Syre- og basetitreringskurver

En syre-base titreringskurve er en grafisk representasjon av pH-verdiene til en syre- eller baseløsning som en funksjon av volumet tilsatt titrant . Disse kurvene har normalt en sigmoid form (formet som bokstaven s) og kan ha ett eller flere «trinn» som indikerer antall ioniserbare protoner som er tilstede i prøven.

Bruk av titreringskurver

Titreringskurver kan brukes til å bestemme om en prøve inneholder en sterk eller svak syre eller base, om syren er monoprotisk eller polyprotisk, eller om basen er monobasisk eller polybasisk. Det kan til og med brukes til å eksperimentelt bestemme konsentrasjonen av en løsning av en syre eller en base.

Bestemme styrken til en syre eller en base

Formen på titreringskurven, så vel som dens ulike bøyningspunkter, kan brukes til å bestemme om det som titreres er en sterk eller svak syre, eller en sterk eller svak base. Dette er fordi når det gjelder sterke syrer og baser, bestemmes pH i løsningen under titreringen utelukkende av tilstedeværelsen av et overskudd av sterk syre eller base ved hvert punkt i titreringen før og etter settpunkt-ekvivalensen. Av denne grunn tar titreringskurven i disse tilfellene et veldig uttalt hopp (nesten vertikalt) like før og etter ekvivalenspunktet.

På den annen side, ved svake syre- eller basetitreringer, bestemmes pH før ekvivalenspunktet av et buffersystem som dannes ved delvis nøytralisering av den svake syren eller basen. I disse tilfellene bufrer buffersystemet pH-endringene generert ved tilsetning av titreringsmidlet, noe som gjør endringen mindre uttalt enn i det forrige tilfellet. Videre er midtpunkt-pH mellom start av titreringen og ekvivalens-pH (tilsvarende et ekvimolart buffersystem) numerisk lik pK _a til syren eller pK _b av basen, alt ettersom.

Bestemmelse av tilstedeværelsen av monofunksjonelle eller polyfunksjonelle syrer eller baser

En annen praktisk og veldig enkel anvendelse av titreringskurvene er at de gjør det mulig å bestemme visuelt og veldig raskt om prøven som analyseres inneholder en enkelt monoprotisk syre, eller om det er en polyprotisk syre. Det gjør det til og med mulig å skille noen tilfeller der prøven inneholder ikke-ekvimolare blandinger av mer enn én analytt.

Dette gjøres ved å observere antall ekvivalenspunkter (som sees på som hopp eller skritt på kurven), og det horisontale skillet mellom disse punktene. En kurve med flere ekvidistante hopp kan være en polyprotisk syre (selv om det også kan være en ekvimolar blanding av to syrer med forskjellige pK a-er ₎ .

Det samme prinsippet gjelder for tilfeller av monobasiske og polybasiske svake baser. Til og med analytiske metoder kan etableres som gjør det mulig å bekrefte tilstedeværelsen av blandinger av syrer og baser med deres respektive konjugerte salter ganske enkelt ved å observere formen på titreringskurvene og volumene til ekvivalenspunktene.

Bestemmelse av konsentrasjonen av en analytt

I en normal titrering estimeres ekvivalenspunktet for titreringen fra sluttpunktet. Dette er definert som punktet der en endring i løsning observeres, noe som generelt vises ved at en indikator gjennomgår en observerbar fargeendring (syre-base-indikator).

Når volumet av titrant ved ekvivalenspunktet er kjent, kan dette volumet sammen med volumet av alikvoten og den kjente konsentrasjonen av titranten brukes til å bestemme konsentrasjonen av den ukjente prøven ved å bruke følgende ligning:

Grafisk bestemmelse av ekvivalenspunktet

Bestemmelse av ekvivalenspunktet fra en titreringskurve kan utføres ved hjelp av matematiske dataverktøy. Dette kan oppnås takket være at ekvivalenspunktet tilsvarer et bøyningspunkt i titreringskurven. Dette bøyningspunktet kan lett identifiseres som maksimumspunktet for den deriverte av titreringskurven, som kan bestemmes ved å tilpasse kurvepunktene til et polynom ved hjelp av et dataprogram.

Videre innebærer dette bøyningspunktet også en endring av konkavitet (fra konkav til konveks ved syretitrering og omvendt ved basetitrering) slik at grafen til den andre deriverte av titreringskurven skjærer X-aksen akkurat kl. volumet av ekvivalenspunktet.

Ekvivalenspunktverdiene bestemt på denne måten er mye mer nøyaktige enn endepunktene oppnådd med en konvensjonell titrering ved bruk av passende syre-base-indikatorer.

Beregning av titreringskurver

Titreringskurver kan utledes teoretisk fra verdien av ioniseringskonstanten til syren eller basen som titreres, volumet av alikvoten, og som en funksjon av titrerings- og analyttkonsentrasjonene (dvs. syre eller titrert base).

Nedenfor er et eksempel på beregning av en titreringskurve for en 0,1 M eddiksyreprøve ved bruk av en 0,1 M natriumhydroksid (NaOH)-løsning som titrant med en 50 ml alikvot. Siden begge konsentrasjonene er like, vil volumet av ekvivalenspunktet være lik volumet av alikvoten, det vil si 50 ml. Surhetskonstanten til denne syren er 1.78.10 ^-5 .

For å beregne titreringskurven vil pH-verdiene bli bestemt på 7 forskjellige punkter:

• Start pH (V _NaOH = 0)
• Midtpunkt før ekvivalenspunktet (V _NaOH = 25 mL)
• Punkt rett før ekvivalenspunktet (V _NaOH = 45 mL)
• Ekvivalenspunkt (V _NaOH = 50 ml)
• Punkt like etter ekvivalenspunktet (V _NaOH = 55 mL)
• Midtpunkt etter ekvivalenspunktet (V _NaOH = 75 mL)
• To ganger ekvivalenspunktet (V _NaOH = 100)

Start pH (V _NaOH = 0)

Før vi tilsetter NaOH til løsningen, har vi en 0,1 M løsning av eddiksyre, som er en svak syre som dissosieres i henhold til følgende ligning:

Hvis vi kaller C _a den analytiske konsentrasjonen av syren og X konsentrasjonen av syren som dissosierer, vil likevektskonsentrasjonene til alle arter være:

[HAc] = C _a – X ≈ C _a

[H ⁺ ] = [AC ^– ] = X

Fra masseaksjonens lov får vi:

Midtpunkt før ekvivalenspunktet (V _NaOH = 25 mL)

Ved midtpunktet mellom starten av titreringen og ekvivalenspunktet er nøyaktig halvparten av eddiksyren nøytralisert i henhold til følgende kjemiske reaksjon:

I dette tilfellet oppnås en blanding av eddiksyre med natriumacetat, som danner et svakt syre/konjugert basebuffersystem hvis pH kan beregnes ved å bruke Henderson-Hasselbalch-ligningen:

Siden begge konsentrasjonene er like, er logaritmen lik null, og derfor er pH lik pKa _av eddiksyre:

Punkt rett før ekvivalenspunktet (V _NaOH = 45 mL)

Siden vi er før ekvivalenspunktet har vi fortsatt et overskudd av syre som ikke er nøytralisert og saltet dannet ved nøytralisering, så vi har fortsatt samme buffersystem som før, bare denne gangen er ikke konsentrasjonene de samme og må være beregn før du bruker Henderson-Hasselbalch-ligningen:

Ekvivalenspunkt (V _NaOH = 50 ml)

Ved ekvivalenspunktet er all eddiksyren nøytralisert og løsningen inneholder kun natriumacetat. Konsentrasjonen av dette saltet på dette tidspunktet er:

Hydrolysen av denne konjugatbasen er gitt ved følgende ligning:

Fordi det er den konjugerte basen til en svak syre, er det en svak base hvis K _b , er gitt av:

Ved å utføre en tilnærming som ligner på den vi brukte ved å bestemme pH til en ren svak syre, kan vi beregne [OH ^– ] i henhold til følgende uttrykk:

Punkt like etter ekvivalenspunktet (V _NaOH = 55 mL)

Alle punkter etter ekvivalenspunktet består av blandinger av natriumacetat med natriumhydroksid. pH i disse tilfellene beregnes ved å løse hydrolyselikevekten til saltet i nærvær av effekten av det vanlige ion i form av overskudd av OH ^– som kommer fra NaOH:

De første konsentrasjonene av saltet og overskudd av NaOH er:

På grunn av den lille verdien av basicitetskonstanten og effekten av fellesionet, er mengden acetat som hydrolyseres ubetydelig. Av denne grunn vil konsentrasjonen av hydroksid i løsningen være [OH ^– ] = C _{NaOH-overskudd} – X ≈ C _{NaOH-overskudd}

Midtpunkt etter ekvivalenspunktet (V _NaOH = 75 mL)

Denne pH-verdien beregnes på samme måte som den forrige:

To ganger ekvivalenspunktet (V _NaOH = 100)

Denne pH-verdien beregnes på samme måte som den forrige:

Med disse dataene kan vi nå bygge den komplette titreringskurven. Punktene som skal plottes vil være:

Ved å bruke disse dataene er den resulterende kalibreringskurven:

Som vi kan se, har kurven den typiske s-formen med bøyningspunktet i midten som indikerer ekvivalenspunktet.

Referanser

Fakultet for landbruks- og skogbruksvitenskap. (nd). Kurs i kjemisk analyse – SYRE-BASE VOLUMETRIES . UNLP. https://aulavirtual.agro.unlp.edu.ar/pluginfile.php/35335/mod_resource/content/2/8%20Volumetr%C3%ADa%20%C3%A1cido%20base.pdf

González Nuñez, V. (sf). TITRERINGSKURVER FOR SYRER OG BASER . Universitetet i Salamanca. https://diarium.usal.es/vgnunez/files/2012/11/2.-Curvas-de-titulaci%c3%b3n-de-%c3%a1cidos-bases.pdf

Khan Academy spansk. (2015, 9. august). Titreringskurver og syre-base-indikatorer [Video]. Youtube. https://www.youtube.com/watch?v=iqEuJ8lKglw

Libretekster. (2020, 30. oktober). 14.7: Syre-base titreringer . Spanske LibreTexts. https://espanol.libretexts.org/Quimica/Libro%3A_Quimica_General_(OpenSTAX)/14%3A_Equilibrio_de_acido-base/14.7%3A_Titulaciones_de_acido-base

Skoog, D. (2021). Analytisk kjemi (7. ^utg .). MCGRAW HILL UTDANNING.