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多元酸(碱)或混合酸的滴定比一元酸碱的滴定复杂,这是因为如果考虑能否直接准确滴定的问题,就意味着必须考虑两种情况:一是能否滴定酸或碱的总量,二是能否分级滴定(对多元酸碱而言)、分别滴定(对混合酸碱而言)。下面结合实例对上述问题作简要的讨论。
(一)强碱滴定多元酸
1.滴定可行性判断和滴定突跃
大量的实验证明,多元酸的滴定可按下述原则判断:
①当cKa1≥10-8时,这一级离解的H+可以被直接滴定;
②当相邻的两个Ka的比值等于或大于105时,较强的那一级离解的H+先被滴定,出现第一个滴定突跃,较弱的那一级离解的H+后被滴定。但能否出现第二个滴定突跃,则取决于酸的第二级离解常数值是否满足cKa2≥10-8
③如果相邻的两个Ka的比值小于105时,滴定时两个滴定突跃将混在一起,这时只出现一个滴定突跃。
2.H3PO4 的滴定示例
如果用NaOH滴定H3PO4,那么H3PO4 首先被滴定成H2PO4 ,即
但当反应进行到大约99.4%的 H3PO4 被中和之时(pH=4.7),已经有大约0.3%的H2PO4-被进一步中和成HPO4
2-了,即
这表明前两步中和反应并不是分步进行的,而是稍有交叉地进行,所以,严格说来,对H3PO4 而言,实际上并不真正存在两个化学计量点。由于对多元酸的滴定准确度要求不太高(通常分步滴定允许误差为±0.5%),因此,在满足一般分析的要求下,我们认为H3PO4 还是能够进行分步滴定的,其第一化学计量点时溶液的pH=4.68;第二化学计量点时溶液的pH=9.76。其第三化学计量点因pKa3=12.32,说明HPO42-已太弱,故无法用NaOH直接滴定,如果此时在溶液中加入CaCl2 溶液,则会发生如下反应:
则弱酸转化成强酸,就可以用NaOH直接滴定了。
NaOH滴定H3PO4 的滴定曲线一般采用仪器法(电位滴定法)来绘制。图4-6所示的是0.1000mol/LNaOH标准溶液滴定20.00ml0.1000mol/LH3PO4 溶液的滴定曲线。从图4-6可以看出,由于中和反应交叉进行,使化学计量点附近曲线倾斜,滴定突跃较短,且第二化学计量点附近突跃较第一化学计量点附近的突跃还短。正因为突跃短小,使得终点变色不够明显,因而导致终点准确度也欠佳。
如图4-6所示,第一化学计量点时,NaH2PO4 的浓度为0.050mol/L,根据H+浓度计算的最简式:
此时若选用甲基橙(pH=4.0)为指示剂,采用同浓度Na2HPO4 溶液为参比时,其终点误差不大于0.5%。第二化学计量点时,Na2HPO4 的浓度为3.33×10-2mol/L(此时溶液的体积已增加了两倍),同样根据H+浓度计算的最简式:
此时若选择酚酞(pH=9.0)为指示剂,则终点将出现过早;若选用百里酚酞(pH=10.0)作指示剂,当溶液由无色变为浅蓝色时,其终点误差为+0.5%。
3.强酸滴定多元碱
多元碱的滴定与多元酸的滴定类似,因此,有关多元酸滴定的结论也适合多元碱的情况。
(1)滴定可行性判断和滴定突跃
与多元酸类似,多元碱的滴定可按下述原则判断:
①当cKb1≥10-8时,这一级离解的OH-可以被直接滴定;
②当相邻的两个Kb比值等于或大于105时,较强的那一级离解的OH-先被滴定,出现第一个滴定突跃,较弱的那一级离解的OH-后被滴定。但能否出现第二个滴定突跃,则取决于碱的第二级离解常数值是否满足cKb2≥10-8;
③如果相邻的Kb比值小于105时,滴定时两个滴定突跃将混在一起,这时只出现一个滴定突跃。
(2)Na2CO3 的滴定
Na2CO3 是二元碱,在水溶液中存在如下离解平衡:
在满足一般分析的要求下,Na2CO3 还是能够进行分步滴定的,只是滴定突跃较小。如果用HCl滴定,则第一步生成NaHCO3,反应式为
继续HCl滴定,则生成的NaHCO3 被进一步反应生成碱性更弱的H2CO3。H2CO3 本身不稳定,很容易分解生成CO2 与H2O,反应式为
HCl滴定Na2CO3 的滴定曲线一般也采用仪器法(电位滴定法)来绘制。图4-7所示的是0.1000mol/LHCl标准溶液滴定20.00ml0.1000mol/LNa2CO3 溶液的滴定曲线。第一化学计量点时,HCl与 Na2CO3 反应生成 NaHCO3。NaHCO3 为两性物质,其浓度为0.050mol/L,根据H+浓度计算的最简式:
此时选用酚酞(pH=9.0)为指示剂,终点误差较大,滴定准确度不高。若采用酚红与百里酚蓝混合指示剂,并用同浓度NaHCO3 溶液作参比时,终点误差约为0.5%。
第二化学计量点时,HCl进一步与NaHCO3 反应,生成H2CO3(H2O+CO2),其在水溶液中的饱和浓度约为0.040mol/L,因此,按计算二元弱酸pH的最简公式计算,则:
若选择甲基橙(pH=4.0)为指示剂,在室温下滴定时,终点变化不敏锐。为提高滴定准确度,可采用为CO2 所饱和并含有相同浓度NaCl和指示剂的溶液作对比。也有选择甲基红(pH=5.0)为指示剂的,不过滴定时需加热除去CO2。实际操作是:当滴到溶液变红(pH<4.4),暂时中断滴定,加热除去CO2,则溶液又变回黄色(pH>6.2),继续滴定到红色(溶液pH值变化如图4 7虚线所示)。重复此操作2~3次,至加热驱赶CO2 并将溶液冷至室温后,溶液颜色不发生变化为止。此种方式滴定终点敏锐,准确度高。
4.混合酸(碱)的滴定
混合酸(碱)的滴定主要包括两种情况,一是强酸(碱)弱酸(碱)混合液的滴定,二是两种弱酸(碱)混合液的滴定。下面主要讨论混合酸的滴定,混合碱的滴定本章第六节有详细的讨论。
(1)强酸 弱酸(HCl+HA)混合液的滴定这种情况比较典型的实例是HCl与另一弱酸HA混合液的测定。当HCl与HA的浓度均为0.1mol/L时,不同离解常数下的弱酸HA用0.1000mol/LNaOH滴定的滴定曲线如图4-8所示。
由图4-8可以得出如下结论:
①若Ka(HA)<10-7,HA不影响HCl的滴定,能准确滴定HCl的分量,但无法准确滴定混合酸的总量。
②若Ka(HA)>10-5,滴定HCl时,HA同时被滴定,能准确滴定混合酸的总量,但无法准确滴定HCl的分量。
③若10-7<Ka(HA)<10-5,则既能滴定HCl,也能滴定HA,即可分别滴定HCl和HA的分量。
总之,弱酸的pKa值越大则越有利于强酸的滴定,但却越不利于混合酸总量的测定。一般当弱酸的cKa≤10-8时,就无法测得混合酸的总量;而弱酸(HA)的pKa≤5时,也就不能直接准确滴定混合液中的强酸了。
当然,在实际分析过程中,若强酸的浓度增大,则分别滴定强酸与弱酸的可能性也就增大,反之就变小。所以对混合酸的直接准确滴定进行判断时,除了要考虑弱酸(HA)的强度之外,还须比较强酸(HCl)与弱酸(HA)浓度比值的大小。
(2)两种弱酸混合液(HA+HB)的滴定两种弱酸的混合液,类似于一种二元酸的测定,但也并不完全一致,能直接滴定的条件为:
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