Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Гран участок (также известный как Gran титрование или метод Gran ) является распространенным способом стандартизации в титруете или титрант путем оценки объема эквивалентности или конечной точку в сильных кислотах -сильный базовое титрования или в потенциометрическом титровании . Такие графики также использовались для калибровки стеклянных электродов, для оценки содержания карбоната в водных растворах и для оценки значений K a ( константы кислотной диссоциации ) слабых кислот и оснований по данным титрования.

На графиках Gran используются линейные аппроксимации априорных нелинейных соотношений между измеренной величиной, pH или электродвижущим потенциалом (ЭДС) и объемом титранта. Другие типы измерений концентрации, такие как спектрофотометрические измерения поглощения или химические сдвиги ЯМР , в принципе могут быть обработаны аналогичным образом. Эти приближения действительны только вблизи конечной точки, но не в ней, поэтому метод отличается от оценок конечной точки с помощью первой и второй производной.графики, которые требуют данных в конечной точке. Графики Gran изначально были разработаны для графических определений в докомпьютерные времена, при этом график xy на бумаге будет вручную экстраполироваться для оценки пересечения с x. Графическое представление и визуальная оценка конечной точки были заменены более точным анализом методом наименьших квадратов с появлением современных компьютеров и программных пакетов, особенно программ электронных таблиц со встроенными функциями наименьших квадратов.

Основа расчетов [ править ]

График Гран основан на уравнении Нернста, которое можно записать как

где E - измеренный потенциал электрода, E 0 - стандартный потенциал электрода, s - наклон, идеально равный RT / nF, а {H + } - активность иона водорода. Выражение перестраивается на

в зависимости от того, калиброван ли электрод в милливольтах или pH. Для удобства вместо активности используется концентрация [H + ]. При титровании сильной кислоты сильной щелочью аналитическая концентрация иона водорода получается из начальной концентрации кислоты C i и количества щелочи, добавленной во время титрования.

где v i - начальный объем раствора, c OH - концентрация щелочи в бюретке, v - объем титра. Приравнивая два выражения для [H + ] и упрощая, получаем следующее выражение

Заговор против v будет прямой линией. Если Е 0 и s известны из электрода калибровки, где линия пересекает ось абсцисс показывает громкость в точке эквивалентности, . В качестве альтернативы этот график можно использовать для калибровки электрода, найдя значения E 0 и s, которые дают наилучшую прямую линию.

Титрование сильной кислоты сильным основанием [ править ]

Для титрования сильной кислоты и сильного основания, контролируемого по pH, в любой i- й точке титрования

где K w - константа автопротолиза воды .

Если титрование кислоты первоначального объема и концентрации с основанием концентрации , то в любом я точки в титровании объема титранта ,

В точке эквивалентности , то объем эквивалентности .

Таким образом,

  • участок будет иметь линейную область до эквивалентности, с наклоном
  • и график будет иметь линейную область после эквивалентности с наклоном
  • оба участка будут иметь перехват

Объем эквивалентности используются для вычисления зависимости от того , из или неизвестно.

PH-метр обычно калибруется с помощью буферных растворов при известных значениях pH перед началом титрования. Ионная сила может поддерживаться постоянной при разумном выборе кислоты и основания. Например, HCl, титрованный NaOH примерно такой же концентрации, заменит H + на ион (Na + ) с таким же зарядом и той же концентрацией, чтобы ионная сила оставалась довольно постоянной. В противном случае можно использовать относительно высокую концентрацию фонового электролита или вычислить коэффициент активности . [1]

Титрование сильного основания сильной кислотой [ править ]

Зеркальные графики получаются при титровании основания кислотой, причем знаки наклонов меняются на противоположные.

Щелкните изображение, чтобы просмотреть его в полном размере.
Рисунок 1. Примеры графиков Гран с использованием данных Батлера (1998). Обратите внимание, что закрашенные кружки указывают точки данных, включенные в вычисления методом наименьших квадратов, чтобы получить аппроксимированные пунктирные линии.
Щелкните изображение, чтобы просмотреть его в полном размере.
Рис. 2. Примеры графиков Гран с использованием данных из «интерактивного источника» . Проверено 18 февраля 2008 .Показана только область, близкая к эквивалентности, поскольку данные, далекие от эквивалентности, сильно отклоняются от линейности. Обратите внимание, что закрашенные кружки обозначают точки данных, включенные в вычисления методом наименьших квадратов, чтобы получить аппроксимированные пунктирные линии.

Следовательно,

  • участок будет иметь линейную область до эквивалентности с наклоном
  • и график будет иметь линейную область после эквивалентности с наклоном
  • оба графика будут иметь пересечение по оси x

На рис. 1 представлены образцы графиков Gran при титровании сильным основанием и сильной кислотой.

Концентрации и константы диссоциации слабых кислот [ править ]

Метод может быть использован для оценки констант диссоциации слабых кислот, а также их концентраций (Gran, 1952). С кислотой, представленной HA, где

,

мы имеем в любой i- й точке титрования объема кислоты при концентрации по основанию концентрации . В линейных областях, отличных от эквивалентности,

  и
 

являются допустимыми приближениями, откуда

, или же
или, потому что ,
.

График зависимости будет иметь наклон по линейной кислотной области и экстраполированный отрезок x , на основании которого может быть вычислено либо, либо . [1] Щелочная область обрабатывается так же, как и при титровании сильной кислоты . На рис. 2 приведен пример; в этом примере два отсекаемых по оси x отличаются примерно на 0,2 мл, но это небольшое расхождение, учитывая большой эквивалентный объем (ошибка 0,5%).

Аналогичные уравнения можно написать для титрования слабого основания сильной кислотой (Gran, 1952; Harris, 1998).

Карбонатное содержание [ править ]

Мартелл и Мотекайтис (1992) используют наиболее линейные области и используют разницу в объемах эквивалентности между графиками на кислотной и основной сторонах во время кислотно-основного титрования для оценки дополнительного содержания CO 2 в растворе основания. Это проиллюстрировано на образцах графиков Gran на фиг.1. В этой ситуации дополнительная кислота, используемая для нейтрализации карбоната путем двойного протонирования, в объеме титрата составляет . В противоположном случае титрования кислоты основанием содержание карбоната рассчитывается аналогичным образом из , где - эквивалентный объем со стороны основания (от Martell и Motekaitis).

Когда общее содержание CO 2 является значительным, как в природных водах и щелочных стоках, на кривых pH-объема можно увидеть два или три перегиба из-за буферизации более высокими концентрациями бикарбоната и карбоната. Как обсуждали Штум и Морган (1981), при анализе таких вод можно использовать до шести графиков Гран из одного титрования для оценки нескольких конечных точек и измерения общей щелочности и содержания карбонатов и / или бикарбонатов.

Потенциометрический мониторинг H + [ править ]

Чтобы использовать потенциометрические (ЭДС) измерения для контроля концентрации вместо показаний, можно тривиально задать и применить те же уравнения, что и выше, где - поправка смещения , а - поправка наклона (1 / 59,2 единиц pH / мВ при 25 ° C), такой, что заменяет .

Таким образом, как и раньше при титровании сильной кислоты сильным основанием,

  • график vs. будет иметь линейную область до эквивалентности, с наклоном
  • а график зависимости после эквивалентности будет иметь линейную область с наклоном
  • оба графика будут иметь пересечение, и, как и раньше, эквивалентный объем на кислотной стороне можно использовать для стандартизации той концентрации, которая неизвестна, а разница между эквивалентными объемами на кислотной и основной сторонах может быть использована для оценки содержания карбонатов.

Аналогичные графики можно построить, используя данные титрования основания кислотой.

Калибровка электрода [ править ]

Обратите внимание, что приведенный выше анализ требует предварительного знания и .

Если pH-электрод плохо откалиброван, поправка смещения может быть вычислена на месте по кислотной стороне градиента Gran:

  • Для титрования кислоты основанием наклон кислотной стороны ( ) может использоваться для вычисления с использованием известного значения или значения, полученного посредством эквивалентного объема. затем можно рассчитать по наклону со стороны основания.
  • Для титрования основания кислотой, как показано на образцах графиков, наклон кислотной стороны ( ) аналогичным образом используется для вычисления, а наклон стороны основания ( ) используется для вычисления с использованием известного значения или значения, заданного формулой эквивалентный объем кислотной стороны.

В образце данных, показанном на рисунке 1, эта поправка смещения не была незначительной, при -0,054 единиц pH.

Однако значение может отличаться от теоретического значения и может быть оценено только путем надлежащей калибровки электрода. Калибровка электрода часто выполняется с использованием буферов с известным pH или путем титрования сильной кислоты сильным основанием. В этом случае можно поддерживать постоянную ионную силу, и она известна во всех точках титрования, если известны оба и (и должны иметь прямое отношение к первичным стандартам ). Например, Мартелл и Мотекайтис (1992) рассчитали значение pH, ожидаемое в начале титрования, предварительно оттитровав растворы кислоты и основания относительно первичных стандартов, а затем соответствующим образом скорректировав показания электрода pH, но это не дает поправки на наклон, если нужен один.

Основываясь на более ранних работах по Мак - Брайд (1969), Gans и O'Sullivan (2000) описывают итеративный подход , чтобы достигнуть как и значений в зависимости , от титровании сильной кислоты сильным основанием:

  1. сначала оценивается по кислотным данным согласно Россотти и Россотти (1965), и первоначально предполагается, что оно имеет теоретическое значение;
  2. модифицированные функциональные участки Gran рисуются, используя vs. на кислотной стороне эквивалентности и против прогноза на щелочную сторону, а объемы эквивалентности и вычисляются из нее, как и прежде;
  3. как и раньше, разница в эквивалентных объемах используется для расчета содержания карбоната, а также для расчета «эффективной основной концентрации» для щелочной стороны эквивалентности;
  4. приблизительные значения рассчитываются для кислотной стороны как и для щелочной стороны как ;
  5. исходное определение переписывается как , и данные наносятся на график с использованием значений, соответствующих значениям pH в диапазонах 2,5-4,5 и 10,7-11,5 (линейный диапазон отклика для стеклянного электрода, который позволяет избежать изменения потенциалов перехода и / или щелочной ошибка на экстремумах pH, что дополнительно позволяет избежать неопределенностей измерения вблизи точки эквивалентности, а также ошибок вычислений из-за пренебрежения на кислотной стороне и пренебрежения равновесием карбонат / бикарбонат на щелочной стороне); обработка методом наименьших квадратов дает как наклон, так и точку пересечения;
  6. Шаги 2 и 3 повторяются с новыми и значениями для большей точности в объемах эквивалентности и СО 2 содержания.

В принципе, процедура может быть модифицирована для титрования основания кислотой. Компьютерная программа под названием GLEE (от GLass Electrode Evaluation) реализует этот подход к титрованию кислоты основанием для калибровки электродов. Эта программа дополнительно может вычислить (с помощью отдельного нелинейного метода наименьших квадратов) «поправку» на базовую концентрацию. Преимущество этого метода калибровки электродов состоит в том, что его можно выполнять в той же среде с постоянной ионной силой, которая позже может быть использована для определения констант равновесия .
Обратите внимание, что обычные функции Гран обеспечат требуемые объемы эквивалентности и, как изначально задано теоретическое значение, начальная оценка дляна этапе 1 может быть получен из наклона регулярной кислотной функции Gran, как подробно описано ранее. Также обратите внимание, что эта процедура вычисляет содержание CO 2 и действительно может быть объединена с полной стандартизацией базы, используя определение для вычисления . Наконец, применимый диапазон pH может быть расширен путем решения квадратичного уравнения для .

Потенциометрический мониторинг других видов [ править ]

Щелкните изображение, чтобы просмотреть его в полном размере.
Рисунок 3. Образец графиков Gran с использованием данных потенциометрического титрования Cl - с помощью Ag + . Потенциалы были преобразованы в значения [Ag + ] для построения графика. Обратите внимание, что закрашенные кружки обозначают точки данных, включенные в вычисления методом наименьших квадратов, чтобы получить аппроксимированные пунктирные линии.

Потенциометрические данные также используются для мониторинга других видов, кроме . При мониторинге любых видов с помощью потенциометрии можно применить тот же формализм с . Таким образом, титрование раствора другого вида по видам аналогично рН-мониторингу титрования основания с помощью кислоты, откуда либо или графика зависимости будет иметь й-перехват . При обратном титровании by , эквивалентный объем будет. Значимость наклонов будет зависеть от взаимодействий между двумя видами, будь то соединение в растворе или выпадение вместе (Gran, 1952). Обычно интерес представляет только точка эквивалентности. Однако наклон до эквивалентности в принципе можно использовать для оценки произведения растворимости таким же образом, как это можно определить при кислотно-основном титровании, хотя также могут иметь место другие взаимодействия ионной пары. [2]

Чтобы проиллюстрировать это, рассмотрим титрование Cl - с помощью Ag +, контролируемое потенциометрически:

Следовательно,

  • участок будет иметь линейную область до эквивалентности, с наклоном
  • и график будет иметь линейную область после эквивалентности с наклоном
  • на обоих графиках пересечение по оси x равно

На рис. 3 приведены примерные графики данных потенциометрического титрования.

Неидеальное поведение [ править ]

При любом титровании без компонентов буферизации графики как до эквивалентности, так и за пределами эквивалентности должны в идеале пересекать ось x в одной и той же точке. Неидеальное поведение может быть результатом ошибок измерения ( например, плохо откалиброванного электрода, недостаточного времени уравновешивания перед записью показаний электрода, дрейфа ионной силы), ошибок выборки ( например, низкой плотности данных в линейных областях) или неполной химической модели ( например, наличие титруемых примесей, таких как карбонат, в основе или неполное осаждение при потенциометрическом титровании разбавленных растворов, для чего Гран и др. (1981) предлагают альтернативные подходы). Buffle et al. (1972) обсуждают ряд источников ошибок.

Поскольку члены или в функциях Грана только асимптотически стремятся к оси x и никогда не достигают ее, во всех случаях следует ожидать приближения кривизны к точке эквивалентности. Тем не менее, среди практикующих специалистов существуют разногласия относительно того, какие данные отображать на графике, использовать ли данные только с одной стороны эквивалентности или с обеих сторон, и выбирать ли данные, наиболее близкие к эквивалентности, или наиболее линейные части: [3] [4] с использованием данные, ближайшие к точке эквивалентности, позволят двум точкам пересечения по оси x быть более совпадающими друг с другом и лучше совпадать с оценками по производным графикам, в то время как использование кислотных данных в кислотно-основном титровании, по-видимому, минимизирует помехи от титруемых (буферных) примесей , например, бикарбонат / карбонат в основе (см.Содержание карбоната ), и эффект дрейфующей ионной силы. На демонстрационных графиках, представленных на рисунках, наиболее линейные области (данные, представленные закрашенными кружками) были выбраны для вычислений наклонов и пересечений методом наименьших квадратов. Выбор данных всегда субъективен.

Ссылки [ править ]

  • Баффл, Дж., Партасарати, Н. и Монье, Д. (1972): Ошибки в методе сложения Гран. Часть I. Теоретический расчет статистических ошибок; Анальный. Чим. Acta 59 , 427-438; Buffle, J. (1972): Anal. Чим. Акта 59 , 439.
  • Батлер, Дж. Н. (1991): равновесия углекислого газа и их применения; CRC Press: Бока-Ратон, Флорида.
  • Батлер, Дж. Н. (1998): Ионное равновесие: расчеты растворимости и pH; Wiley-Interscience. Глава. 3.
  • Ганс, П. и О'Салливан, Б. (2000): GLEE, новая компьютерная программа для калибровки стеклянных электродов; Таланта , 51 , 33–37.
  • Гран, Г. (1950): Определение точки эквивалентности при потенциометрическом титровании, Acta Chemica Scandinavica , 4 , 559-577.
  • Гран, Г. (1952): Определение точки эквивалентности при потенциометрическом титровании - Часть II, Analyst , 77 , 661-671.
  • Гран, Г., Йоханссон, А. и Йоханссон, С. (1981): Автоматическое титрование путем пошагового добавления равных объемов титранта. Часть VII. Потенциометрическое титрование осаждением, Analyst , 106 , 1109-1118.
  • Харрис, округ Колумбия: количественный химический анализ, 5-е изд .; WH Freeman & Co., New. Йорк, Нью-Йорк, 1998.
  • Мартелл, А.Е. и Мотекайтис, Р.Дж .: Определение и использование констант стабильности, Wiley-VCH, 1992.
  • Макбрайд, Вашингтон (1969): Аналитик , 94 , 337.
  • Rossotti, FJC и Rossotti, H. (1965): J. Chem. Изд ., 42 , 375
  • Скуг, Д.А., Вест, Д.М., Холлер, Ф.Дж. и Крауч, С.Р. (2003): Основы аналитической химии: Введение, 8-е изд., Брукс и Коул, гл. 37.
  • Штумм В. и Морган Дж. Дж. (1981): водная химия, 2-е изд .; John Wiley & Sons, Нью-Йорк.

Заметки [ править ]

  1. ^ a b Если ионная сила непостоянна, можно исправить это выражение для изменения коэффициента активности. См. Харрис (1998) или этот «он-лайн документ» (PDF) . Проверено 17 февраля 2008 .
  2. ^ Гран и др. (1981) дают более подробную трактовку, которая учитывает другие сложные частицы при титровании Cl - Ag + (особенно Ag 2 Cl + и AgCl 2 - ) и в других титрованиях осаждением, чтобы вычислить эквивалентные объемы разбавленного раствора. растворы, когда осаждение неполное.
  3. ^ «Он-лайн документ» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 17 декабря 2008 года . Проверено 17 февраля 2008 . ) И В. Wolbach ДеПол университета ( "Он-лайн документ" (PDF) . Источник 2008-02-17 . ) рекомендуют использовать последние 10-20% объемные данные перед точкой эквивалентности, и последняя признает, что графики Gran на стороне основания, полученные при титровании кислоты основанием ( то есть после точки эквивалентности), могут использоваться для оценки содержания CO 2 в основе. . Кроме того , мы Brewer и JL Ферри из Университета Южной Каролины рекомендуют использовать эти данные в пределах 10% перед эквивалентности ( «он-лайн» документ (PDF) . Извлекаться 2008-02-17 . ). К. Кувата из Macalester колледжа рекомендует студент выбрать любую область данных дает прямую линию до эквивалентности ( «Он-лайна документ» (PDF) . Источник 2008-02-17 . ). Д.Л. Зеллмер из Калифорнийского государственного университета во Фресно просит студентов построить график данных с обеих сторон эквивалентности, используя данные, наиболее далекие от эквивалентности, и оценить ошибки, чтобы определить, действительно ли две оценки объемов эквивалентности существенно различаются (pH данные: "Он-лайн документ" . Проверено 17 февраля 2008 .; потенциометрическое титрование хлорид-иона ионом серебра: «Электронный документ» . Проверено 17 февраля 2008 .).
  4. ^ Батлер (1991) обсуждает вопрос выбора данных, а также исследует влияние титруемых примесей, таких как борат и фосфат.