МОДУЛЬ № 2
КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ
окислительно-восстановительное титрование.
нитритометрическое И Цериметрическое ТИТРОВАНИЕ
Лекция № 10
1. Цель: Дать сущность методов нитрито - и цериметрического титрования, охарактеризовать титранты и их применение в фармацевтическом анализе.
Методы, используемые на лекции:
1. По дидактическому назначению: лекция вводная, тематическая, объяснительная.
2. По роли в образовательном процессе: лекция вводная, установочная, обзорная, обобщающая.
3. По содержанию и системе построения: лекция информационная (традиционная).
4. По назначению лекция направлена на приобретение студентами знаний, на развитие творческой деятельности, а также на закрепление учебного материала. По типу познавательной деятельности на лекции применяются репродуктивные и проблемные методы изложения материала, используются наглядные методы обучения в виде презентации по данному разделу
Средства обучения
1. Дидактические: презентация.
2. Материально технические: мел, доска, мультимедийный проектор, экран.
Хронокарта лекции:
1. Организационный момент 3 мин (название темы и плана лекции).
2. Традиционное прочитывание лекции 40 мин - I час лекции.
3. Перерыв 5мин.
4. Второй час лекции 40 мин.
5. Заключительная часть лекции - выборочная проверка студентов на лекции 21ф, 22ф группы 5 мин.
План лекции
1. Нитритометрическое титрование.
1.1. Сущность метода.
1.2. Титрант метода, его приготовление и стандартизация.
1.3. Индикаторы метода (внешние, внутренние).
1.4. Применение нитритометрии.
2. Цериметрическое титрование. Сущность метода.
2.1. Титрант метода, его приготовление и стандартизация.
2.2. Применение цериметрии.
ТЕКСТ ЛЕКЦИи
1. Нитритометрическое титрование.
Нитритометрия, или нитритометрическое титрование, ‒ метод количественного определения веществ с использованием титранта ‒ раствора нитрита натрия NaNО2. Метод ‒ фармакопейный, широко применяется в анализе различных веществ, в том числе многих фармацевтических препаратов.
1.1. Сущность метода. Метод основан на использовании полуреакции, протекающей в кислой среде:
NO2- + ẽ + 2Н+ = NO + H2O
Стандартный ОВ потенциал редокс-пары NО2|NО при комнатной температуре равен 0,98 В. Реальный ОВ потенциал этой редокс-пары увеличивается с ростом концентрации ионов водорода
Е = 0,98 + lg([NO2-]·[H+]2/[NO])
поэтому с повышением кислотности среды окислительные свойства нитрит-иона возрастают. Нитритометрическое титрование ведут в кислой среде.
Поскольку в указанной ОВ полуреакции участвует один электрон, то фактор эквивалентности нитрита натрия равен единице; молярная масса эквивалента равна молярной массе; молярная концентрация эквивалента равна молярной концентрации нитрита натрия.
1.2. Титрант метода, его приготовление и стандартизация. В качестве титранта используют обычно водный раствор нитрита натрия NaNО2, чаще всего ‒ с молярной концентрацией 0,5 или 0,1 моль/л. Раствор вначале готовят с приблизительно требуемой концентрацией, а затем стандартизуют ‒ в большинстве случаев по стандартному раствору сульфаниловой кислоты NH2C6H4SО3H или перманганата калия.
Иногда для стандартизации растворов нитрита натрия применяют п - аминобензойную кислоту, п-аминоэтилбензоат, гидразин-сульфат, сульфаниловую кислоту.
Для приготовления 0,1 моль/л раствора титранта растворяют 7,3 г нитрита натрия в воде в мерной колбе на 1 л и доводят водой объем раствора до метки. Затем раствор стандартизуют или по сульфаниловой кислоте, или по стрептоциду, или по перманганату калия.
Стандартизация по сульфаниловой кислоте. Стандартный раствор сульфаниловой кислоты готовят, растворяя точную навеску ее в воде в присутствии гидрокарбоната натрия NаНСО3, с тем чтобы образовалась водорастворимая смесь.
Для приготовления раствора 0,2 г (точная навеска) сульфаниловой кислоты, которую предварительно дважды перекристаллизовывают из воды и высушивают при 120 °С до постоянной массы, смешивают с 0,1 г NaHCO3, 10 мл воды и затем прибавляют к смеси еще 60 мл воды, 10 мл разбавленной HCl, 1 г КВr (для ускорения реакции) и титруют стандартизуемым раствором нитрита натрия.
Реакция сульфаниловой кислоты с нитритом натрия в соляно-кислой среде с образованием соли диазония протекает медленно, поэтому раствор нитрита натрия прибавляют при интенсивном перемешивании в начале титрования со скоростью ~ 2 мл в минуту, а в конце титрования (когда остается прибавить ~ 0,5 мл раствора) ‒ со скоростью 0,05 мл в минуту.
Конец титрования определяют либо потенциометрически, либо визуально индикаторным методом в присутствии индикатора ‒ смеси тро - пеолина 00 с метиленовым синим или нейтрального красного.
Стандартизованный раствор нитрита натрия хранят в темном месте в сосудах из темного стекла с притертыми пробками.
Аналогично готовят, стандартизуют и хранят 0,05 моль/л раствор нитрита натрия.
Стандартизация по перманганату калия. Проводится методом обратного перманганатометрического титрования с иодометрическим окончанием.
К точно известному объему стандартного раствора перманганата калия, взятого в избытке по сравнению со стехиометрическим количеством, прибавляют серную кислоту, раствор нагревают до ‒ 40°С для ускорения протекания реакции, после этого добавляют точно измеренный объем стандартизуемого раствора нитрита натрия и оставляют смесь на 15‒20 минут. При этом протекает реакция
5NO2- + 2MnO4- + 6Н+ = 5NO3- + 2Мn2+ + 3Н2O
Затем к раствору добавляют избыток 10%-ного раствора иодида калия, накрывают колбу стеклом и оставляют смесь на ‒ 5 минут в темном месте. Иодид калия взаимодействует с непрореагировавшим остатком перманганата калия с образованием иода:
2МnО4- + 10I- + 16H+ = 2Мn2+ + 5I2 + 8Н2O
Образовавшуюся смесь разбавляют небольшим количеством воды и оттитровывают выделившийся иод стандартным 0,05 моль/л раствором тиосульфата натрия до слабо-желтой окраски раствора (цвет остаточного недотитрованного иода), после чего прибавляют небольшое количество 1-2%-ного раствора крахмала ‒ раствор окрашивается в синий цвет. Продолжают титрование до резкого перехода окраски раствора из синей в бесцветную.
Расчет результатов титрования проводят обычным способом, исходя из закона эквивалентов:
n(1/5 КМnO4) = n(1/2 NaNO2) + n(1/2 I2),
n(1/2 I2) = n(Na2S2O3),
n(1/2 NaNO2) = n(1/5 КМnO4) ‒ n(Na2S2O3),
c(1/2 NaNO2)·V(NaNO2) = c(1/5 КМnO4)·V(KMnO4) ‒ c(Na2S2O3)·V(Na2S2O3), c(1/2 NaNO2) = [c(1/5 КМnO4)·V(KMnO4) ‒ c(Na2S2O3)V(Na2S2O3)]/V(NaNO2).
Нитрит-ион неустойчив в кислой среде и разлагается с образованием газообразных оксидов азота:
NO2- + H+ = HNO2
2 HNO2 = NO + NO2 + Н2O
Поэтому при проведении нитритометрического титрования раствор нитрита натрия прибавляют к кислому титруемому раствору; сам же раствор нитрита натрия перед титрованием не подкисляют.
Водные растворы нитрита натрия умеренной концентрации относительно устойчивы. В сильно разбавленных растворах происходит окисление нитрит-иона до нитрат-иона.
Определение конца титрования.Окончание титрования в нитритометрии чаще всего фиксируют электрометрически, проводя потенциометрическое титрование.
1.3. Индикаторы метода (внешние, внутренние). При визуальной индикаторной фиксации КТТ в нитритометрии применяют две группы индикаторов: внутренние и внешние.
В качестве внутренних используют редокс-индикаторы, такие, как тропеолин 00 (в КТТ окраска из красной переходит в желтую), его смесь с метиленовым синим (окраска из малиновой переходит в синюю), нейтральный красный (окраска из красно-фиолетовой переходит в синюю), а также сафранин Ж, метаниловый желтый, кислотный синий 2К.
В качестве внешних индикаторов обычно применяют иодидкрахмальную бумагу, которая представляет собой фильтровальную бумагу, пропитанную раствором крахмала и иодида калия и затем высушенную.
Контроль за ходом титрования ведут, периодически отбирая каплю титруемого раствора и нанося его на иодидкрахмальную бумагу. До достижения ТЭ в титруемом растворе нет окислителя — нитрит-ионов, поэтому при нанесении капли такого раствора на иодидкрахмальную бумагу иодид-ионы не окисляются, иод не образуется и бумага не синеет. После достижения ТЭ прибавление уже одной капли избыточного титранта приводит к появлению в растворе нитрит-ионов, поэтому при нанесении капли такого раствора на иодидкрахмальную бумагу иодид-ионы окисляются нитрит-ионами до иода:
2I- + 2NO2- + 4Н+ = I2 + 2NO + 2H2O
Образующийся иод в присутствии крахмала окрашивает бумагу в синий цвет. Титрование прекращают тогда, когда капля титруемого раствора, отобранная через примерно одну минуту после прибавления титранта к титруемому раствору, сразу же окрашивает бумагу в синий цвет.
Параллельно проводят контрольный опыт для определения избыточного расхода титранта.
1.4. Применение нитритометрии. Нитритометрическое титрование применяется для определения как неорганических веществ ‒ олова(II), мышьяка (III), железа (II), гидразина и его производных, так и ‒ особенно ‒ в количественном анализе органических соединений, содержащих первичную или вторичную ароматическую аминогруппу, ароматических нитропроизводных (после предварительного восстановления нитрогруппы до аминогруппы), гидразидов, включая определение таких широко используемых фармацевтических препаратов, как анестезин, дикаин, левомицетин, наганин, новокаин, новокаинамид, норсульфазол, парацетамол, стрептоцид, сульгин, сульфадимезин, сульфацил-натрий, уротропин, этазол и др.
Так, нитритометрическое определение железа (II) основано на реакции
Fe2+ + NO2- + 2Н+ = Fe3+ + NO + Н2O
Титрование ведут в присутствии комплексона ЭДТА, который связывает образующееся железо (III) в устойчивый комплексонат, смещая равновесие вправо и тем самым увеличивая полноту протекания реакции.
Чаще всего методом нитритометрического титрования определяют ароматические аминосоединения, которые при взаимодействии с нитритом натрия в соляно-кислой или серно-кислой среде в присутствии бромид-ионов (ускоряют реакцию) образуют соли диазония:
R—NH2 + NO2- + 2Н+ = [R—N=N]+ + 2Н2О
где R ‒ ароматический радикал.
Окончание титрования часто фиксируют потенциометрическим методом; однако можно использовать и визуальную индикаторную фиксацию КТТ в присутствии как внешнего индикатора (иодидкрахмальная бумага), так и внутренних индикаторов.
Типичная методика определения заключается в следующем. Образец анализируемого препарата массой около 0,001 моль (точная навеска) растворяют в смеси 10 мл воды и 10 мл разбавленной хлороводородной кислоты. Раствор доводят водой до объема 80 мл, прибавляют 1 г кристаллического бромида калия, смесь перемешивают и титруют стандартным
0,1 моль/л раствором нитрита натрия при непрерывном перемешивании титруемого раствора. Как и при стандартизации самого титранта (см. выше), раствор нитрита натрия в начале титрования прибавляют со скоростью 2 мл в минуту, а в конце титрования (когда до достижения ТЭ остается прибавить около 0,5 мл титранта) ‒ со скоростью 0,05 мл в минуту.
Температуру титруемого раствора поддерживают около 15‒20 °С; иногда раствор охлаждают до 0‒5 °С, чтобы избежать разложение солей диазония, при котором образуются продукты, реагирующие с HNО2.
Окончание титрования можно определять, как указывалось выше, также и потенциометрически.
При нитритометрическом определении ароматических нитросоединений нитрогруппу восстанавливают до аминогруппы, например, металлическим цинком (цинковой пылью) в кислой среде, после чего титруют стандартным раствором нитрита натрия.
Так определяют левомицетин
O2N—С6Н4—СН(ОН)—CH(NHCOCHCl2)—СН2ОН
после предварительного гидрирования нитрогруппы в молекуле до аминогруппы
Количественное определение левомицетина по ФС выполняют нитритометрическим методом, фиксируя конец титрования по иодидкрахмальной бумаге.
Вторичные ароматические амины RNHR' при реакции с нитритом натрия в соляно-кислой среде образуют нитрозоамины по схеме
RNHR' + NaNO2 + HCl = RN(NO)R' + NaCl + H2O
Например, тетракаин, как и другие вторичные амины, образует N-нитрозосоединение:
Для ускорения реакции в раствор прибавляют бромид калия, а окончание титрования фиксируют по иодидкрахмальной бумаге. Так определяют, например, дифениламин HN(C6H5)2.
2. Цериметрическое титрование. Сущность метода.
Цериметрия, или цериметрическое титрование, — метод анализа, основанный на титровании определяемого вещества раствором сульфата церия (IV). Метод — фармакопейный.
Сущность метода. В основе метода лежит полуреакция
Се4+ + ẽ = Се3+
Церий (IV) — сильный окислитель, по эффективности близкий к такому окислителю, как перманганат калия. В растворах церий (IV) присутствует в форме комплексных соединений. Обычно в качестве окислителя используют кислые растворы церия (IV), причем ОВ потенциал редокс-пары Се4+|Се3+ сильно зависит от природы используемой кислоты, анионы которой образуют комплексы с церием (IV). Значения стандартного ОВ потенциала Е° этой редокс-пары при комнатной температуре для растворов церия (IV) в различных кислотах с молярной концентрацией эквивалента 1 моль/л равны:
E°, В | раствор кислоты |
1,7 | HClO4 |
1,61 | HNO3 |
1,44 | H2SO4 |
1,28 | HCl |
Цериметрическое титрование проводят в кислой среде.
В вышеприведенной ОВ полуреакции участвует один электрон, поэтому фактор эквивалентности церия (IV) равен единице.
2.1. Титрант метода, его приготовление и стандартизация.
Титрант метода. В качестве титранта метода применяют обычно сернокислые растворы сульфата церия (IV) Ce(SO4)2, чаще всего с молярной концентрацией 0,01 или 0,1 моль/л.
В кислых растворах церия (IV) присутствуют различные комплексы, состав которых точно не известен.
Сернокислые растворы сульфата церия (IV) при pH < 1 устойчивы даже при нагревании до 100 °С и способны длительное время сохранять свой титр. В менее кислых растворах церий (IV) реагирует с водой с образованием малорастворимых основных солей. Солянокислые и азотно-кислые растворы церия (IV) менее стабильны; они разлагают воду. При хранении их титр по церию (IV) постепенно уменьшается (на 0,3‒1% в месяц в обычных условиях).
Растворы титранта обычно вначале готовят с приблизительной концентрацией, а затем стандартизуют.
Для приготовления растворов, содержащих церий (IV), можно использовать такие соединения, как Ce(SО4)2·4Н2O, (NH4)4[Ce(SO4)4]∙2Н2O, Се(ОН)4. Обычно растворы титранта готовят с использованием тетрагидрата сульфата церия (IV) или дигидрата тетрасульфатоцериата (IV) аммония.
Для приготовления сернокислого 0,1 моль/л раствора сульфата церия поступают следующим образом по одному из двух способов.
По первому способу смешивают 500 мл воды и 28 мл концентрированной серной кислоты, к полученному раствору прибавляют 40,4 г тетрагидрата сульфата церия Ce(SO4)2 ∙ 4Н2O. Раствор охлаждают и доводят его объем водой до 1000 мл.
По второму способу растворяют 65 г (NH4)4[Ce(SO4)4] ∙ 2Н2О в моль/л (молярная концентрация эквивалента) серной кислоте и доводят объем раствора водой до 1000 мл.
Значение pH полученного сернокислого раствора церия (IV) должно быть pH 1, что регулируется количеством прибавленной серной кислоты.
Стандартизацию сернокислого раствора церия (IV) проводят иодо - метрически. Для этого к 25 мл раствора, полученного, как описано выше, прибавляют 20 мл разбавленной серной кислоты, 20 мл воды и 10 мл 10%-ного раствора иодида калия. При этом протекает реакция
Се4+ + I - = Се3+ + 0,5I2
Образовавшийся иод оттитровывают стандартным 0,1 моль/л раствором тиосульфата натрия в присутствии индикатора — крахмала.
Для получения 0,01 моль/л раствора титранта в мерную колбу на 500 мл вносят 50 мл 0,1 моль/л сернокислого раствора церия (IV), приготовленного, как описано выше, прибавляют 250 мл раствора серной кислоты (1 моль/л) и доводят водой до метки. Полученный раствор стандартизуют иодометрически. Для этого к 25 мл стандартизуемого сернокислого раствора церия (IV) прибавляют 2 мл разбавленной серной кислоты и 10 мл раствора иодида калия. Выделившийся иод титруют стандартным 0,1 моль/л раствором тиосульфата натрия в присутствии крахмала в качестве индикатора.
Сернокислые растворы церия (IV) можно стандартизовать также по оксалату натрия или по оксиду мышьяка (III). Соответствующие реакции идут медленно; для их ускорения в растворы вводят катализаторы — тетроксид осмия OsO4, монохлорид иода IC1.
Стандартизация по оксалату натрия основана на реакции
2Се4+ + С2O42- = 2Се3+ + 2СО2
Титрование проводят при 70 °С в присутствии индикатора.
Индикаторы метода. Кислые растворы церия (IV) окрашены в желто-оранжевый цвет, тогда как растворы церия (III) — бесцветны. Однако интенсивность окраски растворов церия (IV) невелика и обычно недостаточна для визуальной фиксации КТТ по изменению окраски раствора. Поэтому цериметрическое титрование проводят в присутствии редокс - индикаторов ‒ таких, как ферроин, орто-фенантролин, дифениламин, 2,2'-дипиридил и др.
Окончание титрования определяют также потенциометрически
2.2. Применение цериметрии.
Методом цериметрического титрования можно определять многие вещества-восстановители: ртуть (I), олово (II), мышьяк (III), сурьму (III), железо (II), иодиды, нитриты, тиосульфаты, пероксид водорода, щавелевую кислоту и оксалаты, аскорбиновую кислоту, амины, аминокислоты, фенолы, углеводы, такие фармацевтические препараты, как аминазин, токоферола ацетат (витамин Е), викасол, этамзилат (2,5-дигидроксибензолсульфонат диэтиламмония) и др.
Так, при цериметрическом определении железа (II) в сульфате или в глюконате железа (II) навеску препарата растворяют в смеси разбавленной серной и фосфорной кислот (фосфорная кислота связывает образующееся железо (III) и титруют стандартным раствором сульфата церия (IV) в присутствии индикатора ортофенантролина или ферроина:
Се4+ + е → Се3+
2FeSO4 + 2Ce(SO4)2 → Fe2(SO4)3 + Ce2(SO4)3
Цериметрическое определение аскорбиновой кислоты основано на процессе её окисления (в среде серной кислоты) 0,1 моль/л раствором сульфата церия (IV), который восстанавливается до иона церия (III). Оно имеет интенсивно-красное окрашивание. В эквивалентной точке избыток сульфата церия (IV) окисляет ион железа до трёхзарядного и происходит образование комплексного соединения голубого цвета:
При цериметрическом определении формальдегида к аликвоте добавляют избыток титрованного раствора сульфата церия (IV). Окисление формальдегида происходит по схеме:
НСОН + 2Ce(SO4)2 + H2O НСООН + Ce2(SO4)3 + Н2SO4
Избыток сульфата церия (IV) оттитровывают раствором соли Мора:
2(NH4)2SO4∙FeSO4∙6H2O + 2Ce(SO4)2 → 2(NH4)2SO4 + Fe2(SO4)3 + Ce2(SO4)3 + 6H2O
Количественное определение менадиона натрия бисульфита основано на восстановлении цинковой пылью извлечённого хлороформом из навески 2-метил-1,4-диоксонафталина (в присутствии хлороводородной кислоты):
Полученный 2-метил-1,4-дигидроксинафталин затем титруют 0,1 моль/л раствором сульфата церия (IV) в присутствии индикатора о-фенантролина. Сульфат церия (IV) окисляет 2-метил-1,4-дигидроксинафталин в кислой среде до 2-метил-1,4-диоксонафталина:
В точке эквивалентности о-фенантролин, растворённый в 1,48%-ном растворе сульфата железа (II), меняет окраску:
Титруют до зелёного окрашивания, которое появляется вследствие сочетания синего цвета комплекса с желтым раствором титранта.
Цериметрический метод может быть использован для количественного определения резорцина, основанного на окислении его избытком 0,1 моль/л раствором сульфата церия (IV) в кислой среде при комнатной температуре. При окислении резорцина происходит образование глутаровой и муравьиной кислот:
Метод обладает рядом достоинств: высокий стандартный ОВ потенциал редокс-пары Се4+|Се3+, что позволяет определять широкий круг веществ-восстановителей; устойчивость растворов титранта при их хранении; сравнительно простая стехиометрия реакций с участием церия (IV); возможность проведения титрования в присутствии хлорид-ионов, что неприемлемо в перманганатометрии.
К недостаткам метода можно отнести его непригодность для титрования нейтральных и щелочных растворов; необходимость использования индикаторов, что не требуется в перманганатометрии; сравнительно высокая стоимость соединений церия.
Основные порталы (построено редакторами)