Titrarea este modul standard de a răspunde la o întrebare care nu poate fi răspunsă prin simpla observare: câtă substanță dizolvată este prezentă. O soluție de concentrație cunoscută este adăugată la un volum măsurat al substanței necunoscute, în cantități mici și controlate, până când s-a adăugat exact atât cât este necesar pentru a o consuma. Volumul necesar este citit de pe o biuretă și, deoarece ecuația echilibrată stabilește raportul în care cele două substanțe reacționează, acel volum oferă direct concentrația necunoscută. Stațiile de tratare a apei, fabricile de lactate, vinăriile, administratorii de piscină și laboratoarele clinice efectuează titrări zilnic, iar tehnică rămâne metoda de referință în raport cu care sunt calibrate analize instrumentale mai rapide.
Chimia de la bază este neutralizarea. Acidul clorhidric și hidroxidul de sodiu reacționează în raport de un mol la un mol, HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H2Prin urmare, în momentul în care acidul este consumat exact, cantitatea de bază adăugată este egală cu cantitatea de acid care a fost prezentă. Acel moment este punctul de echivalență și, deoarece clorura de sodiu este sarea unui acid slab și a unei baze tari, niciunul dintre ionii săi nu reacționează cu apa, iar soluția la echivalență este exact neutră, cu pH-ul 7,00. Problema este vizualizarea acestuia. Se adaugă un indicator — aici albastru de bromotimol, care este galben sub pH 6,0 și albastru peste pH 7,6 — astfel încât soluția își schimbă culoarea pe măsură ce se depășește punctul de echivalență.
În acest laborator veți fixa o biuretă de 50 mL la un stand, o veți umple cu hidroxid de sodiu 2,0 mol/L având meniscul reglat la zero și nicio bulă de aer în robinet, veți pipeta 10 mL de acid clorhidric de concentrație necunoscută într-un balon Erlenmeyer și veți adăuga trei picături de albastru de bromotimol. Veți elibera apoi baza, câte o picătură pe rând, amestecând după fiecare, până când soluția galbenă își schimbă culoarea. Numărarea picăturilor dă volumul de bază adăugat, iar din acel volum concentrația acidului rezultă din două rânduri de aritmetică. Aceasta este prima titrare adevărată din colecție: laboratorul 047, în ciuda titlului său, este o determinare colorimetrică a pH-ului fără biuretă și fără punct de echivalență.
Obiective educaționale
Principiul analizei volumetrice
- Titrarea măsoară concentrația unei substanțe necunoscute dintr-o soluție prin adăugarea treptată a unei soluții cu concentrație cunoscută (titrant) până la atingerea punctului de echivalență (sau de final). Volumul poate ține loc de cantitate de substanță deoarece, cunoscând concentrația molară (moli pe unitatea de volum) a soluției adăugate, volumul măsurat permite calcularea directă a numărului de moli care au reacționat, pe baza stochiometriei reacției chimice.
- Faceți distincția între punctul de echivalență, care este fixat de stoechiometria reacției, și punctul final, care este cel indicat de indicator.
Stoichiometria neutralizării
- HCl + NaOH → NaCl + H₂O2Și recunoaște raportul molar de 1:1 pe care îl impune.
- Aplică CaVa = CbVb pentru a obține o concentrație necunoscută și pentru a explica de ce relația este valabilă doar pentru o reacție de 1:1.
- Apreciați că neutralitatea înseamnă cantități egale de H3O+ și OH−, volume egale ale celor două soluții fiind excluse.
Alegerea și citirea unui indicator
- Justificați utilizarea albastrului de bromotimol pentru titrarea unui acid tăria cu o bază tare, având în vedere că intervalul său de viraj de la pH 6,0 la 7,6 include pH-ul de echivalență de 7,00.
- Recunoaște primul verde persistent ca punct final și un albastru sau turcoaz stabilizat ca dovadă că punctul final a fost depășit.
Tehnica sticlăriei volumetrice
- Pregătiți o biuretă: fixați-o vertical, eliminați bula de aer din robinet și aduceți meniscul la zero, citind o scară a biuretei care coboară.
- Livrați o alicotă definită cu o pipetă volumetrică și amestecați balonul după fiecare adăugare.
- Abordează punctul final câte o picătură pe rând și înțelege de ce ultima picătură este cea care contează.
Gestionarea datelor și precizia
- Convertește un număr de picături într-un volum și apoi într-o cantitate de substanță, urmărind unitățile de măsură la fiecare pas.
- Exprimați rezultatul la un număr de cifre semnificative pe care măsurătoarea le poate susține efectiv.
- Experimentele replicate sunt mediate pentru a reduce impactul erorilor aleatorii și al zgomotului experimental, ceea ce crește precizia, acuratețea și fiabilitatea rezultatelor finale.
Siguranța cu substanțe corozive concentrate
- Manipulați hidroxidul de sodiu 2 mol/L, care este mai dăunător pentru ochi decât acidul pe care îl neutralizează, cu echipamentul de protecție corect.
- Eliminați deșeurile neutralizate în tava de recuperare și clătiți sticăria de laborator cu apă distilată.
Protocol
Dorim să determinăm concentrația unei soluții de acid clorhidric (HCl).
Configurare
- Atașați o clemă universală la suport.
- Atașați bureta gradată de 50 mL la clemă.
- Măsurați 10 mL de soluție de acid clorhidric de concentrație necunoscută folosind pipeta.
- Goliți-pipeta care conține acid clorhidric în balonul Erlenmeyer.
- Adăugați 3 picături de albastru de timol în balonul Erlenmeyer, folosind picurătorul.
- Amestecați soluția folosind bagheta de sticlă. Notați culoarea și estimați pH-ul folosind scala colorimetrică.
- Clătiți bagheta de sticlă cu apă distilată.
- Umpleți biureta pe jumătate cu soluție de neutralizare NaOH 2M.
- Pune un pahar Berzelius de 50 mL sub robinetul buretei.
- Atenție, nu trebuie să existe bule în robinet. Pentru a le îndepărta, lăsați să curgă puțin NaOH 2M din biuretă în eprubeta de 50 mL, atingând mica valvă roșie a robinetului.
- Goliți eprubeta de 50 mL în tăvița de recuperare și puneți-o înapoi sub biuretă.
- Completați umplerea biuretei cu soluția de neutralizare NaOH 2M până când meniscul biuretei volumetrice este la zero. Atenție, biureta este gradată în sens invers față de o cilindru gradat.
- Înlocuiți eprubeta de 50 mL așezată sub biureta gradată cu balonul Erlenmeyer de 100 mL ce conține acid clorhidric.
Titrarea soluției
- Lăsați 1 picătură (aproximativ 0,05 ml) de soluție neutralizantă (NaOH 2M) să curgă prin atingerea micului robinet roșu al robinetului de biuretă (robinetul se deschide pentru scurt timp și se închide automat după ce picătura a curs).
- După fiecare picătură, amestecați soluția cu bagheta de sticlă.
- Repetați pașii 1 și 2 până când culoarea soluției trece de la galben la primul verde persistent, care corespunde unui pH neutru (7) pentru albastrul de bromtimol. O soluție net albastră sau turcoaz arată că punctul de echivalență a fost depășit.
- Când soluția a atins un pH neutru, clătiți bagheta de sticlă cu apă distilată.
- Volumul soluției neutralizante (NaOH 2M) adăugat este înregistrat în tabelul de rezultate.
- Se recomandă repetarea experimentului de 2 ori pentru a face o medie a rezultatelor obținute.
- Calculați cantitatea de NaOH 2M necesară pentru a neutraliza o cantitate egală de HCl. Cantitatea obținută, calculată pentru 1 L de soluție, va fi molaritatea soluției de HCl.
Notă: 1 picătură = 0,05 mL, NaOH 2 mol/1000 mL = NaOH 0,0001 mol / 0,05 mL, iar 1 mol de NaOH neutralizează 1 mol de HCl. Numărul de moli de NaOH utilizați pentru a neutraliza 10 mL de acid clorhidric va indica numărul de moli de HCl găsiți în 10 mL soluție. Pentru a extrage molaritatea soluției de HCl, trebuie să înmulțiți cu 100 (deci 10 mL * 100 = 1000 mL).
Rezultate anticipate
Reacția și ce înseamnă punctul de echivalență. Reacția de titrare este HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H2O(l), sau în termeni ionici simplu H3O+ + OH− → 2 H2Oh, din moment ce sodiul și clorura sunt spectatori pe parcurs. Raportul este de unu la unu, deci la echivalență $n(\text{NaOH adăugat}) = n(\text{HCl prezent})$. Clorura de sodiu nu se hidrolizează — clorura este baza conjugată a unui acid tare, iar sodiul nu este acid — așa că soluția la echivalență este exact neutră, iar pH-ul de echivalență este 7,00. Asta este neobișnuit și convenabil: pentru un acid slab ar fi de peste 7, iar albastrul de bromotimol ar fi atunci indicatorul greșit.
Măsurătoarea. Picătura este unitatea de volum din acest laborator. O picătură are 0,05 mL, deci fiecare picătură de hidroxid de sodiu 2,0 mol/L livrează
n = C × V = 2,0 mol/L × 0,05 × 10−3 L = 1,0 × 10−4 moli de NaOH per picătură
Punctul de echivalență este atins după 15 picături. Adică 15 × 0,05 = 0,75 mL, conținând 15 × 1,0 × 10−4 = 1,5 × 10−3 moli de bază, care, conform raportului de 1:1, trebuie să fi neutralizat 1,5 × 10−3 moli de acid. Acidul a ocupat 10,00 mL, deci
C(HCl) = n / V = 1.5 × 10−3 mol / 0,0100 L = 0,15 mol/L
Același răspuns urmează pe o singură linie din CaVa = CbVb: Ca = (2,0 mol/L × 0,75 mL) / 10,0 mL = 0,15 mol/L. Ruta protocolului — înmulțirea cantității găsite în 10 mL cu 100 pentru a ajunge la un litru — este aceeași aritmetică scrisă altfel.
| Cantitate | Valoare | De unde vine |
|---|---|---|
| Volumul de acid luat | 10,00 mL | pipetă volumetrică |
| Titrant | NaOH 2,0 mol/L | reactiv de laborator |
| Volumul unei picături | 0,05 mL | menționat în protocol |
| Cantitatea de bază per picătură | 1.0 × 10−4 mol | 2.0 × 0.05 / 1000 |
| Scade la punct final | 15 | observat |
| Volumul de bază livrat | 0,75 mL | 15 × 0.05 |
| Cantitatea de bază livrată | 1.5 × 10−3 mol | 15 × 1.0 × 10−4 |
| Cantitatea de acid neutralizată | 1.5 × 10−3 mol | raport molar 1:1 |
| Concentrația acidului | 0,15 mol/L | 1.5 × 10−3 / 0.0100 |
| pH-ul acelui acid | 0.82 | −log(0,15) |
| pH-ul titrantului de 2,0 mol/L | ≈ 14,3 | 14 + log(2.0) |
Ce face balonul, picătură cu picătură. Culoarea soluției este guvernată de pH-ul acesteia, iar pH-ul este guvernat de oricare dintre cei doi reactivi care se află în exces. Înainte de punctul de echivalență există acid în exces; după acesta există bază în exces; trecerea este bruscă deoarece un acid puternic și o bază puternică nu lasă nimic pentru a tampona soluția. Tabelul de mai jos detaliază întreaga abordare, utilizând cantitatea în exces împărțită la volumul total în fiecare etapă.
| Picături | NaOH adăugat (mol) | Exces | Volum total (mL) | Concentrație (mol/L) | pH | Culoare |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 1.5 × 10−3 H3O+ | 10.00 | 0.150 | 0.82 | galben |
| 10 | 1.0 × 10−3 | 5.0 × 10−4 H3O+ | 10.50 | 0.0476 | 1.32 | galben |
| 14 | 1.4 × 10−3 | 1.0 × 10−4 H3O+ | 10.70 | 9.35 × 10−3 | 2.03 | galben |
| 15 | 1.5 × 10−3 | niciunul | 10.75 | 1.0 × 10−7 | 7.00 | cyan |
Citirea biuretei. O biuretă este gradată descendent, cu zero în partea de sus, deoarece cantitatea de interes este ceea ce a ieșit din ea, mai degraba decât ceea ce a rămas. Prin urmare, titrul este citirea finală minus citirea inițială, iar setarea meniscului la zero înainte de începere este mai degrabă o comoditate decât o cerință. Bula din robinet contează din același motiv: o bulă expulzată în timpul titrării este contorizată ca volum livrat atunci când nu a ajuns niciodată în balon și influențează titrul în sens crescător, odată cu concentrația calculată.
De ce albastru de bromotimol și nu un alt indicator. Un indicator este în sine un acid slab ale cărui două forme diferă prin culoare și își schimbă culoarea pe parcursul a aproximativ două unități de pH centrate pe pK-ul săuÎn. Albastrul de bromotimol are pKÎn ≈ 7,1, motiv pentru care intervalul său cuprinde neutralitatea; laboratorul 049 analizează aritmetica din spatele acelei lățimi de două unități. Pentru această titrare particulară, alegerea este mai degrabă generoasă decât critică: deoarece pH-ul variază de la aproximativ 4 la aproximativ 10 în intervalul unei fracțiuni dintr-o picătură într-o titrare acid-bază tărie-tărie proiectată normal, roșul de metil sau fenolftaleina ar da același titru. Alegerea devine critică de îndată ce acidul este slab. Titrând acidul etanoic, subiectul laboratorului 048, lasă etanoat în soluție la echivalență, pH-ul de acolo este de aproximativ 8,7, iar albastrul de bromotimol ar semnala punctul de echivalență prea devreme, în timp ce fenolftaleina ar fi corectă.
Unde se situează acesta printre celelalte laboratoare de pH. Laboratorul 046 stabilește ce este pH-ul și cum se măsoară acesta. 048 separă concentrația de tărie prin compararea acidului etanoic cu acidul clorhidric la aceeași concentrație. 049 tratează echilibrele indicatorilor și lățimea unei benzi de tranziție. 050 arată că, pentru un acid tare, pH-ul este pur și simplu logaritmul factorului de diluție. Acest laborator este locul în care acele idei devin o metodă analitică: pentru prima dată, pH-ul nu este rezultatul, ci semnalul, iar rezultatul este o concentrație citită la biuretă.
Rezumatul temei pe intervale de note
Clasele a IX-a și a X-a
Concentrare. Observație, vocabular și procedură atentă. Calculul este furnizat, iar studentul completează numerele.
- Montați corect aparatura: biureta în poziție verticală și fixată cu clemă, fără bule de aer în robinet, cu meniscul la zero.
- Numără picăturile până la schimbarea culorii și convertește numărătoarea într-un volum folosind 1 picătură = 0,05 mL.
- Descrieți secvența de culori și numiți indicatorul; specificați ce înseamnă fiecare, galben, verde și albastru.
- Finalizați un calcul furnizat pentru a ajunge la 0,15 mol/L.
- Vocabularul care trebuie utilizat corect până la sfârșit: titrare, titrant, biuretă, alicotă, indicator, punct de echivalență, neutralizare.
Clasa a XI-a
Concentrare. Calculul complet neajutat și semnificația punctului de echivalență.
- Dedepduceți concentrația de la principiile fundamentale: cantitatea per picătură, cantitatea administrată, cantitatea de acid, concentrația — fără a vi se da calea.
- Obțineți același rezultat printr-a doua metodă folosind CaVa = CbVb, și explică de ce acea scurtătură este valabilă doar pentru o reacție de 1:1.
- Calculați pH-ul acidului înainte de titrare și confirmați 0,82, precum și pH-ul titrantului și confirmați 14,3.
- Explicați de ce pH-ul de echivalență este exact 7,00 pentru această pereche de reactivi și justificați utilizarea albastrului de bromotimol pe această bază.
- Calculați pH-ul după 14 și după 16 picături și explicați de ce tranziția este atât de bruscă.
- Rotunjește rezultatul la precizia pe care o reprezintă o picătură.
Clasa a XII-a / Nivel universitar
Concentrare. Proiectarea metodei, analiza erorilor și limitele tehnicii. Se așteaptă ca studenții să critice procedura, mai degrabă decât să o execute.
- Construiți curba completă de titrare, pH-ul în funcție de volumul de titrant, și identificați punctul de inflexiune; comparați abruptura acesteia cu lățimea intervalului de viraj al indicatorului.
- Demonstrați cantitativ că un titrant de 2,0 mol/L limitează rezultatul la două cifre semnificative și calculați îmbunătățirea pe care ar oferi-o un titrant de 0,10 mol/L.
- Modificați titrarea pentru a ajunge la un punct final între 20 și 40 mL și specificați concentrația titrantului și volumul alicotei care realizează acest lucru.
- Preziceți cum s-ar modifica curba și pH-ul de echivalență dacă analitul ar fi acidul etanoic în loc de acid clorhidric și selectați indicatorul adecvat pentru acel caz.
- Discutați diferența dintre punctul de echivalență și punctul final ca sursă de eroare sistematică, mai degrabă decât aleatorie, și estimați dimensiunea acesteia aici.
- Corelați metoda cu utilizările sale industriale și clinice — alcalinitatea apei tratate, aciditatea titrabilă din vin și lapte, analiza acidului gastric — și menționați ce face ca titrarea să fie o metodă de referință pentru calibrarea tehnicilor instrumentale mai rapide.
Esențiale de laborator
Instrumente
- Buretă (50 mL) cu robinet
- Clemă universală și suport
- Pipetă volumetrică (10 mL)
- Balon Erlenmeyer (100 mL)
- Pahar Berzelius (50 mL), folosit pentru purjarea robinetului
- Picurător
- Baghetă de sticlă
- gridă de culori pentru pH
- Tavă de recuperare
Produse
- Acid clorhidric HCl, concentrație necunoscută (aliquot de 10 mL; s-a găsit a fi 0,15 mol/L)
- Hidroxid de sodiu NaOH 2,0 mol/L (titrant)
- Indicator albastru de bromotimol (3 picături)
- Apă distilată (clătire)