Министерство образования и науки РФ

Бийский технологический институт (филиал)

государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Алтайский государственный технический университет

им. И.И. Ползунова»

Н.В. Степанова

ПОТЕНЦИОМЕТРИЯ
Методические рекомендации по выполнению лабораторной работы

по курсам «Аналитическая химия и физико-химические методы анализа» для студентов специальностей 240701, 240702, 240901, 260204

и «Физико-химические методы потребительских товаров»

для студентов специальности 080401 всех форм обучения

Бийск

Издательство Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова

2011
УДК 543. 06(075.8)

Разработано в соответствии с государственным образовательным стандартом ВПО по направлению подготовки дипломированных специалистов специальностей «Химическая технология органических соединений азота» (240701), «Химическая технология полимерных композиций, порохов и твёрдых ракетных топлив (240702), «Биотехнология» (240901), «Технология бродильных производств и виноделие» (260204), «Товароведение и экспертиза товаров» (080401) в соответствии с требованиями Государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования (Москва, 2000 г.) на основе рабочей программы дисциплины «Аналитическая химия и физико-химические методы анализа».
Рецензент: Ю.В. Мороженко, к.х.н. профессор
Работа подготовлена на кафедре общей химии и экспертизы

товаров
Степанова, Н.В.

Потенциометрия: методические рекомендации по выполнению лабораторной работы по курсам «Аналитическая химия и физико-химические методы анализа» для студентов специальностей 240701, 240702, 240901, 260204 и «Физико-химические методы потребительских товаров» для студентов специальности 080401 всех форм обучения / Н.В. Степанова; Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. – Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2011. – 16 с.
УДК 543. 06(075.8)
Рассмотрены и одобрены

на заседании кафедры ОХЭТ.

Протокол № 11 от 09.09.2010 г.

© Степанова Н.В., 2011 © БТИ АлтГТУ, 2011

Содержание

1 Теоретическая часть…………………………………………….…	4
1.1 Теоретические основы метода потенциометрии…………….	4
1.2 Электроды, используемые в потенциометрии…………........	4
1.3 Метод потенциометрического анализа………………………	7
1.4 Графические способы определения точки эквивалентности при титровании………………………………..	8
2 Экспериментальная часть…………………………………………	10
2.1 Лабораторная работа «Определение объёма кислоты в её растворе методом потенциометрического титрования»….	10
2.2 Обработка результатов измерений…………………………..	12
2.3 Содержание отчета…………………………………………….	13
3 Вопросы для защиты работы……………………………..............	13
4 Техника безопасности……………………………………………..	14
Литература…………………………………………………………...	15

1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Теоретические основы метода потенциометрии
В основе потенциометрических измерений лежит зависимость равновесного потенциала электрода от активности (концентрации) определяемого иона.

При этом потенциал одного из электродов, который называется индикаторным, зависит от концентрации определяемого компонента. Потенциал другого электрода, который называется стандартным, или электродом сравнения, не зависит от концентрации определяемого компонента и остаётся постоянным. Реальные потенциалы электродов (φ) можно рассчитать по уравнению Нернста:

φ = φ⁰ + , (1)

где φ⁰ – стандартный потенциал редокс-системы, мв;

n – число электронов, принимающих участие в электродной реакции;

и − стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции перед окислителем и восстановителем.

[ок] – концентрация окисленной формы, моль/л;

[вос] – концентрация восстановленной формы, моль/л.

Метрологические характеристики метода потенциометрии таковы: чувствительность до 10^-5 моль/дм³; точность прямых методов 2–10 %, косвенных 0,5–1 %, воспроизводимость  5 %.

1.2 Электроды, используемые в потенциометрии
Электроды, которые используются в потенциометрии, можно разделить на несколько видов.

Электроды первого рода обратимы относительно ионов металла, из которого выполнен электрод. Различают активные и инертные металлические электроды. Активные металлические электроды изготовляют из металлов, образующих восстановленную форму обратимой окислительно-восстановительной системы (Ag, Pb, Cu, Cd). Потенциал такого электрода является функцией активности собственных ионов в растворе, например для серебряного индикаторного электрода ( Ag⁺ + е Ag).

Если металлический электрод опустить в раствор соли этого металла, то образуется окислительно-восстановительная пара Меⁿ⁺/Ме. Потенциал металла можно измерить на потенциометре, а концентрацию (активность) можно рассчитать по уравнению Нернста:

φ = φ⁰ + , (2)

где [Меⁿ⁺] – активность ионов металла, моль/л.

Электроды второго рода чувствительны к изменению концентрации (активности) анионов в растворе и представляют собой металл, покрытый слоем нерастворимой соли металла с анионом (А^-), к которому чувствителен электрод. При соприкосновении такого электрода с раствором, содержащим анион А^-, возникает потенциал, который зависит от произведения растворимости соли и концентрации аниона:

φ = φ⁰_Ме+/Ме + , (3)

где [A^-] – активность аниона А, моль/л.

К электродам второго рода относятся хлорсеребряный, каломельный электрод и другие.

Для определения концентрации (активности) ионов в растворе необходимо измерить электрохимический потенциал индикаторного электрода, погружённого в исследуемый раствор, относительно электрода сравнения.

Электродом сравнения называют электрод с известной и постоянной величиной электродного потенциала. Обычно в качестве электродов сравнения используют каломельный или хлоридсеребряный (хлорсеребряный) электрод.

Основной частью хлорсеребряного электрода является погружённая в насыщенный раствор KCl серебряная проволока, покрытая слоем AgCl (рисунок 1). Контакт электрода с раствором осуществляется через мостик из асбестовой нити, смоченной раствором KCl, с потенциометром – через серебряную проволоку.

Стандартный потенциал хлорсеребряного электрода равен 0,22 В, каломельного электрода в насыщенном растворе KCl равен 0,246 В, а в растворе KCl, концентрация которого 1 моль/дм³, – 0,280 В.

1 − нить асбестовая; 2 − корпус; 3 − насыщенный раствор КCl;

4 − электролитический ключ; 5, 8 − резиновые пробки; 6 − полость;

7 − контактный полуэлемент; 9 − колпачок; 10 − пробка

Рисунок 1  Хлорсеребряный электрод (типа ЭВЛ-1 МТ)
Индикаторным электродом, или электродом определения, называют электрод, который обратим относительно активности анализируемого потенциалопределяющего иона. В качестве индикаторных электродов в последние годы используются ионоселективные мембранные электроды.

Ионоселективные мембранные электроды имеют мембрану, на которой возникает мембранный потенциал. Величина потенциала зависит от разности концентраций одного и того же иона по разные стороны мембраны. По материалу мембраны электроды подразделяются: на стеклянные электроды, электроды с жидкими мембранами, электроды с твёрдыми или осадочными мембранами, электроды с газочувствительными мембранами. Широкое применение для определения кислотности нашел такой мембранный электрод, как стеклянный (рисунок 2).

Стеклянные мембраны изготавливают из специальных стекол, подбирая их состав так, чтобы мембрана проявляла повышенную селективность к определенному иону и позволяла определять его в присутствии других.

1 − стеклянная рН-чувствительная мембрана;

2 − 0,1М раствор НС1; 3 − серебряная проволока, покрытая AgCl;

4 − стеклянная трубка; 5 − изоляция; 6 – токоотвод
Рисунок 2 − Стеклянный электрод для измерения рН
1.3 Метод потенциометрического анализа
Потенциометрический анализ может быть выполнен как прямым, так и косвенным методом (метод потенциометрического титрования). В прямом методе измеряют реальный потенциал раствора, а затем по уравнению Нернста рассчитывают концентрацию раствора. При косвенном методе проводят потенциометрическое титрование определяемого вещества подходящим титрантом. При этом можно проводить как прямое, так и обратное титрование. По кривым титрования определяют объём титранта, затраченного на титрование, который подставляют в расчётные формулы, используемые в титриметрических методах анализа. Потенциометрическое титрование благодаря своим широким возможностям используется чаще.

Результаты измерений методом потенциометрического титрования более точны, чем при использовании метода прямой потенциометрии, так как в этом случае вблизи точки эквивалентности небольшому изменению концентрации соответствует большое изменение потенциала индикаторного электрода. В ходе титрования измеряют и записывают значение потенциала ячейки после добавления каждой порции титранта.

Потенциометрическое титрование можно проводить, используя реакции нейтрализации, окисления-восстановления, осаждения или комплексообразования. В методе кислотно-основного титрования подбирают индикаторный электрод, потенциал которого зависит от рН раствора. Таких электродов несколько: водородный, хингидронный, сурьмяный, однако наиболее широкое применение нашёл стеклянный электрод. При осадительном титровании в качестве индикаторного электрода используют металл, составляющий электродную пару с определяемым ионами. Например, при титровании серебра растворами галогенидов можно использовать в качестве индикаторного электрода серебряный электрод. При комплексонометрическом титровании индикаторным электродом может служить либо металлический электрод, обратимый к определяемым ионам металла, либо платиновый электрод, если в растворе присутствует окислительно-восстановительная пара: Fe³⁺/ Fe²⁺, Cu²⁺/ Cu⁺, Co³⁺/Co²⁺.

При окислительно-восстановительном титровании в качестве индикаторного электрода чаще всего используют платиновый электрод.

1.4 Графические способы определения точки

эквивалентности при титровании
Для определения конечной точки потенциометрического титрования (точки эквивалентности) можно использовать различные способы. Наиболее простой способ − построение графика зависимости по­тенциала электрода от объема титранта (рисунок 3, а).

Другой способ состоит в расчете изменения потенциала на единицу изменения объема титранта, то есть Е/V (рисунок 3, б). Кривая титрова­ния, построенная с использованием этого параметра, зависящего от объема титранта, имеет четко выраженный максимум в конечной точке.

На рисунке 4 представлена ячейка для измерения потенциала раствора или рН. На магнитной мешалке 1 установлена ячейка с анализируемым раствором 2. Она состоит из хлорсеребряного электрода 4, и стеклянного электрода 3. Электродная система подключена к потенциометру. Титрование осуществляется из бюретки 5, соединенной с блоком ручного (БРТ) или автоматического (БАТ) титрования.

В состав титриметрического анализатора с ручной бюреткой входят рН-метр или иономер, электромагнитная мешалка и бюретка. Титрование проводят вручную, визуально контролируя рН по цифровому индикатору измерительного прибора. По достижении конечной точки титрования добавление гидроксида натрия прекращают.

а − зависимость потенциала электрода от объема титранта;

б − дифференциальная кривая потенциометрического

титрования

Рисунок 3 − Кривые потенциометрического титрования

1 − магнитная мешалка; 2 − ячейка для анализируемого

раствора; 3 − индикаторный электрод; 4 − насыщенный

хлорсеребряный электрод сравнения; 5 – бюретка
Рисунок 4 − Схема установки для по­тенциометрического

титрования

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1 Лабораторная работа «Определение объёма кислоты

в её растворе методом потенциометрического титрования»

(6 часов)
2.1.1 Краткая характеристика метода

Метод основан на титровании определённого объёма кислоты раствором гидроокиси натрия или калия с концентрацией 0,1 моль/л, устанавливаемой при помощи потенциометра. В основе титрования лежит реакция нейтрализации:

H₃ О⁺+ ОН^- = 2H₂O.

Зависимость потенциала ячейки φ, изображенной на рисунке 4, для реакции нейтрализации при 25 °С выражается следующим образом:

φ = φ⁰ + 0, 059lg,

или

φ = φ⁰ - 0, 059 рН,
где φ⁰– константа, зависящая от выбранной электродной пары и ионной силы раствора;

a₁ и a₂ – активности ионов водорода в исследуемом растворе и стеклянном электроде, моль/л.

2.1.2 Необходимые реактивы

1. Раствор гидроокиси натрия или калия с концентрацией

0,1 моль/дм³. Для его приготовления в стакане или в фарфоровой чашке взвешивают на технохимических весах от 4,2 до 4,5 г NaOH или от 5,8 до 6,0 г KOH. Затем навеску растворяют в небольшом количестве воды, переносят в мерную колбу на 1 л и доводят до метки дистиллированной водой.

2. Раствор щавелевой кислоты с концентрацией 0,1 моль/дм³. Для его приготовления взвешивают в бюксе на аналитических весах точно 0,6300 г перекристаллизованной щавелевой кислоты (H₂C₂O₄∙2H₂O), переносят её в мерную колбу на 100 см³ и доводят до метки дистиллированной водой.

3. Или раствор хлористоводородной (соляной) кислоты с точной концентрацией 0,1 моль/дм³, приготовленный из фиксанального раствора с концентрацией 1 моль/дм³.
2.1.3 Методика определения

2.1.3.1 Определение концентрации гидроокиси натрия

или калия

Потенциометр настраивают по буферным растворам согласно инструкции к прибору.

В химический стакан переносят аликвотный объем раствора щавелевой или хлористоводородной кислоты (5 или 10 см³) с концентрацией 0,1 моль/дм³, добавляют 20–25 см³ свежекипяченой охлажденной дистиллированной воды и погружают электроды потенциометра и якорь магнитной мешалки (якорь мешалки не должен при вращении касаться электродов) в раствор.

Затем включают магнитную мешалку в сеть и регулируют скорость перемешивания раствора. На панели потенциометра включают клавишу предела измерений «1–14», а затем клавишу «рН или рХ» и определяют первоначальное (приблизительное) значение рН по нижней шкале прибора.

Включают клавишу узкого диапазона измерений рН и определяют точное значение рН раствора. Затем титруют раствором гидроокиси натрия или калия с концентрацией 0,1 моль/дм³, записывая в таблицу показания потенциометра. Титрование заканчивают при рН 11−12 и строят кривую титрования в интегральной и дифференциальной форме. Титрование проводят 2–3 раза.

Результаты измерений заносят в таблицу (таблица 1) и строят кривые потенциометрического титрования в интегральной и дифференциальной форме для всех параллельных определений.

Таблица 1 − Результаты экспериментальных измерений

Номер опыта	V титранта, см3	Показание прибора, рН	рН/V

По затраченным при титровании объемам щёлочи и известной концентрации кислоты вычисляют молярную концентрацию раствора щелочи по формуле

Сщ =,

где Сщ – нормальная концентрация щелочи, моль·экв/дм³;

Ск – нормальная концентрация щавелевой кислоты, моль·экв/дм³;

Vк  объем кислоты, взятый для титрования, см³;

Vщ  объем титранта, израсходованный на титрование, см³;

2.1.3.2 Определение содержания кислоты в растворе

Испытуемой кислотой может быть любая неорганическая или органическая кислота (по выбору преподавателя) с известной концентрацией.

Порядок проведения титрования заключается в следующем.

В стакан с испытуемым раствором кислоты добавляют 20−25 см³ дистиллированной воды.

В раствор погружают электроды и якорь магнитной мешалки так, чтобы якорь не касался электродов.

Включают магнитную мешалку в сеть и регулируют скорость перемешивания.

На панели рН-метра включают клавишу диапазона измерений «1–14», затем клавишу «рН» и определяют первоначальное значение рН.

Начинают титрование, прибавляя по 0,5 см³ раствора щёлочи в начале титрования, а вблизи точки эквивалентности по 0,2 см³. После каждого прибавления титранта записывают показания рН-метра в таблицу 1, как указано в п. 2.1.3.1, и строят кривые потенциометрического титрования в интегральной и дифференциальной форме для всех параллельных определений.

Титрование продолжают до рН 11−12.

Проводят не менее трех параллельных определений, результаты которых заносят в таблицу.

После окончания титрования включают кнопку «Од», поднимают держатель с электродами.

Выключают магнитную мешалку и выключают рН-метр из сети.

Промывают электроды дистиллированной водой и опускают в стакан с дистиллированной водой.

2.2 Обработка результатов измерений
По затраченным при титровании объемам щёлочи и известной концентрации анализируемой кислоты вычисляют объём раствора кислоты (см³), взятый для анализа по формуле

Vк =

где Сщ – нормальная концентрация щелочи, г-экв/л;

Vщ  объем титранта, израсходованный на титрование, см³.

Ск – нормальная концентрация анализируемой кислоты, г-экв/л;

V  объем кислоты, взятый для титрование, см³.

За окончательный результат принимают среднее арифметическое результатов трёх параллельных определений, допускаемые расхождения между которыми не должны превышать 0,3 %.

Сравнивают полученное значение с теоретическим и рассчитывают относительную ошибку анализа.
2.3 Содержание отчета
Отчет должен содержать следующие разделы:

- цель работы;

- основные теоретические положения качественного анализа;

- результаты экспериментальных определений;

- таблицу с результатами экспериментальных определений;

- выводы о проделанной работе;

- решение задач.
3 ВОПРОСЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ РАБОТЫ
1. На чем основан потенциометрический метод анализа?

2. Каково назначение и принцип работы стеклянного электрода?

3. Каково устройство и назначение хлорсеребряного электрода?

4. Какие электроды Вы знаете и каково их назначение?

5. Почему потенциал стеклянного электрода зависит от концентрации ионов водорода?

6. Укажите способы нахождения точки эквивалентности при потенциометрическом титровании.

7. Приведите примеры осадительного, окислительно-восста-новительного и комплексонометрического потенциометрического титрова­ния. Какие электроды используются в этом случае?

8. Укажите достоинства и недостатки прямой потенциометрии и потенциометрического метода анализа.

9. Какие факторы влияют на величину скачка потенциалов при потенциометрическом титровании методами осаждения, комплексообразования и окисления-восстановления?

10. Каковы основные операции при проведении лабораторной работы?

11. Приведите формулы основных расчетов при проведении лабораторной работы.

4 ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

При работе в лаборатории аналитической химии следует неукоснительно соб­людать следующие правила.

1. Каждый работающий должен иметь халат и салфетку для вытирания химической посуды.

2. Категорически запрещается в лаборатории принимать пищу и пить воду.

3. До начала выполнения эксперимента необходимо изучить свойства веществ, с которыми будете работать, а также методику выполнения эксперимента. В процессе выполнения работ необходимо строго соблюдать соответствующие методики.

4. Категорически запрещается выполнение любых экспериментов, не предусмотренных планом лабораторных работ.

5. Работы, связанные с использованием летучих и неприятнопахнущих веществ, а также с концентрированными кислотами, выполнять только в вытяжном шкафу.

6. При разбавлении концентрированных кислот приливать кислоту в воду, а не наоборот.

7. При работе с концентрированными растворами щелочей и кислот надевать защитные очки или защитную маску, резиновые перчатки.

8. Не пробовать на вкус твердые вещества и их растворы, а также не нюхать газы, выделившиеся при химических реакциях.

9. При применении хромовой смеси для мытья посуды необ­ходимо соблюдать особую осторожность, т.к. она может причинить химические ожоги и прожечь одежду.

10. Перед использованием электронагревательных приборов нужно проверить у них наличие заземления приборов и их исправность.

11. При нагревании растворов нужно использовать термостойкую посуду, избегать резкого изменения температуры. Нагревание проводить на асбестовой сетке.

12. По окончании работы следует убрать рабочее место, вымыть посуду, выключить приборы, сдать рабочее место дежурному студенту или преподавателю.

ЛИТЕРАТУРА

1. Крешков, А.П. Основы аналитической химии / А.П. Крешков.  М.: Химия, 1976.  Т. 1.  480 с.

2. Алексеев, В.Н. Количественный анализ / В.Н. Алексеев.  М.: Химия, 1972.  504 с.

3. Пономарев, В.Д. Аналитическая химия / В.Д. Пономарев. − М.: Высшая школа, 1982.  304 с.

4. Скуг, Д.А. Основы аналитической химии / Д.А Скуг, Д.М. Уэст.  М.: Мир, 1979.  480 с.

5. Основы аналитической химии / под ред. Ю.А. Золотова.  М.: Химия, 1999. – Кн. 1, 2.

6. Ляликов, Ю.С. Физико-химические методы анализа / Ю.С. Ляликов.  М.: Химия, 1974. − 536 с.

Учебное издание


Степанова Наталья Владимировна

ПОТЕНЦИОМЕТРИЯ
Методические рекомендации по выполнению лабораторной работы по курсам «Аналитическая химия и физико-химические методы анализа» для студентов специальностей 240701, 240702, 240901, 260204

и «Физико-химические методы потребительских товаров»

для студентов специальности 080401 всех форм обучения

Редактор Соловьева С.В.

Технический редактор Сазонова В.П.

Подписано в печать 09.12.10. Формат 60×84 1/16.

Усл. п. л. 0,93. Уч.-изд. л. 1,00

Печать − ризография, множительно-копировальный

аппарат «RISO EZ300»
Тираж 35 экз. Заказ 2011−17

Издательство Алтайского государственного

технического университета

656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46

Оригинал-макет подготовлен ИИО БТИ АлтГТУ

Отпечатано в ИИО БТИ АлтГТУ

659305, г. Бийск, ул. Трофимова, 27