- •Курс лекций
- •Часть II «химические методы анализа» содержание
- •Закон действия масс
- •Теория электролитической диссоциации
- •Состояние слабых электролитов в растворе
- •Состояние сильных электролитов в растворе
- •Протолитическая теория Бренстеда-Лоури
- •Выбор идикатора
- •Кислотно-основное титрование (протолитометрия)
- •Редоксиметрия
- •Перманганатометрия
- •Иодометрия
- •Комплексометрия
Редоксиметрия
Редоксиметрия – группа титриметрических методов анализа, в основе которых находятся реакции, протекающие с изменением степеней окисления реагирующих веществ. Окисление одного вещества неразрывно связано с восстановлением другого, поэтому реакции такого типа называются окислительно-восстановительными. Вещество может существовать в двух формах – окисленной (Ох) и восстановленной (Red), которые образуют сопряженную редокс - пару.
Термин "редокс" произошел в результате сочетания латинских слов reductio – восстановление и oxydatio – окисление.
В растворе протекает окислительно-восстановительная реакция:
Ох1 + Red2 → Red1 + Ох2,
восстановление Ох1 + ne → Red1,
окисление Red2 – ne → Ох2.
Количественной характеристикой способности веществ окисляться или восстанавливаться является стандартный электродный потенциал (ЕО). Для нахождения ЕО измеряют электродвижущую силу гальванического элемента, одним из полуэлементов которого является стандартный водородный электрод, другим – электрод, на котором протекает полуреакция с участием данной редокс-парой.
Стандартный электродный потенциал – равновесный потенциал, измеренный относительно водородного электрода при активностях всех участников полуреакции, равных 1 моль/дм3 и при условии, что система находится в стандартных условиях (Р = 1,013 ·105 Па (1 атм); Т = 297 К); ЕО зависит от температуры, давления и природы растворителя.
В реальных системах электродный потенциал отличается от стандартного, так как изменяются условия измерения. Реальный редокс-потенциал (Е) зависит от природы редокс-пары, активности ионов, температуры. Количественно эта зависимость описывается уравнением Нернста:
,
где – стандартный электродный потенциал, В;– универсальная газовая постоянная, 8,314 Дж/моль·К; Т – абсолютная температура, К;– постоянная Фарадея, 9,65·104 Кл; – число электронов, принимающих участие в электродной реакции;и– активности окисленной и восстановленной форм вещества соответственно.
Если в реакции компоненты находятся в стандартном состоянии (твердые вещества, газы), их активность а = 1. Активности компонентов следует возвести в степени, равные стехиометрическим коэффициентам.
При подстановке всех констант, переходе от натурального логарифма к десятичному и 25 ОС уравнение Нернста принимает вид, в котором применяется для расчета реальных потенциалов окислительно-восстановительных систем:
.
Методы редоксиметрии классифицируются в зависимости от названия титрантов (табл. 7).
Таблица 7
Характеристика методов редоксиметрии
Метод |
Титрант |
Стандартное вещество |
Индикатор |
Объект анализа |
Перманганатометрия |
KMnO4 |
Н2С2О4, Nа2С2О4 |
– |
Восстановители (Fe, Ti, Sn, Pb, Sr) |
Иодометрия |
Nа2S2О3, I2 |
К2Сr2О7 |
Крахмал |
Окислители (Cu), восстановители (Sn, Sb, Hg, As) |
Дихромато-метрия |
К2Сr2О7 |
– |
Дифенил-амин |
Восстановители (Fe, Sn, Mn, Cr,) |
Броматометрия |
КвrО3 |
– |
Метиловый оранжевый |
Восстановители (Fe, Sn, Sb, As) |
Для установления точки эквивалентности применяется несколько способов:
Окислительно-восстановительные (редокс) индикаторы – органические соединения, способные к окислению или восстановлению, причем окисленная и восстановленная формы имеют различную окраску, которая зависит от потенциала системы.
Характеристика важнейших редокс-индикаторов приведена в табл. 8.
Таблица 8
Окислительно-восстановительные индикаторы
Индикатор |
, В (при аН =1) |
Окраска | |
Ох-формы |
Red-формы | ||
Ферроин |
1,06 |
Голубая |
Красная |
Фенилантраниловая кислота |
1,02 |
Красная |
Бесцветная |
Дипиридил |
0,97 |
Голубая |
Красная |
Дифениламин |
0,76 |
Фиолетовая |
Бесцветная |
Метиленовый синий |
0,53 |
Голубая |
Бесцветная |
Нейтральный красный |
0,24 |
Красная |
Бесцветная |
Для сопряженной редокс-пары индикатора
Ind(Ox) + ne → Ind(Red)
по уравнению Нернста вычисляют потенциал индикаторной системы:
,
где – стандартный потенциал индикатора, зависит от рН среды, ионной силы раствора.
Интервал изменения окраски редокс-индикатора (∆Е) – интервал потенциалов, внутри которого индикатор изменяет окраску, за его пределами преобладает окраска окисленной или восстановленной форм; ∆Е рассчитывают по уравнению:
.
Редокс-индикатор выбирают по кривой титрования.
Требования к редокс-индикаторам:
окраска окисленной и восстановленной форм индикатора должна резко различаться и быть интенсивной;
окраска индикатора должна изменяться в узком интервале потенциалов от одной избыточной капли окислителя или восстановителя;
индикатор должен быть химически устойчив во внешней среде.