Syra- och bastitreringskurvor

En syra-bas-titreringskurva är en grafisk representation av pH-värdena för en syra- eller baslösning som en funktion av volymen tillsatt titrant . Dessa kurvor har normalt en sigmoidform (formad som bokstaven s) och kan ha ett eller flera ”steg” som är indikativa för antalet joniserbara protoner som finns i provet.

Användning av titreringskurvor

Titreringskurvor kan användas för att bestämma om ett prov innehåller en stark eller svag syra eller bas, om syran är monoprotisk eller polyprotisk, eller om basen är monobasisk eller flerbasisk. Den kan till och med användas för att experimentellt bestämma koncentrationen av en lösning av en syra eller en bas.

Bestämma styrkan av en syra eller en bas

Titreringskurvans form, såväl som dess olika inflexionspunkter, kan användas för att avgöra om det som titreras är en stark eller svag syra, eller en stark eller svag bas. Detta beror på att, när det gäller starka syror och baser, lösningens pH under titreringen bestäms enbart av närvaron av ett överskott av stark syra eller bas vid varje punkt i titreringen före och efter inställningspunktsekvivalensen. Av denna anledning tar titreringskurvan i dessa fall ett mycket uttalat hopp (nästan vertikalt) precis före och efter ekvivalenspunkten.

Å andra sidan, vid svag syra- eller bastitrering, bestäms pH före ekvivalenspunkten av ett buffertsystem som bildas genom att den svaga syran eller basen delvis neutraliseras. I dessa fall buffrar buffertsystemet pH-förändringarna som genereras av tillsatsen av titreringsmedlet, vilket gör förändringen mindre uttalad än i föregående fall. Vidare är mittpunkts-pH mellan början av titreringen och ekvivalens-pH (motsvarande ett ekvimolärt buffertsystem) numeriskt lika med pKa _för syran eller pKb _för basen, beroende på vad som kan vara fallet.

Bestämning av närvaron av monofunktionella eller polyfunktionella syror eller baser

En annan praktisk och mycket enkel tillämpning av titreringskurvorna är att de gör det möjligt att visuellt och mycket snabbt avgöra om provet som analyseras innehåller en enda monoprotisk syra, eller om det är en polyprotisk sådan. Det gör det till och med möjligt att urskilja vissa fall där provet innehåller icke-ekvimolära blandningar av mer än en analyt.

Detta görs genom att observera antalet ekvivalenspunkter (som ses som hopp eller steg på kurvan), och den horisontella separationen mellan dessa punkter. En kurva med flera ekvidistanta hopp kan vara en polyprotisk syra (även om det också kan vara en ekvimolär blandning av två syror med olika pK a:n ₎ .

Samma princip gäller för fall av monobasiska och flerbasiska svaga baser. Till och med analytiska metoder kan etableras som gör det möjligt att bekräfta närvaron av blandningar av syror och baser med deras respektive konjugerade salter helt enkelt genom att observera titreringskurvornas form och ekvivalenspunkternas volymer.

Bestämning av koncentrationen av en analyt

I en normal titrering uppskattas ekvivalenspunkten för titreringen från slutpunkten. Detta definieras som den punkt vid vilken en förändring i lösning observeras, vilket i allmänhet bevisas av en indikator som genomgår en observerbar färgförändring (syra-basindikator).

När väl volymen titrant vid ekvivalenspunkten är känd, kan denna volym tillsammans med volymen av alikvoten och den kända koncentrationen av titranten användas för att bestämma koncentrationen av det okända provet med hjälp av följande ekvation:

Grafisk bestämning av ekvivalenspunkten

Bestämning av ekvivalenspunkten från en titreringskurva kan utföras med hjälp av matematiska datorverktyg. Detta kan uppnås tack vare att ekvivalenspunkten motsvarar en böjningspunkt i titreringskurvan. Denna böjningspunkt kan lätt identifieras som maximipunkten för derivatan av titreringskurvan, vilket kan bestämmas genom att anpassa kurvpunkterna till ett polynom med hjälp av ett datorprogram.

Vidare innebär denna böjningspunkt också en förändring av konkavitet (från konkav till konvex vid syratitrering och vice versa vid bastitrering) så att grafen för andraderivatan av titreringskurvan skär X-axeln precis vid ekvivalenspunktens volym.

Ekvivalenspunktsvärdena som bestäms på detta sätt är mycket mer exakta än slutpunkterna som erhålls med en konventionell titrering genom användning av lämpliga syra-basindikatorer.

Beräkning av titreringskurvor

Titreringskurvor kan härledas teoretiskt från värdet på joniseringskonstanten för syran eller basen som titreras, volymen av alikvoten och som en funktion av titrerings- och analytkoncentrationerna (d.v.s. syra eller titrerad bas).

Nedan är ett exempel på beräkning av en titreringskurva för ett 0,1 M ättiksyraprov med användning av en 0,1 M natriumhydroxidlösning (NaOH) som titrering med en 50 ml alikvot. Eftersom båda koncentrationerna är lika, kommer volymen av ekvivalenspunkten att vara lika med volymen av alikvoten, det vill säga 50 ml. Surhetskonstanten för denna syra är 1.78.10 ^-5 .

För att beräkna titreringskurvan kommer pH-värdena att bestämmas vid 7 olika punkter:

• Initialt pH (V _NaOH = 0)
• Mittpunkt före ekvivalenspunkten (V _NaOH = 25 mL)
• Punkt strax före ekvivalenspunkten (V _NaOH = 45 mL)
• Ekvivalenspunkt (V _NaOH = 50 ml)
• Punkt strax efter ekvivalenspunkten (V _NaOH = 55 mL)
• Mittpunkt efter ekvivalenspunkten (V _NaOH = 75 mL)
• Två gånger ekvivalenspunkten (V _NaOH = 100)

Initialt pH (V _NaOH = 0)

Innan vi lägger till NaOH till lösningen har vi en 0,1 M lösning av ättiksyra, vilket är en svag syra som dissocierar enligt följande ekvation:

Om vi ​​kallar C _a den analytiska koncentrationen av syran och X koncentrationen av syran som dissocierar, så blir jämviktskoncentrationerna för alla arter:

[HAc] = Ca _– X ≈ C _a

[H ⁺ ] = [AC ^– ] = X

Från lagen om massaktion får vi:

Mittpunkt före ekvivalenspunkten (V _NaOH = 25 mL)

I mitten mellan början av titreringen och ekvivalenspunkten har exakt hälften av ättiksyran neutraliserats enligt följande kemiska reaktion:

I detta fall erhålls en blandning av ättiksyra med natriumacetat, som bildar ett svagt syra/konjugatbasbuffertsystem vars pH kan beräknas med Henderson-Hasselbalchs ekvation:

Eftersom båda koncentrationerna är desamma är logaritmen lika med noll och därför är pH lika med pKa _för ättiksyra:

Punkt strax före ekvivalenspunkten (V _NaOH = 45 mL)

Eftersom vi är före ekvivalenspunkten har vi fortfarande ett överskott av syra som inte har neutraliserats och saltet som bildats genom neutralisering, så vi har fortfarande samma buffertsystem som tidigare, bara denna gång är koncentrationerna inte desamma och måste vara beräkna innan du använder Henderson-Hasselbalchs ekvation:

Ekvivalenspunkt (V _NaOH = 50 ml)

Vid ekvivalenspunkten har all ättiksyra neutraliserats och lösningen innehåller endast natriumacetat. Koncentrationen av detta salt vid denna tidpunkt är:

Hydrolysen av denna konjugatbas ges av följande ekvation:

Eftersom det är den konjugerade basen av en svag syra, är det en svag bas vars K _b , ges av:

Genom att utföra en approximation som liknar den vi använde när vi bestämmer pH för en ren svag syra, kan vi beräkna [OH – ^] enligt följande uttryck:

Punkt strax efter ekvivalenspunkten (V _NaOH = 55 mL)

Alla punkter efter ekvivalenspunkten består av blandningar av natriumacetat med natriumhydroxid. pH i dessa fall beräknas genom att lösa saltets hydrolysjämvikt i närvaro av effekten av den gemensamma jonen i form av överskott av OH – som ^kommer från NaOH:

De initiala koncentrationerna av saltet och överskott av NaOH är:

På grund av det lilla värdet av basicitetskonstanten och effekten av den gemensamma jonen är mängden acetat som hydrolyseras försumbar. Av denna anledning kommer koncentrationen av hydroxid i lösningen att vara [OH ^– ] = C _{NaOH-överskott} – X ≈ C _{NaOH-överskott}

Mittpunkt efter ekvivalenspunkten (V _NaOH = 75 mL)

Detta pH beräknas på samma sätt som det föregående:

Två gånger ekvivalenspunkten (V _NaOH = 100)

Detta pH beräknas på samma sätt som det föregående:

Med dessa data kan vi nu bygga hela titreringskurvan. Punkterna som ska ritas kommer att vara:

Med hjälp av dessa data är den resulterande kalibreringskurvan:

Som vi kan se har kurvan den typiska s-formen med böjningspunkten i mitten som indikerar ekvivalenspunkten.

Referenser

Jord- och skogsbruksvetenskapliga fakulteten. (nd). Kurs i kemisk analys – SYRA-BAS VOLYMETRIERNA . 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). TITRERINGSKURVOR FÖR SYROR OCH 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 spanska. (2015, 9 augusti). Titreringskurvor och syra-basindikatorer [Video]. Youtube. https://www.youtube.com/watch?v=iqEuJ8lKglw

Libretexter. (2020, 30 oktober). 14.7: Syra-bas-titrering . Spanska 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). Analytical Chemistry (7: ^{e upplagan} ). MCGRAW HILL UTBILDNING.