Chemia analityczna Analiza kompleksometryczna Zakład Chemii Medycznej Pomorskiego Uniwersytetu Medycznego Wiązanie koordynacyjne np. [Fe(CN)6]4- Wiązanie koordynacyjne (donorowo-akceptorowe)  tworząca je para elektronów pochodzi od jednego atomu – donoru  akceptor uzupełnia ostatnią.

Download Report

Transcript Chemia analityczna Analiza kompleksometryczna Zakład Chemii Medycznej Pomorskiego Uniwersytetu Medycznego Wiązanie koordynacyjne np. [Fe(CN)6]4- Wiązanie koordynacyjne (donorowo-akceptorowe)  tworząca je para elektronów pochodzi od jednego atomu – donoru  akceptor uzupełnia ostatnią.

Chemia analityczna
Analiza
kompleksometryczna
Zakład Chemii Medycznej
Pomorskiego Uniwersytetu Medycznego
Wiązanie koordynacyjne
np.
[Fe(CN)6]4-
Wiązanie koordynacyjne (donorowo-akceptorowe)

tworząca je para elektronów pochodzi od jednego atomu –
donoru

akceptor uzupełnia ostatnią powłokę elektronową do konfiguracji
najbliższego gazu szlachetnego

donor uzyskuje ładunek dodatni, akceptor uzyskuje ładunek
ujemny

donorami elektronów są atomy lub jony z przynajmniej jedną
wolną parą elektronów, np. azot, tlen siarka, jon chlorkowy

akceptorami zazwyczaj są jony wodoru oraz atomy mające lukę
oktetową.
2
Związki kompleksowe
K4[Fe(CN)6]

w związku kompleksowym można wyodrębnić wewnętrzną
i zewnętrzną sferę koordynacyjną

w skład sfery wewnętrznej związku kompleksowego
wchodzą:



jon centralny (centrum koordynacji)
otaczające jon centralny ligandy
heksacyjanożelazian(II) potasu K4[Fe(CN)6]
3
Związki kompleksowe

jonami centralnymi są najczęściej kationy – jony
pierwiastków z grup pobocznych, o niecałkowicie
zapełnionych elektronami podpowłokach p lub d



najczęściej kationy metali takich jak żelazo, kobalt, nikiel,
mangan oraz platynowce, miedziowce i cynkowce
atomy te mają większą tendencję do tworzenia kompleksów na
wyższych stopniach utlenienia
centrum koordynacji to niemetale, które tworzą proste jony
kompleksowe, będące resztami odpowiednich kwasów
tlenowych

niemetale – [SO4]2-, [PO4]3-,[BH4]-, [SiF6]2-
4
Związki kompleksowe

ligandami, mogą być



niektóre ligandy o odpowiedniej budowie cząsteczki mogą
dostarczać dwu lub więcej atomów skoordynowanych wokół
atomu centralnego.


obojętne cząsteczki, np. NH3, H2O, CO,
ujemne jony, np. CN-, Cl-
ligandy takie nazywamy ligandami chelatowymi lub
kleszczowymi
Kompleksy chelatowe


charakteryzują się znacznie większą trwałością niż kompleksy
z ligandami prostymi
stosowane są w analizie miareczkowej (EDTA)
5
Miareczkowanie kompleksometryczne

reakcje analityczne z użyciem odczynnika
kompleksotwórczego jako titranta

titrant tworzy z oznaczanym jonem kompleks:


trwały
o jednoznacznym składzie chemicznym
Reakcje podczas miareczkowania kompleksometrycznego -
reakcje wymiany ligandów
6
Miareczkowanie kompleksometryczne

reakcje zachodzące podczas miareczkowania
Me + nL



Me(L)n
Me - stężenie jonów metalu
L - titrant – roztwór ligandu
n – liczba koordynacyjna
7
Grupy odczynników kompleksujących
ligandy jednofunkcyjne (tylko jeden atom ligandowy w
cząsteczce) –
NH3, SCN-, H2O
kompleksy proste:





aminokompleksy Cu(NH3)42+ - tetraaminomiedziowy
Ag(NH3)2+ - diaminasrebrowy
cyjanokompleksy - żelazo i żelazicyjanki
kompleksy rodankowe (z żelazem)
akwakompleksy
Me(L1)n + n L2
Me(L2)n + n L1
bardziej trwały kompleks
czasem zmiana liczby koordynacyjnej
8
Grupy odczynników kompleksujących
ligandy wielofunkcyjne
 ligandy wielokleszczowe




chelat - w cząsteczce ligandu atomy ligandowe i grupy
kwasowe są tak usytuowane, że tworzą trwały pierścień
(5, 6 atomów)


atomy ligandowe + grupy kwasowe
trwalsze niż proste,
większa zmiana entropii
chelaty elektroujemne i elektrododatnie służą do maskowania
chelat wewnętrzny – kompleks elektrycznie obojętny
(ze skompensowanym ładunkiem)
9
Grupy odczynników kompleksujących
ligandy wielofunkcyjne

grupy solotwórcze:





hydroksylowa -OH
tiolowa -SH
karboksylowa -COOH
oksymowa -NOH
sole wewnątrzkompleksowe:




nie rozpuszczają się w wodzie
rozpuszczają się w rozpuszczalnikach niepolarnych CCl4, CHCl3
wykorzystywane do ekstrakcji i
w analizie wagowej
10
Grupy odczynników kompleksujących –
kompleks jednordzeniowy M(L)n
2
+Ni2+
dimetyloglioksym różowy osad –


analiza wagowa lub
ekstrakcja rozpuszczalnikiem organicznym
11
http://www.e-chemia.nazwa.pl/efektowna/?page_id=35
Grupy odczynników kompleksujących –
ligandy wielofunkcyjne (kleszczowe)
KOMPLEKSONY –
pochodne kwasów aminopolikarboksylowych



Komplekson I – kwas aminotrioctowy (NTA);
H3Y- ligand czterokleszczowy
tworzy kompleksy z metami jak Ca2+, Cu2+, Fe3+
łatwo ulega biodegradacji
12
Grupy odczynników kompleksujących –
ligandy wielofunkcyjne (kleszczowe)
Komplekson II
 kwas etylenodiamino N,N'-tetraoctowy
H4Y- ligand sześciokleszczowy
13
Grupy odczynników kompleksujących –
ligandy wielofunkcyjne (kleszczowe)
Komplekson III EDTA; Na2H2Y · 2 H2O
 sól disodowa kwasu etylenodiaminotetraoctowego
14
Grupy odczynników kompleksujących –
ligandy wielofunkcyjne (kleszczowe)
kwas 1,2-diaminocykloheksano N,N'- tetraoctowy (DCTA)
ligand sześciokleszczowy – tworzy bardzo trwałe kompleksy
15
Grupy odczynników kompleksujących –
ligandy wielofunkcyjne (kleszczowe)
kwas dietylenotriaminopentaoctowy (DTPA)
 trwałe kompleksy oktaedryczne z pierwiastkami z
grupy lantanowców i aktynowców
16
Komplekson III
Sól disodowa kwasu etylenodiaminotetraoctowego
 bardzo trwały, trudno ulega rozłożeniu

titrant o trwałym mianie

łatwo rozpuszczalny w wodzie

tworzy stosunkowo trwałe kompleksy chelatowe z wieloma
jonami metali wielowartościowych


duży skok krzywej miareczkowania
powstałe kompleksy są bezbarwne jeśli sam metal nie ma
właściwości chromoforowych (Fe, Cr, Cu, Ni)

możliwość stosowania barwnych wskaźników
17
Komplekson III

z jonami metali wielowartościowych, niezależnie od ich
wartościowości, reaguje w stosunku 1:1
Men+ + H2Y2- + 2H2O ⇆ MY(n-4)+ + 2H3O+

dla kationu czterowartościowego powstały kompleks jest
chelatem wewnętrznym z zerowym ładunkiem elektrycznym

równowaga reakcji kompleksowania zależy od pH roztworu,

pozwala na łatwe sterowanie przebiegiem reakcji
18
Komplekson III

zdolność do tworzenia kompleksów chelatowych z metalami
zależy od pH roztworu

barwne wskaźniki umożliwiają obserwację końca reakcji
kompleksowania jonów podczas miareczkowania

miareczkowanie roztworami EDTA (kompleksometria) ma
zastosowanie do oznaczania



metali (miareczkowanie proste i odwrotne)
niemetali (metody pośrednie)
mianowane roztwory EDTA można stosować w stężeniach
0,1 M do 0,001 M, co umożliwia oznaczanie pierwiastków w
bardzo szerokich zakresach stężeń.
19
Komplekson III - zastosowania

odczynnik kompleksujący w chemii analitycznej

środek zmiękczający wodę

środek konserwujący żywność (wiązanie kationów metali ciężkich
–niepożądanych kofaktorów enzymów)

składnik roztworów buforowych

zapobieganie pozaustrojowemu krzepnięciu krwi (wiązanie jonów
wapnia)

stosowany jako odtrutka w zatruciach metalami ciężkimi

stosowany w nawozach mikroelementowych

inhibitor metaloproteaz
20
Trwałość kompleksów

typ wiązania,

ładunek i promień atomu akceptora elektronów,

natura atomu-donora i cząsteczki, której część on
stanowi

tworzenie pierścieni,

charakter kompleksu (kationowy, anionowy, obojętny),

skład rozpuszczalnika
21
Trwałość kompleksów

stopniowe tworzenie się związków
kompleksowych



amoniak z Cu, Ni, Co, Zn, Cd – przyłączanie się od 1 do
6 cząsteczek NH3
[FeSCN]2+ do [Fe(SCN)6]3- (koordynacyjnie wysycony)
wpływ pH



ligandy - słabe kwasy
HR ⇆ H+ + Rw środowisku kwaśnym tylko bardzo trwałe związki
kompleksowe
w środowisku alkalicznym – mniej specyficzne
22
Trwałość kompleksów
Miarą trwałości kompleksu jest pK,
wykładnik stałej nietrwałości kompleksu
(im pK większe tym kompleks trwalszy)
[ML] – stęż. kompleksu w
roztworze
[M] – stęż. „wolnego”metalu
w roztworze
[L] - stęż. „wolnego” ligandu
w roztworze
23
Trwałość kompleksów
jony tych metali nie
tworzą kompleksów prostych
EDTA wypiera słabszy ligand
24
Wskaźniki kompleksometryczne
Wskaźniki (indykatory – In) stosowane w kompleksometrii
podzielimy na dwie grupy:

wskaźniki dwubarwne



związki, które w określonych warunkach miareczkowania
(przed lub po PR reakcji) są zdolne do utworzenia barwnego
kompleksu z oznaczanym metalem.
barwa tego kompleksu powinna różnić się od barwy wolnego
wskaźnika w tych warunkach
wskaźniki jednobarwne


barwny kompleks z metalem,
bezbarwny bez metalu
25
Wskaźniki kompleksometryczne
Przy zastosowaniu roztworu EDTA jako titranta stosuje się
barwne wskaźniki kompleksometryczne metalowskaźniki lub wskaźniki metalochromowe
MeIn + EDTA
barwa I
Me . EDTA
+
In
barwa II lub zniknięcie barwy
Najczęściej stosowanymi wskaźnikami w miareczkowaniu z
EDTA są:


czerń eriochromowa T
mureksyd
26
Wskaźniki kompleksometryczne
Najczęściej stosowanymi wskaźnikami w miareczkowaniu z
EDTA są:
 czerń eriochromowa T
 zabarwienie w roztworach o pH < 6.3 – czerwone,
 pH 7-11 – niebieskie,
 pH >11.3 – pomarańczowe
barwnik azowy)
Stosowana do oznaczania:
 w środowisku pH 9 – 10,5 niebieska barwa zmienia się na
barwę czerwonego wina z:


poszczególne kompleksy różnią się trwałością


wapniem, cynkiem, glinem, niklem
kompleks-Mg < kompleks-Ca << kompleks-Al – b.silny i trwały
roztwory czerni są nietrwałe
27
Wskaźniki kompleksometryczne
Najczęściej stosowanymi wskaźnikami w miareczkowaniu z
EDTA są:

mureksyd (kwas pupurowy) czerwone,




pH ok. 13 - środowisko NaOH lub KOH
ligand pięciokleszczowy
w środowisku zasadowym (pH>12) tworzy z jonami Ca2+
połączenie kompleksowe barwy różowej
dodanie EDTA:



wiązanie wolnych jonów Ca2+ zawartych w roztworze
wiązanie jonów Ca2+ związanych (wcześniej) przez mureksyd
(EDTA tworzy z jonami Ca2+ trwalszy kompleks niż mureksyd),
uwolnienie mureksydu, który w silnie zasadowym środowisku
(na skutek dysocjacji grup iminowych) tworzy jon o barwie
fioletowej
28
Wskaźniki kompleksometryczne
Najczęściej stosowanymi wskaźnikami w miareczkowaniu z
EDTA są:

kalmagit



pH < 8.1 – czerwone,
pH 8,1–12,4 – niebieskie
pH > 12,4 – czerwonopomarańczowe
Liczne jony metali (np. Mg, Zn) w zakresie pH 9 – 11 tworzą
kompleksy o intensywnie czerwonym zabarwieniu.
29
Wskaźniki kompleksometryczne
Najczęściej stosowanymi wskaźnikami w miareczkowaniu
z EDTA są:
 fiolet pirokatechinowy




pH
pH
pH
pH
< 1.5 – czerwone,
1.5 – 6 – żółte,
6 – 9 – fiołkowe,
> 9 czerwonofiołkowe
Stosowany do oznaczania w środowisku
 kwasowym:


zasadowym


bizmutu, technetu, toru
miedzi, kobaltu, niklu, kadmu, cynku, magnezu, manganu,
ołowiu
kompleksy chelatowe mają na ogół barwę niebieską
30
Krzywe miareczkowania
Krzywe miareczkowania – przebieg analogiczny jak w alkacymetrii
 przebieg krzywej przed PR zależy od stężenia Me

skok krzywej tym większy im większe stężenie początkowe metalu Me

skok krzywej tym większy im większe pK (K - stała nietrwałości)

położenie PR zależy od wartości stałej nietrwałości kompleksu oraz od
stężenia Me

PR tym wyżej, im mniejsze cMe oraz im większe pK

przy małych wartościach pK i dużym rozcieńczeniu należy szczególnie
starannie wyznaczać punkt końcowy PK

błąd oznaczenia rośnie ze zmniejszeniem pK i cMe
31
Miareczkowanie kompleksometryczne
Techniki miareczkowania
kompleksometrycznego



miareczkowanie bezpośrednie
miareczkowanie odwrotne
miareczkowanie przez podstawienie
32
Miareczkowanie bezpośrednie
Miareczkowanie bezpośrednie
 wprowadzenie środków maskujących jony przeszkadzające

ustawienie odpowiedniego pH (selektywność: trój- i
czterowartościowe w kwaśnym)

dodatek wskaźnika

miareczkowanie EDTA

najczęściej wykrywane jony metali:

Mg; Ca; Ba; Zn; Cd; Pb; Cu; Ni; Co; Fe; Bi; Th; Zr
33
Miareczkowanie odwrotne
Miareczkowanie odwrotne stosuje się w przypadku:

metali, których kompleksy z EDTA tworzą się powoli (glin,
chrom(III))

gdy nie można dobrać odpowiedniego wskaźnika do
miareczkowania bezpośredniego

gdy oznaczany metal mógłby strącać się (np. hydrolizować)
przy pH wymaganym przy miareczkowaniu bezpośrednim
34
Miareczkowanie odwrotne
Miareczkowanie odwrotne - postępowanie:
 do badanego roztworu wprowadza się nadmiar
roztworu EDTA

nie związaną część odczynnika odmiareczkowuje
się mianowanym roztworem odpowiedniego
metalu (najczęściej cynku lub magnezu).
35
Miareczkowanie przez podstawienie
miareczkowanie przez podstawienie.
 jeśli nie uzyskuje się z określonym jonem metalu
wyraźnego PK miareczkowania przy użyciu wskaźnika (np.
miareczkowanie jonów wapnia wobec czerni eriochromowej
T)

do roztworu metalu dodaje się roztwór kompleksu EDTA z
magnezem

zachodzi reakcja wymiany:
Ca2+ + MgY2- → Mg2+ + CaY2-
36
Miareczkowanie przez podstawienie
miareczkowanie przez podstawienie.
 trwałość kompleksu EDTA z magnezem jest mniejsza niż
trwałość roztworów kompleksów EDTA z większością innych
metali

wszystkie te metale (podobnie jak wapń) mogą wypierać
jon magnezu Mg2+ z MgY2-

uwolniony w równoważnej ilości magnez
odmiareczkowuje się mianowanym roztworem EDTA,
używając czerni eriochromowej T jako wskaźnika.
37
Zalety kompleksometrii

uniwersalność (prawie cały układ okresowy)

dokładność, prostota

skrócenie czasu analizy skomplikowanych mieszanin

uproszczenie trudnych zagadnień analitycznych

pośrednie oznaczanie kationów z grupy litowców i
fosforanów:



wytrącenie fosforanu amonowo-magnezowego
oznaczenie magnezu (po rozpuszczeniu)
pośrednie oznaczanie siarczanów

nadmiar BaCl2 i odmiareczkowanie nadmiaru Ba2+
38