Уинстона помещался термистор, измеряющий температуру раствора, а в другое -- термистор сравнения, измеряющий температуру окружающей среды.

В некоторых полуавтоматических термометрических титраторах конечная точка титрования определяется по величине производной кривой титрования.

Значительный интерес представляет автоматический непрерывный титратор, предназначенный для определения небольших количеств едкого натрия в неводных растворах непосредственно в потоке производственных растворов. Анализатор включает (рисунок 3) пробоотборное устройство П, регулятор давления Р и насос служащие для подачи пробы в прибор, а также насос Н2 -- для подачи титранта. Титровальная ячейка выполнена в виде массивного блока V из фторопласта, где расположена небольшая реакционная камера с мешалкой М. Температура пробы измеряется термисторами Г -- на входе реакционной камеры и Т2 -- в самой камере. Титровальная ячейка помещена в термоблок В, где располагаются змеевики З1 и З2, а также небольшой сосуд С. Последний служит для улучшения условий температурного контроля. Титрант подается всегда с некоторым избытком, так что температурные изменения раствора в процессе титрования пропорциональны концентрации анализируемого вещества. При изменении концентрации щелочи в пределах 0-0,4% абсолютная погрешность составляла 0,05%. Вариации температуры пробы от 60-80 °С не оказывали большого влияния на показания прибора.

Рисунок 3 Схема термометрического непрерывного титратора

На рисунке 4 представлен автоматический титратор 859 Titrotherm для термотитрования. Прибор поставляется полностью укомплектованным - с системой дозирования Dosino и бюреткой на 10 мл, со штативом и пропеллерной мешалкой, со сосудом для титрования, термодатчиком и специальным ПО.

Рисунок 4 Автоматический титратор 859 Titrotherm

Температурный датчик - быстрый, точный и надежный.
Температурный датчик Thermoprobe, основанный на полупроводниковой технологии имеет очень быстрое время отклика и высокое разрешение. Это делает датчик Thermoprobe идеальным для термометрического титрования, так как он может быстро и точно следить за изменением температуры. Корпус датчика, выполненный из полипропилена и эпоксидной смолы, обеспечивает датчику высокую устойчивость к органическим растворителям и агрессивным средам.

Автоматический титратор 859 Titrotherm осуществляет дозирование с помощью запатентованной системы дозирования, состоящей из привода Dosino и дозирующей бюретки, которые расположены над блоком титратора и присоединяются непосредственно к бутылке с реагентом. Следовательно, они занимают гораздо меньше места на столе, чем традиционные системы дозирования реагентов. Более того, уникальная конструкция бюреток (ход поршня при дозировании - сверху-вниз) гарантирует отсутствие в добавляемом титранте пузырьков воздуха, что делает титрование более точным и воспроизводимым. Встроенный чип данных содержит всю необходимую для пользователя информацию: объем, серийный номер, название реактива, его концентрацию, титр, историю титра. Титратор автоматически считывает информацию при подключении к нему дозирующей бюретки.

Титратор 859 Titrotherm поставляется в комплекте со специальным ПО tiamo™, с помощью которого можно управлять титратором, следить за ходом титрования, получать и сохранять результаты титрования в базы данных и многое другое.

Автоматизация титрования. Увеличение числа образцов, трудоемкий и длительный процесс пробоподготовки, необходимость использовать прибор без присмотра в нерабочее время - серьезные причины для использования автосэмплеров и систем автоматической пробоподготовки. Титратор 859 Titrotherm обладает необходимым интеллектом для управления автоматизированными системами пробоподготовки и смены образцов.

Заключение

В данной работе изучили основы термометрического титрования (термотетривание), рассмотрели схемы, лабораторные установки и приборы для термометрического титрования. Ознакомились с методикой термометрического титрования (построение кривой титрования, необходимые реактивы и т.д.).

Метод термотитрования является универсальным и идеально дополняет потенциометрическое титрование. Он может быть применим в следующих случаях:

- когда невозможно подобрать потенциометрический электрод;

- когда невозможно подобрать подходящий электрод сравнения;

- когда образец как-то влияет на измерительный электрод или портит его;

- когда невозможно подобрать подходящий для потенциометрии растворитель.

Термотитрование имеет ряд преимуществ:

- решение проблемы для сложных образцов, которые нельзя оттитровать потенциометрически;

- быстрые результаты;

- не требуется калибровка датчика;

- устойчивый метод для рутинной работы;

- подходит для агрессивных сред.

Поскольку любая химическая реакция сопровождается изменениями энергии в системе, метод термотитрирования обладает высокой чувствительностью, позволяет надежно устанавливать присутствие примесей, определять чистоту веществ, проводить идентификацию веществ по температурным константам и их изменениям, исследовать процессы нагревания, сушки, плавления, кристаллизации.

Список использованных источников

1 Коростелев П.П. Титриметрический и гравиметрический анализ в металлургии [Текст]: справ.изд. - М.: Металлургия, 1985. - 320 с.

2 Забелин В.Л. Автоматическое титровние [Текст]: учебное пособие. - М.: Энергия, 2001. - 96 с.

3 Крешков А.П. Основы аналитической химии. Теоретические основы [Текст]: книга первая, изд.4-е, перераб. - М.:Химия, 2002 - 225 с.

4 Васильев В. П. - Аналитическая химия [Текст]: учебное пособие. - М.: Высшая школа, 1998 - 384 с.

Размещено на Allbest.ru