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氧化還原滴定法概念和分類
日期:2025-07-09 23:20
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摘要:
氧化還原滴定法
1 概述
氧化還原滴定法是以氧化還原反應(yīng)為基礎(chǔ)的滴定分析方法,廣泛應(yīng)用于水質(zhì)分析和其他樣品的常量分析中。氧化還原滴定法應(yīng)用廣泛,可用來直接測定氧化性或還原性物質(zhì),也可以用來間接測定一些能與氧化劑或還原劑發(fā)生定量反應(yīng)的物質(zhì)。
氧化還原反應(yīng)是基于電子轉(zhuǎn)移的反應(yīng),其特點是反應(yīng)機理比較復(fù)雜。在氧化還原反應(yīng)中,除了主反應(yīng)外,還經(jīng)常伴有各種副反應(yīng),且介質(zhì)對反應(yīng)也有很大的影響。因此,我們討論氧化還原反應(yīng)時,除了從平衡觀點判斷反應(yīng)的可能性外,還應(yīng)該考慮各種反應(yīng)條件及滴定條件對氧化還原反應(yīng)的影響,因此在氧化還原反應(yīng)中要根據(jù)不同情況選擇適當?shù)姆磻?yīng)及滴定條件。
根據(jù)所用氧化劑或還原劑不同,可以將氧化還原滴定法分為多種。常用的有高錳酸鉀法、重鉻酸鉀法、碘量法及溴酸鹽法等。
2 氧化還原反應(yīng)的方向、次序及進行的程度
2.1 條件電極電位
在計算氧化還原電對的電極電位時,一般用濃度代替活度。只有在稀溶液中,濃度代替活度的計算才是正確的。當濃度增大或強電解質(zhì)存在時,這樣計算獲得的結(jié)果與實際表現(xiàn)出的電位值有較大的差別。例如,0.77V。這一電位值是在標準狀態(tài)下,溶液中Fe3+和Fe2+濃度均為1.00mol/L時,忽略離子強度的影響用濃度代替活度按能斯特方程式計算出來的。但該溶液中若同時含有1.00mol/L鹽酸或1.00mol/L硫酸時,實際電位分別為0.71V和0.68V。
另外,溶液中待測組分的溶劑化、離解、締合及絡(luò)合平衡的存在,使電對的氧化態(tài)和還原態(tài)的存在形態(tài)發(fā)生改變,從而也使實際測得的電極電位與計算值存在差別。因此在計算電極電位時,離子強度和氧化態(tài)和還原態(tài)的存在形態(tài)是要考慮的兩個重要因素。只有在考慮了這兩個因素對溶液中氧化態(tài)和還原態(tài)有效濃度影響的基礎(chǔ)上,計算出的結(jié)果才能更準確地反映氧化劑和還原劑的氧化還原能力。
例如,計算鹽酸溶液中Fe3+/Fe2+電對的電極電位時,由能斯特方程得:
(1-15)
但實際上,在鹽酸溶液中鐵離子與溶劑和氯離子發(fā)生如下反應(yīng):
Fe3++H2O→FeOH2++H+
Fe3++Cl-→FeCl2+
因此,溶液中除Fe3+、Fe2+外還有FeOH2+、FeCl2+、FeCl+、FeCl63-等不同價態(tài)的鐵,若用和分別表示溶液中三價鐵和二價鐵的總濃度,則有:
=[ Fe3+] +[ FeOH2+]+ [FeCl2+]+…
(1-16)
(1-17)
、分別為Fe3+、Fe2+的副反應(yīng)系數(shù),與絡(luò)合平衡中酸效應(yīng)系數(shù)相似。由于副反應(yīng)的存在,使Fe3+、Fe2+在溶液中的游離濃度降低,因此式1-15變?yōu)椋?/div>
(1-18)
但實際上,溶液的離子強度一般較大,活度系數(shù)不易求得;當副反應(yīng)較多時,求副反應(yīng)系數(shù)也很麻煩,因此按上式計算實際上是一個很復(fù)雜的過程。為了簡化計算,將式1-18改為:
(1-19)
當=1時,式1-19變?yōu)椋?/div>
(1-20)
式中γ和在一定條件下為固定值,因此式1-20在一定條件下為一常數(shù),用表示:
= (1-21)
稱條件電極電位,它在一定條件下為一常數(shù),因此式1-19可以寫為:
(1-22)
對一般氧化還原電對,通式寫為:
(1-23)
(1-24)
計算中引入條件電極電位(即考慮了離子強度和存在狀態(tài)兩個因素),所獲得的電極電位能反映實際過程中氧化還原電對的實際氧化能力,用他判斷實際氧化還原反應(yīng)的方向、次序及反應(yīng)進行程度更為準確。
2.2 氧化還原反應(yīng)的方向
通過對氧化還原電對條件電極電位的計算,可以判斷氧化還原反應(yīng)進行的方向。下面就影響氧化還原反應(yīng)方向的一些因素結(jié)合實例進行討論。
(1) 濃度的影響
當兩個氧化還原電對的條件電極電位相差不大時,有可能通過改變氧化劑或還原劑的濃度來改變氧化還原反應(yīng)的方向。下面舉例說明:
例如,已知,
當[Sn2+]=[Pb2+]=1mol/L和[Sn2+]=1mol/L、[Pb2+]=0.1mol/L時,兩電對所組成的原電池的電勢分別為E1和E2:
E1= -=-=-0.13-(-0.14)>0
E2= -=+-
=-0.13+ -(-0.14)<0
很顯然,這兩種濃度條件下,氧化還原反應(yīng)進行的方向相反。
(2) 溶液酸度的影響
氧化還原反應(yīng)往往有H+或OH-參與,因此溶液的酸度自然對氧化還原電極電位有影響,如氧化劑高錳酸鹽的電極反應(yīng)和電極電位表達式為:
MnO4-+8H++5e=Mn2++4H2O
從電極電位表達式可看出,氫離子濃度對電對MnO4-/Mn2+有明顯的影響,從而影響高錳酸根離子的氧化能力。在不同酸性介質(zhì)中,MnO4-還原為Mn2+時的電極電位可在1.2~1.5之間,因此MnO4-的氧化能力也不同。例如,用MnO4-氧化鹵素離子,在pH5~6時,碘化物被高錳酸鉀氧化為碘分子,而溴化物和氯化物不起反應(yīng);在pH3時,溴化物被氧化而氯化物不起反應(yīng),氯化物需在更高酸度下才能被高錳酸鉀氧化。
例如,水分析中常用的強氧化劑K2Cr2O7,其電極反應(yīng)和電極電位的能斯特方程為:Cr2O72-+14H++6e=2Cr3++7H2O
從電極電位表達式可看出,氫離子濃度對電對Cr2O72-/Cr3+的影響更大,在不同酸性介質(zhì)中,重鉻酸鉀氧化能力也不同。
(3) 形成絡(luò)合物的影響
在氧化還原反應(yīng)中,當加入一種可與氧化態(tài)或還原態(tài)形成穩(wěn)定絡(luò)合物的絡(luò)合劑時,就可能改變電對的電極電位,影響氧化還原反應(yīng)的方向。例如用碘量法測定水垢中氧化銅時,先用銅離子將溶液中過量的I-氧化成I2,再用硫代硫酸鈉滴定碘分子,根據(jù)消耗硫代硫酸鈉溶液的體積計算銅離子含量。
若溶液中有鐵離子,則發(fā)生如下反應(yīng):
2Fe3++2I-=2Fe2++I2
溶液中釋放出的碘因Fe3+的存在而增加,從而使滴定消耗硫代硫酸鈉溶液的體積增加,使測定結(jié)果偏高。如向溶液中加入固體NaF,F(xiàn)e3+與F-絡(luò)合形成穩(wěn)定的絡(luò)合物,從而使[Fe3+]減少,2Fe3++2I-=2Fe2++I2反應(yīng)不能正向進行,從而消除鐵離子的干擾。
(4) 生成沉淀的影響
在氧化還原反應(yīng)中,當加入一種可與氧化劑或還原劑形成沉淀的沉淀劑時,會因改變電極電位而改變氧化還原反應(yīng)的方向。仍以碘量法測定水垢中氧化銅為例說明這一問題:
Cu3++4I-=2CuI +I2
反應(yīng)的標準電極電位分別為 =0.158V, =0.535V
在標準狀態(tài)下,上述反應(yīng)所組成電池的電動勢為E=0.158-0.535=-0.377V<0,反應(yīng)不能向右進行;但由于反應(yīng)生成CuI沉淀(CuI的Ksp為5.06×10-12),如不考慮離子強度的影響,則有,代入能斯特方程得:
當[I-]=1mol/L,[Cu2+]=1mol/L時, =0.86V,大于 =0.535V,所組成的電池電動式大于0。上述條件下,Cu2+能氧化I-。
2.3 氧化還原反應(yīng)的次序
溶液中含有幾種還原劑時,若加入氧化劑,首先與還原能力*強的還原劑作用。同樣,溶液中含有幾種氧化劑時,若加入還原劑,則其首先與氧化能力*強的氧化劑作用。即在適合的條件下,所有可能發(fā)生的氧化還原反應(yīng)中,電極電位相差*大的電對之間首先進行反應(yīng)。
如在測定Fe3+時,通常先用SnCl2還原Fe3+為Fe2+,然后再用重鉻酸鉀測定溶液中的Fe2+濃度。為保證Fe3+完全轉(zhuǎn)化為Fe2+,測定前加入的Sn2+總是過量的。因此,用重鉻酸鉀滴定時,溶液中就有Fe2+和Sn2+兩種還原劑,會消耗更多的重鉻酸鉀溶液而產(chǎn)生誤差。
標準電極電位越大的電對中,氧化態(tài)的氧化能力越強;標準電極電位越小的電對中,還原態(tài)還原能力越強。因此,重鉻酸根是其中*強的氧化劑,Sn2+是*強的還原劑,重鉻酸根首先氧化Sn2+,只有Sn2+被氧化完全后,才能氧化Fe2+。因此用重鉻酸鉀滴定Fe2+前應(yīng)先出去過量的Sn2+離子。
2.4 氧化還原反應(yīng)完成的程度
在滴定分析中,要求化學(xué)反應(yīng)進行得越徹底越好,反應(yīng)的完全程度可以用它的平衡常數(shù)判斷。氧化還原反應(yīng)的平衡常數(shù)可根據(jù)能斯特方程式,從有關(guān)電對的標準電極電位或條件電極電位求得。若用條件電極電位,求得的是條件平衡常數(shù)K’。
氧化還原反應(yīng)的通式為:n2Ox1+n1Red2=n2Red1+n1Ox2,氧化劑和還原劑兩個電對的電極電位分別為:
(1-25)
當反應(yīng)平衡時,兩電對的電位相等即φ1=φ2。
由式1-25得:
=
整理得:
(1-26)
由式1-26可看出,條件平衡常數(shù)者的大小是由氧化劑和還原劑兩個電對的條件電極電位之差值和轉(zhuǎn)移電子數(shù)決定的。條件電極電位的差值越大,越大,反應(yīng)進行得越完全。多大化學(xué)反應(yīng)才能定量完成呢?要使反應(yīng)完全程度達到99.9%以上,才能滿足分析過程中對誤差的要求,那么,到達化學(xué)計量點時應(yīng):
≥103n2 , ≥103n1 (1-27)
當n1=n2=1時,代入式1-26可得到:
≥lg(103×103)=lg106 (1-28)
= ≥0.059×6≈0.35V (1-29)
即兩個電對的條件電極電位之差必須大于0.4V,這樣的反應(yīng)才符合滴定分析的誤差要求,才能用于滴定分析。
3 氧化還原反應(yīng)速度及其影響因素
不同的氧化還原反應(yīng),其反應(yīng)速度的差別是非常大的,有的反應(yīng)速度較慢,有的反應(yīng)雖然從理論上看是可以進行的,但實際上由于反應(yīng)速度太慢,可以認為它們之間不發(fā)生反應(yīng)。例如水溶液中溶解氧
O2+4H++4e→2H2O =1.229V
標準電位較大,應(yīng)該很容易氧化一些強還原劑,如
Sn4++2e→Sn2+ =0.15V
TiO2++2H++e→Ti3++H2O =0.1V
但實踐證明,這些強還原劑在水溶液中卻有一定的穩(wěn)定性,說明它們與水中的溶解氧或空氣中的氧之間的氧化還原反應(yīng),盡管從熱力學(xué)上看反應(yīng)趨勢很大,但由于速度慢,以至于感覺不到反應(yīng)的進行。為保證測定結(jié)果的準確性,滴定分析要求反應(yīng)速度快。下面討論影響氧化還原反應(yīng)的因素。
3.1 反應(yīng)物的濃度
一般來說,反應(yīng)物的濃度越大,反應(yīng)的速度越快。例如在酸性溶液中,一定量的重鉻酸根和碘化鉀反應(yīng):
Cr2O72-+6I-+14H+→2Cr3++3I2+7H2O
增大碘離子濃度或提高酸度都可以使反應(yīng)速度加快。
3.2 溫度
通常溶液的溫度每增加10℃,反應(yīng)速度約提高2~3倍。例如在酸性溶液中,高錳酸根和草酸根的反應(yīng):
2MnO4-+5C2O42-+16H+→2Mn2++10CO2+8H2O
在室溫下,反應(yīng)速度緩慢。如果將溶液加熱,反應(yīng)速度便大大加快。所以用KMnO4滴定H2C2O4時,通常將溶液加熱到75℃~85℃。
應(yīng)該注意,不是所有情況下都可以通過提高溫度加快反應(yīng)速度的。有些物質(zhì)(如I2)揮發(fā)性較大,如將溶液加熱,則會引起I2揮發(fā)損失。這種情況下,如要提高反應(yīng)速度,應(yīng)采取其他方法。
3.3 催化劑的影響
有些反應(yīng)需要在催化劑存在下才能較快地進行。如上述KMnO4滴定H2C2O4時,Mn2+離子的存在,能使反應(yīng)速度大大加快。對于Mn2+的催化作用,有不同的解釋,但總的來說,一般認為MnO4-和C2O42-之間的反應(yīng)是分步進行的,其反應(yīng)機理為:在C2O42-存在下,Mn2+被MnO4-氧化而生成Mn(Ⅲ)或Mn(Ⅳ),它們進一步與草酸根反應(yīng)生成Mn(Ⅱ)和CO2。在反應(yīng)過程中,每一步反應(yīng)速度都是不同的,有些中間過程速度慢,因而影響整個反應(yīng)速度。如將高錳酸鉀溶液滴入草酸溶液中,*初并不立刻退色,這說明*初的反應(yīng)速度慢,隨著高錳酸鉀溶液的加入,退色才逐步加快。從這個實驗現(xiàn)象可看出,Mn2+起著催化劑的作用。滴定開始時,高錳酸鉀溶液中Mn2+含量很少,所以反應(yīng)速度很慢。隨著反應(yīng)的不斷進行,Mn2+不斷生成,速度逐步加快,這里的催化劑Mn2+是反應(yīng)本身生成的。因此,這種催化反應(yīng)叫自動催化反應(yīng)。
氧化還原反應(yīng)中借催化劑以加快反應(yīng)速度,還有不少,如化學(xué)需氧量的測定中,以硫酸銀作催化劑;用空氣氧化TiCl3時,用Cu2+作催化劑等。
4 氧化還原指示劑
4.1 自身指示劑
在氧化還原滴定中,確定計量點的指示劑有三種。當標準溶液或被滴定物質(zhì)本身有顏色,可用以確定滴定終點。例如在高錳酸鉀法中,高錳酸根本身呈紫紅色,用它滴定無色或淺色的還原劑時,就不用另加指示劑。因為在滴定中MnO4-被還原為Mn2+,而Mn2+幾乎是無色的,所以,滴定進行到化學(xué)計量點后,只要MnO4-稍微過量,就可以使溶液呈粉紅色,說明達到滴定終點。
實驗證明,100mL溶液中,加入0.02 mol/LKMnO4約0.01mL,KMnO4濃度約為0.2×10-5mol/L,就可以使溶液呈粉紅色。
4.2 特效指示劑
有的物質(zhì)本身不具氧化還原性,但它能與氧化劑或還原劑作用,產(chǎn)生特殊的顏色,因而可以指示氧化還原滴定的終點。例如,可溶性淀粉與碘溶液反應(yīng)生成藍色化合物,當I2被還原為I-離子時,藍色消失。因此在碘量法中,通常用淀粉溶液作指示劑。
4.3 氧化還原指示劑
氧化還原指示劑大都是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的有機化合物,具有氧化還原性,而且,它的氧化態(tài)和還原態(tài)具有不同的顏色,因而可以指示滴定終點。例如,用K2Cr2O7溶液滴定Fe2+,常用二苯胺磺酸鈉作指示劑。二苯胺磺酸鈉的還原態(tài)為無色,氧化態(tài)為紫紅色,故當?shù)味ㄖ粱瘜W(xué)計量點附近時,就能使二苯胺磺酸鈉由還原態(tài)轉(zhuǎn)化為氧化態(tài),溶液呈紫紅色,因而可以確定滴定終點。
如果用InOx和InRed分別表示指示劑的氧化態(tài)和還原態(tài),則:
InOx+ne→InRed
FIn=F0In+
與酸堿滴定相似,對人眼來說,一般是的比值約為1/10時,只能覺察到還原態(tài)的顏色,即指示劑的變色范圍是
實際工作中,用條件電極電位表示為:。
由于變色范圍的表達式中后一項較小,一般可用指示劑的條件電極電位來估計指示劑的變色范圍。所選擇的指示劑,其條件電極電位應(yīng)在滴定的電位突躍范圍內(nèi)。
表1-11列出了一些常用的氧化還原指示劑的條件電極電位,選擇指示劑時,應(yīng)使指示劑的條件電極電位盡量與化學(xué)反應(yīng)計量點一致,以減少終點誤差。
5 氧化還原滴定法分類
根據(jù)所用氧化劑分類,可將氧化還原滴定法分為不同類型,有高錳酸鉀法、重鉻酸鉀法、碘量法、溴酸鉀法等,水質(zhì)分析過程中常用的是前三種。
5.1 高錳酸鉀法
(1)高錳酸鉀法的簡介
利用高錳酸鉀作為氧化劑的氧化還原滴定法叫高錳酸鉀法。高錳酸鉀是強氧化劑,應(yīng)用范圍很廣。在強酸性溶液中,高錳酸根獲得5個電子被還原為二價錳離子。
表1-11 常用氧化還原指示劑
指示劑名稱 | (V) [H+]=1 mol/L | 顏色變化 | 配置方法 | |
氧化態(tài) | 還原態(tài) | |||
次甲基藍 | 0.36 | 藍 | 無色 | 0.05%水溶液 |
二苯胺 | 0.76 | 紫 | 無色 | |
二苯胺磺酸鈉 | 0.84 | 紫紅 | 無色 | 0.2%水溶液 |
鄰苯胺基苯甲酸 | 0.89 | 紫紅 | 無色 | 0.2%水溶液 |
鄰二氮雜菲-亞鐵 | 1.06 | 淺藍 | 紅 | 每100mL溶液中含1.624g鄰二氮雜菲和0.695gFeSO4 |
硝基鄰二氮雜菲-亞鐵 | 1.25 | 淺藍 | 紫 | 0.025mol/LFeSO4100mL配成 |
MnO4-+H++5e→Mn2++4H2O =1.491V
另外,酸不同時,MnO4-還原為Mn2+時的條件電極電位是不同的。如在8mol/L H3PO4中, =1.27V;在4.5~7.5mol/L的H2SO4中,為1.49~1.50V。
在中性或弱堿性溶液中:MnO4-獲得了3個電子被還原為MnO2。
MnO4-+2H2O+3e→MnO2+4OH- =0.58V
在強堿性溶液中:MnO4-+e→MnO42- =0.564V
由此可見,高錳酸鉀法既可以在酸性條件下使用,也可以在中性、弱堿性或中等堿性條件下使用。從上述的標準電極電位看,在強酸性溶液中,高錳酸鉀有更強的氧化能力,因此一般都在強酸性條件下使用。但在堿性條件下,高錳酸鉀氧化有機物的速度比在酸性條件下的速度快,所以用高錳酸鉀法測定有機物時,宜用于堿性條件下。在實際測定過程中,考慮各種利弊后選擇合適的酸度。
利用高錳酸鉀法可直接測定許多還原性物質(zhì),例如I-、Br-、Fe3+、NO2-、S2O32-、SO32-等。有些氧化性物質(zhì)不能用KMnO4溶液直接測定,可以間接測定。如測定Ca2+時,用C2O42-與Ca2+作用,生成沉淀。溶解沉淀后,用KMnO4滴定C2O42-,從而獲得Ca2+的含量。
高錳酸鉀法的優(yōu)點是KMnO4氧化能力強,應(yīng)用廣泛,不需另加指示劑。其主要缺點是KMnO4標準溶液常含有少量雜質(zhì),溶液不穩(wěn)定,不能直接配置標準溶液;由于KMnO4氧化能力強,可以和許多還原性物質(zhì)發(fā)生作用,所以干擾也比較嚴重。
(2) 高錳酸鉀法在火電廠水分析中的應(yīng)用
自然界的水中存在有機物,這些有機物有些是由于動植物腐爛分解后產(chǎn)生的,有的則來自有機物污染源。有機物的存在促使**大量繁殖,直接影響水質(zhì)。
水中化學(xué)耗氧量(簡稱COD)的大小是水質(zhì)污染程度的主要指標之一,由于廢水中還原性物質(zhì)常常是各種有機物,人們常將COD作為水質(zhì)是否受到有機物污染的重要指標。COD是指在特定條件下,用一種強氧化劑定量地氧化水中可還原性物質(zhì)(有機物和無機物)時所消耗氧化劑的數(shù)量,以每升多少毫克氧表示(Omg/L)。以高錳酸鉀為氧化劑,測定水中還原性物質(zhì)時消耗的高錳酸鉀的量,以氧的mg/L表示,稱為高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)。高錳酸鹽指數(shù)可以從一定程度上說明水被有機物污染的程度。
清潔地面水中有機物的含量較低,COD小于3 mg/L ~ 4mg/L,輕度污染的水源COD可達4 mg/L ~10mg/L,若水中COD大于10mg/L,認為水質(zhì)受到較嚴重的污染。
按照測定介質(zhì)不同,高錳酸鹽指數(shù)的測定可分為酸性高錳酸鉀法和堿性高錳酸鉀法。一般情況下,高錳酸鹽指數(shù)的測定原理為:在酸性條件下,向被測水樣中加定量、過量的高錳酸鉀溶液,并在水浴中加熱,反應(yīng)一定時間后,剩余的高錳酸鉀,用定量、過量草酸鈉(或草酸)溶液還原,過量的草酸鈉(或草酸)再用高錳酸鉀溶液回滴,通過計算求出高錳酸鹽指數(shù)。
但當水樣中氯化物含量大時,會發(fā)生如下反應(yīng):
2KMnO4+16H++16Cl- 2KCl+2MnCl2+5Cl2+8H2O
因此,水樣中氯離子含量超過100mg/L時,應(yīng)在堿性溶液中測定。
必須指出,高錳酸鹽指數(shù)不能完全代表水中全部有機物的含量,因為水中有機物只有部分被氧化,并不是理論上的需氧量,但按照標準方法測定的高錳酸鹽指數(shù),在一定程度上能反映水中還原性物質(zhì)的含量。由于天然水中無機還原性物質(zhì)很少,所以高錳酸鹽指數(shù)能反映水中有機物的含量。高錳酸鹽指數(shù)的測定必須嚴格遵守一定的操作程序,因為反應(yīng)溶液中試劑的用量、加入試劑的次序、加熱時間和溫度等,對高錳酸鉀氧化有機物的程度均有影響。不同條件下,測得的高錳酸鹽指數(shù)的結(jié)果也不同。所以,高錳酸鹽指數(shù)是在一定條件下測得的,是一個相對的、條件性水質(zhì)指標,它只能得到水中有機物含量的相對概念。但用它比較不同地區(qū)和不同時間間隔的水源的水質(zhì),仍有很大的意義。
5.2 重鉻酸鉀法
(1) 重鉻酸鉀法的簡介
利用重鉻酸鉀做氧化劑的氧化還原滴定法,稱作重鉻酸鉀法。Cr2O72-在酸性溶液中與還原劑作用發(fā)生如下反應(yīng):
Cr2O72-+14H++6e→2Cr3++7H2O =1.33V
可見K2Cr2O7的氧化能力比KMnO4弱(在1mol/LHCL溶液中,它的條件電極電位為1.00V),但它仍是一個較強的氧化劑,能氧化許多有機物和無機物。重鉻酸鉀法只能在酸性介質(zhì)中使用,它的應(yīng)用范圍比KMnO4法窄,但具有以下優(yōu)點:
l K2Cr2O7容易提純,在140℃~150℃干燥后,可以直接稱量后配制標準溶液。
l 溶液非常穩(wěn)定,只要保存在密封容器中,濃度可長期保持不變。
在重鉻酸鉀法中,雖然Cr2O72-還原后能轉(zhuǎn)化為綠色的Cr3+,但K2Cr2O7的顏色不是很深,所以不能根據(jù)它本身的顏色的變化來確定滴定終點,而要采用氧化還原指示劑指示終點。
(2) 重鉻酸鉀法在火電廠水分析中的應(yīng)用——化學(xué)耗氧量(CODCr)的測定
前已述及,用高錳酸鉀測定水中有機物時,其結(jié)果受操作條件的影響很大,且只適用于較為清潔的水樣,若用高錳酸鉀法測定生活污水和工業(yè)廢水中的有機物含量時,測定結(jié)果不能令人滿意。而用重鉻酸鉀法則優(yōu)于高錳酸鉀法。重鉻酸鉀在以硫酸銀作催化劑、加熱回流條件下,能將水中大部分有機物和無機物氧化,因而該法還適合于生活污水和工業(yè)廢水樣品中該指標的分析。
重鉻酸鉀法測定化學(xué)耗氧量的原理:在強酸性條件下,向水樣中加入一定量重鉻酸鉀標準溶液、催化劑硫酸銀及消除氯離子干擾的硫酸汞,在加熱煮沸的情況下,使K2Cr2O7與有機物及其它還原性物質(zhì)作用,大部分有機物主要轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水,重鉻酸根反應(yīng)式為:
Cr2O72-+14H++6e→2Cr3++7H2O
過量的重鉻酸鉀以試亞鐵靈為指示劑,用硫酸亞鐵銨標準溶液滴定,反應(yīng)式為:
Cr2O72-+14H++6Fe2+→2Cr3++7H2O+6Fe3+
由所消耗的硫酸亞鐵銨標準溶液及水樣中加入的K2Cr2O7標準溶液的量,可計算出水樣中有機物消耗的K2Cr2O7的量(換算成相當于氧的mg/L)。如果需要求出水中有機物的含量,還應(yīng)求出無機還原性物質(zhì)的含量,然后把這部分還原性物質(zhì)的量減去,即可得到有機物的含量。
5.3 碘量法
(1) 碘量法的簡介
碘量法是利用I2的氧化性和I-的還原性進行滴定分析的氧化還原滴定法,其半反應(yīng)為:I2+2e→2I-
由于固體I2在水中的溶解度小,故實際應(yīng)用時,通常將I2溶解在KI溶液中,此時在I2溶解液中以I3-形式存在:I2+I-→I3-,半反應(yīng)為:I3-+2e→3I-
但為了方便起見,一般仍將I3-簡寫為I2。從I2/I-電對的條件電極電位或標準電極電位看,I2是一個較弱的氧化劑,能與較強的還原劑作用。
碘量法又分為直接碘量法和間接碘量法:
直接碘量法。用I2標準溶液直接滴定還原性物質(zhì)。反應(yīng)后,I2轉(zhuǎn)化為I-。由于I2氧化能力不強,所以能被I2氧化的物質(zhì)有限。同時溶液中H+濃度對直接碘量法有較大的影響,例如,在較強的堿性溶液中就不能用I2溶液滴定,因為當pH值較高時,發(fā)生岐化反應(yīng):
3 I2+6OH-→IO3-+5I-+3H2O
這樣就會給測定帶來誤差。在酸性溶液中,只有少數(shù)還原能力強,不受H+濃度影響的物質(zhì)才能被定量滴定,所以直接碘量法受到一定限制。
間接碘量法。利用I-的還原性測定氧化性物質(zhì),即在待測的氧化性物質(zhì)的溶液中,加入過量的KI,反應(yīng)后生成與待測氧化性物質(zhì)的量相當?shù)挠坞x的I2,可以間接計算出被測氧化性物質(zhì)的含量。該方法的基本反應(yīng)為:
2I-+2e I2
I2+2S2O32- S4O62-+2I-
在使用間接碘量法時,為獲得準確的結(jié)果,必須注意以下兩點:
1)控制溶液的酸度。I2和Na2S2O3的反應(yīng)必須在中性和弱堿性溶液中進行。因為在強堿性溶液中會同時發(fā)生下列反應(yīng):
S2O32-+4I2+10OH- 2SO42-+8I-+5H2O
在較強的堿性溶液中I2發(fā)生岐化反應(yīng):
3 I2+6OH-→IO3-+5I-+3H2O
在強酸性溶液中S2O32-會發(fā)生分解:
S2O32-+2H+ SO2+S+H2O
同時,I-離子在強酸性溶液中易被空氣中的氧氧化:
4I-+4H++O2=2I2+2H2O
因此,用Na2S2O3滴定I2之前,應(yīng)將溶液的酸度調(diào)至中性或弱酸性。
2)防止I2揮發(fā)及I-被空氣中的氧氧化,以減少測定結(jié)果的誤差。
防止I2揮發(fā)的措施有:加入過量的KI,一般比理論量大2~3倍,使I2生成I3-以減少揮發(fā);反應(yīng)溫度不能過高;滴定時不能劇烈搖動溶液;避免陽光直接照射,防止I-被空氣中的氧氧化;析出I2后溶液不能放置過久,且滴定速度要加快。
碘量法的終點常用淀粉指示劑來指示。在有少量I-存在下,I2與淀粉反應(yīng)形成藍色吸附絡(luò)合物,根據(jù)藍色的出現(xiàn)和消失即可指示滴定終點。淀粉溶液應(yīng)現(xiàn)用現(xiàn)配,若放置太久,則與碘形成的絡(luò)合物不呈藍色而呈紫色或紅色。這種紅紫色吸附絡(luò)合物使滴定時退色慢,終點不靈敏。
(2) 碘量法在火電廠水分析中的應(yīng)用——溶解氧及BOD的測定
1)溶解氧的測定。溶解于水中的分子態(tài)氧稱為溶解氧,即DO,它是一個重要的水質(zhì)指標。溶解氧的測定一般采用碘量法及其修正法和膜電極法。清潔水可直接用碘量法測定,當水樣有色或含氧化性及還原性物質(zhì)、藻類、懸浮物時,須采用疊氮化鈉修正法或膜電極法測定。
溶解氧的測定原理為:采樣時,在水樣中加入硫酸錳和堿性碘化鉀溶液,生成氫氧化亞錳沉淀,此沉淀極不穩(wěn)定,迅速和水中溶解氧生成錳酸錳沉淀,從而使溶解氧固定下來:
MnSO4+2NaOH=Mn(OH)2(白色)+Na2SO4
Mn(OH)2+O2=2H2MnO3(棕色)
Mn(OH)2+ H2MnO3=MnMnO3(棕色)+2H2O
溶解氧越多,MnMnO3沉淀顏色越深。加入濃硫酸酸化,使已經(jīng)化合的溶解氧與溶液中加入的KI起反應(yīng),析出碘的量相當于水樣中溶解氧的量。
MnMnO3+3H2SO4+2KI=2MnSO4+K2SO4+I2+3H2O
取一定量反應(yīng)完畢(含I2)的水樣,以淀粉為指示劑,用Na2S2O3標準溶液滴定,根據(jù)消耗Na2S2O3標準溶液體積可計算出溶解氧的含量。
2)生化需氧量(BOD)的測定。
生化需氧量是指水中可被微生物分解的有機物,在有氧的條件下被氧化代謝時所消耗的溶解氧的量。微生物的活動與溫度有關(guān),目前規(guī)定在20℃培養(yǎng)5天作為測定生化需氧量的標準條件,這是測得的生化需氧量稱5日生化需氧量,用BOD5表示。
生化需氧量是水質(zhì)評價和水質(zhì)監(jiān)測中*重要的控制參數(shù)之一。根據(jù)其大小及與COD的比值等數(shù)據(jù),可估計水中污染物的可生化性,對確定適當?shù)奶幚矸椒ㄓ幸欢ǖ闹笇?dǎo)意義。
生化需氧量的測定原理:取原水樣或經(jīng)適當稀釋的水樣,使其中含有足夠的溶解氧。將上述水樣分取兩瓶,一瓶用來測定當天的溶解氧含量,另一瓶放入20℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)5天后再測定其溶解氧含量,兩者之差即為五日生化需氧量。
(3) 使用碘量法測定其他有機物污染指標
溶解氧、化學(xué)耗氧量及生化耗氧量的測定過程中,其他無機還原物質(zhì)也可能消耗所加入的氧化劑,因此他們不能表示水樣中有機物的**含量,僅能表示有機污染物的相對數(shù)值。在火電廠水處理中,有機物的含量是非常重要的指標,下面介紹兩種有機物的測定方法。
1)總有機碳(TOC)
總有機碳是以碳的含量表示水中有機物含量的綜合指標。TOC的測定采用燃燒法,因此能將有機物全部氧化,它比BOD5和COD更能反映水中有機物的總量。
目前廣泛使用的測定TOC的方法是燃燒氧化-非色散紅外吸收法。其測定原理是:將一定量水樣注入高溫爐內(nèi)的石英管中,在900℃~950℃,以鉑和三氧化鈷或三氧化鉻為催化劑,使有機物燃燒裂解轉(zhuǎn)化為二氧化碳,在用紅外線氣體分析儀測定二氧化碳含量,從而確定水中碳的含量。由于在高溫下,水中碳酸鹽也分解產(chǎn)生二氧化碳,故上面測得的為水樣中總碳(TC)。為獲得總有機碳含量可采用兩種方法:一種是將水樣預(yù)先酸化,通入氮氣曝氣,將各種碳酸鹽分解生成的二氧化碳趨出后的水樣注入儀器測定。另一種方法是使用同時有高溫爐和低溫爐的TOC測定儀,將同一等量兩水樣分別注入高溫爐(900℃)和低溫爐(150℃),在高溫爐中,水樣中的無機碳和有機碳均轉(zhuǎn)化為二氧化碳,而低溫爐的石英管中裝有磷酸浸漬的玻璃棉,能使無機碳酸鹽在150℃分解為二氧化碳,有機物卻不能被分解氧化。將高、低溫爐中生成的二氧化碳依次導(dǎo)入非色散紅外分析儀,分別測得總碳(TC)和無機碳(IC),兩者之差即為總有機碳(TOC)。
2)總需氧量(TOD)
總需氧量是指水中能被氧化的物質(zhì),主要是有機物在燃燒中變成氧化物時所需要的氧量,結(jié)果以O(shè)2的mg/L表示。
TOD的測定原理是:將一定量的水樣注入裝有鉑催化劑的石英燃燒管中,通入含已知氧濃度的載氣(氮氣)作為燃料氣,水樣中的還原性物質(zhì)在900℃下被瞬間燃燒氧化。測定燃燒前后原料氣中氧濃度的減少量,便可求得水樣中總需氧量值。
TOD值能夠反映幾乎全部有機物經(jīng)燃燒后變成CO2、H2O、NO、NO2、SO2等所需的氧量,它比COD和BOD更接近于理論需氧量值。
用TOD和TOC的比值可粗略判斷水中有機物的種類。對于含碳化合物,因為一個碳原子轉(zhuǎn)化為CO2時消耗兩個氧原子,即O2/C=2.67,TOD=2.67TOC。若水樣中TOD/ TOC為2.67左右,可認為水樣中主要是含碳化合物;若TOD/TOC大于4.0,則水樣中可能有較大量的S、P有機物存在;若TOD/TOC小于2.6,水樣中硝酸鹽和亞硝酸鹽可能含量較大,他們在高溫和催化條件下分解放出氧,使TOD測定呈現(xiàn)負誤差。
6 氧化還原滴定結(jié)果的計算
氧化還原滴定結(jié)果的計算主要依據(jù)氧化還原反應(yīng)式中的化學(xué)計量關(guān)系,現(xiàn)舉例加以說明。
例1-13定Na2S2O3標準溶液時,稱取K2Cr2O70.1084g,溶于水并加過量KI酸化后,析出的I2用Na2S2O3標準溶液滴定,消耗20.10mL,計算Na2S2O3標準溶液濃度。
解:已知M(K2Cr2O7)=294.2g/mol 滴定反應(yīng)為:
Cr2O72-+14H++6I-→2Cr3++7H2O+3I2
I2+2S2O32- S4O62-+2I-
反應(yīng)達到化學(xué)計量點時:n(K2Cr2O7):n(Na2S2O3)=1:6,
即6n(K2Cr2O7)=n(Na2S2O3),那么:
c(Na2S2O3)==0.1100(mol/L)
例1-14標定KMnO4時,25.00mLKMnO4溶液和0.3350gNa2C2O4完全反應(yīng),計算KMnO4溶液的濃度。
解:已知M(Na2C2O4)=134.0g/mol,氧化還原反應(yīng)為:
2 MnO4-+5C2O42-+16H+=2Mn2++10CO2+8H2O
n(KMnO4):n(Na2C2O4)=2:5,所以
c(KMnO4)V(KMnO4)=
c(KMnO4)= =0.0400(mol/L)