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酸碱之外:氧化还原滴定、高锰酸盐、碘量法与回滴的妙招

滴定不只关乎酸和碱。通过交换电子而非质子,我们可以测量金属、漂白剂、维生素 C 和溶解氧——有时靠试剂自身颜色充当指示剂,有时则在直接路径行不通时,绕一条聪明的弯路。

另一类可供滴定的反应

到目前为止,我们的反应都在酸和碱之间来回传递。但滴定适用于任何快速、完全、且有可识别终点的反应。有一个庞大的家族正符合这一条件:一种物质交出电子、另一种物质接收电子的反应。建立在这种“电子交易”之上的滴定,叫做氧化还原滴定,它让我们能测量酸碱永远做不到的对象——矿石中的铁、泳池里的氯、果汁中的维生素 C。

台面上的流程正是你已经熟悉的那套:用滴定管把已标定的滴定剂放入样品,留意终点,读取体积,做算术。改变的只是充当计数器的那个化学反应——而且,令人愉快的是,有时连我们识别终点的方式也变了。

高锰酸盐:自身就是指示剂的试剂

最漂亮的氧化还原滴定剂之一是高锰酸钾,用于高锰酸盐滴定。它的溶液呈一种浓烈、近乎刺目的紫色。当你把它滴入一个它能氧化的样品时,它发生反应,紫色立刻消失,留下无色或极淡粉色的混合物。这种情形一滴接一滴地持续——每一滴落下后立刻消失。

然后,奇妙之处来了。当所有被分析物恰好被耗尽的那一瞬间,下一滴紫色再也没有东西可反应——于是紫色不再消失。一抹淡淡却持久的粉色突然停留下来。这抹挥之不去的粉色就是你的终点,它完全不需要额外的指示剂:滴定剂宣告了它自己的完成。我们称这样的试剂为自身指示剂。

碘量法:借由碘来给氧化剂计数

有些你想测量的物质是氧化剂——漂白剂、溶解氧、合金中的铜。一种聪明的间接方法能搞定它们全部:碘量法。其思路分两拍。第一拍,让你的氧化性样品与过量的碘离子(碘化物)反应;样品把其中一部分碘离子转化成碘单质,关键在于,生成的碘恰好与样品的量相当。未知物已被忠实地翻译成了一定量的碘。

第二拍,你用一种能与碘反应的、已标定的还原性滴定剂去滴定这些释放出来的碘。随着碘被消耗,它茶褐色的色调渐渐褪向淡黄,再到无色。临近终点时,往瓶中加入的少量淀粉会与最后痕量的碘生成墨蓝黑色——而这抹蓝色的消失,就是一个锐利、明确无误的终点。数清滴定剂,沿着两拍倒推回去,你就得到了最初的氧化剂的量。

当直接路径行不通时:回滴

有时你无法直接滴定一个被分析物。也许它与滴定剂的反应慢得无望,也许它是一块只肯勉强溶解的顽固固体,又或者根本没有一个好的终点可供观察。对于这些棘手的情形,有一个优雅的变通办法,叫做回滴。窍门在于:不要只用刚好够量的滴定剂去对付被分析物,而是用一份已知的、故意过量的试剂——多到足以和它全部反应。

  1. 向被分析物加入一份精确已知、故意过量的试剂,确保被分析物全部反应完。
  2. 给那个缓慢或困难的反应充足的时间走到完全——按需加热或等待。
  3. 现在用第二种已标定的滴定剂去滴定那些剩余的、未反应的过量部分,直到一个清晰的终点。
  4. 用你加入的总量减去剩余量——差值就是与被分析物反应掉的那部分。

其逻辑就是简单的记账:加入的总量减去剩余量,等于被分析物消耗掉的量。你根本不必直接盯着那个缓慢反应到达终点——你只需要测出有多少过量部分挺过了反应而残存下来。回滴静静地提醒我们:容量分析是灵活的——当一个问题不肯向显而易见的方法低头时,绕一点点弯路,往往就打开了门。