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常见的氧化还原滴定方法

来源:业界动态    发布时间:2023-10-29 22:57:40

  在应用高锰酸钾法时,应根据被测物质的性质来选择体系的酸度,并在滴定中严格加以控制,以保证滴定反应能够自始至终按确定的反应式进行。通常高锰酸钾法主要在强酸性条件下应用,采用硫酸,而不采用盐酸和硝酸,来控制酸度。在酸性条件下具有很强的氧化性,能直接或间接地测定许多无机物和有机物,应用广泛,并可利用滴定剂易与水和空气中的某些还原性物质起反应,因此其标准溶液不够稳定,标定后不宜长期使用。

  市售的KMnO_{4}试剂常含有少量二氧化锰和其它杂质,因此不能作为基准物质直接配置标准溶液,只能采用标定法。标定高锰酸钾的基准物质有As_{2}O_{3}、H_{2}C_{2}O_{4}\cdot 2H_{2}O、Na_{2}C_{2}O_{4}等。其中以二水合草酸以及草酸钠最为常用。酸性条件下,用草酸钠标定高锰酸钾的反应为:

  采用硫酸来控制溶液酸度。由于该反应速率较慢,故需加热以加快反应速率。但是温度太高会引起草酸分解,所以应用水浴来控制温度在70-80℃。滴定开始时,反应速率较慢,滴定速度也要慢,一定要等前一滴高锰酸钾的红色完全褪去后再滴下一滴,否则部分高锰酸钾将来不及与草酸钠反应而在热的酸性溶液中分解。但是,随着滴定的进行,溶液中反应产物Mn^{2+}的浓度将不断增大,反应速率明显加快,这就是自催化作用。此时滴定速度也可以适当加快。

  此反应在室温下即可进行,开始时反应速率也较慢,但是随着催化剂Mn^{2+}的浓度积累,这个反应也将慢慢的变快(就是自催化作用)。但是,由于过氧化氢本身的不稳定作用,最好预先加入少量二价锰离子来作为催化剂。

  利用二氧化锰的氧化性,在试样中加入一定量且过量的草酸钠,于硫酸介质中加热分解矿样,直至所余残渣为白色(草酸锰),表明试样已分解完全,且二氧化锰全部转化为Mn^{2+}:

  再利用高锰酸钾标准溶液趁热返滴定剩余的草酸钠,即可求出软锰矿中二氧化锰的含量。

  利用钙离子在一定条件下能定量生成草酸盐的性质,可用高锰酸钾法间接滴定钙离子。

  高锰酸钾氧化某些有机物的反应在碱性溶液中比在酸性溶液中速率快,故常在碱性介质下采用高锰酸钾法测定有机物。以甲醇的测定为例,将一定量且过量的高锰酸钾的标准溶液加入待测的甲醇试液中,反应为:

  待反应完全后,将溶液酸化,锰酸根歧化为高锰酸根和二氧化锰。再加入一定量且过量的硫酸亚铁标准溶液,将所有的高价锰都还原为Mn^{2+},最后以高锰酸钾标准溶液滴定剩余的亚铁离子。根据各次标准溶液的加入量,以及各反应物之间的计量关系,即可求得试液中甲醇的含量。用此法还可测定甘油、甲酸、甲醛、酒石酸、柠檬酸、苯酚、水杨酸和葡萄糖等其他有机物的含量。

  重铬酸钾是一种常用的氧化剂,在酸性溶液中也有很强的氧化性,其半反应和标准电极电势为:

  (3)在1 M HCl 溶液中,重铬酸钾的标准电极电势小于氯气的标准电极电势。故在通常情况下重铬酸钾不与Cl-反应。特别是重铬酸钾与亚铁离子的反应不会诱导重铬酸钾与Cl-的反应,因此可在HCl溶液中用重铬酸钾滴定亚铁离子。

  (4)虽然重铬酸根溶液本身显橙色,但一方面此颜色不鲜明,作为指示剂的灵敏度较差;另一方面其还原产物Cr^{3+}常呈绿色,对橙色有掩盖作用,所以重铬酸钾不能作为自身指示剂指示终点,一般会用二苯胺磺酸钠为指示剂。

  重铬酸钾法最重要的应用是测定铁的含量。此外,通过重铬酸根与亚铁离子的反应,还可以测定其他氧化性或还原性的物质。例如,该反应可用于土壤中有机质的测定。即先用一定量且过量的重铬酸钾溶液将有机质氧化,然后再以Fe^{2+}标准溶液返滴剩余的重铬酸钾。

  重铬酸钾法是测定铁矿石中全铁含量的标准方法。一般都会采用浓盐酸加热溶解试样,再趁热用SnCl2溶液将Fe( III )全部还原为Fe(II)。然后加入HgCl2除去过量的SnCl2:

  最后在硫磷混酸介质中,以二苯胺磺酸钠为指示剂,以重铬酸钾标准溶液滴定Fe(II)。加入磷酸的目的,一是由于生成了Fe(HPO_{4})^{+},降低了铁电对的电势,使二苯胺磺酸钠的变色点电势落在滴定的突跃范围以内,减小了终点误差;二是生成无色的Fe(HPO_{4})^{+},消除了氯化亚铁的黄色,有利于终点的观察,来提升了测定的准确度。

  上述方法简便准确,曾在生产领域中大范围的应用。但该法在预还原中使用了含汞试剂,造成环境污染。为保护环境,现更提倡采用无汞测铁法,例如SnCl2 - TiCl4联合还原法。试样分解后,先用SnCl2 的将大部分Fe(II)还原,再以钨酸钠为预还原的指示剂,用TiCl4还原剩余的Fe(III),至蓝色的W( V )(俗称钨蓝)出现,即表明Fe(III)已被全部还原。滴加稀重铬酸钾至蓝色刚好褪去,以除去过量的TiCl2。其后的测定步骤与有汞法相同。

  化学需氧量又称化学耗氧量,简称COD(Chemical Oxygen Demand),是一个量度水体受污染程度的重要指标,是水质分析的一项重要内容。它是指一定体积的水体中能被强氧化剂氧化的还原性物质的量,但表示为氧化这些还原性物质所需消耗的O2的量(以mg\cdot L^{-1}计)。由于废水中的还原性物质大部分是有机物,因此常将COD作为水质是否受到有机物污染的依据。COD的测定一般会用高锰酸钾法或重铬酸钾法。高锰酸钾法适合于地表水、饮用水和生活垃圾污水等污染不十分严重的水体COD的测定;而重铬酸钾法则适合于工业废水COD的测定。后者的具体步骤是,在强酸介质的水样中,以硫酸银为催化剂,加入一定量且过量的重铬酸钾溶液,回流加热;待反应完全后,以邻二氮菲- Fe(II)为指示剂,用Fe(II)标准溶液返滴过量的重铬酸钾,根据所消耗的重铬酸钾量换算求得COD。

  许多能被重铬酸钾氧化的有机物在试样中的含量均可用重铬酸钾法测定。以工业甲醇中甲醇含量的测定为例,在硫酸介质中,以一定量且过量的重铬酸钾与甲醇反应:

  待反应完成后,以邻苯氨基甲酸为指示剂,用硫酸亚铁铵标准溶液返滴定剩余的重铬酸钾,并由此求得甲醇的含量。

  碘量法是以碘单质的氧化性和I-的还原性为基础的氧化还原滴定法,它们所依据的是同一个半反应:

  可见,碘单质是一种较弱的氧化剂,而I-是一种中等强度的还原剂。据此,碘量法分为直接碘量法和间接碘量法,可分别用于还原性物质和氧化性物质的测定。碘的电对的可逆性好,副反应少,其电势在很大的pH范围内(pH9)不受酸度和其他络合剂的影响。碘量法采用淀粉为指示剂,它的灵敏度甚高。由于这些优点,该方法应用十分广泛。

  碘量法的主要误差来源,一是碘单质易挥发,二是碘离子易被空气中的氧所氧化。

  (1)加入过量的KI使之与碘单质形成溶解度较大的I_{3}^{-}络离子。此外,过量的碘离子还可提高淀粉指示剂的灵敏度。

  (2)避免加热,使反应在室温下进行。另外温度上升也会使淀粉指示剂的灵敏度降低。

  (1)避光。最好在暗处进行反应,滴定时亦应避免阳光直射;I_{3}^{-}溶液应保存在棕色瓶中,因光照能催化碘离子的氧化。

  (2)酸度增高亦能加速碘离子的氧化,如果预处理的反应需在较高的酸度下进行,则在滴定前应稀释溶液以降低酸度。

  (3)在间接碘量法中,当析出碘单质的反应完成后,应立即用硫代硫酸钠溶液滴定,滴定速度也应适当加快。

  直接碘量法是用碘单质溶液作为滴定剂的方法,故又称碘滴定法。由于碘单质是种较弱的氧化剂,故只可用于滴定较强的还原剂,如硫离子、亚硫酸根、硫代硫酸根、Sn(II)和维生素C等。

  直接碘量法可以在弱酸性或中性条件下进行,但不能在碱性条件下使用,因为此时碘单质会发生歧化反应:

  同时,在强酸条件下淀粉指示剂也易水解和分解。由于能被碘单质氧化的物质不多,故直接碘量法的应用较为有限。

  通常使用的市售碘单质固体试剂纯度不高,无法作为基准物质,故碘单质的标准溶液需采用标定法进行配制。最常用的标定方法是采用Na2S203标准溶液,有关的反应和条件将在间接碘量法中进行讨论。

  I-是还原剂,但却不能用来直接滴定氧化性物质。这还在于有关的化学反应往往速率较慢,同时也缺少合适的指示剂。间接碘量法是将待测的氧化性物质与过量的I-发生反应,生成与该氧化性物质计量相当的碘单质,再用Na2S203标准溶液滴定所析出的碘单质,从而求出氧化性物质的含量。滴定反应为

  故间接碘量法又称滴定碘法。由于I-是一种中等强度的还原剂,所以本法可用于测定相当多的氧化性物质,还能够适用于许多有机物含量的测定。这里之所以不能用Na2S203直接滴定这些氧化性物质,还在于这些物质的氧化能力较强,可将部分硫代硫酸根氧化为硫酸根,反应无法按照确定的反应方程式进行。由于硫代硫酸钠在常用的还原剂中相对来说还是比较稳定,而它与I2的反应又能够严格按照上述反应式进行,因而间接碘量法的应用场景范围相当广泛。

  应注意的是,虽然在直接碘量法中淀粉指示剂可以在滴定开始时就加入,但在间接碘量法中淀粉却只能在临近终点,即I2的黄色已经接近褪去时加入。否则会有较多的I2与淀粉结合,而导致终点滞后。

  间接碘量法的滴定反应需在中性或弱酸性条件下进行。因为在碱性条件下碘单质会发生歧化反应,同时部分;硫代硫酸根将会被I2氧化成为硫代硫酸根,影响反应的计量关系:

  但由于硫代硫酸钠与I2的反应速率快于此反应,因此只要滴加硫代硫酸钠的速度不是太快,即使在较强的酸度下,仍可得到满意的结果。

  由于五水合硫代硫酸钠固体试剂常含有杂质,且易风化和潮解,因此硫代硫酸钠标准溶液需采用标定法配制。

  Na2S2O3 溶液不很稳定,根本原因是CO2、细菌和光照都能使Na2S2O3分解,溶液中的02也能将其氧化。故配制硫代硫酸钠溶液时,最好采用新煮沸并冷却的蒸馏水,以除去水中的CO2 和氧气,并杀死细菌。通常需加入少量Na2CO3使溶液呈弱碱性,以抑制细菌的生长和繁殖。Na2S2O3溶液应贮存于棕色瓶中。

  通常采用重铬酸钾作为基准物质,以淀粉为指示剂,用间接碘量法标定Na2S203溶液。因为重铬酸钾溶液与Na2S2O3的反应产物有多种,故不能用重铬酸钾直接滴定Na2S203。而应加入过量的KI与重铬酸钾反应,析出与重铬酸钾计量相当的碘单质后,再用硫代硫酸钠溶液滴定I2。反应方程式如下:

  本法基于二价铜离子与过量碘化钾的反应,来生成与铜离子化学剂量相当的碘单质:

  再用硫代硫酸钠标准溶液滴定生成的碘单质。这里的碘离子既是二价铜离子的还原剂和沉淀剂,又是碘单质的络合剂。由于碘化亚铜沉淀表面会吸附一些碘单质,使其无法被硫代硫酸钠滴定,造成结果偏低。为此,我们大家可以在临近终点时加入KSCN或硫氰化铵,使碘化亚铜转化为溶解度更低的硫氰化铜:

  利用钡离子在一定条件下与铬酸根生成铬酸钡沉淀的性质,可采用间接碘量法测定钡的含量。

  在HAc - NaAc缓冲溶液中,用过量铬酸钾将钡离子沉淀为铬酸钡沉淀。沉淀经过滤和洗涤后,用稀HCl溶液溶解,并使铬酸根转化为重铬酸根:

  以淀粉为指示剂,用Na2S203标准溶液滴定生成的I2,即可以间接求出Ba2+ 的含量。

  在葡萄糖的碱性溶液中加入一定量且过量的I2溶液,I2发生歧化反应生成次碘酸根,可以将葡萄糖的醛基定量氧化为羧基,反应为:

  测定溶液中硫离子或硫化氢的含量时,可调节溶液至弱酸性,以淀粉为指示剂,用碘标液直接滴定硫化氢:

  该滴定不能在碱性条件下进行,因为碘单质在碱中歧化,且有一部分的硫离子可以被氧化为硫酸根。

  测定钢铁中硫含量时,可将试样置于密封的管式炉中高温熔融,并通入空气,使其中的硫全部氧化为SO2。用水吸收导出的二氧化硫,生成硫酸溶液,再以淀粉为指示剂,用I2标准溶液滴定亚硫酸从而求得试样中硫的含量:

  新型节能材料高温超导体的最先突破是从新的钇钡铜氧材料的发现开始的。成分分析表明,其组成为YBa2Cu3O7,,而其存在的价态为(Y3+)( Ba2+)2(Cu2+)2(Cu3+)(O2-)7。 这里有三分之二的铜以Cu2+形式存在,而其余三分之一的铜则以极为罕见的Cu3+形式存在。在上述成分分析中,确定铜的价态曾经是最关键的一环,而这是通过间接碘量法解决的。具体作法可分为两步:

  该法简称费休法,由于其专一性强和准确性高,已被列为测定许多无机物和有机物中水含量的标准方法。

  为了使反应正向定量进行,常加入碱性物质吡啶,同时还需加人甲醇,以防止上述反应的生成物py-SO3与水作用。相应的反应为

  费休法测定水的标准溶液是I2、SO2、py和CH,OH的混合物,简称费休试剂,

  其中除I2应严格计量外,其他组分都是过量的且不必严格计量,但必须严控它们的含水量在极低的范围内以保证不影响测定。标定费休试剂时一般可采用纯水或含水的甲醇作为标准溶液,或采用稳定的含结晶水化合物作为基准物质。费休试剂由于I2的存在而呈棕色,与水反应后呈浅黄色。标定时,当其由浅黄色变为棕色时即为终点。为了尽最大可能避免误差,测定中所用器皿都必须干燥。

  费休法不仅可用于测定水的含量,而且还能够准确的通过某些反应中生成水或耗水的量,间接测定多种有机物,如醇、酸酐、羧酸、腈类、羰基化合物、伯胺、仲胺及过氧化物等。

  (1)固体试剂Ce(SO4)2●(NH4)2S04●2H20易提纯,因而可当作基准物质直接配制标准溶液。

  (2)Ce(SO4)2标准溶液很稳定,长时间放置后浓度不变,不必重新标定。

  (3)可在HCl介质中用Ce4+滴定Fe2+。 虽然Ce*+也能氧化Cl2 ,但反应司率较慢;且滴定时CeIV首先与Fe2+反应,达到化学计量点后才慢慢与Cl~反应。

  故Cl-的存在无影响。(4) Ce4+还原为Ce3+是单电子转移,反应简单,不生成中间产物,副反应少。

  KBrO3是一种强氧化剂,它在酸性溶液中的氧化还原半反应和标准电极中势为

  KBrO3,试剂易提纯,可当作基准物质直接配制标准溶液,其浓度可采用间接碘量法标定。即在酸性KBrO3溶液中加入过量KI,生成与KBrO3计量相当的I2:

  再以淀粉为指示剂,用Na2S2O3标准溶液滴定生成的I2。在酸性溶液中,可以用KBrO3, 标准溶液直接滴定一些还原性物质,如As(III)、Sb(II)和Sn( II )等。

  溴酸钾法大多数都用在测定有机物。Br2可以与许多有机物定量发生取代反应或加成反应。但Br2的水溶液很不稳定,因此不适合作标准溶液。为此可在KBrO3标准溶液中加人过量的KBr,组成KBrO3-KBr标准溶液。

  KBr03 - KBr溶液十分稳定,只在酸化时发生下述反应,生成与KBrO3;计量相当的Br2:

  以苯酚的测定为例,在试液中加入一定量且过量的KBrO3-KBr标准溶液,酸化后生成Br2,其中一部分与苯酚反应:

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