Titrasyon Hesapları: Büret Hacminden Analit Miktarına

Her titrasyon hesabının ihtiyaç duyduğu üç sayı

Bir titrasyonda, derişimi bilinen bir çözelti (titrant), ölçülen maddeye (analit) bir büretten, aralarındaki tepkime tamamlanana kadar eklenir. Her hesap üç bilgi kullanır: titrantın derişimi, verilen titrant hacmi ve denkleştirilmiş denklemden mol oranı.

Yol her zaman aynıdır. Titrant hacmini litreye dönüştürün ve titrantın mol sayısını bulmak için derişimiyle çarpın, n = c × V. Analitin mol sayısına dönüştürmek için mol oranını kullanın. Sonra sorunun istediği şeye dönüştürün: bir derişim, bir kütle veya bir örneğin yüzdesi.

Eşdeğerlik noktası, eklenen titrantın analitle stokiyometrik oranda tam olarak eşleştiği noktadır. Dönüm noktası ise gerçekte gözlediğiniz şeydir; örneğin bir indikatörün renk değiştirmesi. İyi bir yöntem ikisini neredeyse çakıştırır ve aralarındaki küçük farka titrasyon hatası denir.

Sodyum hidroksidi potasyum hidrojen ftalatla ayarlama

Katıyı tartarak doğru derişimli bir sodyum hidroksit çözeltisi hazırlayamazsınız. NaOH peletleri havadan su ve karbon dioksit soğurur; bu yüzden kütlelerinin tamamı NaOH değildir. Bunun yerine kabaca hazırlanmış bir çözelti ayarlanır: doğrudan tartılabilecek kadar saf ve kararlı bir madde olan bir birincil standarda karşı titre edilir.

Yaygın bir seçenek potasyum hidrojen ftalattır, KHC₈H₄O₄ (sıklıkla KHP olarak anılır). Tek bir asidik hidrojeni olan, kararlı ve higroskopik olmayan bir katıdır ve NIST bunun bir sınıfını asidimetrik birincil standart olarak sertifikalandırır (SRM 84L). Büyük molar kütlesi ayrıca tipik bir örneğin yaklaşık yarım gram gelmesi anlamına gelir; bu yüzden bağıl tartım hatası küçüktür.

Çözümlü örnek 1. 0.5106 g'lık bir KHP örneği, fenolftalein dönüm noktasına ulaşmak için 24.68 mL NaOH çözeltisi gerektirir. Tepkime 1:1'dir: KHC₈H₄O₄(aq) + NaOH(aq) → KNaC₈H₄O₄(aq) + H₂O(l). IUPAC standart atom ağırlıklarıyla (K 39.098, C 12.011, H 1.008, O 15.999) M(KHP) = 204.22 g/mol'dür. n(KHP) = 0.5106 g ÷ 204.22 g/mol = 2.500 × 10⁻³ mol'dür ve bu n(NaOH)'ye eşittir. c(NaOH) = 2.500 × 10⁻³ mol ÷ 0.02468 L = 0.1013 mol/L; kütle ve hacmin her biri dört anlamlı rakama sahip olduğu için dört anlamlı rakamla verilir.

Diprotik asitler mol oranını değiştirir

Sülfürik asit molekül başına iki protonu hidroksite verir: H₂SO₄(aq) + 2 NaOH(aq) → Na₂SO₄(aq) + 2 H₂O(l). Dolayısıyla her mol asit iki mol baz tüketir ve mol oranı, titrasyonları 1:1 sayma alışkanlığından değil, bu denklemden gelmelidir.

Çözümlü örnek 2. 25.00 mL'lik bir sülfürik asit örneği, 1. örnekteki 0.1013 mol/L NaOH ile titre edilir ve dönüm noktasına 18.45 mL'de ulaşılır. 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. Yanlışlıkla 1:1 oran kullanmak 0.07476 mol/L verirdi; bu, gerçek değerin tam iki katıdır.

Daha zayıf poliprotik asitler daha fazla özen gerektirir. Fosforik asitte protonlar açıkça ayrı adımlarla ayrılır; bu yüzden oran, indikatörünüzün hangi eşdeğerlik noktasını algıladığına bağlıdır. Mol oranını seçmeden önce bu dönüm noktasını belirtin.

Redoks titrasyonları: permanganat ve demir(II)

Titrasyonlar asitler ve bazlarla sınırlı değildir. Asidik çözeltide permanganat demir(II)'yi yükseltger: MnO₄⁻(aq) + 5 Fe²⁺(aq) + 8 H⁺(aq) → Mn²⁺(aq) + 5 Fe³⁺(aq) + 4 H₂O(l). Mangan +7'den +2'ye geçerek beş elektron kazanır, her demir ise bir elektron kaybeder; bu yüzden bir permanganat iyonu beş demir(II) iyonuyla tepkimeye girer.

Permanganat kendi indikatörü işlevini görür. MnO₄⁻ iyonu yoğun mor, Mn²⁺ ise neredeyse renksizdir; bu yüzden fazladan eklenen ilk damla balonu kalıcı soluk pembe bir renge döndürür. Potasyum permanganat bir birincil standart değildir ve çözeltileri yavaşça bozunur; bu yüzden kullanmadan önce, yaygın olarak sodyum okzalata karşı ayarlanır.

Çözümlü örnek 3. 1.2084 g'lık bir demir cevheri örneği çözülür ve demirinin tamamı Fe²⁺'ye indirgenir. Titrasyon 0.02150 mol/L KMnO₄'ten 26.34 mL gerektirir. 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. Fe 55.845 g/mol kullanılarak demir kütlesi 0.1581 g bulunur ve cevher kütlece 0.1581 g ÷ 1.2084 g × 100 = yüzde 13.09 demir içerir.

Yavaş tepkimeye giren katılar için geri titrasyonlar

Bazı örnekler doğrudan bir titrasyon için yeterince hızlı çözünmez veya tepkimeye girmez. Bir antasit tabletindeki kalsiyum karbonat buna bir örnektir: asitle tepkimeye girer, ancak bir katıdır ve tepkime karbon dioksit açığa çıkarır; bu da keskin bir dönüm noktasını görmeyi zorlaştırır. Bir geri titrasyonda bir reaktiften ölçülmüş bir fazlalık ekler, tepkimenin tamamlanmasını bekler ve sonra geriye kalanı titre edersiniz.

Çözümlü örnek 4. Ezilmiş bir antasit tabletinin 0.5000 g'lık bir kısmı, tüm CaCO₃'ıyla tepkimeye girmeye fazlasıyla yetecek 50.00 mL 0.2000 mol/L HCl ile işlenir: CaCO₃(s) + 2 HCl(aq) → CaCl₂(aq) + H₂O(l) + CO₂(g). CO₂'yi uzaklaştırmak için çözelti kaynatıldıktan sonra kalan asit 0.1000 mol/L NaOH'den 21.38 mL gerektirir. Eklenen HCl: 0.2000 × 0.05000 = 1.000 × 10⁻² mol. Kullanılan NaOH'ye eşit olan artan HCl: 0.1000 × 0.02138 = 2.138 × 10⁻³ mol. Tabletin tükettiği HCl: 1.000 × 10⁻² − 2.138 × 10⁻³ = 7.862 × 10⁻³ mol.

Karbonat asitle 1:2 oranında tepkimeye girer; dolayısıyla n(CaCO₃) = 7.862 × 10⁻³ ÷ 2 = 3.931 × 10⁻³ mol. M(CaCO₃) = 100.09 g/mol ile kütle 0.3935 g'dır (yuvarlamadan önce 0.39345 g); bu, 0.5000 g'lık kısmın yüzde 78.69'udur. En sık atlanan adım çıkarmadır. Bu adım olmadan tabletin kullandığı asidi değil, balonda kalan asidi hesaplamış olursunuz.

İndikatör seçimi ve büret tekniği

Bir indikatör kabaca pKa ± 1 aralığında renk değiştirir; bu yüzden aralığı titrasyon eğrisinin dik kısmına denk gelen birini seçin. Yaklaşık 0.1 mol/L'de kuvvetli bir asit ile kuvvetli bir baz için eşdeğerlik noktası pH 7.00'dadır ve pH bir veya iki damla içinde birkaç birim sıçrar; bu yüzden aralarında fenolftaleinin de bulunduğu birçok yaygın indikatör keskin bir dönüm noktası verir. Zayıf bir asit ile kuvvetli bir baz için eşdeğerlik noktası baziktir: OpenStax, 0.100 mol/L NaOH ile titre edilen 0.100 mol/L asetik asit için pH 8.72 hesaplar. Yaklaşık pH 8.3'ün üzerinde pembeleşen fenolftalein bu duruma uygundur. Metil oranj (OpenStax'te Ka = 4.0 × 10⁻⁴, dolayısıyla pKa ≈ 3.4) çok erken renk değiştirirdi.

50 mL'lik bir büret 0.01 mL'ye kadar okunur ve verilen her hacim iki okumanın farkıdır. Yaklaşık ±0.02 mL'lik bir belirsizlik, 25 mL'lik bir verimin yüzde 0.08'i, ama 5 mL'lik bir verimin yüzde 0.4'üdür. Yöntemlerin, titrant hacmi büretin aralığının ortasına düşecek şekilde tasarlanmasının nedeni budur.

• Doldurmadan önce büreti birkaç mililitre titrantla çalkalayın; böylece kalan su titrantı seyreltmez.
• İlk okumadan önce uçtaki hava kabarcığını giderin.
• Menisküsün altını göz hizasında okuyun ve yalnızca farkı değil, iki okumayı da kaydedin.
• Önce kaba bir titrasyon yapın, sonra iki dikkatli titrasyon birbirine yakın sonuç verene kadar tekrarlayın.

Titrasyon aritmetiği hataları ve kontrolleri

Yanlış cevapların çoğu kimyadan değil, mol oranından veya birimlerden kaynaklanır. Hesaplamadan önce denkleştirilmiş denklemi yazın ve titrant ile analitin katsayılarını daire içine alın.

• Bir titrasyon için C₁V₁ = C₂V₂ kullanmak. Bu kısayol seyreltme içindir ve 1:1 oran varsayar; bu da H₂SO₄, Ba(OH)₂ ve MnO₄⁻/Fe²⁺ için geçersizdir.
• Derişimler mol/L cinsindeyken hacimleri mililitre olarak bırakmak. Litreye dönüştürün veya tutarlı biçimde milimol kullanın.
• Bir geri titrasyonda çıkarma işlemini unutmak.
• Yanlış türün formül kütlesini kullanmak; örneğin bir ayarlamada KHP yerine NaOH'ninkini.
• Büret ve terazinin desteklediğinden daha fazla anlamlı rakam bildirmek. Dikkatli hacimsel çalışmada dört rakam tipiktir.
• Her eşdeğerlik noktasında çözeltinin nötr olduğunu varsaymak. Bu yalnızca kuvvetli asit ile kuvvetli baz için geçerlidir.