Tiitrimisarvutused: büreti ruumalast analüüdi hulgani

Kolm arvu, mida iga tiitrimisarvutus vajab

Tiitrimisel lisatakse teadaoleva kontsentratsiooniga lahust (tiitranti) büretist mõõdetavale ainele (analüüdile), kuni nendevaheline reaktsioon on lõppenud. Iga arvutus kasutab kolme andmeosa: tiitrandi kontsentratsiooni, lisatud tiitrandi ruumala ja tasakaalustatud võrrandist tulenevat moolisuhet.

Tee on alati sama. Teisenda tiitrandi ruumala liitriteks ja korruta selle kontsentratsiooniga, et saada tiitrandi moolid, n = c × V. Kasuta moolisuhet, et teisendada see analüüdi mooliks. Seejärel teisenda selleks, mida küsimus küsib: kontsentratsiooniks, massiks või protsendiks proovist.

Ekvivalentspunkt on punkt, kus lisatud tiitrant vastab analüüdile täpselt stöhhiomeetrilises suhtes. Lõpp-punkt on see, mida tegelikult vaatled, näiteks indikaatori värvimuutus. Hea meetod viib need kaks peaaegu kokku ja nendevahelist väikest erinevust nimetatakse tiitrimisveaks.

Naatriumhüdroksiidi standardiseerimine kaaliumvesinikftalaadiga

Täpset naatriumhüdroksiidi lahust ei saa valmistada tahke aine kaalumise teel. NaOH graanulid neelavad õhust vett ja süsinikdioksiidi, seega ei ole kogu nende mass NaOH. Selle asemel standardiseeritakse ligikaudselt valmistatud lahus: tiitritakse primaarstandardi vastu, mis on piisavalt puhas ja stabiilne aine, et seda saaks otse kaaluda.

Kaaliumvesinikftalaat, KHC₈H₄O₄ (sageli nimetatakse KHP-ks), on levinud valik. See on stabiilne mittehügroskoopne tahkis, millel on üks happeline vesinik, ja NIST sertifitseerib selle ühe kvaliteedi atsidimeetriliseks primaarstandardiks (SRM 84L). Selle suur molaarmass tähendab ka seda, et tüüpiline proov kaalub umbes pool grammi, seega on suhteline kaalumisviga väike.

Lahendatud näide 1. 0.5106 g KHP proovi tiitrimiseks fenoolftaleiini lõpp-punktini kulub 24.68 mL NaOH lahust. Reaktsioon on 1:1: KHC₈H₄O₄(aq) + NaOH(aq) → KNaC₈H₄O₄(aq) + H₂O(l). IUPAC-i standardsete aatommassidega (K 39.098, C 12.011, H 1.008, O 15.999) on M(KHP) = 204.22 g/mol. n(KHP) = 0.5106 g ÷ 204.22 g/mol = 2.500 × 10⁻³ mol, mis võrdub n(NaOH)-ga. c(NaOH) = 2.500 × 10⁻³ mol ÷ 0.02468 L = 0.1013 mol/L, esitatuna nelja tüvenumbriga, sest nii massil kui ka ruumalal on neli.

Kaheprootonilised happed muudavad moolisuhet

Väävelhape annab hüdroksiidile molekuli kohta kaks prootonit: H₂SO₄(aq) + 2 NaOH(aq) → Na₂SO₄(aq) + 2 H₂O(l). Seega tarbib iga mool hapet kaks mooli alust ja moolisuhe peab tulema sellest võrrandist, mitte harjumusest käsitleda tiitrimisi 1:1 reaktsioonidena.

Lahendatud näide 2. 25.00 mL väävelhappe proovi tiitritakse näite 1 0.1013 mol/L NaOH lahusega ja lõpp-punkt saabub 18.45 mL juures. n(NaOH) = 0.1013 mol/L × 0.01845 L = 1.869 × 10⁻³ mol. n(H₂SO₄) = 1.869 × 10⁻³ mol ÷ 2 = 9.345 × 10⁻⁴ mol. c(H₂SO₄) = 9.345 × 10⁻⁴ mol ÷ 0.02500 L = 0.03738 mol/L. Ekslikult 1:1 suhte kasutamine annaks 0.07476 mol/L, täpselt kaks korda tõelisest väärtusest suurema.

Nõrgemad mitmeprootonilised happed nõuavad suuremat hoolt. Fosforhappe puhul eralduvad prootonid selgelt eraldi astmetena, seega sõltub suhe sellest, millise ekvivalentspunkti sinu indikaator tuvastab. Nimeta see lõpp-punkt enne moolisuhte valimist.

Redokstiitrimised: permanganaat ja raud(II)

Tiitrimised ei piirdu hapete ja alustega. Happelises lahuses oksüdeerib permanganaat raud(II): MnO₄⁻(aq) + 5 Fe²⁺(aq) + 8 H⁺(aq) → Mn²⁺(aq) + 5 Fe³⁺(aq) + 4 H₂O(l). Mangaan läheb +7-lt +2-le, saades viis elektroni, samas kui iga raud kaotab ühe, seega reageerib üks permanganaadiioon viie raud(II)-iooniga.

Permanganaat toimib ise oma indikaatorina. MnO₄⁻ ioon on intensiivselt lilla ja Mn²⁺ on peaaegu värvitu, seega muudab esimene liigne tilk kolvi sisu püsivalt kahvaturoosaks. Kaaliumpermanganaat ei ole primaarstandard ja selle lahused lagunevad aeglaselt, seega standardiseeritakse need enne kasutamist, tavaliselt naatriumoksalaadi vastu.

Lahendatud näide 3. 1.2084 g rauamaagi proov lahustatakse ja kogu selle raud redutseeritakse Fe²⁺-ks. Tiitrimiseks kulub 26.34 mL 0.02150 mol/L KMnO₄ lahust. n(MnO₄⁻) = 0.02150 mol/L × 0.02634 L = 5.663 × 10⁻⁴ mol. n(Fe²⁺) = 5 × 5.663 × 10⁻⁴ mol = 2.832 × 10⁻³ mol. Kasutades Fe 55.845 g/mol, on raua mass 0.1581 g ja maak sisaldab 0.1581 g ÷ 1.2084 g × 100 = 13.09 massiprotsenti rauda.

Tagasitiitrimine aeglaselt reageerivate tahkete ainete puhul

Mõned proovid ei lahustu ega reageeri otsese tiitrimise jaoks piisavalt kiiresti. Näiteks on antatsiidtableti kaltsiumkarbonaat: see reageerib happega, kuid see on tahke aine ja reaktsioonis vabaneb süsinikdioksiid, mis muudab terava lõpp-punkti nägemise raskeks. Tagasitiitrimisel lisad ühte reagenti mõõdetud liias, lased reaktsioonil lõppeda ja tiitrid seejärel üle jäänud osa.

Lahendatud näide 4. 0.5000 g purustatud antatsiidtableti portsjonit töödeldakse 50.00 mL 0.2000 mol/L HCl lahusega, mida on rohkem kui küllalt kogu selle CaCO₃-ga reageerimiseks: CaCO₃(s) + 2 HCl(aq) → CaCl₂(aq) + H₂O(l) + CO₂(g). Pärast lahuse keetmist CO₂ eemaldamiseks kulub üle jäänud happe tiitrimiseks 21.38 mL 0.1000 mol/L NaOH lahust. Lisatud HCl: 0.2000 × 0.05000 = 1.000 × 10⁻² mol. Üle jäänud HCl, mis võrdub kasutatud NaOH-ga: 0.1000 × 0.02138 = 2.138 × 10⁻³ mol. Tableti poolt tarbitud HCl: 1.000 × 10⁻² − 2.138 × 10⁻³ = 7.862 × 10⁻³ mol.

Karbonaat reageerib happega suhtes 1:2, seega n(CaCO₃) = 7.862 × 10⁻³ ÷ 2 = 3.931 × 10⁻³ mol. Kui M(CaCO₃) = 100.09 g/mol, on mass 0.3935 g (enne ümardamist 0.39345 g), mis on 78.69 protsenti 0.5000 g portsjonist. Lahutamine on samm, mis kõige sagedamini vahele jääb. Ilma selleta arvutaksid kolbi jäänud hapet, mitte tableti poolt kasutatud hapet.

Indikaatori valik ja büretiga töötamise tehnika

Indikaator muudab värvi ligikaudu vahemikus pKa ± 1, seega vali selline, mille vahemik jääb tiitrimiskõvera järsule osale. Tugeva happe tiitrimisel tugeva alusega umbes 0.1 mol/L kontsentratsiooni juures on ekvivalentspunkt pH 7.00 juures ja pH hüppab ühe-kahe tilgaga mitme ühiku võrra, seega annavad mitmed levinud indikaatorid terava lõpp-punkti, nende hulgas fenoolftaleiin. Nõrga happe tiitrimisel tugeva alusega on ekvivalentspunkt aluseline: OpenStax arvutab 0.100 mol/L äädikhappe tiitrimisel 0.100 mol/L NaOH lahusega pH väärtuseks 8.72. Fenoolftaleiin, mis muutub roosaks umbes pH 8.3 kohal, sobib sel juhul. Metüüloranž (OpenStaxis Ka = 4.0 × 10⁻⁴, seega pKa ≈ 3.4) muudaks värvi liiga vara.

50 mL büretti loetakse 0.01 mL täpsusega ja iga lisatud ruumala on kahe näidu vahe. Määramatus umbes ±0.02 mL on 0.08 protsenti 25 mL lisatud ruumalast, kuid 0.4 protsenti 5 mL ruumalast. Seetõttu koostatakse meetodid nii, et tiitrandi ruumala jääks büreti mõõtepiirkonna keskele.

• Loputa büretti enne täitmist mõne milliliitri tiitrandiga, et järelejäänud vesi seda ei lahjendaks.
• Eemalda otsikust õhumull enne esimest näitu.
• Loe meniski alumist serva silmade kõrguselt ja kirjuta üles mõlemad näidud, mitte ainult nende vahe.
• Tee kõigepealt orienteeriv tiitrimine ja korda seejärel, kuni kaks hoolikat tiitrimist ühtivad täpselt.

Tiitrimisarvutuste vead ja nende kontrollid

Enamik valesid vastuseid tuleneb moolisuhtest või ühikutest, mitte keemiast. Enne arvutamist kirjuta tasakaalustatud võrrand ja tõmba ring ümber tiitrandi ja analüüdi kordajate.

• Seose C₁V₁ = C₂V₂ kasutamine tiitrimisel. See otsetee on mõeldud lahjendamiseks ja eeldab suhet 1:1, mis ei kehti H₂SO₄, Ba(OH)₂ ega MnO₄⁻/Fe²⁺ puhul.
• Ruumalade jätmine milliliitritesse, kui kontsentratsioonid on ühikus mol/L. Teisenda liitriteks või kasuta järjepidevalt millimoole.
• Lahutamise unustamine tagasitiitrimisel.
• Vale osakese valemimassi kasutamine, näiteks NaOH oma KHP asemel standardiseerimisel.
• Rohkemate tüvenumbrite esitamine, kui bürett ja kaal võimaldavad. Hoolikas mahtanalüüsis on tavaline neli.
• Eeldus, et lahus on igas ekvivalentspunktis neutraalne. See kehtib ainult tugeva happe ja tugeva aluse puhul.