4.1.1. Методы проведения потенциометрического анализа
Прямая потенциометрия (ионометрия) – непосредственное измерение электродного потенциала и нахождение активности ионов в исследуемой системе.
Установка для ионометрии состоит из исследуемой схемы, в которой находится два электрода: индикаторный электрод и электрод сравнения (рис. 4.2.). Для усиления сигнала от электродов в приборе есть блок усилителя и преобразователя электродного потенциала в показатель активности исследуемого иона рХ, например рН.
Усилитель
Преобразователь
Индик.
Эл-д эл-д
Сравн.
Рис. 4.2. Схема установки для ионометрии
Ионометрия используется для измерения рН водных вытяжек из камня строительных материалов, например, цементного камня.
В процессе твердения портландцемента происходит гидролиз и гидратация основных клинкерных минералов, в результате которых образуются гидросиликаты, гидроалюминаты и гидроферриты кальция и определённое количество Ca(OH)2.
Водная вытяжка готовится путем настаивания измельченного цементного камня в воде, т. е. это жидкая часть суспензии, находящаяся в равновесии с твёрдой фазой. В жидкую фазу переходит растворимая часть цементного камня, т. е. Са(ОН)2. Таким образом, задача сводится к измерению концентрации гидроксида кальция.
Поскольку в водных растворах ионное произведение воды
кw = аН+ ∙ аОН_ или кw = сН+ ∙ сОН_ = 10-14, то сОН_ = 10-14/сН+.
В
стеклянном электроде имеется разная
концентрация ионов водорода внутри
стеклянного шарика и снаружи – в
исследуемой среде.
Внутри HCl С = 0,1 моль/л,
если принять активность а = с, и α = 1, то
с
Са(ОН)2
Если допустить, что СМ(Са(ОН)2) = 0,005 моль/л и
т. к. Са(ОН)2 → Са2+ + 2ОН-, то СОН- = 0,01 моль/л.
Ионный обмен между жидкими фазами и твёрдой фазой стеклянной мембраны создаёт некоторую разность потенциалов, зависящую от рН исследуемой среды.
4.1.2. Потенциометрическое титрование
Потенциометрическое титрование – это титриметрический метод анализа, в котором точка эквивалентности определяется не визуально, а с помощью прибора.
Установка для потенциометрического титрования по сравнению с прямой потенциометрией дополняется бюреткой. Результаты анализа представляются в виде кривой титрования (рис. 4.3).
Е
т. э. Vраб. р-ра т. э. Vраб. р-ра
а) б)
Рис. 4.3. Кривые потенциометрического титрования:
а) интегральная кривая; б) дифференциальная кривая
Скачок на кривой титрования появляется тогда, когда меняется природа потенциалопределяющего иона.
Пример. Для изготовления жаростойких бетонов применяются шлаки, в которых содержатся алюмофосфаты. Соответствующей обработкой пробы фосфаты превращают в фосфорную кислоту, которая титруется ступенчато.
р
Н
14
10,5
7
,0
3 ,5
(т. э.) (т. э.)2 VNaOH, мл
Фиксирование двух точек эквивалентности позволяет определить содержание моно-, двух- и трёхзамещённых фосфатов, т. е. ионов – Н2РО4-, НРО42- и РО43-. Это важно, т. к. ионы Н2РО4- образуют растворимые соли кальция, магния, железа, что вредно для бетонов.
Преимущества потенциометрического титрования по сравнению с обычным состоит в том, что можно титровать окрашенные и мутные растворы, достаточно легко определяются несколько веществ в смеси (несколько скачков титрования).
Потенциометрическое титрование дает возможность осуществлять автоматический контроль производства, т. к. информация поступает в виде электрического сигнала. Кроме того, исключена субъективная ошибка в определении точки эквивалентности.
Лабораторная работа № 8
Прямая потенциометрия.
Определение pH раствора водной вытяжки цементного камня
с использованием стеклянного электрода
Цель работы
Усвоить метод прямой потенциометрии для исследования состава и свойств строительных материалов.
Овладеть техникой подготовки водных вытяжек и измерения их рН.
Изучение зависимости рН водных вытяжек из камня строительных материалов от степени измельчения, времени настаивания.
Теоретическая часть
Согласно пункту 4.1 данного учебного пособия разберите примеры, где используется прямая потенциометрия.
Пример 1. Рассчитайте содержание гидроксида кальция (г/л) в водной вытяжке гипсового камня, если после 90 мин настаивания навески 2 г в 50 мл воды значение рН водной вытяжки составляет 8,8.
Решение. Щелочная среда в водной вытяжке гипсового камня обусловлена наличием гидроксида кальция, который диссоциирует
Са(ОН)2 → Са2+ + 2 ОН. Так как рН = 8,8, то СН+ = 10-8,8 моль/л и поскольку СН+· СОН- = 10-14, то СОН- = 10-5,2 моль/л.
В соответствии с уравнением диссоциации концентрация Са(ОН)2 в два раза меньше концентрации ионов ОН- и составляет См (Са(ОН)2) = 0,5·10-5,2 моль/л, масса Са(ОН)2 в 1л составляет
m Са(ОН)2 = 0,5·10-5,2 моль/л · 74 г/моль = 2,3·10-4 г/л.
пример 2. Определите содержание фосфатов в пересчете на Р2О5 в исходном сырье для изготовления жаростойкого бетона, если после растворения и соответствующей обработки 1,1022 г сырья на потенциометрическое титрование 1/10 части пробы израсходовано 7,8 мл раствора NaOH с молярной концентрацией эквивалента 0,0983 моль/л.
Решение. Масса определяемого вещества в анализируемой пробе вычисляется через титр по определяемому веществу по формуле
М(Р2О5) = 142 г/моль; Мэ(Р2О5)= 142:10=14,2 г/моль.
Массовая доля Р2О5
в исходном сырье
