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酸碱滴定曲线和指示剂的选择

   2005-10-06 1021
核心提示:一. 强酸碱的滴定例:HNO3 、HCl、NaOH、KOH、(CH3)4NOH之间的相互滴定,它们在溶液中是全部电离的,酸以H+ (H3O+)的形式存在

一. 强酸碱的滴定

例:HNO3 、HCl、NaOH、KOH、(CH3)4NOH之间的相互滴定,它们在溶液中是全部电离的,酸以H+ (H3O+)的形式存在,碱以OH- 形式存在,滴定过程的基本反应为:

H++ OH- ⇌ H2O

     现以 0.1000mol/L NaOH 滴定 20.00ml  0.1000mol/L HCl为例讨论。

1. 滴定过程中pH值的计算

(1)滴定前——0.1000mol/L HCl溶液

              [H+]=cHCl = 0.1000mol/L ,              pH=1.0

(2)滴定开始至计量点前——HCl 剩余

   (分别以VNOH 、VHCl 表示加入NaOH溶液的总体积以及HCl溶液的总体积)

             

当滴入NaOH溶液 19.98ml, 即当其相对误差为 -0.1% 时:

pH=4.30

(3)化学计量点时——溶液呈中性

           [H+]=1.00´ 10-7 mol/L                       pH=7.00

(4)化学计量点后——NaOH过量

当滴入20.02mol/L 的 NaOH溶液,相对误差为+0.1%时:

                        pOH=4.30,                    pH=9.70

如此逐一计算,以加入NaOH溶液的ml数对相应的pH值作图的滴定曲线。


     


2. pH 突跃范围及其影响因素

    pH 突跃范围:化学计量点前后滴定由不足 0.1% 到过量0.1% 范围内溶液 pH 值的变化范围

    此范围是选择指示剂的依据。

    影响突跃范围大小的因素:酸的浓度(c)­ ® (pH )突跃范围­

3. 指示剂的选择

0.1000mol/LNaOH滴定0.1000mol/LHCl :酚酞,甲基红(甲基橙)

0.01000mol/LNaOH滴定0.01000MOl/LHCl :酚酞, 甲基红

二. 强碱滴定一元弱酸

1. 滴定过程中溶液pH值的计算

    基本反应:OH- +HA⇌A- + H2O

    现以 0.1000mol/L NaOH 滴定 20.00ml  0.1000mol/L HAc为例讨论:

(1)滴定前:0.1000mol/L HAc 离解

          c/Ka = 0.1000/1.8´10-5 > 500,   cKa > 25Kw

         

                                                         pH=2.87

(2)滴定开始至计量点前

                     OH- + HAc ⇌ Ac- + H2O

此时溶液为缓冲体系:

而:                

已知:cHAc= cNaOH=0.1000 mol/L 

当滴入19.98mL NaOH,即相对误差为-0.1% 时

(3)化学计量点时:0.05 mol/L Ac- 溶液的水解

                CAc Kb>>25Kw

                            pOH=5.28,            pH=8.72(此时溶液呈弱碱性)

(4)化学计量点后

过量的 NaOH 抑制了Ac-的水解:

                      Ac- + H2O ⇌ HAc + OH-

 pH 决定于过量的NaOH浓度,当滴入20.02mL NaOH溶液时,即  相对误差为+0.1%时:

                                  pOH=4.30,                pH=9.70

按照上述方法可逐一计算出其它各点的pH 值,以加入NaOH溶液的ml数对相应的pH值作图的滴定曲线。

2. 滴定曲线的特点(与强酸碱比较)

(1)曲线起点高(3个pH 单位): KHAc < KHCl

(2)突跃范围小,且偏向碱性范围内(计量点的pH已在碱性区)

3. 影响pH突跃范围大小的因素

(1)酸的强度(K)  当 cHAc一定时,K 越大, pH  突跃范围越大;

(2)酸的浓度(c)  当 K一定时, cHAc 越大, pH 突跃范围越大。

[小结] :要使分析结果的相对误差 £ ± 0.1%,要使人眼能借助指示剂来判断终点,pH 突跃至少为 0.3 个单位。所以,只有当弱酸的 cKa ³ 1.0 ´ 10-8 才能满足要求。因此通常以

                           c·Ka ³ 1.0 ´ 10-8                          (47)

 作为判断弱酸能否被准确滴定的界限。

三. 强酸滴定一元弱碱

   滴定过程 pH 变化由大到小,滴定曲线形状与强碱滴定弱酸时恰好相反。

    化学计量点及 pH 突跃都在酸性范围内。

    可被滴定的条件:     cKb ³ 1.0 ´ 10-8                         (48)

例:HCl 溶液滴定NH3            

        计量点  pH :5.28,          pH  突跃:6.30—4.30,     

        指示剂:甲基红

四. 多元酸的滴定

1. 分步滴定

     多元酸分步滴定的判断规则(允许误差 ±0.5%)

(1)若 cKa ³ 10-8 , 则这一级电离的 H+ 可被准确滴定 ;

(2)若相邻两 Ka 值之比 ³ 105倍以上,则滴定中两个突跃可明显分开。前一级电离的 H+先被滴定,形成一个突跃,次一级电离的H+后被滴定,是否能产生突跃,则决定于cKa 是否 ³ 10-8

(3)若相邻的两个之比 < 105 ,滴定时两个突跃混在一起,只形成一个突跃(两个H+一次被滴定)

例:用 NaOH(0.1000 mol/L)滴定0.1000 mol/L H3PO4 :

          H3PO4 ⇌ H+ + H2PO4-         Ka1=7.6´10-3

          H2PO4- ⇌ H+ + HPO42-         Ka2=6.3´10-8  

          HPO42- ⇌ H+ + PO43-          Ka2=4.4´10-13

        cKa1 > 10-8         cKa2 » 10-8         cKa3 < 10-8

               Ka1 / Ka2 > 105             Ka2 / Ka3 > 105  

    H3PO4  第一个先被滴定→ H2PO4- ,在第一计量点形成第一个突跃;H2PO4-后被滴定 → HPO42- 产生第二个突跃。

2. 化学计量点时溶液值 pH 的计算及指示剂的选择

     多元酸滴定过程中溶液的组成及滴定曲线比较复杂,通常是采用计算计量点时溶液 pH 的值,然后在此附近选择指示剂。

例:用0.1000mol/L NaOH 滴定 20.00ml  0.1000mol/L H3PO4

    第一计量点:      H3PO4 + OH- ⇌ H2PO4-  + H2O

    产物是H2PO4-,其为酸式盐,c 为0.05mol/L,

此时        c·Ka2 = 0.05 ´ 6.3 ´ 10-8 > 20 Kw,

                c= 0.05 < 20 Ka1 = 20 ´ 7.6 ´ 10-3

                                                        pH=4.74

指示剂:

(1)溴酚兰(3.0—4.6),终点pH为4.6,误差在-0.35% 内

(2)甲基橙(3.1—4.4),终点pH为4.4,误差在-0.5% 内

第二计量点:H2PO4- ⇌ H+ + HPO42-

产物是 HPO42- ,其为酸式盐,  c 为 0.1000/3  mol/L,

此时        c·Ka3 = (0.1000/3) ´ 4.4 ´ 10-13 » Kw,

                c >20 Ka2 = 20 ´ 6.5 ´ 10-8

 

                            =2.2 ´ 10-10 mol/L)

                                                        pH=9.66

指示剂:酚酞(8.0—10),百里酚酞(9.4—10.6),误差(TE) 约为 + 0.3%

五. 多元碱的滴定

      多元碱一般是指多元酸与强碱作用生成的盐,如:Na2CO3 、Na2B2O7

例:用 0.1000mol/L HCl 溶液滴定 20.00ml  0.1000mol/L Na2CO3 溶液

         HCl + CO32- ⇌ HCO3- + Cl-         Kb1 = 1.8´ 10-4

         HCl + HCO3- ⇌ H2CO3 + Cl-        Kb2 = 2.4´ 10-8

                 c·Kb1 = 0.10 ´ 1.8 ´ 10-4 > 10-8,

                 c·Kb2 = 0.10 ´2.4 ´ 10-8 =2.4 ´ 10-9 » 10-8

                 Kb1 /Kb2 =1.8´ 10-4 /2.4 ´ 10-8 » 10-4

     因此,第一个突跃较短,TE % 约为 1%,通常需采用NaHCO3  溶液作参比液,或使用混合指示剂(变色敏锐)

第一计量点: 

                pOH=5.68                      pH=8.32(碱性范围)

指示剂:酚酞(10—8.0),(TE >1%)甲基红+百里酚兰:8.4—8.2(紫—粉红,TE » 0.5%)

第二计量点:产物为 CO2 的饱和水溶液,约0.04mol/L的H2CO3

            pH=3.89

指示剂:

(1)甲基橙(4.4—3.1),(2)甲基红(6.2—4.4),

(3)溴甲酚绿+甲基橙(4.3)

    由于Kb2不够大,且溶液中 CO2 易过多,指示终点过早出现,因此,接近终点时应剧烈地摇晃溶液,以加快H2CO3的分解,或加热除去 CO2 ,冷却后再滴定。



 
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