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酸碱滴定曲线和指示剂的选择
发布时间:2010/5/18  阅读次数:1950  字体大小: 【】 【】【
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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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