X
تبلیغات
دانش - نمونه تیتراسیون اکسیداسیون و احیا
مثالی از واکنشهای اکسایش و کاهش
بر این اساس ، واکنش زیر یک واکنش اکسایش و کاهش می‌باشد. چون عدد اکسایش اتم S از صفر به +4 افزایش پیدا می‌کند و می‌گوییم گوگرد اکسید شده است و عدد اکسایش اتم O از صفر به -2 کاهش پیدا کرده است و می‌گوییم اکسیژن کاهیده شده است:
S + O2 → SO2
که در آن ، در طرف اول عدد اکسیداسیون هر دو ماده صفر و در طرف دوم ، عدد اکسیداسیون گوگرد در ترکیب +4 و اکسیژن ، -2 است.
اما در واکنش زیر اکسایش- کاهش انجام نمی‌شود، زیرا تغییری در عدد اکسایش هیچ یک از اتمها به وجود نیامده است:
SO2 + H2O → H2SO4
که در SO2 ، عدد اکسیداسیون S و O بترتیب ، +4 و -2 و در آب ، عدد اکسیداسیون H و O بترتیب +1 و -2 و در اسید در طرف دوم ، عدد اکسیداسیون H و S و O بترتیب ، +1 ، +4 و -2 است.
عامل اکسنده و عامل کاهنده
با توجه به چگونگی نسبت دادن اعداد اکسایش ، واضح است که نه عمل اکسایش و نه عمل کاهش بتنهایی انجام پذیر نیستند. چون یک ماده نمی‌تواند کاهیده شود مگر آن که هم‌زمان ماده ای دیگر ، اکسید گردد، ماده کاهیده شده ، سبب اکسایش است و لذا عامل اکسنده نامیده می‌شود و ماده‌ای که خود اکسید می‌شود، عامل کاهنده می‌نامیم.
بعلاوه در هر واکنش ، مجموع افزایش اعداد اکسایش برخی عناصر ، باید برابر مجموع کاهش عدد اکسایش عناصر دیگر باشد. مثلا در واکنش گوگرد و اکسیژن ، افزایش عدد اکسایش گوگرد ، 4 است. تقلیل عدد اکسایش ، 2 است، چون دو اتم در معادله شرکت دارد، کاهش کل ، 4 است
موازنه معادلات اکسایش- کاهش
دو روش برای موازنه واکنشهای اکسایش- کاهش بکار برده می‌شود: روش یون- الکترون و روش عدد اکسایش.
روش یون- الکترون برای موازنه معادلات اکسایش- کاهش
در موازنه معادلات به روش یون- الکترون ، دو دستور کار که کمی با هم متفاوت‌اند، مورد استفاده قرار می‌گیرد. یکی برای واکنشهایی که در محلول اسیدی انجام می‌گیرد و دیگری برای واکنشهایی که در محلول قلیایی صورت می‌پذیرد.
• مثالی برای واکنشهایی که در محلول اسیدی رخ می‌دهد، عبارت است:
Cr2O7-2 + Cl- → Cr+3 + Cl2
این واکنش موازنه نشده ، طی عملیات زیر موازنه می شود:
_ابتدا معادله را به صورت دو معادله جزئی که یکی برای نشان دادن اکسایش و دیگری برای نشان دادن کاهش است، تقسیم کرده و عنصر مرکزی را در هر یک از این نیم واکنش ها موازنه می کنیم:
Cr2O7-2 → 2Cr+3
2Cl- → Cl2
_اتمهای O و H را موازنه می‌کنیم. در سمتی که کمبود اکسیژن دارد، به ازای هر اکسیژن یک H2O اضافه می‌کنیم و در سمتی که کمبود هیدروژن دیده می‌شود، با افزودن تعداد مناسب +H آن را جبران می کنیم. در مثال بالا، طرف راست ، معادله جزئی اول 7 اتم اکسیژن کم دارد، پس به طرف مزبور 7H2O افزوده می‌شود. پس اتمهای H معادله جزئی اول را با اضافه کردن چهارده +H به طرف چپ معادله، موازنه می‌کنیم. معادله جزئی دوم ، بصورت نوشته شده ، از لحاظ جرمی ، موازنه است:
14H+ + Cr2O7-2 → 2Cr+3 + 7H2O
2Cl-→Cl2
_در مرحله بعد ، باید معادلات جزئی را از نظر بار الکتریکی موازنه می‌کنیم. در معادله جزئی جمع جبری بار الکتریکی طرف چپ برابر +12 و در طرف راست +6 است. 6 الکترون به سمت چپ اضافه می‌شود تا موازنه بار برای معادله جزئی اول حاصل شود. معادله دوم با افزودن دو الکترون به طرف راست ان موازنه می‌شود، ولی چون تعداد الکترونهای از دست‌رفته در یک معادله جزئی باید برابر تعداد الکترونهای بدست آمده در معادله جزئی دیگر باشد، بنابراین طرفین معادله جزئی دوم را در 3 ضرب می‌کنیم:
6e- + 14H+ +Cr2O7-2 → 2Cr+3 + 7H2O
6Cl- → 3Cl2 + 6e
_معادله نهایی ، با افزایش دو معادله جزئی و حذف الکترونها بدست می‌آید:
14H+ + Cr2O7-2 + 6Cl- → 2Cr+3 + 3Cl2 + 7H2O
• مثالی برای واکنش هایی که در محلول قلیایی صورت می‌گیرد:
MnO4- + N2H4 → MnO2 + N2
-معادله به دو معادله جزئی تقسیم می شود:
MnO4- → MnO2
N2H4→N2
_برای موازنه H و O در این واکنش‌ها ، درسمتی که کمبود اکسیژن دارد، به ازای هر اتم اکسیژن -2OH و سمت دیگر یک H2O اضافه می‌کنیم و در سمتی که کمبود هیدروژن دارد به ازای هر اتم هیدروژن ، یک H2O و در سمت مقابل یک -OH اضافه می‌کنیم. سمت راست معادله جزئی اول دو اتم O کم دارد. لذا -4OH به سمت راست و 2H2Oبه سمت چپ می‌افزاییم:
2H2O + MnO4- → MnO2 + 4OH
برای موازنه جرمی معادله جزئی دوم ، باید چهار اتم هیدروژن به سمت راست اضافه کنیم، لذا 4H2O به سمت راست و -4OH به سمت چپ اضافه می‌کنیم:
-4OH + N2H4 → N2 + 4H2O
_برای موازنه بار الکتریکی ، هر جا لازم است، الکترون اضافه می‌کنیم و در این جا بطرف چپ معادله جزئی اول ، سه الکترون و بطرف چپ معادله جزئی دوم ، چهار الکترون افزوده می‌شود و برای موازنه کردن الکترونهای بدست آمده و از دست رفته ، مضرب مشترک گرفته و معادله اول را در 4 و معادله دوم را در 3 ، ضرب می‌کنیم:
12e- + 8H2 + 4MnO4- → 4MnO2 + 16OH
_جمع دو معادله جزئی، معادله نهایی را بدست می‌دهد:
4MnO4- + 3N2H4 →4OH- + 4MnO2 + 3N2 + 4H2O
روش عدد اکسایش برای موازنه واکنشهای اکسایش- کاهش
موازنه شامل سه مرحله است. برای مثال واکنش نیتریک اسید و هیدروژن سولفید را در نظر می‌گیریم. معادله موازنه نشده به قرار زیر است
HNO3 + H2S→ NO + S + H2O
_برای تشخیص اتمهایی که کاهیده یا اکسیده می‌شوند، اعداد اکسایش آنها را از معادله بدست می‌آوریم:
نیتروژن کاهیده شده (از +5 به +2 ، کاهشی معادل 3 در عدد اکسایش) و گوگرد اکسید شده است (از -2 به صفر ، یعنی افززایشی معادل 2 در عدد اکسایش).
_برای ان که مجموع کاهش در اعداد اکسایش برابر با مجموع افزایش این اعداد باشد، ضرایبی متناسب به هر ترکیب نسبت می‌دهیم:
2HNO3 + 3H2S→2NO + 3S +H2O
_موازنه معادله را ، با بررسی دقیقتر ، کامل می‌کنیم. در مراحل پیشین تنها موازنه موادی مطرح شد که اعداد اکسایش انها تغییر می‌کند. در این مثال‌ ، هنوز ضریبی برای H2O در نظر گرفته نشده است. ولی ملاحظه می‌شود که در سمت چپ واکنش 8 اتم H وجود دارد. همان سمت 4 اتم O نیز اضافی دارد. بنابراین ، برای تکمیل موازنه ، باید در سمت راست معادله ، 4H2O نشان داده شود:

2HNO3 + 3H2S → 2NO +3S + 4H2O

پس معادلات اکسایش- کاهش مانند واکنش‌های الکتروشیمیایی و واکنش های یونی را می‌توان با یکی از دو روش نامبرده موازنه کرد.
مواد مورد نیاز:
اسید اگزالیک 1/0 نرمال، اسید سولفوریک 6 نرمال ،پر منگنات پتاسیم مجهول
وسایل مورد نیاز:
بورت ،ارلن،بشر، پیپت ،گیره و پایه ، قیف ، بالن حجم سنجی ml100 دو عدد، شیشه ساعت ،میله همزن،هیتر

محلول سازی( دستور کار) :
ابتدا بورت را از محلول مجهول پر منگنات پتاسیم که توسط بالن حجم سنجی ml100 به حجم رسانده ایم پر می کنیم سپس توسط پیپت مدرج ml10 اسید اگزالیک را به داخل ارلن منتقل می کنیم N6 اسید سولفوریک (ml6 اسیدسولفوریک) به آن اضافه کرده و آن را تا حدود c75 حرارت     می دهیم ارلن را زیر بورت قرار داده و تا مشاهده رنگ صورتی تیتر می کنیم . تیتراسیون را دو تا سه بار تکرار می کنیم
سوالات:
1- نقش اسید سولفوریک در این آزمایش چیست؟
2- چرا پر منگنات را در ارلن و اسید اگزالیک رادر بورت نمی ریزیم ؟
3- چرا برای محیط اسیدی از HCl استفاده نمی کنیم؟
4- با یک رابطه موازنه شده نشان دهید چرا در نقطه پایانی رنگ KMnO4 محو می شود؟
5- چرا در ابتدا واکنش کند و در انتها سریع است؟
6- چرا اسید اگزالیک را بیش از 75c حرارت نمی دهیم ؟
7- چرا این تیتراسیون به معرف نیاز ندارد

جواب سوالات :
1- به عنوان کاتالیزگر عمل می کند.
2- زیرا اسید اگزالیک احیا می شود و الکترون میگیرد و پرمنگنات اکسایش پیدا کرده و الکترون از دست می دهد.
3- مقدار اسیدی هیدروژن کلرید نسبت به اسید اگزالیک کمتر است و هیدوژ ن کلرید نمی تواند احیا شود
4- 2MnO4+5C2O4+16H 2Mn+ 8H2O+10CO2
چون پتاسیم پر منگنات به آب و منگنز تبدیل شده است.

5-در ابتدای واکنس مقدار ماده واکنسش دهنده زیاد هر چه به انتهی واکنش نزدیک می شویم مقدار واکنش دهنده کمتر شده و سرعت بیشتر می شود
6- اسید اگزالیک خود به خود به دی اکسید کربن تبدیل شده و از واکنش بیرون میرود در نتیجه تیتراسیون رخ نمی دهد.
7- زیرا اسید اگزالیک احیا می شود و الکترون میگیرد و پرمنگنات اکسایش پیدا کرده و الکترون از دست می دهد.گرفتن و از دست دادن الکترون باعث تغییر رنگ می شود که به این نوع شناساگرها ، شناساگر عمومی می گویند .

نتیجه گیری:
روش دیگری که می توان با آن تیتراسیون انجام داد اکسیداسیون – احیا است که در آن ماده ای الکترون از دست می دهد (پر منگنات) و ماده ای احیا می شود و الکترون بدست می آورد (اگزالیک اسید)در این آزمایش به دلیل داشتن شناساگر عمومی پر منگنات احتیاج به شناساگر نداریم .

نام آزمایش: تیتراسیون اکسید و احیا

هدف آزمایش: اندازه گیری کلسیم با پتاسیم پرمنگنات

وسایل آزمایش: بالن ژوژه- ارلن مایر- بشر600 میلی لیتری- کاغذ صافی- قیف- بورت- دماسنج

مواد مورد نیاز: محلول سدیم اگزالات- محلول اسید سولفوریک- محلول پتاسیم پرمنگنات- کلسیم کربنات- محلول اسید کلرید- محلول آمونیوم اگزالات- متیل رد- اوره- آب مقطر

 

تئوری آزمایش:

پتاسیم پرمنگنات

  اکسنده پر قدرتی است که شاید در بین تمام عوامل اکسنده استاندارد بیشترین کاربرد را دارد. رنگ محلول پرمنگنات به اندازه ای شدید است که معمولا به شناساگر نیازی ندارد.

واکنشگر به آسانی و با قیمت ارزان در دسترس است .

از طرف دیگر، تمایل پرمنگنات به اکسایش یون کلرید یک عیب آن است ، زیرا هیدروکلریک اسید یک حلال بسیار مفید است. چند گانگی محصولات ممکنه واکنش گاهی می تواند باعث عدم قطعیت در استوکیومتری اکسایش پرمنگنات شود. بالاخره، محلولهای پرمنگنات پایداری محدودی دارند.

واکنشهای یون پرمنگنات

 

پتاسیم پرمنگنات اکثرا در محلولهایی که نسبت به اسیدهای معدنی    0.1N  یا بیشترند،به کاربرده می شود; در این شرایط محصول منگنز (II  ) است :

اکسایش پرمنگنات در محیط اسیدی معمولا به سرعت انجام می شود . استثناهای قابل ذکر عبارت اند از:

واکنش با اکسالیک اسید که به دمای بالا نیاز دارد و واکنش با آرسنیک( III)    اکسید که برای آن به کاتالیزوری مانند اوسمیم تتروکسید یا ید مونو کلرید نیاز است.

 

در محلولهای اسیدی ضعیف  ( ph  بالای 4 )   خنثی، یا قلیایی ضعیف، پرمنگنات معمولا متحمل یک کاهش سه الکترونی با تشکیل رسوب قهوه ای منگنز دیو اکسید، می شود تیتراسیون بعضی از گونه ها را می توان ترجیحا در این شرایط انجامداد. مثلا،سیانید به سیانات اکسید می شود;  سولفید ، سولفیت و تیو سولفات  به سولفات تبدیل می شوند  . منگنز (II ) به منگنز دیوکسید و هیدرازین به نیتروژن اکسید می شوند

 

محلولهای منگنز (III ) به علت تسهیم نا متناسب ، پایدار نیستند

 

نقطه پایانی

 

یکی از خواص واضح پتاسیم پرمنگنات رنگ ارغوانی شدید آن است که عموما به عنوان شناساگر در تیتراسیونها به کار می رود . در حدود 01/0 تا 02/0 میلی لیتر از محلول 02/0 (n1/0) کافی است تا رنگ محسوسی به 100 میلی لیتر آب بدهد برای محلولهای خیلی رقیق پرمنگنات، دی فنیل آمین سولفونیک اسید یا کمپلکس ارتوفنانترولین – آهن (II) نقطه پایانی تیزتری می دهند.

پایداری محلول پرمنگنات. محلولهای آبی پرمنگنات کاملا پایدار نیستند زیرا یون پرمنگنات میل دارد آب را اکسید کند. 

.مشاهده شده است که تجزیه پرمنگنات به وسیله نور، گرما، اسیدها، بازها، یون منگنز(II) و منگنز دیو کسید کاتالیز می شود.برای به دست آوردن یک واکنشگر پایدار جهت تجزیه کمی،ضروری است که تاثیر این اثرها به حداقل رسانده شود.

 

تجزیه محلولهای پر منگنات به مقدار زیادی در حضور منگنزدیوکسید تسریع می شود . چون منگنز دیوکسید یک فراورده تجزیه است ، لذا این جسم جامد اثر خودکاتالیزوری روی فرایند دارد .

هنگامی که محلول پر منگنات برای مدتی طولانی در بورت باقی بماند ، اغلب کاتالیزفوتوشیمیایی درتجزیه مشاهده می شود.

تشکیل لکه قهوه ای توسط منگنز دیوکسید نشانگر این است که واکنشگر متحمل تغییری شده است .

به طور کلی باید از گرم کردن محلولهای اسیدی محتوی پرمنگنات اضافی احتراز کرد زیرا خطای تجزیه حاصل را نمی توان به طور کامل با محلول شاهد جبران کرد. در عین حال کاملا قابل قبول است  که محلولهای گرم اسیدی کاهنده ها مستقیما با واکنشگر تیتر شوند ، زیرا در هیچ زمانی ، غلظت اکسنده در طی تیتراسیون  به اندازه کافی زیاد نمی شود تا بتواند باعث عدم قطعیت قابل ملاحظه ای در اندازه گیری بشود.

 

تهیه و نگهداری محلول های پرمنگنات

 

یک محلول پرمنگنات با پایداری مناسب را در صورتی می توان به دست آورد که چند نکته در تهیه آن رعایت شود :

شاید مهمترین متغیری که بر پایداری محلول پرمنگنات تاثیر می گذارد اثر کاتالیزوری منگنزدیوکسید باشد . این ترکیب یگ آلوده کننده اجتناب ناپذیر در پتاسیم پرمنگنات جامد است این جسم در موقع تهیه محلول پر منگنات در اثر اکسایش مواد آلی موجود در آب توسط پرمنگنات نیز تولید می شود.

 

خارج کردن منگنزدیوکسید به وسیله صاف کردن ، پایداری محلول استاندارد پر منگنات را به طور قابل ملاحظه ای افزایش می دهد.

قبل از صاف کردن محلول باید وقت کافی برای کامل شدن اکسایش آلوده کننده موجود در آب داده شود . جهت تسریع در فرایند اکسایش می توان محلول را جوشاند . برای صاف کردن محلول نمی توان از کاغذ استفاده کرد ، زیرا در اثر ترکیب با پر منگنات ، دیوکسد ناخواسته تولید می شود .

محلول های استاندارد شده را باید در تاریکی نگه داشت . چنانچه جسم جامدی در محلول مشاهده شود ، صاف کردن و استاندارد کردن مجدد ضروری است.

 

استاندارد کردن با سدیم اکسالات

 

در محلول اسیدی ، پرمنگنات ،  اکسالیک اسید را به کربن دیوکسید و آب اکسید می کند

 

این واکنش پیچیده است و در دمای اتاق به کندی پیش وی رود حتی در دماهای بالا نیز سریع نیست مگر اینکه به وسیله یون منگنز (II ) کاتالیز شود . بنابراین تیتراسیون پرمنگنات در آغاز به چند ثانیه ای وقت نیاز دارد تا محلول گرم اکسالیک اسید حاوی پرمنگنات بیرنگ شود . پس از آن در ، وقتی غلظت یون منگنز (II) قابل توجه شود بی رنگ شدن محلول در نتیجه خود کاتالیزوری تسریع می شود.

منبع:

WWW.Takparastar.mihanblog.com

 

شرح آزمایش:

آزمایش شامل 2 قسمت است:

قسمت اول: استاندارد کردن پتاسیم پرمنگنات

در ابتدا نیاز به 1 گرم سدیم اگزالات داریم که درون یک بالن ژوژه 100 میلی لیتری انتقال می دهیم. 20 میلی لیتر آب مقطر به آن اضافه می کنیم و خوب هم می زنیم. سپس محلول را تا خط نشانه بالن رقیق می کنیم. 25 میلی لیتر از آن را درون یک ارلن می ریزیم و 100 میلی لیتر اسید سولفوریک 2 مولار به آن اضافه می کنیم. دماسنج را درون محلول قرار می دهیم و محلول را تا دمای 70-60 درجه حرارت می دهیم، چون سرعت واکنش پرمنگنات با اگزالات کم است. درون بورت پرمنگنات می ریزیم و تیتراسیون را با محلول داغ درون آغاز می کنیم تا رنگ محلول ارغوانی کم رنگ شود. در آغاز تیتراسیون، سرعت تیتر کردن آهسته است، زیرا در ابتدای واکنش کاتالیزگر منگنز وارد واکنش نشده است ولی بعد از گذشت مدتی کاتالیزگر باعث افزایش سرعت واکنش می شود.  این تیتراسیون را 2 بار انجام می دهیم و از حجم مصرفی پرمنگنات میانگین می گیریم. در نقطه پایانی تعداد میلی مول های پرمنگنات برابر 5/2 تعداد میلی مول های اگزالات است و مولاریته پرمنگنات را بدست می آوریم.

قسمت دوم: اندازه گیری کلسیم

در یک بشر 600 میلی لیتری نمونه جامد کلسیم کربنات می ریزیم و با اسید کلرید غلیظ که با آب رقیق شده است، حل می کنیم. سپس 20 میلی لیتر اوره، 40 میلی لیتر آمونیوم اگزالات به آن اضافه می کنیم وبا 400 میلی لیتر آب مقطر رقیق می کنیم. چند قطره هم معرف متیل رد به آن اضافه می کنیم و بشر را حرارت می دهیم تا رنگ صورتی محلول به زرد تبدیل شود. پس از سرد شدن محلول، رسوب آن را صاف می کنیم و با آب مقطر  3 بار می شوییم. برای اطمینان از حذف کامل کلرید از رسوب آن را با نقره نیترات تست می کنیم(اینگونه که پس از ریختن آب مقطر روی رسوب چند قطره از آب خروجی از قیف را درون یک لوله آزمایش می ریزیم و2-1 قطره نقره نیترات به آن اضافه می کنیم، اگر دارای یون کلرید باشد نقره کلرید تشکیل می شود و باعث کدری محلول می شود). شستشو را آنقدر ادامه می دهیم که دیگر اثری از یون کلرید در رسوب نباشد. بعد از آن رسوب را در اسید سولفوریک گرم و رقیق حل می کنیم و محلول را تا دمای 70-60 حرارت می دهیم. درون بورت پتاسیم پرمنگنات می ریزیم و تیتراسیون را با ارلن داغ انجام می دهیم تا رنگ ارغوانی کم رنگ مشاهده شود. حجم مصرفی پرمنگنات را یادداشت می کنیم. در نقطه هم ارزی تعداد میلی مول های کلسیم پرمنگنات برابر تعداد میلی مول های اگزالات است که برابر با تعداد میلی مولهای کلسیم است.

نکته: اوره در حرارت و آب هیدرولیز می شود و باعث کاهش   PH و کاهش قدرت اسیدی محلول و قلیایی شدن آن می شود. این امر باعث می شود که محلول پس از حرارت و انجام واکنش به رنگ زرد تبدیل شود، چون معرف متیل رد در محیط قلیایی زرد است.  

 

محاسبات:

قسمت اول:

V1= 20.6               V2=  20.7                        V= 20.65

V.Mپرمنگنات=2/5 V.Mاگزالات                                             

     20.65 × M= 2/5 × 25  × 0.05                        M=0.024213

قسمت دوم:

V= 22                             پرمنگنات5/2 V.M= V.Mاگزالات

  5/2 × 22 × 0.024213= 1.331715 تعداد میلی مولهای اگزالات

تعداد میلی مولهای اگزالات = تعداد میلی مولهای کلسیم

1.331715mmolCaCO3 ×1mol/103mmol ×100.06gr/1mol=0.13325gr

خطاگیری:

مقدار تجربی:  0.133                             مقدار واقعی:  0.15

 

 درصد خطا:             0.13-0.15/0.15× 100=  -11.1467

 

+ نوشته شده در  یکشنبه بیست و سوم آبان 1389ساعت 9:48 قبل از ظهر  توسط a.d.d  |