Pengiraan Pentitratan: Daripada Isi Padu Buret kepada Kuantiti Analit

Tiga nombor yang diperlukan oleh setiap pengiraan pentitratan

Dalam pentitratan, larutan yang diketahui kepekatannya (bahan pentitrat) ditambah dari buret kepada bahan yang diukur (analit) sehingga tindak balas antara kedua-duanya lengkap. Setiap pengiraan menggunakan tiga maklumat: kepekatan bahan pentitrat, isi padu bahan pentitrat yang dialirkan, dan nisbah mol daripada persamaan yang seimbang.

Laluannya sentiasa sama. Tukar isi padu bahan pentitrat kepada liter dan darabkan dengan kepekatannya untuk mendapatkan mol bahan pentitrat, n = c × V. Gunakan nisbah mol untuk menukar kepada mol analit. Kemudian tukar kepada apa sahaja yang diminta oleh soalan: kepekatan, jisim, atau peratusan sampel.

Takat kesetaraan ialah titik apabila bahan pentitrat yang ditambah tepat sepadan dengan analit mengikut nisbah stoikiometri. Takat akhir ialah apa yang sebenarnya anda perhatikan, seperti penunjuk yang berubah warna. Kaedah yang baik menjadikan kedua-duanya hampir bertepatan, dan perbezaan kecil antara kedua-duanya dipanggil ralat pentitratan.

Memiawaikan natrium hidroksida dengan kalium hidrogen ftalat

Anda tidak boleh menyediakan larutan natrium hidroksida yang tepat dengan menimbang pepejalnya. Pelet NaOH menyerap air dan karbon dioksida daripada udara, jadi jisimnya bukan semuanya NaOH. Sebaliknya, larutan yang disediakan secara kasar dipiawaikan: dititratkan terhadap piawai primer, iaitu bahan yang cukup tulen dan stabil untuk ditimbang secara langsung.

Kalium hidrogen ftalat, KHC₈H₄O₄ (sering dipanggil KHP), ialah pilihan yang lazim. Ia ialah pepejal yang stabil dan tidak higroskopik dengan satu hidrogen berasid, dan NIST memperakui satu grednya sebagai piawai primer asidimetri (SRM 84L). Jisim molarnya yang besar juga bermakna sampel biasa seberat kira-kira setengah gram, jadi ralat penimbangan relatifnya kecil.

Contoh penyelesaian 1. Sampel KHP seberat 0.5106 g memerlukan 24.68 mL larutan NaOH untuk mencapai takat akhir fenolftalein. Tindak balasnya ialah 1:1: KHC₈H₄O₄(aq) + NaOH(aq) → KNaC₈H₄O₄(aq) + H₂O(l). Menggunakan jisim atom piawai IUPAC (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, yang sama dengan n(NaOH). c(NaOH) = 2.500 × 10⁻³ mol ÷ 0.02468 L = 0.1013 mol/L, dilaporkan kepada empat angka bererti kerana jisim dan isi padu masing-masing mempunyai empat.

Asid diprotik mengubah nisbah mol

Asid sulfurik menyerahkan dua proton bagi setiap molekul kepada hidroksida: H₂SO₄(aq) + 2 NaOH(aq) → Na₂SO₄(aq) + 2 H₂O(l). Oleh itu, setiap mol asid menggunakan dua mol bes, dan nisbah mol mesti diambil daripada persamaan ini, bukan daripada kebiasaan menganggap pentitratan sebagai 1:1.

Contoh penyelesaian 2. Sampel asid sulfurik sebanyak 25.00 mL dititratkan dengan NaOH 0.1013 mol/L daripada contoh 1, dan takat akhir dicapai pada 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. Menggunakan nisbah 1:1 secara tersilap akan memberikan 0.07476 mol/L, tepat dua kali nilai sebenar.

Asid poliprotik yang lebih lemah memerlukan lebih banyak perhatian. Dengan asid fosforik, proton tercerai dalam langkah-langkah yang jelas berasingan, jadi nisbahnya bergantung pada takat kesetaraan mana yang dikesan oleh penunjuk anda. Nyatakan takat akhir itu sebelum anda memilih nisbah mol.

Pentitratan redoks: permanganat dan ferum(II)

Pentitratan tidak terhad kepada asid dan bes. Dalam larutan berasid, permanganat mengoksidakan ferum(II): MnO₄⁻(aq) + 5 Fe²⁺(aq) + 8 H⁺(aq) → Mn²⁺(aq) + 5 Fe³⁺(aq) + 4 H₂O(l). Mangan berubah dari +7 kepada +2, menerima lima elektron, manakala setiap ferum kehilangan satu, jadi satu ion permanganat bertindak balas dengan lima ion ferum(II).

Permanganat bertindak sebagai penunjuknya sendiri. Ion MnO₄⁻ berwarna ungu pekat dan Mn²⁺ hampir tidak berwarna, jadi titisan berlebihan yang pertama menjadikan kelalang berwarna merah jambu pucat yang kekal. Kalium permanganat bukan piawai primer, dan larutannya terurai secara perlahan, jadi larutan itu dipiawaikan sebelum digunakan, lazimnya terhadap natrium oksalat.

Contoh penyelesaian 3. Sampel bijih besi seberat 1.2084 g dilarutkan dan semua ferumnya diturunkan kepada Fe²⁺. Pentitratan memerlukan 26.34 mL KMnO₄ 0.02150 mol/L. 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. Menggunakan Fe 55.845 g/mol, jisim ferum ialah 0.1581 g, dan bijih itu mengandungi 0.1581 g ÷ 1.2084 g × 100 = 13.09 peratus ferum mengikut jisim.

Pentitratan balik bagi pepejal yang bertindak balas perlahan

Sesetengah sampel tidak melarut atau bertindak balas dengan cukup pantas untuk pentitratan langsung. Kalsium karbonat dalam tablet antasid ialah satu contoh: ia bertindak balas dengan asid, tetapi ia ialah pepejal dan tindak balasnya membebaskan karbon dioksida, yang menyukarkan takat akhir yang tajam untuk dilihat. Dalam pentitratan balik, anda menambah satu reagen secara berlebihan dalam kuantiti yang diukur, membiarkan tindak balas selesai, kemudian mentitratkan apa sahaja yang berbaki.

Contoh penyelesaian 4. Sebahagian tablet antasid yang dihancurkan seberat 0.5000 g dirawat dengan 50.00 mL HCl 0.2000 mol/L, lebih daripada cukup untuk bertindak balas dengan semua CaCO₃nya: CaCO₃(s) + 2 HCl(aq) → CaCl₂(aq) + H₂O(l) + CO₂(g). Selepas larutan itu dididihkan untuk menyingkirkan CO₂, asid yang berbaki memerlukan 21.38 mL NaOH 0.1000 mol/L. HCl yang ditambah: 0.2000 × 0.05000 = 1.000 × 10⁻² mol. HCl yang berbaki, sama dengan NaOH yang digunakan: 0.1000 × 0.02138 = 2.138 × 10⁻³ mol. HCl yang digunakan oleh tablet: 1.000 × 10⁻² − 2.138 × 10⁻³ = 7.862 × 10⁻³ mol.

Karbonat bertindak balas 1:2 dengan asid, jadi n(CaCO₃) = 7.862 × 10⁻³ ÷ 2 = 3.931 × 10⁻³ mol. Dengan M(CaCO₃) = 100.09 g/mol, jisimnya ialah 0.3935 g (0.39345 g sebelum dibundarkan), iaitu 78.69 peratus daripada bahagian 0.5000 g itu. Penolakan ialah langkah yang paling kerap dilangkau. Tanpanya, anda akan mengira asid yang tinggal dalam kelalang, bukan asid yang digunakan oleh tablet.

Pilihan penunjuk dan teknik buret

Penunjuk berubah warna dalam julat kira-kira pKa ± 1, jadi pilih penunjuk yang julatnya jatuh pada bahagian curam lengkung pentitratan. Bagi asid kuat dengan bes kuat pada kira-kira 0.1 mol/L, takat kesetaraan berada pada pH 7.00 dan pH melonjak beberapa unit dalam satu atau dua titis, jadi beberapa penunjuk lazim memberikan takat akhir yang tajam, termasuk fenolftalein. Bagi asid lemah dengan bes kuat, takat kesetaraan bersifat bes: OpenStax mengira pH 8.72 bagi asid asetik 0.100 mol/L yang dititratkan dengan NaOH 0.100 mol/L. Fenolftalein, yang bertukar merah jambu di atas kira-kira pH 8.3, sesuai untuk kes itu. Metil jingga (Ka = 4.0 × 10⁻⁴ dalam OpenStax, jadi pKa ≈ 3.4) akan berubah warna terlalu awal.

Buret 50 mL dibaca kepada 0.01 mL, dan setiap isi padu yang dialirkan ialah perbezaan dua bacaan. Ketakpastian kira-kira ±0.02 mL ialah 0.08 peratus daripada aliran 25 mL tetapi 0.4 peratus daripada aliran 5 mL. Itulah sebabnya kaedah direka supaya isi padu bahan pentitrat jatuh di tengah-tengah julat buret.

• Bilas buret dengan beberapa mililiter bahan pentitrat sebelum mengisinya, supaya air yang tertinggal tidak mencairkannya.
• Keluarkan gelembung udara dari hujung buret sebelum bacaan pertama.
• Baca bahagian bawah meniskus pada aras mata, dan rekodkan kedua-dua bacaan, bukan perbezaannya sahaja.
• Jalankan pentitratan kasar dahulu, kemudian ulang sehingga dua pentitratan yang teliti memberikan keputusan yang hampir sama.

Kesilapan aritmetik pentitratan dan semakannya

Kebanyakan jawapan yang salah berpunca daripada nisbah mol atau unit, bukan kimianya. Sebelum mengira, tulis persamaan yang seimbang dan bulatkan pekali bahan pentitrat dan analit.

• Menggunakan C₁V₁ = C₂V₂ untuk pentitratan. Jalan pintas itu adalah untuk pencairan dan mengandaikan nisbah 1:1, yang gagal bagi H₂SO₄, Ba(OH)₂ dan MnO₄⁻/Fe²⁺.
• Membiarkan isi padu dalam mililiter sedangkan kepekatan dalam mol/L. Tukar kepada liter, atau gunakan milimol secara konsisten.
• Terlupa penolakan dalam pentitratan balik.
• Menggunakan jisim formula spesies yang salah, seperti NaOH dan bukannya KHP dalam pemiawaian.
• Melaporkan lebih banyak angka bererti daripada yang disokong oleh buret dan neraca. Empat adalah lazim bagi kerja volumetrik yang teliti.
• Menganggap larutan neutral pada setiap takat kesetaraan. Hal itu hanya benar bagi asid kuat dengan bes kuat.