Возможности применения методов ступенчатого титрования

Возможности применения методов ступенчатого титрования

1. Литературный обзор

1.1 Общая характеристика ступенчатого титрования

В количественном экспресс-анализе используются большей частью титриметрические и физико-химические методы.

Из титриметрических методов используется большинство известных способов титрования.

Несмотря на огромное разнообразие в химической структуре лекарственных веществ, много соединений имеют одинаковые функциональные группы, что дает возможность определять их одинаковыми химическими методами.

При количественном анализе необходимо выбрать наиболее точный и удобный метод, при этом руководствуются индивидуальными свойствами анализируемого вещества, а также видом лекарственной формы, рН среды, присутствие электролитов, а также веществ, которые вступают в аналогичные реакции.

Поэтому знание альтернативных вариантов определения различными титриметрическими методами. Особенностей взаимодействия индикаторов, титрованных растворов при анализе смесей приобретает особое значение.

Среди используемых приемов при количественном определении лекарственных средств титриметрическими методами особое место занимает ступенчатое титрование в общем и ступенчатое кислотно-основное титрование в частности.

В основе ступенчатого кислотно-основного титрования лежит метод последовательного определения лекарственных веществ данной смеси в одной отобранной пробе, используя различные индикаторы.

Так, данный метод можно использовать при определении смесей карбоновых кислот или их солей с барбитуратами, органическими основаниями, аминокислот в смеси с органическими кислотами, например, никотиновой и аскорбиновой.

При этом в зависимости от свойств компонентов смеси, используют следующие приемы:

если компоненты смеси значительно различаются по кислотно-основным свойствам, то используют два разных индикатора, титрование производится последовательно. При титровании смеси кислот или оснований с различными константами диссоциации вначале титруются более сильные кислоты (основания), затем - более слабые;

если один из компонентов смеси - кислота, а второй - основание или соль, то сначала оттитровывают кислоту, а на втором этапе - сумму присутствующей и образовавшейся соли или основания. Расчеты производят по разности затраченных растворов титрантов щелочи и кислоты соответственно;

если необходимо проанализировать смесь лекарственных веществ, одно из которых нерастворимо в воде, то используют смешанные растворители или их несмешивающуюся комбинацию. Так, подбором соответствующих растворителей и индикаторов можно определить два лекарственных вещества со сходными кислотно-основными свойствами;

неводное титрование включает два способа, один из которых позволяет определять каждый компонент в том растворителе, в котором данное вещество проявляет либо только кислотные, либо только основные свойства. Так определят системы кислота + соль, кислота + основание, основание + соль. Второй способ использует дифференцированное титровании в одном растворителе обоих ЛВ, имеющих разные константы ионизации. Так определяют системы основание + основание, соль + основание;

последовательное титрование одной навески ЛФ вначале в водной, а затем в неводной среде. Этот вариант используют в случае, если в смеси находятся слабые основания и более сильные основания, или слабые основания и слабокислые вещества, например, пуриновые алкалоиды и более основные алкалоиды или пуриновые алкалоиды и барбитураты.

Так, барбитураты можно определить алкалиметрическим титрованием после предварительного извлечения эфиром, а пуриновые алкалоиды определяют в неводной среде методом неводного титрования.

1.2 Теоретические основы ступенчатого титрования

1.2.1 Титрование многоосновных кислот

Возможности ступенчатого титрования можно показать на примере многоосновных кислот.

При титровании многоосновных кислот возможно появление двух или более скачков титрования.

Диссоциация двухосновной кислоты происходит по следующей схеме:

Н2А = НА- + Н+

НА- = А2- + Н+

Каждая стадия диссоциации соответственно характеризуется константой диссоциации:

Для определения с достаточной точностью необходимо, чтобы погрешность титрования была не более 1%. В данном примере это обозначает, что кислота по первой ступени должна прореагировать со щелочью не менее, чем на 99%, а по второй ступени - не более, чем на 1%.

Эти условия можно записать в виде следующих соотношений:

Перепишем выражения для констант диссоциации следующим образом:

При сочетании последних уравнений соответственно попарно получим следующие выражения:

Равновесные концентрации водорода в первом и втором выражении относятся к одному и тому же раствору, соответственно, они равны. Поделим первое уравнение на второе и упростим полученное выражение, получим:

или

Таким образом, получили условие, которое указывает на возможность раздельного титрования многоосновной кислоты и, соответственно, двух веществ с различными константами диссоциации (например, смеси сильной и слабой кислот).

Условие следующее: титрование кислоты по первой ступени (или первой кислоты в смеси) с погрешностью не более 1% возможно, если вторая константа диссоциации на 4 порядка меньшей, чем первая.

Можно аналогичным образом показать, что при различии констант диссоциации на 6 и более порядков дает возможность оттитровать кислоты с погрешностью не более 0,1%.

В качестве примера рассчитаем кривую титрования трехосновной кислоты щелочью - 100 мл 0,1М раствора Н3РО4 0,1М раствором NaOH.

Для фосфорной кислоты имеются следующие справочные данные:

К1 = 7,6*10-3

К2 = 6,3*10-8

К3 = 4,2*10-13

рН в первой точке титрования может быть рассчитано по уравнению:

моль/л

При прибавлении щелочи протекает реакция:

NaOH + H3PO4 = NaH2PO4 + H2O

После прибавления 9,0 мл гидроксида натрия равновесная концентрация H2PO4 - составит 0,009 + [H+], а концентрация H3PO4 соответственно будет 0,091 - [H+].

Подставим данные значения в выражение для константы диссоциации по первой ступени:

Откуда концентрация ионов водорода:

рН = 1,72

При прибавлении 50 мл щелочи получим: равновесная концентрация H2PO4 - составит 0,050 + [H+], а концентрация H3PO4 соответственно будет 0,050 - [H+].

Откуда концентрация ионов водорода:

рН = 2,22

Далее аналогичным образом можно получить, что при добавлении 90 мл гидроксида натрия концентрация ионов водорода составит:

рН = 3,17

При прибавлении 99 мл:

рН = 4,15

В точке эквивалентности рН рассчитывают с помощью такой формулы:

При прибавлении 101 мл равновесные концентрации ионов равновесная концентрация H2PO4 - составит 0,099 - [H+], а концентрация HPO42 - соответственно будет 0,001 + [H+].

Концентрацию ионов водорода рассчитаем по формуле:

моль/л

рН = 5,21

Аналогично рассчитываются другие точки до второй точки эквивадентности.

Для второй точки эквивалентности получим:

Аналогично рассчитывается кривая титрования до третьей точки эквивалентности.

Из полученных данных можно построить кривую титрования, изображенную на рис. 1.

На этой кривой имеется два скачка титрования: первый соответствует достижению первой точки эквивалентности, второй - второй точке эквивалентности.

Рис. 1. Кривая титрования 100 мл 0,1М раствора фосфорной кислоты 0,1М раствором гидроксида натрия

На кривой титрования показаны интервалы перехода метилоранжа и фенолфталеина (таблица 1). Эти индикаторы изменяют свой цвет в области первой и второй точки эквивалентности соответственно. Таким образом, фосфорная кислота титруется как одноосновная в присутствии метилоранжа и как двухосновная в присутствии фенолфталеина.

Данный пример иллюстрирует возможность титрования смеси кислот различной силы в присутствии двух индикаторов с соответствующими интервалами перехода окраски.

Таблица 1. Важнейшие кислотно-основные индикаторы

ИндикаторИнтервал перехода ?рНIndрТрКa(HInd)Изменение окраскиМетиловый оранжевый3.1 - 4.44.03.5Красная - желтаяБромкрезоловый зеленый3.8 - 5.44.54.9Желтая - синяяМетиловый красный4.2 - 6.25.55.0Красная - желтаяБромкрезоловый пурпурный5.2 - 6.86.06.4Желтая - фиолетоваяБромтимоловый синий6.0 - 7.67.07.3Желтая - синяяФеноловый красный6.8 - 8.47.58.0Желтая - краснаяТимоловый синий8.0 - 9.68.59.2То жеФенолфталеин8.2 - 10.09.09.5Бесцветная - красная1.2.2 Титрование смеси кислот

Так, смесь, состоящую из двух сильных кислот, раздельно оттитровать невозможно.

Смесь сильной и слабой кислоты может быть оттитрована при условии, получаемой аналогично условию раздельного титрования смеси слабых кислот.

Если относительная погрешность титрования составляет не более 1%, то в точке эквивалентности для сильной кислоты слабая кислота должна прореагировать не более, чем на 1%.

Математически это можно выразить так:

Из выражения константы диссоциации получим:

Откуда:

Таким образом, когда на 99% будет оттитрована сильная кислота с концентрацией 0.1М, то рН в растворе составляет 3,0.

Константа диссоциации, полученная из последнего выражения, показывает наибольшее значение, при котором можно оттитровать сильную кислоту в присутствии слабой с относительной погрешностью не более, чем 1%.

Из приведенных выше значений получаем, что или .

С помощью этого критерия можно приблизительно определять относительную погрешность титрования смеси кислот, например, соляная кислота может быть оттитрована в присутствии уксусной с константой диссоциации 1,74*10-5 с относительной погрешностью более, чем 1% (рис. 2), а в присутствии щавелевой с первой константой диссоциации 5,6*10-2 погрешность определения будет значительно больше.

Рис. 2. Кривая титрования смеси 0,1М соляной и 0,1М уксусной кислот 0,1М раствором гидроксида натрия

На кривой титрования смеси 0,1М соляной и 0,1М уксусной кислот 0,1М раствором гидроксида натрия видно два скачка титрования, причем первый выражен нерезко, а второй виден довольно отчетливо.

Данная смесь может быть оттитрована с использованием двух индикаторов: метилоранжа для количественного определения соляной кислоты и фенолфталеина для количественного суммарного определения обеих кислот в смеси.

1.2.3 Титрование карбонатных смесей

Покажем на практике применение ступенчатого титрования.

Твердые щелочи и их растворы поглощают углекислый газ из воздуха, превращаясь в соответствующие карбонаты:

2NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O.

Вследствие этого растворы натрий гидроксида всегда содержат примеси Na2CO3. В отдельных случаях важно знать содержание NaOH и Na2CO3 в растворе.

Приведем кривые титрования гидроксида натрия (рис. 3) и карбоната натрия (рис. 4).

Рис. 3. Кривая титрования 0,1М раствора гидроксида натрия 0,1М раствором соляной кислоты

Рис. 4. Кривая титрования 0,1М раствора карбоната натрия 0,1М раствором соляной кислоты

Как видно из анализа данных кривых титрования, обесцвечивание индикатора метилоранжа происходит тогда, когда гидроксид натрия оттитрован полностью, а карбонат натрия весь переведен в гидрокарбонат:

NaOH + HCl = NaCl + H2O2CO3 + HCl = NaHCO3 + H2O

Пусть обесцвечивание фенолфталеина произошло, когда было использовано V1 мл соляной кислоты.

При дальнейшем добавлении титранта протекает следующая реакция:

NaНCO3 + HCl = NaCl + CO2 + H2O

Изменение цвета метилоранжа протекает при окончании этой реакции, что соответствует объему титранта V2.

Таким образом, разность V2 - V1 дает объем соляной кислоты, который был затрачен на последнюю реакцию. На реакцию с карбонатом натрия (до гидрокарбоната) и с гидрокарбонатом натрия (до карбоната) расходуется одно и то же количество титранта, соответственно, объем кислоты, затраченный на титрование карбоната натрия, составит 2 (V2 - V1).

Таким образом, на реакцию с гидроксидом натрия расходуется V2 - 2 (V2 - V1) = 2V1 - V2 мл соляной кислоты.

Таким образом, массу карбоната натрия рассчитываем по формуле:

М (1/2 Na2CO3)

Массу гидроксида натрия:

М(NaОН)

В аналогичных условиях можно оттитровать также смесь гидрокарбоната и карбоната натрия.

Обесцвечивание фенолфталеина происходит при окончании реакции

2CO3 + HCl = NaHCO3 + H2O

Объем титранта при этом составляет V1, а изменение окраски метилоранжа происходит при окончании протекания реакции

NaНCO3 + HCl = NaCl + CO2 + H2O

2 - общий объем кислоты, который расходуется на титрование заданной смеси.

Таким образом, ни титрование находящегося в исходной смеси гидрокарбоната натрия расходуется V2 - 2V1 мл титранта.

Таким образом, расчетные формулы будут иметь вид:

М(NaНCO3)

М (1/2 Na2CO3)

1.3 Анализ лекарственных форм

Настоя травы термопсиса 200,0 мл

Натрия бензоата 2,0

Натрия гидрокарбоната 4,0

Нашатырно-анисовых капель 4,0 мл

В данной лекарственной форме используется ступенчатое титрование. Значение рН в 1-й точке эквивалентности составляет 5,2. Поэтому при определении натрия гидрокарбоната используют в качестве индикатора метиловый красный (интервал перехода окраски при рН 4,2-6,3). Значение рН во 2-й точке эквивалентности составляет 2,87. В качестве индикатора используют метиловый оранжевый, интервал изменения окраски которого наиболее близок для определения кислоты бензойной (рН 3,0-4,4). Накопление в растворе кислоты бензойной приводит к изменению цвета индикатора раньше достижения точки эквивалентности. Поэтому в реакционную среду добавляют эфир, который экстрагирует кислоту бензойную. Кроме того, метиловый оранжевый не растворяется в эфире (в отличие от метилового красного) и удобен для фиксирования точки эквивалентности реакции, протекающей в водной фазе.

Реакция титрования натрия гидрокарбоната:

НCO3 + HCl = NaCl + CO2 + H2O

Реакция титрования натрия бензоата:

Раствора натрия бромида 2% 200 мл

Барбитал-натрия 2,0

Кофеин-бензоата натрия 1,0

Анализ данной лекарственной формы - определение барбитал-натрия и кофеин-бензоата натрия - производится с помощью ступенчатого титрования. Бромид натрия определяют в отдельной аликвоте аргентометрическим методом.

При ступенчатом титровании сначала в водной среде титруют барбитал-натрия с индикатором метиловым красным. По окончании реакции титрования в систему прибавляется эфир, которым извлекается барбитал, а в водной среде производится количественное определение кофеин-бензоата натрия с метиленовым синим и метиловым оранжевым титрованием соляной кислотой.

Реакция титрования бромида натрия:

+ AgNO3 = AgBr? + NaNO3

Реакция титрования барбитал-натрия:

Как видно из данной схемы, в водной среде происходит гидролиз натриевой соли барбитурата до барбитуровой кислоты. Выделившийся при этом гидроксид натрия оттитровывают соляной кислотой.

Реакция титрования кофеин-бензоата натрия по бензоату натрия:

Натрия гидрокарбоната 2,0

Натрия тетрабората 1,0

Ланолина безводного

Воды по 10,0

При анализе данной лекарственной формы сначала определяется ацидиметрическим методом гидрокарбонат натрия.

Реакция титрования натрия гидрокарбоната:

NaНCO3 + HCl = NaCl + CO2 + H2O

В кислой среде тетраборат натрия превращается в борную кислоту:

Na2B2O7 + 2HCl + 5H2O = 4H3BO3 + 2NaCl

К реакционной смеси прибавляют глицерин - растворы борной кислоты в глицерине в результате образования одноосновной комплексной диглицеринборной кислоты имеют более выраженную кислую реакцию (по сравнению с водным раствором борной кислоты):

Собственно реакция титрования:

2. Экспериментальная часть

2.1 Лекарственная форма №1

Настоя травы термопсиса 200,0 мл

Натрия бензоата 2,0

Натрия гидрокарбоната 4,0

Нашатырно-анисовых капель 4,0 мл

Натрия гидрокарбонат. 2 мл лекарственной формы помещали в склянку с притертой пробкой, прибавляют 1-2 капли раствора метилового красного и титруют 0,1 моль/л раствором кислоты хлороводородной до красного окрашивания.

Содержание натрия гидрокарбоната (Х) в граммах вычисляли по формуле:

где:

А - количество 0,1 моль/л раствора кислоты хлороводородной, израсходованное на титрование суммы натрия гидрокарбоната и аммиака в нашатырно-анисовых каплях, мл;- общий объем лекарственной формы, мл;

В-содержание нашатырно-анисовых капель в микстуре, мл;

,8 - среднее количество 0,1 моль/л раствора кислоты хлороводородной для нейтрализации аммиака в 1 мл нашатырно-анисовых капель, мл;

,0084 - количество натрия гидрокарбоната, соответствующее 1 мл

,1 моль/л раствора кислоты хлороводородной, г.

Натрия бензоат. К оттитрованному раствору прибавляли 5-10 мл эфира, 2 капли раствора метилового оранжевого и титровали 0,1 моль/л раствором кислоты хлороводородной при энергичном взбалтывании до розового окрашивания водного слоя (V1).

мл 0,1 моль/л раствора кислоты хлороводородной соответствует 0,01441 г. натрия бензоата.

Расчетная формула:

Нашатырно-анисовые капли. Фотоколориметрический метод. К 0,2 мл лекарственной формы прибавляли 8,8 мл свежепрокипяченной охлажденной воды, 1 мл реактива Несслера и перемешивали. Через 5 мин измеряли оптическую плотность окрашенного раствора (D1) при длине волны около 450 нм в кювете с толщиной слоя 5 мм.

Раствор сравнения: смесь из 1 мл реактива Несслера и 9 мл свежепрокипяченной охлажденной воды.

Параллельно проводили реакцию с 0,2 мл 1% стандартного раствора нашатырно-анисовых капель (0,002 мл) и с 0,2 мл стандартного раствора сухого экстракта термопсиса и измеряют оптические плотности этих эталонных растворов (D2 и D3). Содержание нашатырно-анисовых капель (Х) в миллилитрах вычисляли по формуле:

2.2 Лекарственная форма №2

Раствора натрия бромида 2% 200 мл

Барбитал-натрия 2,0

Кофеин-бензоата натрия 1,0

Натрия бромид. Отбирали 1 мл раствора, к нему прибавляли 2 капли раствора бромфенолового синего, по каплям разведенную уксусную кислоту до зеленовато-желтого окрашивания, титровали 0,1М раствором нитрата серебра до фиолетового окрашивания.

мл 0,1М раствора нитрата серебра соответствует 0,01029 г. бромида натрия.

Расчетная формула:

Барбитал-натрий. Отбирали 2 мл раствора и титровали отобранную аликвоту с индикатором метиловым красным до красного окрашивания.

мл 0,1М соляной кислоты соответствует 0,02062 г. барбитал-натрия.

Расчетная формула:

Кофеин-бензоат натрия. К оттитрованной жидкости прибавляли 3 мл эфира и взбалтывали. Затем прибавляли 2 капли раствора метилового оранжевого и 1 каплю раствора метиленового синего и титровали 0,1М раствором соляной кислоты при взбалтывании до фиолетового окрашивания водного слоя, который сравнивали с окраской, полученной при проведении контрольного опыта.

мл 0,1М соляной кислоты соответствует 0,02322 г. кофеин-бензоата натрия.

Расчетная формула:

2.3 Лекарственная форма №3

Натрия гидрокарбоната 2,0

Натрия тетрабората 1,0

Ланолина безводного

Воды по 10,0

Натрия гидрокарбонат и натрия тетраборат. К 1 г мази прибавляют по 2-3 мл хлороформа и воды, перемешивают до растворения основы и препаратов, титруют 0,1 моль/л раствором кислоты хлороводородной при перемешивании до розового окрашивания водного слоя (индикатор - метиловый оранжевый) (V1 мл).

Оттитрованную жидкость нагревают на водяной бане 10 мин (удаление угольного ангидрида и хлороформа). После охлаждения добавляют 5-6 мл глицерина, нейтрализованного по фенолфталеину, и титруют 0,1 моль/л раствором натрия гидроксида до розового окрашивания (V2 мл) (натрия тетраборат).

мл 0,1 моль/л раствора натрия гидроксида соответствует 0,00954 г. натрия тетрабората.

мл 0,1 моль/л раствора кислоты хлороводородной соответствует 0,0084 г. натрия гидрокарбоната.

Выводы

. В основе ступенчатого кислотно-основного титрования лежит метод последовательного определения лекарственных веществ данной смеси в одной отобранной пробе, используя различные индикаторы.

. Так, данный метод можно использовать при определении смесей карбоновых кислот или их солей с барбитуратами, органическими основаниями, аминокислот в смеси с органическими кислотами.

. Возможности ступенчатого титрования можно показать на примере многоосновных кислот. При титровании многоосновных кислот, также как и при титровании лекарственных веществ кислот или оснований различной силы возможно появление двух или более скачков титрования.

4. Смесь, состоящую из двух сильных кислот или сильных оснований, раздельно оттитровать невозможно. Смесь сильной и слабой кислоты (сильного и слабого основания) может быть оттитрована при условии раздельного титрования смеси слабых кислот (оснований): .

5. Пример использования на практике ступенчатого титрования: определение содержания NaOH и Na2CO3 в растворе щелочи.

Список литературы

титрование барбитурат эфир ступенчатый

1. Крешков, А.П. Основы аналитической химии / А.П. Крешков. - М.: Химия, 1976. - Кн. 1 - 3.

. Васильев, В.П. Аналитическая химия / В.П. Васильев. - М.: Высшая школа, 1989. - Т. 1, 2.

. Основы аналитической химии: в 2 кн. / Ю.А. Золотов и др. - М., 1999.

4. Мелентьева Г.А., Антонова Л.А. Фармацевтическая химия 2-е изд. М.: Медицина, 1993. 576 с.

. Беликов В.Г. Фармацевтическая химия. - Учебное пособие. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Изд-во Медпресс-информ, 2007. 624 с.

6. Анализ лекарственных форм, изготовляемых в аптеках/М.И. Кулешова, Л.Н. Гусева, О. К - Сивицкая. - Пособие. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Медицина, 1989. - 288 с.

. Зелинский Ю.Г. и др. Выделение и очистка веществ в химико-фармацевтической промышленности. - М.: Медицина, 1982. - 239 с.

8. Государственная фармакопея. Одиннадцатое издание, выпуск 1. Общие методы анализа. Москва, «Медицина», - 1987 г., 355 с.