Особенности применения перманганатометрического титрования в анализе лекарственных средств

    Как и в случае других титриметрических методов анализа:

    • титрант должен реагировать только с определяемым веществом, и реакция между ними должна протекать стехиометрично;

    • реакция, используемая в прямом титровании, должна протекать с приемлемой скоростью и, кроме того, должен существовать способ обнаружения конечной точки титрования .

    В фармацевтическом анализе наиболее часто используются следующие методы окислительно-восстановительного титрования : 

 

    Определяемое  вещество может находиться в анализируемом  объекте в нескольких степенях окисления, например, Fe(II) и Fe(III) или As(III) и As(V). Перед проведением титрования его необходимо перевести в одну степень окисления, которая реагирует с применяемым титрантом. Для этого образец обрабатывают реагентом, являющимся более сильным восстановителем или окислителем, чем определяемое вещество, и который затем можно будет легко удалить из раствора. В качестве реагентов-восстановителей используют различные металлы (цинк, кадмий и др.) и их амальгамы, а также гидразин, сероводород и т.д. В качестве реагентов, используемых для предварительного окисления определяемых веществ, используют пероксид водорода, персульфат аммония и некоторые другие вещества.

    Кривую  окислительно-восстановительного титрования представляют в виде зависимости  электродного потенциала системы (Е) от количества добавленного титранта (Vт).

Е = f (Vт)

    Величина  скачка титрования в окислительно-восстановительном  титровании зависит от разности стандартных (формальных) потенциалов окислителя и восстановителя. Увеличение электродвижущей силы (ЭДС) приводит к возрастанию скачка титрования.

    Конечную  точку окислительно-восстановительного титрования обнаруживают визуальным путём  либо с помощью различных инструментальных методов, например, потенциометрически. Визуальное обнаружение может быть проведено по собственной окраске одного из участников протекающей при титровании химической реакции либо с помощью индикаторов.

    Окислительно-восстановительные  индикаторы - вещества, способные окисляться или восстанавливаться с изменением окраски в точке эквивалентности либо вблизи неё. Такие индикаторы реагируют не на изменение концентрации определённого вещества, а на изменение потенциала системы.

    Наиболее  часто применяемыми окислительно-восстановительными индикаторами являются дифениламин  и его производные, а также  хелаты ионов железа с фенантролином или с замещёнными фенантролинами.

    Достоинства титриметрического анализа:

    1) быстрота определения;

    2) простота оборудования;

    3) возможность автоматизации;

    4) точность – относительная погрешность  0,1-0,01%.

    Недостатком окислительно-восстановительных реакций  в большинстве случаев является их небольшая скорость, это затрудняет процесс титрования.

    Для ускорения реакций, протекающих  с маленькой скоростью, применяют  нагревание. Если нагревание использовать нельзя (вещество разлагается или  улетучивается), то увеличивают концентрацию вещества или используют катализаторы.

    1.2 Перманганатометрическое титрование

    1.2.1 Сущность метода

    Перманганатометрическим титрованием называется титриметрический метод анализа, основанный на использовании в качестве титранта KMnO4.

    Перманганатометрическое титрование чаще всего проводят в кислой среде, реже - в нейтральной или щелочной. Для создания кислой среды применяют серную кислоту. Азотная кислота, в особенности содержащая оксиды азота, сама является сильным окислителем, а хлороводородная, наоборот, может окисляться титрантом. 

    MnO₄^- + 8H⁺+ 5e →Mn²⁺ +4H₂O           E₀ = +1,51В

    MnO⁻ + 2H₂ O + 3e →MnO₂ + 4OH⁻    E₀ = +0,60В

    MnO₄^- + e →MnO₄^2-                               E₀ = + 0,54В 

    Стандартный раствор KMnO4 является вторичным. Приготовление и стандартизация данного раствора имеет ряд особенностей. Свежеприготовленный раствор кипятят в течение 10 минут, а затем выдерживают несколько дней для того, чтобы прошли процессы окисления органических веществ, которые могут содержаться в воде. Образовавшийся осадок MnO2 следует обязательно удалить, так как данное вещество катализирует восстановление перманганата. Диоксид марганца отфильтровывают с помощью стеклянного (но не бумажного!) фильтра.

    Стандартные растворы KMnO4 следует хранить в сосудах тёмного стекла с притёртыми пробками. Концентрация КMnO4 в растворе с течением времени постепенно уменьшается. Особенно неустойчивы разбавленные растворы KMnO4. При длительном хранении раствора КMnO4 на стенках сосуда может образовываться коричневый налёт MnO2. Сосуды, стенки которых покрыты таким налётом, использовать для дальнейшего хранения раствора KMnO4 нельзя.

    Стандартизацию  растворов KMnO4 проводят каждый раз перед применением. В качестве первичного стандартного вещества используют Na2C2O4, а также H2C2O4⋅2H2O, Fe, As2O3 и другие вещества. Оксалат натрия негигроскопичен, легко подвергается очистке, разрушается лишь при температуре больше 240 °С. Реакция взаимодействия между перманганат- и оксалат-ионами

    2MnO^- ₄ + 5C₂ O^2-₄+ 16H⁺→ 2Mn²⁺ + 10CO₂ + 8H₂O

несмотря  на большое значение ЭДС, протекает медленно, поэтому её проводят при нагревании (около 70°С). Данная реакция является автокаталитической - роль катализатора выполняют ионы Mn2+, образующиеся в ходе реакции. Кипятить раствор нельзя, так как оксалаты и щавелевая кислота при этом разрушаются.

    Н₂С₂О₄ → Н₂О + СО₂ + СО

    Индикаторы  в перманганатометрическом титровании обычно не используют (если только используемые растворы не являются слишком разбавленными, исходная концентрация перманганата должна быть не меньше, чем 0,02 М). Конечную точку титрования обнаруживают по появлению или исчезновению окраски KMnO4.

    При титровании раствором KMnO4 используют бюретки со стеклянным краном. В бюретках с резиновыми трубками концентрация КMnO4 изменяется в результате окисления резины. Используемые в работе растворы KMnO4 (например, 0,1 М 1/5 KMnO4) интенсивно окрашены, поэтому отсчёты показаний по шкале бюретки делают по верхнему мениску жидкости.

    В перманганатометрии используют различные приёмы титрования. При прямом титровании раствор определяемого вещества титруют стандартным раствором KMnO4, например:

    5H₂O₂ + 2MnO₄+ 6H⁺ → 5O₂↑+ 2Mn2+ + 8H₂O

    5Fe2⁺+ MnO^-+ 8H⁺ → 5Fe3⁺ +Mn²⁺ +4H₂O

    При обратном перманганатометрическом титровании к раствору определяемого вещества добавляют избыток стандартного раствора KMnO4 и после протекания реакции непрореагировавший KMnO4 титруют стандартным раствором щавелевой кислоты, соли Мора или определяют его иодометрически. Обратное перманганатометрическое титрование используется, например, при определении нитритов. Прямое перманганатометрическое титрование раствора нитрита стандартным раствором KMnO4 невозможно, поскольку при добавлении к раствору титруемого вещества серной кислоты протекает реакция

    2NO⁻₂ + 2H⁺ → NO₂ ↑ +NO ↑ +H₂O

    Поэтому к анализируемому раствору добавляют  избыток стандартного раствора КMnO4 и через некоторое время избыток КMnO4 титруют стандартным раствором соли Мора или щавелевой кислоты.

    Титрование  заместителя используют при определении сильных восстановителей, окисляющихся кислородом воздуха. Например, для определения ионов Cr2+ к анализируемому раствору добавляют Fe3+ и титруют образовавшиеся ионы Fe2+ стандартным раствором KMnO4.

    Косвенное перманганатометрическое титрование используется для определения ионов металлов, образующих малорастворимые оксалаты (Ca2+, Ba2+, Mg2+, Zn2+ и др.). Определяемый ион осаждают в виде оксалата, осадок отделяют, растворяют в растворе H2SO4 и титруют выделившуюся щавелевую кислоту стандартным раствором KMnO4.

    Перманганатометрическое титрование сравнительно редко используется для определения органических веществ. Взаимодействие KMnO4 с органическими веществами, особенно в кислой среде, протекает очень сложно, медленно и затрагивает не какую-то определённую функциональную группу, а всю молекулу в целом. Обычно перманганатометрическое определение органических веществ проводится в щелочной среде. Таким способом определяют спирты, альдегиды, карбоновые кислоты. Например

    6MnO^- ₄ +CH ₃OH+ 8OH^-→ 6MnO₄^2-+ CO₃^2-+ 6H₂O

    Определение проводят способом обратного титрования. К анализируемому раствору добавляют щёлочь и стандартный раствор КMnO4 в избытке. После окончания реакции раствор подкисляют и избыток КMnO4 титруют стандартным раствором соли Мора или щавелевой кислоты. 

    1.2.2   Приготовление и стандартизация раствора перманганата калия (вторичного стандарта)

      Обычно применяемый для приготовления  растворов титранта твердый перманганат калия всегда в какой-то степени загрязнен диоксидом марганца, поэтому по точной навеске нельзя приготовить стандартные растворы перманганата.

    Для получения достаточно устойчивых растворов  перманганата принимают меры предосторожности. Наиболее важным фактором, влияющим на устойчивость перманганата, является каталитическое действие диоксида марганца, содержащегося в исходном препарате, а также образующегося при  окислении перманганатом органических веществ, содержащихся в воде, применяемой  для приготовления раствора. Удаление диоксида марганца фильтрованием заметно  повышает устойчивость растворов перманганата. Фильтрование следует проводить  спустя некоторое время, чтобы произошло  полное окисление примесей в воде, для ускорения реакции окисления  раствор можно прокипятить. Для  фильтрования нельзя применять бумажный фильтр, так как целлюлоза реагирует  с перманганатом, образуя диоксид  марганца.

      Наиболее часто перманганат калия  готовят в виде 0,05—0,10 (моль-экв)/л растворов.

      На технических весах в стеклянном  бюксе взвешивают рассчитанную  навеску исходного перманганата, переносят в коническую колбу  и растворяют в определенном  объеме дистиллированной воды  при перемешивании. Обычно готовят  0,5—1,0 л 0,05 (моль-экв)/л раствора КМп04. Свежеприготовленный раствор КМп04 нагревают до кипения и поддерживают эту температуру приблизительно 1 ч. Затем раствор охлаждают и фильтруют через стеклянный пористый фильтр. Можно перед фильтрованием оставить раствор при комнатной температуре на несколько дней.

      Разложение раствора КМп04 ускоряется  на свету, при нагревании, под  действием кислот, оснований, ионов  Мп2 + и диоксида марганца:

     4Мn0₄ + 2Н₂0 = 4Мn0₂ + 40Н + 30₂

     2Mn0₄ + 3Mn²⁺ + 2Н₂0 = 5Mn0₂ + 4Н⁺.

      Для получения устойчивого раствора  реагента влияние этих факторов  нужно свести к минимуму. Для  этого стандартные растворы КМп04 хранят в темном месте в  темных склянках со стеклянными  пробками. Правильно приготовленный  раствор КМп0₄, хранящийся при описанных условиях, устойчив в течение нескольких месяцев.