052 – Acidobazická titrace 2

Titrace je standardní způsob, jak zodpovědět otázku, kterou nelze zodpovědět pouhým pohledem: kolik rozpuštěné látky je přítomno. Roztok o známé koncentraci se přidává k měřenému objemu neznámé látky v malých kontrolovaných množstvích, dokud není přidáno přesně tolik, kolik jí spotřebuje. Potřebný objem se odečte na a, protože vyčíslená rovnice určuje poměr, v němž obě látky reagují, tento objem přímo udává neznámou koncentraci. Úpravny vody, mlékárny, vinařství, provozovatelé bazénů a klinické laboratoře provádějí titrace denně a tato technika zůstává referenční metodou, podle níž se kalibrují rychlejší přístrojové analýzy.

Základní chemie je neutralizace. Kyselina chlorovodíková a hydroxid sodný reagují v poměru jeden mol ku jednomu molu, HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H₂O(l), takže v okamžiku, kdy je kyselina přesně spotřebována, se množství přidané zásady rovná množství kyseliny, která tam byla. Tento okamžik je bodem ekvivalence, a protože chlorid sodný je sůl silné kyseliny a silné zásady, žádný z jeho iontů nereaguje s vodou a roztok v bodě ekvivalence je přesně neutrální, pH 7,00. Problém je v tom to uvidět. Přidává se indikátor — zde bromthymolová modř, která je žlutá pod pH 6,0 a modrá nad pH 7,6 — takže roztok mění barvu při překročení bodu ekvivalence.

V této laboratoři upevníte 50ml buretu do stojanu, naplníte ji 2,0 mol/l hydroxidem sodným s menisken nastaveným na nulu a bez bubliny v kohoutu, pipetou odměříte 10 ml kyseliny chlorovodíkové neznámé koncentrace do Erlenmeyerovy baňky a přidáte tři kapky bromthymolové modře. Poté budete po jedné kapce pouštět zásadu a po každé kapce směs promícháte, dokud se žlutý roztok nezabarví. Spočítáním kapek získáte objem spotřebované zásady a z tohoto objemu vyplývá koncentrace kyseliny ve dvou řádcích výpočtu. Toto je první skutečná titrace v této sbírce: laboratorní úloha 047 je navzdory svému názvu kolorimetrickým stanovením pH bez burety a bez ekvivalentního bodu.

Vzdělávací cíle

Princip volumetrické analýzy

• Titrace měří koncentraci roztoku tak, že se k němu přidává roztok o známé koncentraci, dokud nedojde k chemické reakci, a objem může nahradit látkové množství, protože ze známé koncentrace a naměřeného objemu reagujícího činidla lze стехіometricky vypočítat látkové množství hledané látky.
• Rozlišujte bod ekvivalence, který je dán chemickou podstatou, od bodu konce titrace, který ukazuje indikátor.

Stechiometrie neutralizace

• HCl + NaOH → NaCl + H₂O₂A rozpoznat molární poměr 1:1, který to vyžaduje.
• Aplikovat C_aV_a = C_bV_b k získání neznámé koncentrace a vysvětlit, proč tento vztah platí pouze pro 1:1 reakci.
• Oceňte, že neutralita znamená stejné množství H₃O⁺ a Ó⁻, nikoliv stejné objemy obou roztoků.

Výběr a čtení indikátoru

• Bromothymolová modř je vhodná pro titraci silné kyseliny silnou zásadou, protože její přechodová oblast pH 6,0 až 7,6 zahrnuje ekvivalentní pH 7,00.
• Rozpoznejte první trvalou zelenou jako koncový bod a usazenou modrou nebo tyrkysovou jako důkaz, že koncový bod byl překročen.

Technika práce s odměrným sklem

• Upevněte a zajistěte buretu svisle do držáku, vytlačte vzduchovou bublinu z kohoutku a nastavte meniskus na nulu, přičemž stupnici burety odečítejte směrem dolů.
• Dávkujte definovaný alikvot objemovou pipetou a po každém přidání baňku promíchejte.
• Přibližujte se k cílovému bodu kapku po kapce a vězte, proč právě na té poslední záleží.

Zpracování dat a přesnost

• Přveďte počet kapek na objem a poté na látkové množství, přičemž v každém kroku sledujte jednotky.
• Uveďte výsledek na takový počet platných cifer, jaký měření skutečně umožňuje.
• Opakované pokusy se zprůměrují, aby se snížil vliv náhodných chyb a zvýšila se přesnost a spolehlivost výsledků.

Bezpečnost při práci s koncentrovanými žíravinami

• Zacházejte s 2 mol/l hydroxidem sodným, který je pro oko škodlivější než kyselina, kterou neutralizuje, s použitím správných ochranných prostředků.
• Neutralizovaný odpad zlikvidujte do záchytné vaničky a sklo opláchněte destilovanou vodou.

Protokol

Chceme zjistit koncentraci roztoku kyseliny chlorovodíkové (HCl).

Nastavení

1. Připevněte univerzální svorku ke stojanu.
2. Připevněte 50ml odměrný byret k držáku.
3. Odeberte pipetou 10 ml roztoku kyseliny chlorovodíkové o neznámé koncentraci.
4. Vylijte pipetu s kyselinou chlorovodíkovou do Erlenmeyerovy baňky.
5. Do Erlenmeyerovy baňky přidejte kapátkem 3 kapky bromthymolové modři.
6. Promíchejte roztok pomocí skleněné tyčinky. Pozorujte barvu a odhadněte pH pomocí kolorimetrické stupnice.
7. Opláchněte skleněnou tyčinku destilovanou vodou.
8. Naplňte byretu do poloviny neutralizačním roztokem NaOH 2M.
9. Umístěte 50 ml kádinku pod kohout byrety.
10. Pozor, v kohoutku nesmí být žádné bublinky. K jejich odstranění nechte z byrety protéci malé množství 2M NaOH do 50 ml kádinky po dotknutí se malého červeného ventilku kohoutku.
11. Vylijte 50 ml kádinku do sběrné misky a vraťte ji pod byretu.
12. Doplňte odměrný válec neutralizačním roztokem NaOH 2M, dokud není meniskus odměrného válce na nule. Pozor, válec je odstupňován v opačném směru než odměrný válec.
13. Nahraďte 50 mL kádinku pod odměrným ředidlem 100 mL Erlenmeyerovou baňkou s kyselinou chlorovodíkovou.

Titrace roztoku

1. Nechte 1 kapku (cca 0,05 ml) neutralizačního roztoku (NaOH 2M) odkápnout dotykem malé červené páčky kohoutu byrety (páčka se krátce otevře a po odkapání kapky se automaticky zavře).
2. Po každé kapce promíchejte roztok skleněnou tyčinkou.
3. Opakujte kroky 1 a 2, dokud barva roztoku nepřejde ze žluté do první trvalé zelené, což u bromthymolové modři odpovídá neutrálnímu pH (7). Výrazně modrý nebo tyrkysový roztok znamená, že bod ekvivalence byl překročen.
4. Když roztok dosáhne neutrálního pH, opláchněte skleněnou tyčinku destilovanou vodou.
5. Objem přidaného neutralizačního roztoku (NaOH 2M) je zaznamenán v tabulce výsledků.
6. Doporučuje se experiment zopakovat 2x pro zprůměrování získaných výsledků.
7. Spočítejte množství 2M NaOH potřebné k neutralizaci stejného množství HCl. Získané množství, vypočítané na 1 litr roztoku, bude molaritou roztoku HCl.

Poznámka: 1 kapka = 0,05 ml, NaOH 2 mol/1000 ml = NaOH 0,0001 mol / 0,05 ml a 1 mol NaOH neutralizuje 1 mol HCl. Počet molů NaOH použitých k neutralizaci 10 ml kyseliny chlorovodíkové bude indikovat počet molů HCl nalezených v 10 ml roztoku. K extrapolaci molality roztoku HCl musíte vynásobit 100 (tedy 10 ml * 100 = 1000 ml).

Předvídané výsledky

Reakce a co znamená bod zvratu. Titrační reakce je HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H₂OH-, nebo v iontovém vyjádření jednoduše H₃O⁺ + Ó⁻ → 2 H₂Ó, jelikož sodík a chlorid jsou po celou dobu divoké ionty. Poměr je jedna ku jedné, takže v bodě ekvivalence platí $n(\text{přidaný NaOH}) = n(\text{přítomná HCl})$. Chlorid sodný nepodléhá hydrolyze — chlorid je konjugovaná báze silné kyseliny a sodík není kyselý — takže roztok v bodě ekvivalence je přesně neutrální a pH v bodě ekvivalence je 7,00. To je neobvyklé a praktické: u slabé kyseliny by bylo nad 7 a bromthymolová modř by pak byla nevhodným indikátorem.

Měření. Kapka je jednotka objemu v této laboratoři. Jedna kapka je 0,05 ml, takže každá kapka 2,0 mol/l hydroxidu sodného dodává

n = C × V = 2,0 mol/L × 0,05 × 10⁻³ L = 1,0 × 10⁻⁴ mol NaOH v jedné kapce

Koncového bodu je dosaženo po 15 kapkách. To je 15 × 0,05 = 0,75 ml, což nese 15 × 1,0 × 10⁻⁴ = 1,5 × 10⁻³ mol zásady, která v poměru 1:1 musela neutralizovat 1,5 × 10⁻³ molu kyseliny. Kyselina zaujímala 10,00 ml, takže

c(HCl) = n / V = 1,5 × 10⁻³ mol / 0,0100 l = 0,15 mol/l

Následující stejná odpověď v jednom řádku z jazyka C_aV_a = C_bV_b: C_a = (2,0 mol/l × 0,75 ml) / 10,0 ml = 0,15 mol/l. Postup v protokolu – vynásobit množství zjištěné v 10 ml stotisíci, aby se dosáhlo jednoho litru – představuje stejnou aritmetiku zapsanou jiným způsobem.

To, co dělá flaška, kapku po kapce. Barva roztoku se řídí jeho pH a pH se řídí tím, které ze dvou činidel je v nadbytku. Před bodem ekvivalence zbývá kyselina, po něm zbývá zásada; přechod je prudký, protože silná kyselina a silná zásada nenechávají nic k pufrování roztoku. Níže uvedená tabulka zpracovává celý postup pomocí nadbytečného množství vyděleného celkovým objemem v každé fázi.

Odečítání z burety. Bureta je ocejchována směrem dolů, s nulou nahoře, protože sledovaným množstvím je to, co z ní vyteklo, nikoli to, co v ní zůstalo. Spotřeba (titr) je proto dána odečtem konečného stavu mínus počáteční stav a nastavení menisku na nulu před zahájením je spíše usnadněním než nutností. Bublina v kohoutku hraje roli ze stejného důvodu: bublina vytlačená během titrace se počítá jako vydaný objem, přičemž se do banky nikdy nedostala, a zkresluje hodnotu spotřeby směrem nahoru a spolu s ní i vypočtenou koncentraci.

Proč bromothymolová modř a ne jiný indikátor. Indikátor je sám o sobě slabou kyselinou, jejíž dvě formy se liší barvou, a mění se zhruba v rozmezí dvou jednotek pH centrovaných na jeho pK._V. Bromothymol blue has pK_V ≈ 7,1, což je důvod, proč jeho rozsah obklopuje neutralitu; laboratorní úloha 049 se zabývá aritmetikou stojící za touto dvoupasmovou šířkou. Pro tuto konkrétní titraci je výběr spíše velkorysý než kritický: protože pH se při běžně navržené titraci silné kyseliny se silnou zásadou mění z přibližně 4 na přibližně 10 v rámci zlomku kapky, methyl červený nebo fenolftalein by poskytly stejnou spotřebu. Volba se stává kritickou, jakmile je kyselina slabá. Při titraci kyseliny octové, která je předmětem laboratorní úlohy 048, zůstává v roztoku v bodě ekvivalence octan, pH je zde přibližně 8,7 a bromthymolová modř by signalizovala bod ekvivalence předčasně, zatímco fenolftalein by byl správný.

Kde se to nachází mezi ostatními laboratořemi pH. Laboratoř 046 definuje, co je to pH a jak se měří. 048 odděluje koncentraci od síly kyseliny porovnáním kyseliny octové s kyselinou chlorovodíkovou o stejné koncentraci. 049 se zabývá rovnováhou indikátorů a šířkou přechodové oblasti. 050 ukazuje, že u silné kyseliny je pH jednoduše logaritmem ředicího faktoru. V této laboratorní úloze se tyto myšlenky mění v analytickou metodu: pH poprvé není výsledkem, nýbrž signálem, přičemž výsledkem je koncentrace odečtená z burety.

Shrnutí úkolů podle věkové kategorie

9. až 10. ročník

Soustřeď se. Pozorování, slovní zásoba a pečlivý postup. Výpočet je dodán a student doplňuje čísla.

• Nastavte aparaturu správně: bureta svislá a upevněná v držáku, v kohoutu nesmí být bublina, meniskus na nule.
• Spočítejte kapky do změny barvy a převeďte tento počet na objem pomocí vztahu 1 kapka = 0,05 ml.
• Popište posloupnost barev a uveďte název indikátoru; uveďte, co znamená žlutá, zelená a modrá barva.
• Dokončete dodaný výpočet tak, aby bylo dosaženo hodnoty 0,15 mol/l.
• titrace, titrační činidlo, bureta, alikvotní podíl, indikátor, bod ekvivalence, neutralizace.

11. ročník

Soustřeď se. Úplný výpočet bez pomůcky a význam bodu ekvivalence.

• Odvoďte koncentraci z prvních principů: množství na kapku, dodané množství, množství kyseliny, koncentrace – aniž by byla zadána cesta.
• Získejte stejnou odpověď druhým způsobem pomocí jazyka C_aV_a = C_bV_b, a vysvětlete, proč tato zkratka platí pouze pro reakci 1:1.
• Vypočítejte pH kyseliny před titrací a potvrďte 0,82 a pH titračního činidla a potvrďte 14,3.
• Vysvětlete, proč je pH v bodě ekvivalence pro tento pár reagencií přesně 7,00, a na tomto základě zdůvodněte použití bromthymolové modři.
• Spočítejte pH po 14 a po 16 kapkách a vysvětlete, proč je přechod tak prudký.
• Zaokrouhlete odpověď na přesnost, kterou představuje jedna kapka.

12. ročník / Úroveň college

Soustřeď se. Návrh metodiky, analýza chyb a limity techniky. Od studentů se očekává, že budou postup spíše kritizovat, než jej provádět.

• Sestavte úplnou titrační křivku, pH v závislosti na objemu titračního činidla, a identifikujte inflexní bod; porovnejte jeho strmost se šířkou oblasti přechodu indikátoru.
• Kvantitativně ukažte, že titrant o koncentraci 2,0 mol/l omezuje výsledek na dvě platné číslice, a spočítejte zlepšení, které by přinesl titrant o koncentraci 0,10 mol/l.
• Navrhněte titraci znovu tak, aby se dosáhlo bodu ekvivalence mezi 20 a 40 ml, a určete koncentraci titračního činidla a objem alikvotu, kterými toho lze dosáhnout.
• Předpovězte, jak by se křivka a ekvivalentní pH změnily, pokud by analytem byla kyselina octová namísto kyseliny chlorovodíkové, a vyberte pro tento případ vhodný indikátor.
• Diskutujte o rozdílu mezi ekvivalentním bodem a bodem koncovým jako o zdroji systematické, nikoli náhodné chyby, a odhadněte zde její velikost.
• Vztah metody k jejím průmyslovým a klinickým použitím – alkalicita upravené vody, titrovatelná kyselost ve vínech a mléce, analýza žaludeční kyselosti – a vysvětlení, co dělá titraci referenční metodou pro kalibraci rychlejších instrumentálních technik.

Laboratorní potřeby

Nástroje

• Bureta (50 ml) s kohoutem
• Univerzální svorka a stojan
• Celková pipeta (10 ml)
• Erlenmeyerova baňka (100 ml)
• Kádinka (50 ml) použitá k propláchnutí kohoutu
• Kapátko
• Skleněná tyč
• stupnice barev pH (laboratorní tabulka)
• Záchytná vanička

Produkty

• Kyselina chlorovodíková HCl, neznámá koncentrace (10 mL podíl; zjištěno 0,15 mol/L)
• Hydroxid sodný NaOH 2,0 mol/l (titrační činidlo)
• Indikátor bromothymolová modř (3 kapky)
• Destilovaná voda (oplach)