Титриметрический метод анализа - это что такое?

Титриметрический метод анализа (титрование) позволяет провести объемный количественный анализ и находит широкое применение в химии. Его главное достоинство - разнообразие способов и методов, благодаря чему его можно использовать для решения разнообразных аналитических задач.

Принцип анализа

Титриметрический метод анализа основан на измерении объема раствора известной концентрации (титранта), вступившего в реакцию с исследуемым веществом.

Для анализа понадобится специальное оборудование, а именно, бюретка – тонкая стеклянная трубка с нанесенной градуировкой. Верхний конец этой трубки открыт, а на нижнем находится запорный кран. Прокалиброванную бюретку с помощью воронки заполняют титрантом до нулевой отметки. Анализ проводят до конечной точки титрования (КТТ), добавляя небольшое количество раствора из бюретки к исследуемому веществу. Конечную точку титрования идентифицируют по изменению цвета индикатора или какого-либо физико-химического свойства.

Конечный результат рассчитывается по затраченному объему титранта и выражается в титре (Т) – массе вещества, приходящейся на 1 мл раствора (г/мл).

Обоснование процесса

Титриметрический метод количественного анализа дает точные результаты, поскольку вещества реагируют друг с другом в эквивалентных количествах. Это означает, что произведение их объема и количества тождественны друг другу: C₁V₁ = C₂V₂. Из этого уравнения легко найти неизвестное значение С₂, если остальные параметры задаются самостоятельно (С₁, V₂) и устанавливаются в ходе анализа (V₁).

Обнаружение конечной точки титрования

Поскольку своевременное фиксирование конца титрования – наиболее важная часть анализа, нужно правильно подобрать его способы. Наиболее удобным считается использование цветных или флуоресцентных индикаторов, но можно применять и инструментальные методы – потенциометрию, амперометрию, фотометрию.

Окончательный выбор способа обнаружения КТТ зависит от требуемой точности и селективности определения, а также его скорости и возможности автоматизации. Особенно актуально это для мутных и окрашенных растворов, а также агрессивных сред.

Требования к реакции титрования

Чтобы титриметрический метод анализа дал верный результат, нужно правильно подобрать реакцию, которая будет лежать в его основе. Требования к ней следующие:

• стехиометричность;
• высокая скорость протекания;
• высокая константа равновесия;
• наличие достоверного способа фиксирования экспериментального конца титрования.

Подходящие реакции могут принадлежать любому типу.

Виды анализа

Классификация методов титриметрического анализа основана на типе реакции. По этому признаку различают следующие методы титрования:

• кислотно-основное;
• окислительно-восстановительное;
• комплексометрическое;
• осадительное.

В основе каждого вида лежит свой тип реакции, подбираются специфические титранты, в зависимости от которых в анализе выделяют подгруппы методов.

Кислотно-основное титрование

Титриметрический метод анализа с использованием реакции взаимодействия гидроксония с гидроксид-ионом (Н₃О⁺ + ОН^- = Н₂О) называется кислотно-основным. Если известное вещество в растворе образует протон, что характерно для кислот, метод относится к подгруппе ацидиметрия. Здесь в качестве титранта обычно используют устойчивую соляную кислоту HCl.

Если титрант образует гидроксид-ион, метод называется алкалиметрией. Используемые вещества – щелочи, например, NaOH, или соли, полученные взаимодействием сильного основания со слабой кислотой, как Na₂CO₃.

Индикаторы при этом используется цветные. В качестве них выступают слабые органические соединения – кислоты и основания, у которых различаются структура и окраска протонированных и не протонированных форм. Чаще всего в кислотно-основном титровании используется одноцветный индикатор фенолфталеин (прозрачный раствор в щелочной среде становится малиновым) и двухцветный метиловый оранжевый (красное вещество становится желтым в кислой среде).

Их широкое применение связано с высоким светопоглощением, благодаря которому их окраска хорошо заметна невооруженным глазом, и контрастности и узкой области перехода цвета.

Окислительно-восстановительное титрование

Окислительно-восстановительный титриметрический анализ – это метод количественного анализа, основанный на изменении соотношения концентраций окисленной и восстановленной форм: aOx₁ + bRed₂ = aRed₁ + bOx₂.

Делится метод на следующие подгруппы:

• перманганатометрия (титрант – KMnO₄);
• иодометрия (I₂);
• дихроматометрия (K₂Cr₂O₇);
• броматометрия (KBrO₃);
• иодатометрия (KIO₃);
• цериметрия (Ce(SO₄)₂);
• ванадатометрия (NH₄VO₃);
• титанометрия (TiCl₃);
• хромометрия (CrCl₂);
• аскорбинометрия (С₆Н₈ОН).

В ряде случаев роль индикатора может играть реагент, участвующий в реакции и меняющий свою окраску с приобретением окисленной или восстановленной формы. Но также применяют специфические индикаторы, например:

• при определении йода используют крахмал, который образует темно-синее соединение с I₃^—ионами;
• при титровании трехвалентного железа применяют тиоционат-ионы, образующие с металлом комплексы, окрашенные в ярко-красный цвет.

Кроме того, есть специальные редокс-индикаторы – органические соединения, имеющие разную окраску окисленной и восстановленной форм.

Комплексометрическое титрование

Если кратко, титриметрический метод анализа, называемый комплексометрическим, основан на взаимодействии двух веществ с образованием комплекса: M + L = ML. Если используются соли ртути, например, Hg(NO₃)₂, метод называется меркуриметрией, если этилендиаминтетрауксусная кислота (ЭДТА) – комплексонометрией. В частности, с помощью последнего метода проводится титриметрический метод анализа воды, а именно, ее жесткости.

В комплексонометрии используют прозрачные металлоиндикаторы, приобретающие окраску при образовании комплексов с ионами металлов. Например, при титровании солей трехвалентного железа ЭДТА в качестве индикатора используют прозрачную сульфосалициловую кислоту. Она окрашивает раствор в красный цвет при образовании комплекса с железом.

Однако чаще металлоиндикаторы имеют собственный цвет, который меняют в зависимости от концентрации иона металла. В качестве таких индикаторов применяются многоосновные кислоты, образующие достаточно устойчивые комплексы с металлами, которые при этом быстро разрушаются при воздействии ЭДТА с контрастным изменением окраски.

Осадительное титрование

Титриметрический метод анализа, в основе которого лежит реакция взаимодействия двух веществ с образованием твердого соединения, выпадающего в осадок (М + Х = МХ↓), является осадительным. Он имеет ограниченное значение, так как обычно процессы осаждения протекают неколичественно и нестехиометрично. Но иногда он все-таки используется и имеет две подгруппы. Если в методе используются соли серебра, например, AgNO₃, он называется аргентометрией, если соли ртути, Hg₂(NO₃)₂, то меркурометрией.

Для обнаружения конечной точки титрования используют следующие способы:

• метод Мора, в котором индикатором служит хромат-ион, образующий красно-кирпичный осадок с серебром;
• метод Фольгарда, основанный на титровании раствора ионов серебра тиоцианатом калия в присутствии трехвалентного железа, образующего с титрантом красного комплекса в кислой среде;
• метод Фаянса, предусматривающий титрование с адсорбционными индикаторами;
• метод Гей-Люссака, в котором КТТ определяется по просветлению или помутнению раствора.

Последний метод в последнее время практически не используется.

Способы титрования

Титрование классифицируется не только по лежащей в основе реакции, но и по способу выполнения. По этому признаку выделяют следующие виды:

• прямое;
• обратное;
• титрование заместителя.

Первый случай используют только в условиях идеального протекания реакции. Титрант при этом добавляют непосредственно к определяемому веществу. Так с помощью ЭДТА определяют магний, кальций, медь, железо и еще около 25 металлов. Но в других случаях чаще используют более сложные способы.

Обратное титрование

Идеальную реакцию удается подобрать не всегда. Чаще всего она медленно протекает, или для нее сложно подобрать способ фиксирования конечной точки титрования, или среди продуктов образуются летучие соединения, из-за чего определяемое вещество частично теряется. Преодолеть эти недостатки можно, используя метод обратного титрования. Для этого к определяемому веществу приливают большое количество титранта, чтобы реакция прошла до конца, а затем определяют, какое количество раствора осталось непрореагировавшим. Для этого остатки титранта от первой реакции (Т₁) титруются другим раствором (Т₂), и его количество определяется по разности произведений объемов и концентраций в двух реакциях: С_Т1V_T1-C_T2V_T2.

Применение титриметрического метода анализа обратным способом лежит в основе определения диоксида марганца. Его взаимодействие с сульфатом железа протекает очень медленно, поэтому соль берется в избытке и реакция ускоряется при помощи нагревания. Непрореагировавшее количество иона железа титруется дихроматом калия.

Титрование заместителя

Титрование заместителя используется в случае нестехиометричных или медленных реакций. Его суть в том, что для определяемого вещества подбирается стехиометричная реакция со вспомогательным соединением, после чего титрованию подвергают продукт взаимодействия.

Именно так поступают при определении дихромата. К нему добавляют иодид калия, в результате чего выделяется эквивалентное определяемому веществу количество йода, которое затем титруется тиосульфатом натрия.

Таким образом, титриметрический анализ позволяет определить количественное содержание широкого круга веществ. Зная их свойства и особенности протекания реакций, можно подобрать оптимальный метод и способ титрования, который даст результат с высокой степенью точности.