Titrēšanas aprēķini: no biretes tilpuma līdz analizējamās vielas daudzumam

Trīs skaitļi, kas vajadzīgi katram titrēšanas aprēķinam

Titrējot zināmas koncentrācijas šķīdumu (titrantu) no biretes pievieno mērāmajai vielai (analizējamajai vielai), līdz reakcija starp tām ir pabeigta. Katrā aprēķinā izmanto trīs informācijas daļas: titranta koncentrāciju, izlietoto titranta tilpumu un molu attiecību no izlīdzinātā vienādojuma.

Ceļš vienmēr ir tas pats. Pārrēķiniet titranta tilpumu litros un reiziniet ar tā koncentrāciju, lai iegūtu titranta molus, n = c × V. Izmantojiet molu attiecību, lai pārrēķinātu analizējamās vielas molos. Pēc tam pārrēķiniet to, ko prasa jautājums: koncentrāciju, masu vai procentuālo daļu paraugā.

Ekvivalences punkts ir punkts, kurā pievienotais titrants precīzi atbilst analizējamajai vielai stehiometriskajā attiecībā. Beigu punkts ir tas, ko jūs patiesībā novērojat, piemēram, indikatora krāsas maiņa. Laba metode panāk, ka abi gandrīz sakrīt, un nelielo starpību starp tiem sauc par titrēšanas kļūdu.

Nātrija hidroksīda standartizēšana ar kālija hidrogēnftalātu

Precīzu nātrija hidroksīda šķīdumu nevar pagatavot, nosverot cieto vielu. NaOH granulas absorbē ūdeni un oglekļa dioksīdu no gaisa, tāpēc to masa nav tikai NaOH. Tā vietā aptuveni pagatavotu šķīdumu standartizē: titrē pret primāro standartu, vielu, kas ir pietiekami tīra un stabila, lai to varētu nosvērt tieši.

Kālija hidrogēnftalāts KHC₈H₄O₄ (bieži saukts par KHP) ir izplatīta izvēle. Tā ir stabila, nehigroskopiska cieta viela ar vienu skābu ūdeņradi, un NIST sertificē tās paveidu kā acidimetrisko primāro standartu (SRM 84L). Tās lielā molārā masa arī nozīmē, ka tipisks paraugs sver aptuveni pusgramu, tāpēc relatīvā svēršanas kļūda ir maza.

Risinātais piemērs 1. 0.5106 g KHP parauga titrēšanai līdz fenolftaleīna beigu punktam vajag 24.68 mL NaOH šķīduma. Reakcija notiek attiecībā 1:1: KHC₈H₄O₄(aq) + NaOH(aq) → KNaC₈H₄O₄(aq) + H₂O(l). Izmantojot IUPAC standarta atomsvarus (K 39.098, C 12.011, H 1.008, O 15.999), M(KHP) = 204.22 g/mol. n(KHP) = 0.5106 g ÷ 204.22 g/mol = 2.500 × 10⁻³ mol, kas ir vienāds ar n(NaOH). c(NaOH) = 2.500 × 10⁻³ mol ÷ 0.02468 L = 0.1013 mol/L, norādīts ar četriem nozīmīgajiem cipariem, jo gan masai, gan tilpumam ir pa četriem.

Divvērtīgas skābes maina molu attiecību

Sērskābe hidroksīdam atdod divus protonus uz molekulu: H₂SO₄(aq) + 2 NaOH(aq) → Na₂SO₄(aq) + 2 H₂O(l). Tāpēc katrs skābes mols patērē divus bāzes molus, un molu attiecībai jāizriet no šī vienādojuma, nevis no ieraduma uzskatīt titrēšanu par 1:1.

Risinātais piemērs 2. 25.00 mL sērskābes parauga titrē ar 0.1013 mol/L NaOH no 1. piemēra, un beigu punkts ir pie 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. Kļūdaini izmantojot attiecību 1:1, iegūtu 0.07476 mol/L, tieši divreiz vairāk par patieso vērtību.

Vājākām daudzvērtīgām skābēm vajadzīga lielāka uzmanība. Fosforskābei protoni atdalās skaidri nošķirtos posmos, tāpēc attiecība ir atkarīga no tā, kuru ekvivalences punktu nosaka jūsu indikators. Pirms molu attiecības izvēles norādiet šo beigu punktu.

Redoks titrēšana: permanganāts un dzelzs(II)

Titrēšana neaprobežojas ar skābēm un bāzēm. Skābā šķīdumā permanganāts oksidē dzelzi(II): MnO₄⁻(aq) + 5 Fe²⁺(aq) + 8 H⁺(aq) → Mn²⁺(aq) + 5 Fe³⁺(aq) + 4 H₂O(l). Mangāna oksidēšanas pakāpe mainās no +7 uz +2, tas iegūst piecus elektronus, bet katrs dzelzs atoms zaudē vienu, tāpēc viens permanganāta jons reaģē ar pieciem dzelzs(II) joniem.

Permanganāts darbojas pats kā savs indikators. MnO₄⁻ jons ir intensīvi violets, bet Mn²⁺ ir gandrīz bezkrāsains, tāpēc pirmais liekais piliens iekrāso kolbu noturīgā gaiši rozā krāsā. Kālija permanganāts nav primārais standarts, un tā šķīdumi lēnām sadalās, tāpēc pirms lietošanas tos standartizē, parasti pret nātrija oksalātu.

Risinātais piemērs 3. 1.2084 g dzelzsrūdas parauga izšķīdina un visu tā dzelzi reducē līdz Fe²⁺. Titrēšanai vajag 26.34 mL 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. Izmantojot Fe 55.845 g/mol, dzelzs masa ir 0.1581 g, un rūda satur 0.1581 g ÷ 1.2084 g × 100 = 13.09 masas procentus dzelzs.

Atpakaļtitrēšana cietām vielām, kas reaģē lēni

Daži paraugi nešķīst vai nereaģē pietiekami ātri tiešai titrēšanai. Piemērs ir kalcija karbonāts antacīda tabletē: tas reaģē ar skābi, bet tā ir cieta viela, un reakcijā izdalās oglekļa dioksīds, tāpēc asu beigu punktu grūti saskatīt. Atpakaļtitrēšanā pievieno izmērītu viena reaģenta pārākumu, ļauj reakcijai noritēt līdz galam un pēc tam titrē atlikumu.

Risinātais piemērs 4. 0.5000 g sasmalcinātas antacīda tabletes porciju apstrādā ar 50.00 mL 0.2000 mol/L HCl, kas ir vairāk nekā pietiekami, lai izreaģētu viss tās CaCO₃: CaCO₃(s) + 2 HCl(aq) → CaCl₂(aq) + H₂O(l) + CO₂(g). Pēc šķīduma vārīšanas, lai izdzītu CO₂, atlikušajai skābei vajag 21.38 mL 0.1000 mol/L NaOH. Pievienotā HCl: 0.2000 × 0.05000 = 1.000 × 10⁻² mol. Atlikusī HCl, vienāda ar izlietoto NaOH: 0.1000 × 0.02138 = 2.138 × 10⁻³ mol. Tabletes patērētā HCl: 1.000 × 10⁻² − 2.138 × 10⁻³ = 7.862 × 10⁻³ mol.

Karbonāts reaģē ar skābi attiecībā 1:2, tāpēc n(CaCO₃) = 7.862 × 10⁻³ ÷ 2 = 3.931 × 10⁻³ mol. Ar M(CaCO₃) = 100.09 g/mol masa ir 0.3935 g (0.39345 g pirms noapaļošanas), kas ir 78.69 procenti no 0.5000 g porcijas. Atņemšana ir solis, ko visbiežāk izlaiž. Bez tās jūs aprēķinātu kolbā atlikušo skābi, nevis tabletes izlietoto skābi.

Indikatora izvēle un darbs ar bireti

Indikators maina krāsu aptuveni intervālā pKa ± 1, tāpēc izvēlieties tādu, kura intervāls atrodas titrēšanas līknes stāvajā daļā. Stiprai skābei ar stipru bāzi aptuveni 0.1 mol/L koncentrācijā ekvivalences punkts ir pie pH 7.00, un pH viena vai divu pilienu laikā mainās par vairākām vienībām, tāpēc vairāki izplatīti indikatori dod asu beigu punktu, to vidū fenolftaleīns. Vājai skābei ar stipru bāzi ekvivalences punkts ir bāzisks: OpenStax aprēķina pH 8.72 0.100 mol/L etiķskābei, titrētai ar 0.100 mol/L NaOH. Šim gadījumam der fenolftaleīns, kas kļūst rozā virs aptuveni pH 8.3. Metiloranžs (Ka = 4.0 × 10⁻⁴ OpenStax, tātad pKa ≈ 3.4) mainītu krāsu pārāk agri.

50 mL bireti nolasa ar precizitāti 0.01 mL, un katrs izlietotais tilpums ir divu rādījumu starpība. Aptuveni ±0.02 mL nenoteiktība ir 0.08 procenti no 25 mL tilpuma, bet 0.4 procenti no 5 mL. Tāpēc metodes izstrādā tā, lai titranta tilpums būtu biretes diapazona vidū.

• Pirms uzpildīšanas izskalojiet bireti ar dažiem mililitriem titranta, lai atlikušais ūdens to neatšķaidītu.
• Pirms pirmā rādījuma izvadiet gaisa burbuli no biretes gala.
• Nolasiet meniska apakšu acu līmenī un pierakstiet abus rādījumus, ne tikai starpību.
• Vispirms veiciet aptuvenu titrēšanu, pēc tam atkārtojiet, līdz divas rūpīgas titrēšanas cieši sakrīt.

Titrēšanas aritmētikas kļūdas un to pārbaudes

Lielākā daļa nepareizo atbilžu rodas no molu attiecības vai vienībām, nevis no ķīmijas. Pirms aprēķina uzrakstiet izlīdzināto vienādojumu un apvelciet titranta un analizējamās vielas koeficientus.

• C₁V₁ = C₂V₂ izmantošana titrēšanai. Šis saīsinājums ir paredzēts atšķaidīšanai un pieņem attiecību 1:1, kas neder H₂SO₄, Ba(OH)₂ un MnO₄⁻/Fe²⁺ gadījumā.
• Tilpumu atstāšana mililitros, kamēr koncentrācijas ir mol/L. Pārrēķiniet litros vai konsekventi izmantojiet milimolus.
• Atņemšanas aizmiršana atpakaļtitrēšanā.
• Nepareizas vielas formulas masas izmantošana, piemēram, NaOH, nevis KHP standartizēšanā.
• Vairāk nozīmīgo ciparu norādīšana, nekā pieļauj birete un svari. Rūpīgā tilpumanalīzē tipiski ir četri.
• Pieņēmums, ka šķīdums katrā ekvivalences punktā ir neitrāls. Tas attiecas tikai uz stipru skābi ar stipru bāzi.