مفاهیم اصلی
در این آموزش، شما در مورد منحنی های تیتراسیون، تجزیه و تحلیل تیتراسیون و مراحل مورد نیاز برای انجام آن بیاموزید. شما همچنین در مورد نقاط هم ارزی و نقاط پایانی و محاسبات تیتراسیون خواهید آموخت.
موضوعات تحت پوشش در مقالات دیگر
مقدمه ای بر تیتراسیون
تعریف تیتراژ چیست؟
تیتراسیون به عنوان تکنیکی تعریف می شود که در آن از محلولی با غلظت ثابت برای تعیین غلظت محلول دوم با غلظت نامعلوم استفاده می شود. دانشمندان از تیتراسیون برای ارزیابی کمیت یک جزء یا آنالیت یک نمونه معین استفاده می کنند. آنها این کار را با افزودن مقدار مشخصی از ماده دیگر به نام محلول استاندارد به نمونه انجام می دهند.
برای یادگیری نحوه ایجاد غلظت مشخص از یک محلول، این مقاله در مورد مولاریته را بررسی کنید. این محلول استاندارد حاوی معرف تیتر کننده یا تیتران است. هنگامی که تیترانت اضافه می شود، با آنالیت به نسبت مشخص (طبق معادله واکنش) با تیتر واکنش می دهد و غلظت و مقدار آن را آشکار می کند.
انواع تیتراسیون
1. تیتراسیون اسید و باز
این نوع تیتراسیون غلظت یک اسید یا غلظت یک باز را تعیین می کند. تحقیق اول از یک محلول استاندارد پایه برای خنثی کردن نمونه استفاده می کند، در حالی که دومی از یک محلول استاندارد اسیدی استفاده می کند. همچنین می توانید با مشاهده شکل منحنی تیتراسیون، قدرت اسید یا باز را تعیین کنید.
2. تیتراسیون ردوکس (اکسیداسیون-کاهش).
این نوع تیتراسیون شامل یک واکنش شیمیایی ردوکس بین ماده آنالیت و تیتراست که طی آن این مواد الکترون ها را منتقل می کنند.
3. تیتراسیون بارش
این نوع تیتراسیون از تشکیل یک رسوب برای نشان دادن تکمیل واکنش بین آنالیت و تیتر کننده استفاده می کند.
4. تیتراسیون کمپلکسومتری
در طول این نوع تیتراسیون، یک کمپلکس بزرگتر و تفکیک نشده تشکیل می شود. این باعث ایجاد فضای کمتری برای خطاهای تفسیری نسبت به تیتراسیون های معمولی بارش می شود.
5. تیتراسیون حرارتی
این نوع دمای محلول را اندازه گیری می کند تا مشخص کند چه زمانی واکنش کامل شده است. متکی به گرمای ایجاد شده یا جذب شده در طی واکنش آنالیت و تیترانت است.
نقطه هم ارزی در مقابل نقطه پایانی
اما چگونه دانشمندان نقطه ای را که در آن مقادیر معادل شیمیایی آنالیت و تیترانت در محلول وجود دارد را تعیین می کنند تا بتوانند آنالیت را کمی کنند؟ آنها به دنبال یک “نقطه هم ارزی” می گردند، نقطه ای که در آن تیتران کافی با آنالیت ترکیب شده تا آن را خنثی کند. در این نقطه خاص، میزان تیترانت در سیستم، میزان آنالیت را در سیستم نشان می دهد. خال های هر دو گونه با هم برابرند.
با این حال، این نقطه هم ارزی با “نقطه پایانی” تجزیه و تحلیل تیتراسیون متفاوت است. نقطه پایانی پایان واکنش را نشان می دهد. نشان دهنده مقدار تیترانت واکنش دهنده مورد نیاز برای تسهیل یک واکنش شیمیایی کامل با آنالیت واکنش دهنده است. تغییر رنگ در سیستم مورد علاقه نشان می دهد که به این نقطه پایانی رسیده است. موادی به نام «شاخص‌ها» که تحت این تغییرات رنگ قرار می‌گیرند، می‌توانند برای تعیین نقطه پایانی به سیستم اضافه شوند.
شاخص های مختلف به دلیل ترکیبات شیمیایی متفاوت، نقاط پایانی متفاوتی را نشان می دهند. دانشمندان تمایل دارند شاخص هایی را انتخاب کنند که نقاط پایانی آنها تقریباً برابر با نقاط هم ارزی آنها باشد. هنگامی که این اتفاق می افتد، انتقال رنگ هم نقطه پایان و هم نقطه معادل را نشان می دهد، و مقدار تیتر مورد نیاز برای برابری با مقدار آنالیت و بنابراین مقدار آنالیت در سیستم را نشان می دهد. برخی از مواد مانند پلی پروتیک اسیدها دارای چندین نقطه هم ارزی هستند، اما برای یک شاخص معین معمولاً فقط یک نقطه پایانی وجود دارد.
در زیر نموداری خلاصه شده است که ویژگی های متمایزکننده نقاط هم ارزی و نقاط پایانی را نشان می دهد:
منحنی تیتراسیون
منحنی های تیتراسیون تصاویر گرافیکی از تجزیه و تحلیل تیتراسیون را ارائه می دهند. دانشمندان ابتدا یک خاصیت محلول آنالیت را اندازه گیری می کنند (معمولا pH برای تیتراسیون اسید-باز). سپس این ویژگی را در مقابل حجم تیتر اضافه شده رسم می کنند.
با استفاده از منحنی تیتراسیون، دانشمندان اغلب می‌توانند نقطه پایانی نزدیک‌تر به نقطه هم ارزی را در مقایسه با استفاده از یک نشانگر برای یافتن نقطه پایانی شناسایی کنند.
علاوه بر pH، چندین ویژگی دیگر می تواند نقطه پایانی یک واکنش را نشان دهد. اینها شامل جذب، دما، رسانایی یا جریان الکتریکی تولید شده است. برخی از اینها فقط برای انواع خاصی از واکنش ها قابل استفاده هستند.
منحنی های تیتراسیون اسید و باز
تیتراسیون اسید-باز، متداول ترین روش تیتراسیون، به روندهای منحنی خاصی که توسط اسید و باز درگیر ایجاد شده است، پایبند است. pH محلول در نقطه هم ارزی به ویژگی های آنالیت و تیترانت بستگی دارد. ترکیبات زیر تولید می کنند:
- اسید قوی ترکیب شده با پایه قوی: نقطه هم ارزی در pH=7
- اسید ضعیف ترکیب شده با باز قوی: نقطه هم ارزی در pH> 7
- اسید قوی ترکیب شده با باز ضعیف: نقطه هم ارزی در pH<7
در زیر یک منحنی تیتراسیون اسید-باز نشان داده شده است که برای تعیین کمیت آنالیت اسید اگزالیک با استفاده از NaOH به عنوان یک تیترانت استفاده می شود. منحنی شامل نموداری است که pH را نشان می دهد. نقطه هم ارزی یک سیستم در طول افزایش عمودی در مقادیر pH آن رخ می دهد، در حالی که نقطه پایانی یک نشانگر بصری تمایل دارد در طول آخرین افزایش جزئی در مقدار pH رخ دهد. نقطه پایانی نشان داده شده در زیر بر اساس شاخص است و نمی توان آن را از روی خود منحنی تعیین کرد.
نحوه انجام یک تیتراسیون ساده
مراحل زیر روش های درگیر در آنالیز تیتراسیون را با استفاده از یک نشانگر بصری شرح می دهد:
- بورت خود را با محلول تیترانت پر کنید، با استفاده از درجه بندی های روی ابزار، مقدار اضافه شده را به دقت اندازه گیری کنید.
- بورت را به پایه بورت خود ببندید. اطمینان حاصل کنید که گیره های پایه محکم به بورت بچسبند تا حرکت در طول تجزیه و تحلیل به حداقل برسد.
- یک لیوان را با محلول آنالیت خود پر کنید، دوباره از اندازه گیری های دقیق با استفاده از درجه بندی روی ظروف شیشه ای اطمینان حاصل کنید.
- با استفاده از یک پیپت یا قطره چکان، چند قطره نشانگر به محلول آنالیت اضافه کنید. نوع و مقدار اندیکاتور مورد نیاز به تیترانت و آنالیت شما بستگی دارد.
- سپس، محلول آنالیت خود را با قرار دادن آن روی یک صفحه همزن مغناطیسی، هم بزنید. این به طور کامل اجزاء را مخلوط می کند.
- لیوان حاوی آنالیت را مستقیماً زیر بورت حاوی ماده تیتران قرار دهید. به آرامی سوپاپ را بچرخانید تا تیترانت از بورت به لیوان بچکد.
- به افزودن محلول تیتراتور به محلول آنالیت ادامه دهید تا زمانی که تغییر رنگ را مشاهده کنید که نقطه پایانی محلول را نشان می دهد. اگر نقطه پایان اندیکاتور برابر با نقطه هم ارزی آن باشد، می توانید استنباط کنید که مقدار آنالیت در سیستم با مقدار تیتر در این نقطه برابر است.
- با کم کردن حجم نهایی در بورت از حجم اولیه، میزان تیترانی که به آنالیت اضافه کردید، تعیین کنید.
- مقدار آنالیت در سیستم را با استفاده از مقدار تیتر اضافه شده کمی کنید. این مقادیر باید معادل باشند.
محاسبات تیتراسیون
محاسبات تیتراسیون به طور کلی این معادله را شامل می شود: Mآ× Vآ= مب× Vب
مآ مولاریته اسید است، در حالی که Mب مولاریته پایه است. Vآ و Vب به ترتیب حجم اسید و باز هستند. شما می خواهید حجم ها را در نقطه پایانی تیتراسیون اندازه گیری کنید، زمانی که اسید و باز یکدیگر را خنثی کردند. به طور کلی دو حجم مشخص است و مولاریته اسید یا باز مشخص است و تنها یک متغیر باقی می ماند تا حل شود. به عنوان مثال، اگر غلظت باز ناشناخته باشد، Mب = (مآ× Vآ) / Vب
دستگاه تیتراسیون اتوماتیک
اگرچه مثال مورد بحث در بالا یک تیتراسیون دستی است، اما امروزه تیتراتورهای خودکار زیادی نیز موجود است. اینها اغلب می توانند مقادیر بسیار دقیق تری از تیترانت را نسبت به بورت استاندارد تزریق کنند و با استفاده از مقادیر بسیار کم معرف ها می توانند ضایعات را کاهش دهند. در زیر تصویری از یک تیتراتور خودکار استاندارد وجود دارد که دستگاه فیزیکی و همچنین رابط نرم افزاری را نشان می دهد که منحنی تیتراسیون را در گوشه پایین سمت چپ نشان می دهد.
کاربردهای تیتراسیون در دنیای امروز
این تکنیک تحلیلی کاربردهای زیادی دارد، از پزشکی، آرایشی و حتی علوم محیطی.
در صنایع غذایی، کارگران از نقاط تیتراسیون و هم ارزی برای تعیین مقدار نمک ها، قندها، ویتامین ها و اسیدهای چرب مختلف در غذاها استفاده می کنند. به طور مشابه، سایر صنایع بزرگ مانند لوازم آرایشی و بهداشتی از تیتراسیون برای افزودن غلظت های مناسب و ایمن از مواد شیمیایی به محصولات خود استفاده می کنند. شرکت های داروسازی در طول فرآیند تولید دارو به تیتراسیون متکی هستند. حتی آزمایشگاه‌های پزشکی نیز از این نوع آنالیز برای مطالعه نمونه‌های خون و ادرار بیماران استفاده می‌کنند.
علاوه بر صنعت، کاربردهای زیادی برای تیتراژ در تحقیقات دانشگاهی وجود دارد. برای نمونه، شیمیدانان محیطی تیتراسیون را با استفاده از آب باران، برف ذوب شده و سایر مایعات برای ارزیابی ترکیب آنها انجام می دهند. برای تجزیه و تحلیل محتوای آب در یک آنالیت، تکنیک خاصی به نام تیتراسیون کارل فیشر وجود دارد. در این زمینه‌ها و بسیاری از زمینه‌های دیگر، تیتراسیون برای تعیین غلظت دقیق معرف‌ها، فرآیندی که به عنوان استانداردسازی شناخته می‌شود، عمل می‌کند.
همانطور که می بینید، تیتراسیون طیف وسیعی از کاربردها و کاربردها دارد. در نتیجه، یکی از متداول‌ترین روش‌های آنالیز شیمیایی در سرتاسر جهان است، هم در کلاس درس و هم در محل کار.