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本课件介绍络合滴定常用滴定剂EDTA的性质与离解平衡、EDTA与金属离子形成螯合物的特点,逐级给出酸效应、共存离子、络合效应与水解效应等副反应系数的计算,推导条件稳定常数、滴定曲线、终点误差与准确滴定判别式,并说明铬黑T、二甲酚橙等金属离子指示剂的适用酸度与提高选择性的掩蔽方法。
第3章络合滴定法:第3章络合滴定法1ComplexationTitrations
3.1 络合滴定中常用的滴定剂EDTA
EDTA的溶解度与性质:H4YNa2H2Y·2H2O30.02g/100g水(室温)11.1g/100g水(22℃)⑵在酸度较高的溶液中,两个羧基可再接受H+,形成H6Y2+,相当于六元酸。故在EDTA水溶液中,H6Y2+有6级解离平衡,7种存在形式
EDTA的离解常数与质子化常数:①H6Y2+的离解常数Ka和质子化常数KH61KaKH16a1KKH2415KaKH1H6Y2HH5YKaH5YHH4Y2Ka6HY3HY4Ka6KH←1KH←5KH←………………………………可以看出……1
②累积质子化常数:ßH的定义5ß1=K1HH212ßH=KH·KH……………………HHHHßn=K1·K2·……·Kn3、标准溶液的配制和标定配制:用Na2H2Y·2H2O标定:用基准物质CaCO3,ZnO,纯Zn等
EDTA与金属离子螯合物的特点
EDTA-M螯合物的立体结构:EDTA-M螯合物的立体结构:7
3、可形成酸式或碱式螯合物:MHYMY84、螯合物的颜色实例螯合物金属离子ZnY2-,CaY2-无色无色CuY2-颜色更深有色
3.2络合物的稳定常数:3.2.1EDTA与金属离子M形成螯合物MY的稳定常数当形成反应(略去电荷)达平衡时:[M][Y]9KMY[MY]MYMYKMY称为稳定常数,还可表示为K稳或lgK稳;常用的lgKMY值列在附录表9中
3.2.2 其它配位体L的逐级稳定常数:L与M形成逐级络合物MLn的稳定常数⑴逐级稳定常数[M][L][ML]K稳1[ML2]10K稳2[ML][L]MLMLMLLML21[ML]K稳[M][L]2[ML2]K稳[ML][L][ML2]K稳K稳[M][L]212即
逐级稳定常数推导:1LMLn[MLn]11n[MLn1][L]K稳n[MLn1][L][MLn]K稳同理可得[MLn]K稳K稳··K稳[M][L]n12n
逐级累积稳定常数:1K稳1⑵逐级累积稳定常数n2K稳1K稳2……………………nK稳1K稳2…K稳nK总稳最后一级累积稳定常数又称为总稳定常数
各级络合物平衡浓度的表示:各级络合物的平衡浓度可表示为13[ML]1[M][L][ML2]2[M][L]2M[MLn]n[M][L]n一些逐级络合物的lgn列在附录表8中
3.3 副反应系数和条件稳定常数:3.3副反应系数(sidereactioncoefficient)和条件稳定常数(conditionalstabilityconstant)14
3.3.1 主反应和副反应:3.3.1络合滴定中的主反应和副反应
3.3.2 副反应系数及计算:1、络合剂EDTA的副反应及副反应系数[Y][Y][HY]…[H6Y]YEDTA的酸效应与酸效应系数nH6YMYMYnHHYM[Y]16Y[Y]定义:
EDTA酸效应系数的定义式:[Y/][Y][HY]…[H6Y][Y][Y]式中[Yˊ]:表示EDTA未与M络合的其它存在形式(即不包括MY)的总浓度。式中[Y]:表示EDTA酸根Y的平衡浓度
酸效应系数计算式推导:计算式的推导[Y][Y]Y(H)由[Y/][Y][HY]…[H6Y][Y]186[Y][Y]HYHYKa[H][Y][HY]1[HY][H2Y]…[H6Y]
酸效应系数推导(续):由6[HY][H]6[HY][Y]KaKa[H][Y]因为Y1[HY][H2Y]…[H6Y][Y][Y][Y]所以式中的第2项可用代入,同理可将式中其它各项用H+和Ka代入,即得计算公式。19
酸效应系数的计算公式
Ka6Ka5…Ka12…Ka6Ka6Ka5[H]6][H]计算公式:Y(H)1[H或
酸效应系数的累积常数式:或21H[H]nnn[H]LHiii116H[H]6Y11H[H]2H[H]2…可表示为推广到任何n元酸HnLHH2L11[H]2[H]…
lgαY(H)与pH的关系:并且取其对数值使用较为方便。22因此,EDTA在不同pH值时的lgY可从附录表10中查到
共存离子效应系数:YMYMYnN[Y]YNY定义式:[Y][Y/][Y][NY][Y][Y]23推导计算式:Y[Y][NY]1[NY]
共存离子效应系数计算式:即[NY]KNY[N][Y][NY]KNY[N][Y]24Y1[NY]因为NYNY计算式:Y1KNY[N][Y]代入式得所以
EDTA总副反应系数:[Y][HY][H2Y]…[H6Y][NY][Y][Y][HY][H2Y]…[H6Y][Y][NY]1[Y]YY1EDTA的总副反应系数YY25[Y]Y定义式:[Y]得计算式:Y[Y][Y][Y]
2、金属离子的副反应及副反应系数:nMLnMYMYnLML络合效应系数M[M][M][ML][ML2]…[MLn][M]26M[M]定义式:
络合效应系数计算式:即[M]推导计算式:M(L)[M]1[M][L]2[M][L]2…n[M][L]n[M]27M(L)[M][ML][ML2]…[MLn](1)
络合效应系数计算式(续)
水解效应:(氢氧基络合效应)系数M29廿OHM廿MnMYMYnM1i[OH]iM的定义式和计算式的推导方法同络合效应系数。计算式:i1某些金属离子的lgM列于附录表
3)金属离子的总副反应系数:[M][ML]…[MLn][M]…[M金属离子的总副反应系数M[M]30[M]M定义式:MYMYMnOHMLnMnLnML
金属离子总副反应系数计算式:3112nM(n1)MMM…MMM1若多种络合剂L1,L2,L3,……Ln,都与M发生副反应,同理可得计算式为:
副反应系数的意义:[M]M[M][M][M]32或M综上所述:如存在副反应,则副反应系数>,副反应系数越大,副反应越严重。副反应系数,则表示未发生副反应
3.3.3 条件稳定常数
条件稳定常数表达式:[M/][Y/][MY]K/MY称为条件稳定常数或表观稳定常数[M/],[Y/]分别为未参加主反应的M和Y的总浓度,也称为表观浓度。34MYK/2.计算式的推导:[M/]M[M];[Y/]Y[Y]
条件稳定常数与稳定常数的关系:[MY]已知无任何副反应时KMY[M][Y][M/][Y/][MY]K/MY[MY]M[M]Y[Y][MY]1[M][Y]MYMY35MY1K
条件稳定常数计算式:计算式:(1)36MYMYK/1MYKMYMYlgK/lgMlgY(2)lgKMY3、K/YY(H)Y(N)1M(L)M(OH)1KMYKMYM式中或可知
副反应系数对条件稳定常数的影响:37MlglglgK/lgKMYMYlgMlgY根据lgK/lgKMYMYYMMYKMMYKM只有络合效应,Y只有酸效应,则当pH一定时,一定;若增大,则减小。若较小,则较大
只有Y有副反应时的条件稳定常数
pH对条件稳定常数的影响
3.4金属离子指示剂
金属离子指示剂的变色过程:YMYMIn(乙色)MMIn(乙色)滴定至SP时,发生变色反应:MInYMYIn乙色甲色如MY无色,则溶液从MIn的颜色变为In的颜色,到达滴定终点
金属离子指示剂应具备的条件:MIn与指示剂In的颜色应显著不同。显色反应灵敏迅速,有良好的变色可逆性。MIn应易溶于水,否则产生指示剂僵化现象。KMIn>104MIn的稳定性要适当。一般且KMY/KMIn>102。否则产生指示剂封闭现象
3.4.2金属离子指示剂的选择:1、金属离子指示剂的变色点根据[M][In/][MIn]K/MIn[In/]43MInpMlg[MIn]MInMIn若只考虑指示剂的酸效应,则可表示为lgK/
指示剂选择依据的推导:/pMMInInMInMInlglgK[In/]44lgK/MInpMlg[MIn](pMlg[M])当[MIn]=[In/]时,得指示剂的变色点pM:式中lgK/
变色点pMep与终点浓度:lgK/MIn一般将变色点时金属离子浓度作为滴定终点的金属离子浓度;因此pMeplgKMInlgKMInlgIn常用的两种指示剂的有关常数见附录表14。45
2、金属离子指示剂的选择:根据化学计量点的pMsp(pMsp)金属离子无副反应,选择pMep(lgKMIn)与pMsp尽量一致的指示剂。(pMsplg[M]sp)
金属离子有副反应时的指示剂选择:金属离子有副反应,选择(pMsplg[M]sp)eppM/sppM/与尽量一致的指示剂
pM′ep的计算:eppM/[M]ep48[M/]epM[M/]epM[M]eplgpM/pMepepM根据副反应系数的定义即pMeplgKMIn(可查表)式中
3.4.3几种常用指示剂的适用酸度范围:3.4.3几种常用指示剂的适用酸度范围
铬黑T的离解与适用酸度:6.3H+H2InHIn211.6pKa2红色蓝色In3橙色一般M2+—EBT:红色或紫红色故理论上使用EBT:6.3<pH<11.6而实际上使用EBT:pH9.0~10.5
2、二甲酚橙:2、二甲酚橙(XylenolOrange,简称XO)51
二甲酚橙的离解与适用酸度:546H2In…InHIn…H3InH+←黄pKa46.3红紫色→一般Mn+—XO:红色因此常在pH<6.3的酸性溶液中使用XO
3、PAN指示剂:3、PAN1-(2-吡啶偶氮)-2-萘酚
PAN的适用酸度范围:表现为二级酸式离解。54由离解平衡pH1.9~12.2时PAN:黄色M-PAN:红色因此,PAN适用范围为pH1.9~12.0
络合滴定曲线与滴定常数:1.络合滴定曲线:描述滴定过程中金属离子浓度变化规律的曲线。1、络合滴定反应和滴定常数55滴定反应:MYMY
滴定常数Kt:KMY[MY][M/][Y/]Kt[M][Y]KMY56[MY]MYMY滴定常数:当有副反应时Kt
2、滴定曲线的绘制:/57MMYMMY1aC1)[M/]C0a1a11[M/]2(KK/KMY[M]2(a1KMYCM1)[M]1CM0a11a若有副反应,则滴定曲线方程式中a为滴定分数
滴定曲线的绘制(续):’MY),CM和a值,解滴定曲线方程,可求得在0≤a≤2范围的[M]([M’])。然后以pM或pM’为纵坐标,以对应的a值为横坐标,即可绘制滴定曲线。58
EDTA滴定Zn2+的滴定曲线:以EDTA滴定同浓度的金属离子Zn2+的络合滴定曲线。59
化学计量点pMsp的计算:pMsp和pM’sp的计算60金属离子无副反应,Y有副反应pMsp计算公式的推导:以EDTA滴定→金属离子M为例初始体积VM初始浓度cYcM设SP时滴入EDTA体积VY
pMsp计算式推导:YMY[MY]KMYsp化学计量点时[M]sp[Y]sp因为M与Y的络合比为1﹕1,[M]sp[Y]sp所以
pMsp计算式推导(续):[M][MY]spK因为cMcYVMVY62[MY]spcMVM式中所以VYVM
pMsp计算式推导(续):即spMcspMYMYVcMVM[MY]spVcMVMcM2VM2根据物料平衡263McspcM所以
pMsp计算式:(3)式变化为MMYK/csp[M]sppMsplg[M]sp得计算式2([M]sp)[MY]spKMY264M([M]sp)csp
pMsp的另一计算形式:Y[M]sp265M可两边取对数得另一形式的计算式pMsp1(lgKMYpcsp)式中lgKMYlgKMYlgYpcsplgcspMM
M与Y均有副反应时的pM′sp:MMYK/的计算式(推导c方sp法同前述)[M]sp)6621spMMYsp(lgKpc金属离子M有副反应,Y也有副反应:pMsp或pM上两式中lgKMYlgKMYlgMlgY
pMsp与pM′sp计算的意义:它们是选择指示剂和计算终点误差的主要依据。计算示例请参见P109例11。67计算化学计量点的pMsp和pMsp
4、影响滴定突跃范围大小的因素:MY当CM一定68时,K/大,滴定突跃范围大
浓度对滴定突跃的影响:MY当K/69一定时,CM大,滴定突跃范围大
3.5.2终点误差:1、定义式:根据Lewis酸碱理论络合滴定中:M70cep[Y/]ep[M/]epEt100%MYMYM:为Lewis酸,Y:为Lewis碱故络合滴定可视为一元酸碱滴定。定义式
补充资料:路易斯酸碱概念:(又称酸碱电子论)1、能接受电子对而成键的物质(离子、分子、原子)称为Lewis酸;能给予电子对而成键的物质称为Lewis碱。71
硬酸与软酸:2、Lewis酸若具有体积小、正电荷多、不易极化、不易失去电子、容易形成离子性较强的键的物质,称为“硬酸”。反之,则称为“软酸”。在二者之间称为“中间酸”。72
硬碱与软碱:3、Lewis碱若具有电负性大、不易极化、不易失去电子、且其低能量轨道已饱和、容易形成离子性较强的键的物质,称为“硬碱”。反之,则称为“软碱”。在二者之间者称为“中间碱”。73
4、软硬酸碱之间相互反应规律:“相似相亲”。1硬酸容易与硬碱,软酸容易与软碱生成稳定络合物。2中间酸与中间碱、软碱、硬碱都能生成络合物,余此类推。74
林邦误差计算公式:MMY2、林邦误差计算公式:M有副反应10pM'10pM'cspK/Et100%sppM/pM/eppM/275M若cYcM则式中cspcM式中
林邦误差公式(续):M无副反应10pM10pMcspK/Et式中若cYcM276M则式中cspcM
终点误差的影响因素:由spMcMYpM(pM)100%77MMY10pM'10pM'cspK/Et可知K越大,t越大,则E越小。越小,Et越小。终点误差计算示例请参见P110例12和P111例
3.5.3 准确滴定判别式:MMYcsp)6lg(K/pMpMeppMsp0.2100%780.1%准确度Et0.1%代入林邦误差公式100.2100.2MMYcspK'得判别式
准确滴定判别式示例:0.020molL-1lgK/8MYMMYcsp)6lg若则式中2279cspcM0.0200.010molL1M由式得另一判别式为
准确滴定判别式(Et≤0.3%):Mlg(KMYcsp)5准确度Et0.3%若pMpMeppMsp0.20.3%100%80代入林邦误差公式100.2100.2MMYcspK'得判别式为
3.5.4 络合滴定的分别滴定判别式:M,N两种金属离子,且KMY>KNY,在化学计量点cs的p分和析c浓sp度.分别为MN81若pMpMeppMsp0.2
分别滴定判别式:Mlg(KMYcsp)lg(KNYcsp)5Et0.3%82Nlg(Kc)5可表示为准确度
3.6 单一离子络合滴定的适宜酸度范围:M离子的‘最高酸度’和‘水解酸度’之间的酸度范围内,若有合适的指示终点的方法,进行准确滴定。则此酸度范围称为络合滴定的“适宜酸度范围”。83
3.6.1 最高酸度(最低pH)的计算:pH值)的计算84滴定反应lgMY可得lgYlgKMYlgK'MYMY设M无副反应,酸度较大,Y只有酸效应因此lgK/lgKMYMYYMYKMY可查表,K'可计算
由lgαY(H)查最高酸度
由林邦公式求最高酸度
部分金属离子滴定时的最低允许pH:DTA的酸效应曲线上查到。见P98图3-587
3.6.2水解酸度:用氢氧化物的溶度积粗略计算。例如,计算Fe3+的水解酸度:388Fe]333[Fe]cKspKsp因为[Fe3+][OH-]3=Ksp所以[OH(初始浓度)pOHpH(水解酸度)
3.6.2 水解酸度(续)
89
3.7提高络合滴定选择性的途径:N90NYKc3.7提高络合滴定选择性的途径:当溶液中存在M、N两种金属离子,而且lg5的值。可利用掩蔽剂。原因:加入掩蔽剂掩蔽N,可降低sp使lg(KMYcsp)lg(KNYcsp)5MN
3.7提高络合滴定选择性的途径(续):1、络合掩蔽法:掩蔽剂(络合剂)与干扰离子NN91形成稳定的络合物,降低csp值,而消除N的干扰的方法。无机试剂常用络合掩蔽剂有机试剂
常用络合掩蔽剂(无机):如KCN(剧毒),严禁在pH<6.0时使用碘化物:如KI等氟化物:如NH4F,NaF等
键合原子:“OO”:如酒石酸,柠檬酸,乙酰丙酮键合原子“NO”:如三乙醇胺,氨羧络合剂键合原子“NN”:如邻二氮菲键合原子“SS”“SN”“SO”:如二巯基丙醇,硫脲等。有机试剂
络合掩蔽法示例:测定某溶液中Zn2+, Al3+,Ti各组分含量。已知Microsoft公式3.094lgKMYlgKZnY16.5;lgKTiY17.3;lgKAlY16.3所以,单一离子都可准确滴定。但是任两种离子的lg5所以用EDTA滴定时,将互相干扰。解:因为三种离子的都较大
采用络合掩蔽法:Ti对指示剂XO有封闭;取三份等量的试液,分别作如下测定。Y(已知量过量)pH3.51VZnYAlYTiYY(剩)95pH5~62Zn标液滴定Y(剩)nnncYV1cZnV2V2(返滴定法)指示剂XO
络合掩蔽法示例(二):BitterAlmondAcidC6H5CHOHCOOHZn2+Al3+Ti-BAA已知量过量)YpH3.5(V3ZnYAlYY(剩)Ti-BAA滴定Y(剩)pH5~6Zn2标液4V指示剂XOnncYV3cZnV4苦杏仁酸(掩蔽剂)
络合掩蔽法示例(三):NHFZn2+AlF3-6TiF4pH5~6Y(滴定Zn2)指示剂XOV5ZnY97AiF3-6TiF4ncYV54掩蔽剂
络合掩蔽法示例的计算
因为n(Zn)n(Al)n(Ti)cYV1cZnV2(1)n(Zn)n(Al)cYV3cZnV4(2)n(Zn)cYV5(3)所以n(Ti)(1)(2)n(Al)(2)(3)98
2、沉淀掩蔽法:掩蔽剂(沉淀剂)与干扰离子N形成沉淀,降低csp值,而消除干扰的方N法。沉淀掩蔽法示例请参见P125表3—3。沉淀掩蔽法不是理想的掩蔽法,故使用不太多
3、氧化还原掩蔽法:但lg51003、氧化还原掩蔽法:掩蔽剂(氧化或还原剂)与干扰离子N发生氧化还原反应,改变干扰离子N的价态,降低KNY值,而消除干扰的方法。例:分别测定试液中Fe3+和Zr4+的含量。解:lgKZrY29.5;lgKFeY25.1单一离子可准确滴定所以不能分别滴
氧化还原掩蔽法示例:Zr4+101采用氧化还原掩蔽法可使lg5Zr4+(还原剂)NH2OHHClY滴Zr4ZrYFe2+3(氧化剂)HNO(浓)ZrYFe3+3Y滴Fe磺基水杨酸
3.8 络合滴定方式及应用:1021、直接滴定法:采用直接滴定法,必须符合下列条件:MMYlg(K/Csp)6or5络合速度很快;3应有变色敏锐且无封闭现象的指示剂;4在滴定条件下,被测离子不发生水解和沉淀反应
2、置换滴定法:M的lgKMY较小,不能准确滴定时,可加入另一种络合物NL:MNLMLN103(lgKNY8)EDTA标准溶液滴定从而间接求出M离子的含量
置换滴定法测定Ag+:=7.32,Ag+不能准确滴。故将Ni4加入2-到Ag+溶液中。104422AgNi22AgNi2EDTA标准溶液滴定Ni2+(紫脲酸铵指示剂)lgKNiY=18.62即可求得Ag+的含量。
置换滴定法应用示例(续):已知Ca2+与PAN不显色,但加入少量CuY就可使PAN作滴定Ca2+的指示剂。2+105Ca+PAN(黄色)pH10~12CuYCa2++CaY+Cu-PAN溶液红色滴定前CaYCu-PAN溶液红色(夺取CuPAN中Cu2)YCaYCuY(蓝)PAN(黄)溶液浅绿sp前Y(滴定Ca2)(少量)(SP时)到达ep
置换出EDTA的滴定方式:络合剂L,可生成更稳定的ML,而将Y106置换出来。MYLMLY金属离子标准溶液滴定Y可间接求得M的含量。利用该法可测定合金中各金属含量
例:测定铅锡合金中Pb、Sn:试液Sn4+Pb2+Y(剩)SnYPbYSnYPbYPbYSnF4Y(置)4XONHF+滴定Y(剩)+Y107(过量)V1Pb2标液V2滴定Y(置)Pb2标液3VncPbV3nncYV1cPbV
3、间接滴定法:EDTA络合的金属离子或非金属离子,如Na+与SO4含量的测定。2-4108SO2-BaSO4↓Ba2+(剩)↓(过滤)滤液Ba2+(剩)BaCl2(标液)V(已知量过量)EDTA标液滴n(SO2)cVcV4BaYY
第3章要点:2、了解金属离子指示剂的变色点pMep。3、化学计量点pMsp和pMsp的计算及终点误差的计算。4、单一离子M准确滴定的判别。5、混合离子M,N分别准确滴定的判别。6、运用掩蔽剂和滴定方式设计实验方案
第3章作业:P132习题No.10P133P134P135No.14(参见例13)No.17[Ti改为Ti]No.19No.20(答案改为4.9%, 6.4%)
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