XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021
Применение методов кондуктометрического титрования в пищевом производстве
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Кондуктометрия – это совокупность электрохимических методов анализа, которые основаны на измерении электропроводности растворов.
Она применяется для определения концентрации растворов кислот, солей и оснований, для контроля состава промышленных растворов.
Метод кондуктометрии возник в 1885 г., когда Кольрауш выяснил зависимость электропроводности от концентрации. В 1923 г. метод вошёл в практику аналитических лабораторий, в 60-е гг. ХХ в. Появились кондуктометрические детекторы в жидкостной хроматографии.
Кондуктометрический анализ основан на изменении концентрации вещества или химического состава среды в межэлектродном пространстве:
где W - электропроводность раствора;
R - сопротивление раствора.
Виды кондуктометрии:
Прямая кондуктометрия;
Кондуктометрическое титрование (низкочастотное титрование и высокочастотное титрование, хронокондуктометрия);
При равных концентрациях электрическая проводимость растворов сильного основания или сильной кислоты больше электрической проводимости растворов их солей.
При равных концентрациях электрическая проводимость раствора слабой кислоты меньше электрической проводимости её соли.
При титровании растворов кислот растворами оснований в точке эквивалентности наблюдается снижение электрической проводимости.
Прямая кондуктометрия
Сущность прямой кондуктометрии заключается в определении концентрации вещества по результатам измерения электрической проводимости (или сопротивления).
Приёмы нахождения неизвестной концентрации:
Метод градуировочного графика. Он линеен в небольшом диапазоне концентраций.
Расчётный метод. Его используют для очень разбавленных растворов. В этом случае:
Неизвестную концентрацию можно рассчитать по измеренной величине χ и табличным значениям предельных подвижностей ионов.
Прямая кондуктометрия используется для аналитического контроля растворов электролитов. Применение этого метода ограничено из-за малой селективности.
Задачи, которые можно решить с помощью этого метода:
- контроль качества технической воды, используемой в химических производствах, фармацевтических производствах, теплотехнических производствах;
- оценка загрязнённости сточных вод;
-оценка чистоты органических растворителей;
- определение жёсткости воды;
- анализ бинарных смесей вода – электролит;
- определение общего содержания электролитов в растворе (например, определение солей в минеральной, морской, речной воде);
- контроль качества дистиллированной воды;
- контроль качества жидких пищевых продуктов;
- анализ сложных газовых смесей;
- определение влаги в техническом сырье;
- динамический контроль химических, текстильных, пищевых производств.
Преимущества метода: простота, высокая чувствительность и точность. Недостаток – малая селективность.
Кондуктометрическое титрование
Сущность кондуктометрического титрования заключается в установлении концентраций веществ в растворе титрованием (точки эквивалентности) путем измерения электропроводности.
При кондуктометрическом титровании происходит связывание определенных ионов титруемого раствора ионами титранта. В результате чего электропроводность раствора изменяется (характер изменения проводимости до и после точки эквивалентности различен, что является критерием определения точки эквивалентности). Знание закономерностей поведения слабых и сильных электролитов в растворе позволяет правильно выбрать титрант и с большой точностью определить концентрацию раствора.
Кондуктометрическое титрование требует применения дополнительного оборудования. Его используют тогда, когда растворы цветные или мутные, когда требуется определить концентрацию электролитов, находящихся в виде смеси в растворе, когда невозможно определить концентрацию вещества в растворе обычным титрованием.
При кондуктометрическом титровании точка эквивалентности определяется по излому кривой зависимости электропроводимости раствора от объема прилитого титранта (он вводится добавлением определенными порциями).
Для резкого снижения влияние объема добавленного титранта на общий объем раствора, исследуемый раствор разбавляют дистиллированной водой в 20-30 раз, а концентрацию титранта берут выше концентрации исходного раствора. При этом кривые титрования приближаются по форме к прямым, что облегчает нахождение эквивалентной точки графическим методом.
Сущность кондуктометрического титрования на примерах.
Пример 1. Определение концентрации сильной кислоты в цветном растворе.
Титрант - сильная щелочь.
Схема реакции:
HCl + NaOH → NaCl + H2O
→ H2O.
При титровании до точки эквивалентности в растворе количество ионов хлора остается неизменным, добавляются ионы натрия, уходят из реакции ионы H+ (от кислоты) и OH- (от прилитой щелочи). Ионы H+ заменяются ионами Na+. Но ионы Н+ перемещаются в электрическом поле в отличие от всех других эстафетным способом путем обмена ионами по уравнению:
+ H2O = H2O + .
Это резко снижает взаимодействие ионов Н+ ( ) с другими ионами раствора и придает им аномально высокую скорость и подвижность.
При титровании за счет сильно подвижных ионов гидроксония электропроводность резко падает до тех пор, пока не оттитруется ион H+ (АВ), последующее приливание избытка щелочи резко повысит электропроводность раствора (CD) за счет избыточного количества ионов натрия и аномально подвижных ионов гидроксила.
Точка эквивалентности находится на пересечении двух прямых и нет необходимости стараться производить измерения именно в этой точке.
Объем раствора щелочи, отвечающий точке эквивалентности (Vщ), позволяет вычислить концентрацию кислоты (Cк) по формуле:
Ск Vк = Cщ Vщ
Cщ - концентрация раствора щелочи;
Vк – объем раствора кислоты, взятого для анализа.
Пример 2. Определение концентрации слабой кислоты в цветном растворе.
В растворе слабой кислоты концентрация ионов водорода, поэтому и электропроводность такого раствора невелика.
Добавка щелочи до точки эквивалентности (АВ) вызывает рост электропроводности, так как слабая кислота (слабый электролит) заменяется солью, полученной в результате реакции (сильным электролитом). С учетом обратимости процесса диссоциации, правила сдвига равновесия (принцип Ле Шателье) и образования буферной смеси, рост электропроводности небольшой. Дальнейшее приливание избытка щелочи повысит электропроводность раствора (CD) за счет избыточного аномально подвижных ионов гидроксила.
Применение кондуктометрического титрования
Приборы кондуктометрического метода анализа
В кондуктометрическом методе анализа применяются различные приборы. Некоторые из них представлены ниже.
Промышленностью выпускаются различные приборы для измерения электропроводимости, в том числе и с цифровой индикацией. По принципу моста Кольрауша работает промышленно выпускаемый реохордный мост Р–38. Верхняя панель прибора имеет вид, приведенный на рис. 2.1.
Рис. 2.1 – верхняя панель прибора
- гнезда для подключения прибора к электрической сети; - гнезда для подключения батареи аккумулятора; 3- тумблер для переключения прибора на постоянный или переменный ток; 4- гальванометр; 5- переключатель для грубых и тонких измерений; 6- ручка магазина сопротивлений; 7- шкала реохорда; 8- ручка реохорда; 9- гнезда для подключения штекеров ячейки.
Для измерения проводимости растворов электролитов используют специальные кондуктометрические ячейки, схема которой изображена на рисунке 2.2.
Рис. 2.2 – схема кондуктометрической ячейки
– копус ячейки;
– штекер для подключения ячейки;
– стакан;
– раствор электролита;
– платиновые пластинчатые электроды
Для кондуктометрического титрования используется кондуктометр ОК 102/1, изображенный на рисунке 2.3.
Рис. 2.3 - Кондуктометр ОК 102/1
1– корпус прибора; 2– измерительная шкала; 3– тумблер «Сеть»; 4– переключатель пределов измерения «Range»; 5– ручка калибровки потенциометра «Calibration»; 6– кнопка калибровки «Calibration».
Следующий прибор, который используется при кондуктометрическом титровании - Титратор ТВ-6Л1, который позволяет измерять импеданс исследуемого образца.
.
1 – переключатель напряжения сети; 2 – тумблер включения мешалки;
3 – ручка регулятора скорости перемешивания; 4 – ручка установки чувствительности прибора; 5 – индикаторная лампа включения прибора; 6 – бюретка с титрантом; 7 – ячейка для ттрования; 8 - датчик; 9 – шкала микроамперметра; 10 – индикаторная лампа включения прибора; 11, 12 – ручки «грубого» и «тонкого» установления деления шкалы; 13 – тумблер включения прибора.
Применение метода кондуктометрического титрования на предприятиях общественного питания
В сыродельной промышленности используется достаточно точный экспресс-метод анализа, который очень важен для организации оперативного контроля его качественных показателей, параметров технологических процессов.
На основе кондуктометрии разработана методика определения массовой доли поваренной соли в сычужном сыре. При этом в качестве анализируемого объекта использовалась водная вытяжка сычужного сыра. Установлено, что погрешность этого метода не превышает арбитражного; преимущества состоят в том, что в сокращении времени на выполнение единичного анализа и в отсутствии необходимости использования дорогостоящих реактивов и, в первую очередь, азотнокислого серебра. Для посолки сычужных сыров используется изученная данная методика, так же для оперативного контроля концентрации хлористого натрия в рассоле. Зависимость удельной электропроводности разбавленного в два раза рассола от концентрации хлористого натрия. Этот метод позволяет определять именно концентрацию хлористого натрия в рассоле, а не общего содержания сухих веществ. В целях оперативного контроля уровня деминерализации молочной сыворотки в процессе электродиализа при производстве сухой деминерализованной сыворотки изучена зависимость удельной электропроводности сгущенной подсырной сыворотки от содержания минеральных веществ (зольности). Данная методика включена в технологическую инструкцию по производству деминерализованной сыворотки как оперативный метод контроля основного параметра технологического процесса – зольности сыворотки.
При освоении портативного кондуктометра для практического применения время, затрачиваемое на измерение показателя удельной электропроводности исследуемого образца, не превышает двух минут. Для сравнения: продолжительность определения показателя зольности методом сжигания – около 3 часов. В молочной сыворотке массовой доли лактозы с целью оперативного контроля концентратах и молочном сахаре разработан поляриметрический метод, основанный на физическом свойстве (оптической активности углеводов, в том числе и лактозы), проявляющемся в способности вращать плоскость поляризованного света.
Зависимость между активной и титруемой кислотностью молочной сыворотки уставлена экспериментально, при достаточной высокой степени концентрации. Это позволяет получить информацию об уровне как титруемой, так и активной кислотности, измерив только один показатель.
Заключение
В заключение отметим, что значение кондуктометрических измерений и кондуктометрического титрования как методов электрохимического анализа постоянно снижается, так как величина электропроводности является неселективной характеристикой состава раствора, объединяющей электропроводящие свойства всех присутствующих в растворе ионов. В основном методы кондуктометрии применяются для непрерывного контроля за химическими процессами, а также при проведении определений в окрашенных и мутных растворах, в присутствии окислителей и восстановителей и в других случаях, когда применение более селективных методов невозможно или экономически нецелесообразно.
Список использованной литературы
Физическая и коллоидная химия: метод. указания к лабораторным работам для студентов направления 19.03.04 Технология продукции и организация общественного питания / Сост.: П.Е. Шурай; Кубан. гос. технол. ун-т. Каф. физической, коллоидной химии и управления качеством. – Краснодар.: 2016. –186 с.
Кондуктометрия. Кондуктометрическое и высокочастотное титрование: Метод. указ. к лаб. работам / Сост. Б. М. Стифатов, Ю. В. Рублинецкая. – Самара; Самар. гос. техн. ун-т, 2017. - 12 с.:ил.
Физическая химия, Стромберг А.Г., Семченко Д.П., 2001.
Матросова В.Б., Луканин И.Д. Способы фальсификации сыров и методы ее выявления // Материалы XII Международной студенческой научной конференции «Студенческий научный форум» URL: <a href="http://scienceforum.ru/2020/article/2018019026">http://scienceforum.ru/2020/article/2018019026</a> (дата обращения: 09.12.2020.