Títrunarreikningar: frá rúmmáli úr búrettu að magni greiniefnis

Tölurnar þrjár sem hver títrunarreikningur þarf

Í títrun er lausn með þekktan styrk (títrunarlausnin) látin renna úr búrettu í efnið sem verið er að mæla (greiniefnið) þar til hvarfinu milli þeirra er lokið. Hver útreikningur notar þrjár upplýsingar: styrk títrunarlausnarinnar, rúmmál títrunarlausnarinnar sem bætt var við og mólhlutfallið úr jöfnuðu efnajöfnunni.

Leiðin er alltaf sú sama. Umbreyttu rúmmáli títrunarlausnarinnar í lítra og margfaldaðu með styrk hennar til að fá mól títrunarlausnar, n = c × V. Notaðu mólhlutfallið til að umbreyta í mól greiniefnis. Umbreyttu síðan í það sem spurt er um: styrk, massa eða hlutfall af sýni í prósentum.

Jafngildispunkturinn er punkturinn þar sem títrunarlausnin sem bætt hefur verið við samsvarar nákvæmlega greiniefninu í efnahlutfallinu. Endapunkturinn er það sem þú sérð í raun, til dæmis þegar vísir skiptir um lit. Góð aðferð lætur þetta tvennt nánast falla saman og litli munurinn á milli þeirra kallast títrunarskekkja.

Natríumhýdroxíð staðlað með kalíumvetnisþalati

Þú getur ekki búið til nákvæma natríumhýdroxíðlausn með því að vigta fasta efnið. NaOH-kögglar taka upp vatn og koltvíoxíð úr loftinu, svo massi þeirra er ekki allur NaOH. Þess í stað er lausn sem útbúin er gróflega stöðluð: títruð gegn frumstaðli, efni sem er nógu hreint og stöðugt til að vigta það beint.

Kalíumvetnisþalat, KHC₈H₄O₄ (oft kallað KHP), er algengur kostur. Það er stöðugt fast efni sem er ekki rakadrægt og hefur eitt súrt vetnisatóm, og NIST vottar gæðaflokk af því sem frumstaðal fyrir sýrumælingar (SRM 84L). Mikill mólmassi þess þýðir líka að dæmigert sýni vegur um hálft gramm, svo hlutfallsleg vigtunarskekkja er lítil.

Dæmi 1. 0.5106 g sýni af KHP þarf 24.68 mL af NaOH-lausn til að ná endapunkti með fenólftaleíni. Hvarfið er 1:1: KHC₈H₄O₄(aq) + NaOH(aq) → KNaC₈H₄O₄(aq) + H₂O(l). Með stöðluðum atómmössum IUPAC (K 39.098, C 12.011, H 1.008, O 15.999) er M(KHP) = 204.22 g/mol. n(KHP) = 0.5106 g ÷ 204.22 g/mol = 2.500 × 10⁻³ mol, sem jafngildir n(NaOH). c(NaOH) = 2.500 × 10⁻³ mol ÷ 0.02468 L = 0.1013 mol/L, gefið upp með fjórum marktækum tölustöfum því massinn og rúmmálið hafa hvort um sig fjóra.

Tvíróteinda sýrur breyta mólhlutfallinu

Brennisteinssýra gefur hýdroxíði tvær róteindir á hverja sameind: H₂SO₄(aq) + 2 NaOH(aq) → Na₂SO₄(aq) + 2 H₂O(l). Hvert mól sýru notar því tvö mól basa og mólhlutfallið verður að koma úr þessari jöfnu, ekki úr þeim vana að líta á títranir sem 1:1.

Dæmi 2. 25.00 mL sýni af brennisteinssýru er títrað með 0.1013 mol/L NaOH úr dæmi 1 og endapunkturinn næst við 18.45 mL. 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. Ef 1:1 hlutfall væri notað fyrir mistök fengist 0.07476 mol/L, nákvæmlega tvöfalt rétta gildið.

Veikari fjölróteinda sýrur krefjast meiri varkárni. Í fosfórsýru losna róteindirnar í greinilega aðskildum þrepum, svo hlutfallið fer eftir því hvaða jafngildispunkt vísirinn þinn greinir. Tilgreindu þann endapunkt áður en þú velur mólhlutfallið.

Redoxtítranir: permanganat og járn(II)

Títranir einskorðast ekki við sýrur og basa. Í súrri lausn oxar permanganat járn(II): MnO₄⁻(aq) + 5 Fe²⁺(aq) + 8 H⁺(aq) → Mn²⁺(aq) + 5 Fe³⁺(aq) + 4 H₂O(l). Mangan fer úr +7 í +2 og tekur upp fimm rafeindir, en hvert járnatóm missir eina, svo ein permanganatjón hvarfast við fimm járn(II)jónir.

Permanganat er sinn eigin vísir. MnO₄⁻ jónin er sterkfjólublá og Mn²⁺ er nánast litlaus, svo fyrsti umframdropinn gerir lausnina í flöskunni varanlega fölbleika. Kalíumpermanganat er ekki frumstaðall og lausnir þess brotna hægt niður, svo þær eru staðlaðar fyrir notkun, oftast gegn natríumoxalati.

Dæmi 3. 1.2084 g sýni af járngrýti er leyst upp og allt járn þess afoxað í Fe²⁺. Títrunin þarf 26.34 mL af 0.02150 mol/L KMnO₄. 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. Með Fe 55.845 g/mol er massi járnsins 0.1581 g og grýtið er 0.1581 g ÷ 1.2084 g × 100 = 13.09 prósent járn miðað við massa.

Baktítranir fyrir föst efni sem hvarfast hægt

Sum sýni leysast ekki upp eða hvarfast ekki nógu hratt fyrir beina títrun. Kalsíumkarbónat í sýrubindandi töflu er dæmi: það hvarfast við sýru, en það er fast efni og hvarfið losar koltvíoxíð, sem gerir erfitt að greina skarpan endapunkt. Í baktítrun bætirðu við mældu umframmagni af einu hvarfefni, lætur hvarfið klárast og títrar síðan það sem eftir er.

Dæmi 4. 0.5000 g skammtur af mulinni sýrubindandi töflu er meðhöndlaður með 50.00 mL af 0.2000 mol/L HCl, meira en nóg til að hvarfast við allt CaCO₃ hennar: CaCO₃(s) + 2 HCl(aq) → CaCl₂(aq) + H₂O(l) + CO₂(g). Eftir að lausnin hefur verið soðin til að reka CO₂ burt þarf afgangssýran 21.38 mL af 0.1000 mol/L NaOH. HCl sem bætt var við: 0.2000 × 0.05000 = 1.000 × 10⁻² mol. HCl sem eftir var, jafnt NaOH sem notað var: 0.1000 × 0.02138 = 2.138 × 10⁻³ mol. HCl sem taflan notaði: 1.000 × 10⁻² − 2.138 × 10⁻³ = 7.862 × 10⁻³ mol.

Karbónatið hvarfast 1:2 við sýru, svo n(CaCO₃) = 7.862 × 10⁻³ ÷ 2 = 3.931 × 10⁻³ mol. Með M(CaCO₃) = 100.09 g/mol er massinn 0.3935 g (0.39345 g fyrir námundun), sem er 78.69 prósent af 0.5000 g skammtinum. Frádrátturinn er það skref sem oftast er sleppt. Án hans værirðu að reikna sýruna sem eftir er í flöskunni, ekki sýruna sem taflan notaði.

Val á vísi og meðferð búrettu

Vísir skiptir um lit á bili sem er um það bil pKa ± 1, svo veldu vísi þar sem bilið lendir á bratta hluta títrunarferilsins. Fyrir sterka sýru með sterkum basa við um 0.1 mol/L er jafngildispunkturinn við pH 7.00 og pH stekkur um nokkrar einingar á einum eða tveimur dropum, svo nokkrir algengir vísar gefa skarpan endapunkt, þar á meðal fenólftaleín. Fyrir veika sýru með sterkum basa er jafngildispunkturinn basískur: OpenStax reiknar pH 8.72 fyrir 0.100 mol/L ediksýru títraða með 0.100 mol/L NaOH. Fenólftaleín, sem verður bleikt yfir um það bil pH 8.3, hentar því tilviki. Metýlappelsínugult (Ka = 4.0 × 10⁻⁴ í OpenStax, svo pKa ≈ 3.4) myndi skipta um lit allt of snemma.

50 mL búretta er lesin upp á 0.01 mL og hvert rúmmál sem rennur úr henni er mismunur tveggja aflestra. Óvissa upp á um ±0.02 mL er 0.08 prósent af 25 mL en 0.4 prósent af 5 mL. Þess vegna eru aðferðir hannaðar þannig að rúmmál títrunarlausnarinnar lendi á miðju mælisviði búrettunnar.

• Skolaðu búrettuna með nokkrum millilítrum af títrunarlausn áður en þú fyllir hana, svo afgangsvatn þynni hana ekki.
• Fjarlægðu loftbóluna úr oddinum fyrir fyrsta aflestur.
• Lestu af botni bogaflatarins í augnhæð og skráðu báða aflestrana, ekki bara mismuninn.
• Gerðu fyrst grófa títrun og endurtaktu síðan þar til tvær vandaðar títranir ber vel saman.

Reikningsvillur í títrun og athuganir á þeim

Flest röng svör stafa af mólhlutfallinu eða einingunum, ekki efnafræðinni. Áður en þú reiknar skaltu skrifa jöfnuðu efnajöfnuna og draga hring um stuðla títrunarlausnarinnar og greiniefnisins.

• Að nota C₁V₁ = C₂V₂ fyrir títrun. Sú flýtileið er fyrir þynningu og gerir ráð fyrir 1:1 hlutfalli, sem bregst fyrir H₂SO₄, Ba(OH)₂ og MnO₄⁻/Fe²⁺.
• Að hafa rúmmál áfram í millilítrum þegar styrkur er í mol/L. Umbreyttu í lítra eða notaðu millimól alls staðar.
• Að gleyma frádrættinum í baktítrun.
• Að nota formúlumassa rangrar tegundar, til dæmis NaOH í stað KHP við stöðlun.
• Að gefa upp fleiri marktæka tölustafi en búrettan og vogin standa undir. Fjórir eru dæmigerðir í vandaðri rúmmálsgreiningu.
• Að gera ráð fyrir að lausnin sé hlutlaus við hvern jafngildispunkt. Það gildir aðeins um sterka sýru með sterkum basa.