Метод перманганатометрии

Оглавление

• Теоретическая часть
• Экспериментальная часть
•              1. Приготовление раствора KMnO₄
•              2. Приготовление стандартного раствора щавелевой кислоты
•              3. Стандартизация раствора KMnO₄ по щавелевой кислоте
•              4. Определение содержания Fe (II) в растворе соли Мора

Теоретическая часть 

Методы окисления-восстановления - титриметрические методы, основанные на использовании реакций окисления-восстановления. К основным достоинствам методов относятся: большая точность, хорошая воспроизводимость, простота и экспрессность, широкий спектр применения, возможность автоматизации и др.

Методы окисления-восстановления классифицируются в зависимости от титранта (стандартного раствора). Например: метод, основанный на окислении перманганатом калия, называют перманганатометрией; на окислении иодом - иодометрией; Cr (VI) - хроматометрией и т.д.

В процессе титрования по методу окисления-восстановления происходит изменение окислительно-восстановительных потенциалов реагируюших веществ.

Для обратимой редокс системы, выражаемой уравнением

а Окисл + nē ↔ b Восст ,

величина окислительно-восстановительного потенциала Е определяется уравнением

 Е = Е⁰ + (RT/ nF) ln ([Окисл]^а / [Восст]^b),

где Е - окислительно-восстановительный потенциал, В; Е⁰ - стандартный окислительно-восстановительный потенциал, В; R - универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/(моль∙К); Т - абсолютная температура, К; n - число электронов, участвующих в реакции; F - число Фарадея, равное 96 500 Кл; [Окисл]- концентрация окисленной формы, моль/л; [Восст]- концентрация восстановленной формы, моль/л.

Если в реакции принимают участие H⁺-ионы, то значение Е зависит от [Н⁺]:

 Е = Е ⁰+ (RT/ nF) ln ([Окисл]^а [Н⁺]^m / [Восст]^b)

 Если заменить константы их числовыми значениями и перейти от ln к lg, то при T = 298 К (25 °C) уравнение примет вид

Е = Е⁰ + (0,059/n) lg ([Окисл]^а[Н⁺]^m /[Восст]^b).

Таким образом, потенциал окислительно-восстановительной системы зависит от природы реагирующих веществ (Е⁰), температуры, концентрации окисленной и восстановленной форм, а также концентрации H⁺ -ионов.

При 25 °C коэффициент 0,059; при 30 °C - 0,060, т.е. температура не очень сильно влияет на потенциал. Более существенно влияние температуры на энергию активации, скорость и механизм окислительно-восстановительной реакции. Бывают реакции, когда H⁺ -ионы в реакции не участвуют, а pH влияет на потенциал системы.

Значения стандартных окислительно-восстановительных потенциалов приведены в справочных таблицах.

Окислитель - вещество с большим значением Е⁰. Меняя соотношение концентраций окисленной и восстановленной форм, а также концентрацию H⁺ -ионов, можно изменять Е в широких пределах, а, следовательно, направить реакцию в нужную нам сторону.

В ряде случаев окислительно-восстановительного титрования точку эквивалентности фиксируют по изменению окраски титруемого раствора, вызываемой избытком окрашенного стандартного раствора. Кроме того, могут быть использованы в методах окисления-восстановления так называемые ред-окс-индикаторы, которые изменяют окраску в зависимости от величины Е. Наиболее широко для фиксирования точки эквивалентности применяют физико-химические методы.

В качестве стандартного раствора в перманганатометрии применяют раствор KMnO₄, который обладает наиболее высокой окислительной активностью в кислой среде (Е = +1,51 В).

Метод перманганатометрии используют для определения восстановителей (прямое титрвание), окислителей (обратное титрование) и веществ, не обладающих окислительно-восстановительными свойствами, но которые могут быть переведены путем химических реакций в другие соединения, участвующие в окислительно-восстановительных реакциях (заместительное титрование).

 

 Экспериментальная часть

Цель работы: Познакомиться на практике с методом окислительно-восстановительного титрования.

 Задачи:

1. Приготовить раствор титранта KMnO₄ приблизительной концентрации 0,02 моль/л.

2. Приготовить стандартный раствор щавелевой кислоты с молярной концентрацией эквивалента 0,02 моль/л в объеме 200 мл.

3. Провести стандартизацию раствора KMnO₄ по щавелевой кислоте.

4. Определить содержание Fe (II) в растворе соли Мора методом перманганатометрии.

5. Определить окисляемость воды.

 Приборы и реактивы:

весы технические и аналитические; штатив; стакан вместимостью 100 см³; бюретка вместимостью 20 см³; пипетки вместимостью 10 и 100 см³; колбы мерные вместимостью 200, 250 и 500 мл; цилиндры мерные вместимостью 5 и 10 см³; плитка; шпатель; часовое стекло; запаянные капилляры или кусочки битого фарфора;

KMnO₄; H₂C₂O₄∙2H₂O, соль Мора, раствор H₂SO₄ с концентрацией 1 моль/л и 3 моль/л, дистиллированная вода.

1. Приготовление раствора KMnO₄

Титрованный раствор перманганата калия нельзя приготовить растворением точной навески, так как реактив содержит ряд примесей.

Стандартизацию раствора перманганата калия устанавливают через 5-7 дней после приготовления. Исходным веществом для его стандартизации служит щавелевая кислота (H₂C₂O₄∙2H₂O). Реакция протекает по уравнению:

 5H₂C₂O₄ + 2KMnO₄ + 3H₂SO₄ → 2MnSO₄ + 10CO₂ + K₂SO₄ + 8H₂O.

В реакции окисляются анионы C₂O₄^2- , теряя 2 электрона и превращаясь в две электронейтральные молекулы СО₂. Mn(VІІ), наоборот, приобретая 5 электронов, восстанавливается до Mn(ІІ):

 5    │ C₂O₄^2-  - 2ē → 2СО₂

 2    │MnO₄^- + 8H⁺ + 5 ē → Mn²⁺ + 4H₂O

Очевидно, молярная масса эквивалента перманганата калия  равна 1/5 молярной массы, т.е. 158,03/5 = 31,61 г/моль. Для приготовления 0,5 л раствора KMnO₄ с молярной концентрацией эквивалента 0,02 моль/л рассчитывают навеску: 31,61∙0,02·0,5 = 0,3161 г Учитывая легкую восстанавливаемость KMnO₄, увеличивают массу навески на 10 %.

 Порядок выполнения

Навеску KMnO₄ переносят в стакан и приливают небольшие порции горячей воды, время от времени сливая жидкость с кристаллов в мерную колбу вместимостью 500 мл. Растворение ускоряют путем непрерывного перемешивания. Когда вся навеска перейдет в раствор, доливают объем до метки дистиллированной водой и тщательно перемешивают. Раствор переливают в склянку из темного стекла, закрывают пробкой и оставляют стоять 5 - 7 дней, после чего раствор фильтруют.

 

2. Приготовление стандартного раствора щавелевой кислоты

Рассчитывают навеску для приготовления 200 мл стандартного раствора щавелевой кислоты  с молярной концентрацией эквивалента 0,02 моль/л. Молярная масса эквивалента H₂C₂O₄·2H₂O в рассматриваемой реакции равна 126,07/2 = 63 г/моль.

 Порядок выполнения

Рассчитанную навеску H₂C₂O₄·2H₂O взвешивают на аналитических весах, переносят в мерную колбу вместимостью 200 мл и растворяют при перемешивании в дистиллированной воде, доводя объем до метки. Вычисляют молярную концентрацию эквивалента стандартного раствора щавелевой кислоты.

 

3. Стандартизация раствора KMnO₄ по щавелевой кислоте

Реакция взаимодействия перманганата калия со щавелевой кислотой протекает полностью только в кислой среде, является автокаталитической (катализатор – соль Mn(ІІ)).  Скорость увеличивается при нагревании.

Титрование безиндикаторное.

 Порядок выполнения

Заполняют бюретку раствором KMnO₄ до нулевого деления. В три колбы для титрования отбирают по 10 мл раствора кислоты, предварительно ополоснув им пипетку. В каждую колбу прибавляют 10 мл раствора H₂SO₄ с концентрацией 1 моль/л. Содержимое одной из колб нагревают на плитке до 70 - 80 °С и горячий раствор титруют стандартным раствором KMnO₄. Раствор титранта приливают медленно, по каплям, при непрерывном перемешивании. Каждую следующую каплю добавляют лишь после того, как обесцветилась предыдущая. Титрование прекращают, когда при добавлении избыточной капли титранта раствор приобретает бледно-малиновую, не исчезающую в течение 1 - 2 минут окраску.

Титрование повторяют 3 раза, находят средний объем, пошедший на титрование 10 мл раствора щавелевой кислоты. Результаты записывают в таблицу 1.

 Таблица 1. Результаты эксперимента. 

№ анализа	V(H2C2O4·2H2O), мл	V(KMnO4), мл
1	10
2	10
3	10
Среднее	10

 

Молярную концентрацию эквивалента раствора KMnO₄ определяют по формуле:

 с(1/5 KMnO₄) = с(1/2 H₂C₂O₄·2H₂O) ∙V(H₂C₂O₄·2H₂O) /V(KMnO₄)

 

4. Определение содержания Fe (II) в растворе соли Мора

 Определение содержания железа (II) в растворах считают одним из важнейших применений перманганатометрии. При титровании перманганатом калия раствора соли Мора, имеющей состав FeSO₄∙ (NH₄)₂ SO₄· 6H₂O, в кислой среде происходит реакция:

 10FeSO₄ + 2KMnO₄ + 8Н₂SO₄  → 5Fe₂(SO₄)₃ + 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 8H₂O.

 5    │ 2Fe²⁺  - 2ē → 2Fe³⁺      

2    │MnO₄^- + 8H⁺ + 5 ē → Mn²⁺ + 4H₂O

В данной реакции молярная масса эквивалента соли Мора равна ее молярной массе. Поэтому и молярная масса эквивалента железа равна 56 г/моль.

 Порядок выполнения

Полученную у лаборанта навеску соли  Мора через сухую воронку количественно переносят в мерную колбу вместимостью 250 мл и доводят объем раствора до метки дистиллированной водой, тщательно перемешивают. Ополаскивают полученным раствором пипетку, переносят 10 мл его в колбу для титрования. Добавляют 10 мл 1 М раствора H₂SO₄, отмеренного цилиндром. Титруют на холоду (при нагревании Fe²⁺ окисляется кислородом воздуха до Fe³⁺) раствором перманганата калия до появления бледно-малиновой окраски, не исчезающей при перемешивании в течении 1 - 2 мин. Повторяют титрование 3 раза и берут среднее значение.

 Таблица 2. Результаты эксперимента. 

№ анализа	V(FeSO4), мл	V(KMnO4), мл
1	10
2	10
3	10
Среднее	10

 

 По полученным результатам вычисляют:

1)      молярную концентрацию эквивалента раствора соли Мора:

с(FeSO₄) = с(1/5 KMnO₄) ∙ V(KMnO₄)  /  V (FeSO₄)

 2)      массу железа (ІІ) в выданной навеске.

m (Fe) =  V (FeSO₄) ∙ с(FeSO₄)  ∙ М(Fe)

 3)      абсолютную и относительную погрешность определения.

Для этого вычисляют массу железа (ІІ), содержащуюся в данной навеске, теоретически:

m (Fe)_теор =  m (навески)∙ω(Fe)

ω(Fe) = М (Fe)/ М( FeSO₄∙ (NH₄)₂ SO₄· 6H₂O)