Определение солей методом рН-метрического титрования с использованием катионного обмена

Цель работы – определить концентрацию (или массу) одной или нескольких солей в выданной для анализа пробе с использованием ионного обмена на катионите КУ–2 в водородной форме и кислотно-основного потенциометрического титрования (рН-метрического титрования):

§ Проба А – раствор KCl;

§ Проба Б – водопроводная вода;

§ Проба В – смесь NaCl, CH₃COONa и CH₃COOН.

Сущность работы. Раствор, содержащий соль (смесь солей), пропускают через колонку с сильнокислотным катионитом в водородной форме. В результате ионного обмена получается кислота (смесь кислот):

n R–SO₃H + Meⁿ⁺ Û (R–SO₃) _n Me + n H⁺.

Далее концентрацию кислоты (кислот в смеси) определяют, титруя полученный раствор щелочью. Поскольку ионный обмен протекает строго стехиометрично, то количество вещества эквивалента кислоты равно количеству вещества эквивалента соли.

Используя эту методику, можно легко, достаточно быстро и точно провести определение «неудобных» катионов, например ионов щелочных металлов, а также общую солевую концентрацию раствора. Кроме того, она позволяет определить две соли в смеси, если полученные кислоты можно оттитровать дифференцированно.

В данной работе кислотно-основное титрование проводят фиксируя к. т. т. потенциометрически. Элюат, собранный после проведения реакции ионного обмена, титруют на рН-метре со стеклянным и хлоридсеребряным электродами. Если известно значение рН в т. э., можно провести полуавтоматическое титрование с применением блока автоматического титрования БАТ.

Проба А. Раствор KCl

Раствор, содержащий соль KCl, пропускают через колонку с сильнокислотным сульфокатионитом в водородной форме. В результате ионного обмена получается соляная кислота:

R–SO₃H + KCl Û R–SO₃K +HCl,

которую оттитровывают стандартным раствором щелочи на рН-метре или с использованием блока автоматического титрования БАТ. Поскольку ионный обмен протекает строго стехиометрично, то количество вещества эквивалента кислоты равно количеству вещества эквивалента соли.

Проба Б. Водопроводная вода

Метод ионного обмена в сочетании с рН-метрическим титрованием очень удобен для определения суммарной концентрации солей в растворах по суммарной концентрации катионов или анионов.

Если анализируемая проба имеет сложный солевой состав, т. е. в ней присутствуют соли, образованные различными кислотами и основаниями, то при пропускании ее через колонку с катионитом в водородной форме все катионы остаются в фазе катионита, а из колонки выходит смесь кислот:

R–SO₃H + MeAn Û R–SO₃Me +HАn.

(в общем виде, без учета заряда катиона и аниона)

На кривой рН-метрического титрования этой смеси раствором щелочи может быть различное число скачков, в зависимости от числа кислот в смеси и их силы. Например, 1 скачок наблюдается при титровании смеси 2 сильных кислот, смеси сильной кислоты и кислоты средней силы, 2 слабых кислот с близкими значениями рК_а и т. д., а 2 скачка – при титровании смеси сильной кислоты и слабой с рК_а = 4–8, некоторых многоосновных кислот и т. д.

В любом случае расчет общей солевой концентрации ведут по объему титранта, затраченному на достижение последнего скачка на кривой титрования.

При анализе водопроводной воды необходимо взять большую аликвоту, поскольку содержание солей в ней невелико.

Проба В. Смесь NaCl, CH₃COONa и CH₃COOН

При пропускании анализируемого раствора через катионит КУ-2 в водородной форме в результате реакций ионного обмена

R–SO₃H + NaCl Û R–SO₃Na + HCl,

R–SO₃H + CH₃COONa Û R–SO₃Na + CH₃COOH

(свободная уксусная кислота CH₃COOН^* проходит через слой ионита без изменения)

получается смесь кислот HCl, CH₃COOH и CH₃COOН^*. Эту смесь титруют на рН-метре стандартным раствором щелочи и определяют по кривой титрования объемы титранта, пошедшего на титрование соляной кислоты и суммарного количества уксусной кислоты.

Такую же аликвоту анализируемого раствора титруют на рН-метре (можно с использованием БАТа) стандартным раствором щелочи и определяют объем титранта, пошедшего на титрование свободной уксусной кислоты CH₃COOН.

Оборудование, посуда, реактивы: рН-метр или иономер со стеклянным и хлоридсеребряным электродами; блок автоматического титрования БАТ (по желанию студента или указанию преподавателя); магнитная мешалка со стержнем; бюретка; колонка, заполненная сильнокислотным катионитом КУ-2; стаканы вместимостью 150–200 мл; 3 н. и 0, 1 н. растворы HCl; 0, 05–0, 1 н. стандартный раствор NaOH или KOH; универсальная индикаторная бумага. При анализе пробы Б дополнительно: пипетка Мора большой вместимости (50, 0 или 100, 0 мл). При анализе пробы В дополнительно: мерная колба вместимостью 100, 0 мл; пипетка Мора или мерная пипетка (10, 0 мл).

Выполнение работы

Подготовка катионита. В работе используется катионит, который необходимо регенерировать. Для перевода катионита в водородную форму через колонку пропускают 80–100 мл 3 н. раствора соляной кислоты. Затем его промывают водой до нейтральной реакции промывных вод по универсальной индикаторной бумаге.

При работе с ионитом не следует сливать воду или раствор ниже уровня зерен ионита в колонке, иначе образуются воздушные пузырьки, которые уменьшают емкость ионита за счет проскока раствора мимо его зерен.

Следующей операцией по указанию преподавателя может быть проверка полноты перевода катионита в Н⁺-форму. Для этого медленно пропускают через колонку 30 мл 0, 1 н. раствора соляной кислоты, после чего продолжают промывать ионит тем же раствором и проверяют концентрацию HCl на входе и выходе из колонки титрованием раствором щелочи. При получении одинаковых результатов ионит считается полностью переведенным в водородную форму. После этого его отмывают от соляной кислоты дистиллированной водой до нейтральной реакции выходящих из колонки промывных вод по универсальной индикаторной бумаге. В таком виде ионит считается подготовленным к работе.

Проба А. Раствор KCl

Исследуемый раствор получают в стакан вместимостью 100–150 мл и количественно переносят в колонку с подготовленным катионитом. Приоткрывают кран колонки и со скоростью 1 мл/мин пропускают анализируемый раствор через катионит. Вытекающий из колонки раствор собирают в другой стакан вместимостью 100–150 мл. Затем промывают колонку дистиллированной водой до нейтральной реакции промывных вод, проверяя ее с помощью полоски универсальной индикаторной бумаги. Промывные воды собирают в тот же стакан.

Полученный элюат титруют стандартным раствором щелочи на рН-метре. Для этого разбавляют раствор водой до погружения электродов. Включают магнитную мешалку. Затем проводят титрование, добавляя щелочь по 0, 2–0, 5 мл и фиксируя значение рН после добавления каждой порции титранта. Титрование прекращают после скачка, когда значение рН раствора практически не меняется.

Строят интегральную (рН – V, мл) и дифференциальную (Δ рН/Δ V – V, мл) кривые титрования. По ним определяют объем титранта, необходимый для достижения к. т. т. Используя полученное значение, по закону эквивалентов находят массу KCl (г или мг) в выданной для анализа пробе.

При титровании с использованием БАТа необходимо задать для автоматического титрования значение рН раствора в точке эквивалентности. Поскольку в этот момент титрования в растворе присутствует соль NaCl или KCl, то значение рН = 7.

Проба Б. Водопроводная вода

Пипеткой Мора большой вместимости отбирают в стакан 100, 0 мл водопроводной воды. Переносят пробу в колонку с подготовленным сильнокислотным катионитом в водородной форме и пропускают со скоростью 1 мл/мин.

Вытекающий из колонки раствор собирают в другой стакан вместимостью 150–200 мл. Затем промывают колонку дистиллированной водой до нейтральной реакции промывных вод, проверяя ее с помощью полоски универсальной индикаторной бумаги. Промывные воды собирают в тот же стакан.

Полученный элюат титруют стандартным раствором щелочи на рН-метре. Для этого разбавляют раствор водой до погружения электродов. Включают магнитную мешалку. Затем проводят титрование, добавляя щелочь по 0, 2 мл и фиксируя значение рН после добавления каждой порции титранта. Титрование прекращают после второго скачка, когда значение рН раствора практически не меняется.

Строят интегральную (рН – V, мл) и дифференциальную (Δ рН/Δ V – V, мл) кривые титрования. По ним определяют объем титранта, необходимый для достижения последней к. т. т. Используя полученное значение, по закону эквивалентов находят массу KCl (г или мг) в выданной для анализа пробе.

По закону эквивалентов рассчитывают общую концентрацию солей (ммоль экв/л) в водопроводной воде, используя объем титранта, затраченный на достижение последнего скачка на кривой титрования.

Проба В. Смесь NaCl, CH₃COONa и CH₃COOН

Анализируемый раствор получают в мерную колбу вместимостью 100, 0 мл, доводят до метки дистиллированной водой и тщательно перемешивают. Отбирают пипеткой 10, 0 мл раствора и пропускают со скоростью 1 капля/с через подготовленную к работе колонку с катионитом. Вытекающий раствор (элюат) собирают в стакан вместимостью 150 мл. Для вымывания выделившихся кислот через колонку пропускают 60–100 мл дистиллированной воды. Полноту отмывки катионита от кислоты контролируют с помощью полоски универсальной индикаторной бумаги. Промывные воды собирают в тот же стакан.

Полученный элюат титруют стандартным раствором щелочи на рН-метре. Для этого разбавляют раствор водой до погружения электродов. Включают магнитную мешалку. Затем проводят титрование, добавляя щелочь по 0, 2–0, 5 мл и фиксируя значение рН после добавления каждой порции титранта. Титрование прекращают после второго скачка, когда значение рН раствора практически не меняется.

Строят интегральную (рН – V, мл) и дифференциальную (Δ рН/Δ V – V, мл) кривые титрования. По ним определяют объемы щелочи, затраченные на титрование соляной кислоты (V ₁) и суммарного количества уксусной кислоты (V ₂ – V ₁).

Для определения содержания свободной уксусной кислоты CH₃COOН в смеси из мерной колбы с анализируемым раствором отбирают аликвоту 10, 0 мл, переносят в стакан вместимостью 150 мл и титруют стандартным раствором щелочи на рН-метре, как описано выше.

Титрование можно провести с использованием блока автоматического титрования БАТ, если предварительно рассчитать значение рН в т. э. и задать его для проведения титрования. В т. э. значение рН определяется наличием соли CH₃COONa, следовательно, расчет ведут по формуле

По результатам титрования определяют объем щелочи, затраченный на титрование свободной уксусной кислоты (V ₃).

По закону эквивалентов рассчитывают концентрацию всех компонентов в анализируемом растворе (моль/л), затем находят массы всех компонентов в выданной для анализа пробе (г).