Кислотно-основное титрование

Метод количественного химического анализа

Конечная точка кислотно-основного титрования достигается по резкому изменению цвета индикатора.

Кислотно -основное титрование — это метод количественного анализа для определения концентрации кислоты или основания Бренстеда-Лоури (титрования) путем нейтрализации ее раствором известной концентрации (титрантом). ^[1] Индикатор pH используется для контроля за ходом кислотно-основной реакции , и можно построить кривую титрования . ^[1]

Это отличается от других современных методов титрования, таких как окислительно-восстановительное титрование , титрование осаждением и комплексонометрическое титрование . ^[2] Хотя эти типы титрования также используются для определения неизвестных количеств веществ, эти вещества варьируются от ионов до металлов. ^[2]

Кислотно-основное титрование находит широкое применение в различных научных областях, таких как фармацевтика, мониторинг окружающей среды и контроль качества в промышленности. ^[3] Точность и простота этого метода делают его важным инструментом количественного химического анализа, внося значительный вклад в общее понимание химии растворов. ^[4]

История

Сванте Аррениус

История кислотно-основного титрования восходит к концу 19 века, когда достижения аналитической химии способствовали развитию систематических методов количественного анализа. ^[5] Истоки методов титрования можно связать с работами таких химиков, как Карл Фридрих Мор в середине 1800-х годов. ^[5] Его вклад заложил основу для понимания титрования с участием кислот и оснований.

Теоретический прогресс пришел с исследованиями шведского химика Сванте Аррениуса , который в конце 19 века представил теорию Аррениуса, обеспечив теоретическую основу для кислотно-основных реакций. ^[6] Эта теоретическая основа, наряду с продолжающимися экспериментальными усовершенствованиями, способствовала развитию кислотно-основного титрования как точного и широко применимого аналитического метода. ^[6]

Со временем метод подвергся дальнейшему совершенствованию и адаптации, зарекомендовав себя как важнейший инструмент в лабораториях различных научных дисциплин.

Алкалиметрия и ацидиметрия

Алкалиметрия и ацидиметрия — это типы объемных анализов, в которых фундаментальной реакцией является реакция нейтрализации . Они включают контролируемое добавление либо кислоты, либо основания (титранта) известной концентрации к раствору неизвестной концентрации (титрату) до тех пор, пока реакция не достигнет своей стехиометрической точки эквивалентности. В этой точке моли кислоты и основания равны, что приводит к нейтральному раствору: ^[7]

Титрование стандартного раствора с использованием индикатора метилоранжа. Титрат в колбе Эрленмейера, титрант в бюретке.

кислота + основание → соль + вода

Например:

HCl + NaOH → NaCl + _H2O

Ацидиметрия — это специализированное аналитическое использование кислотно-щелочного титрования для определения концентрации основного (щелочного) вещества с использованием стандартной кислоты. Это может быть использовано для слабых оснований и сильных оснований. ^[8] Пример ацидиметрического титрования с участием сильного основания выглядит следующим образом:

Ba( OH ) ₂ + 2H ⁺ → Ba2 ⁺ + _2H2O

В этом случае сильное основание (Ba(OH) ₂ ) нейтрализуется кислотой до тех пор, пока все основание не прореагирует. Это позволяет наблюдателю рассчитать концентрацию основания из объема стандартной кислоты, которая используется.

Алкалиметрия использует ту же концепцию специализированного аналитического кислотно-основного титрования, но для определения концентрации кислотного вещества с использованием стандартного основания. ^[8] Пример алкалиметрического титрования с участием сильной кислоты выглядит следующим образом:

H2SO4 + 2OH ⁻ → _SO42- + ^2H2O_​​_​​

В этом случае сильная кислота (H ₂ SO ₄ ) нейтрализуется основанием до тех пор, пока вся кислота не прореагирует. Это позволяет наблюдателю рассчитать концентрацию кислоты из объема стандартного основания, которое используется.

Стандартный раствор (титрант) хранится в бюретке , а раствор неизвестной концентрации (аналит/титрат) помещается в колбу Эрленмейера под ним с индикатором. ^[9]

Выбор индикатора

Для определения конечной точки титрования необходимо выбрать подходящий индикатор pH. ^[10] Изменение цвета или другой эффект должны происходить вблизи точки эквивалентности реакции, чтобы экспериментатор мог точно определить, когда эта точка будет достигнута. pH точки эквивалентности можно оценить, используя следующие правила:

• Сильная кислота реагирует с сильным основанием, образуя нейтральный (pH = 7) раствор.
• Сильная кислота будет реагировать со слабым основанием, образуя кислый (pH < 7) раствор.
• Слабая кислота будет реагировать с сильным основанием, образуя щелочной (pH > 7) раствор.

Эти индикаторы являются важными инструментами в химии и биологии, помогая определять кислотность или щелочность раствора посредством наблюдения за цветовыми переходами. ^[10] Таблица ниже служит справочным руководством для выбора этих индикаторов, предлагая понимание диапазонов pH и цветовых преобразований, связанных с конкретными индикаторами:

Три различные точки кислотно-основного титрования с использованием фенолфталеина в качестве индикатора

Фенолфталеин широко признан одним из наиболее часто используемых кислотно-основных индикаторов в химии. ^[12] Его популярность обусловлена ​​его эффективностью в широком диапазоне pH и его четкими цветовыми переходами. ^[12] Его резкие и легко обнаруживаемые изменения цвета делают фенолфталеин ценным инструментом для определения конечной точки кислотно-основного титрования, поскольку точное изменение pH означает завершение реакции.

Когда слабая кислота реагирует со слабым основанием, раствор точки эквивалентности будет основным, если основание сильнее, и кислым, если кислота сильнее. Если оба имеют одинаковую силу, то эквивалентный pH будет нейтральным. ^[13] Однако слабые кислоты нечасто титруют слабыми основаниями, поскольку изменение цвета, показываемое индикатором, часто происходит быстро, и поэтому наблюдателю очень трудно заметить изменение цвета.

Точка, в которой индикатор меняет цвет, называется конечной точкой . ^[10] Следует выбрать подходящий индикатор, желательно такой, который будет испытывать изменение цвета (конечную точку) близкое к точке эквивалентности реакции.

В дополнение к широкому спектру индикаторных растворов практичной альтернативой служат индикаторные бумаги pH, изготовленные из бумаги или пластика, пропитанного комбинациями этих индикаторов. ^[13] Уровень pH раствора можно оценить, погрузив в него полоску индикаторной бумаги pH и сравнив наблюдаемый цвет с эталонными стандартами, указанными на контейнере. ^[13]

Превышение титрования

Титрование с превышением концентрации с использованием индикатора фенолфталеина

Превышение титрования является распространенным явлением и относится к ситуации, когда объем титранта, добавленного во время химического титрования, превышает количество, необходимое для достижения точки эквивалентности. ^[14] Этот избыток титранта приводит к результату, когда раствор становится немного более щелочным или перекисленным. ^[14]

Превышение точки эквивалентности может произойти из-за различных факторов, таких как ошибки в показаниях бюретки, несовершенная стехиометрия реакции или проблемы с обнаружением конечной точки. ^[14] Последствия превышения точки эквивалентности могут повлиять на точность аналитических результатов, особенно при количественном анализе. ^[14]

Исследователи и аналитики часто используют корректирующие меры, такие как обратное титрование ^[15] и использование более точных методов титрования, чтобы смягчить влияние перехлеста и получить надежные и точные измерения. Понимание причин, последствий и решений, связанных с перехлестом титрования, имеет решающее значение для достижения точных и воспроизводимых результатов в области химии.

Математический анализ: титрование слабой кислоты

Титрование слабой кислоты сильным основанием, показывающее уровень pH, объем титранта и различные точки в процессе титрования

Для расчета концентраций можно использовать таблицу ICE . ^{[16] [1]} ICE означает начальную , изменчивую и равновесную .

pH слабокислотного раствора, титруемого сильным щелочным раствором, можно найти в разных точках этого пути. Эти точки попадают в одну из четырех категорий: ^[17]

1. начальный pH
2. pH до точки эквивалентности
3. pH в точке эквивалентности
4. pH после точки эквивалентности

1. Начальный pH для слабокислого раствора в воде аппроксимируется с помощью уравнения: ^[1]

${\displaystyle {\ce {pH}}=-\log[{\ce {H3O+}}]_{0}}$где - начальная концентрация иона гидроксония . ${\displaystyle {\ce {[H3O+]0}}}$

2. pH до точки эквивалентности зависит от количества оставшейся слабой кислоты и количества образованного сопряженного основания. pH можно приблизительно рассчитать по уравнению Гендерсона-Хассельбаха : ^[1] где K _a — константа диссоциации кислоты . ${\displaystyle {\ce {pH}}=-\log K_{a}+\log {\frac {\text{[Conjugate Base]}}{\text{[Weak Acid]}}}}$

3. pH в точке эквивалентности зависит от того, сколько слабой кислоты потребляется для преобразования в сопряженное ей основание. Обратите внимание, что когда кислота нейтрализует основание, pH может быть нейтральным или нет (pH = 7). pH зависит от силы кислоты и основания. В случае титрования слабой кислоты и сильного основания pH больше 7 в точке эквивалентности. Таким образом, pH можно рассчитать с помощью следующей формулы: ^[1]

${\displaystyle {\ce {pH}}_{eq}=-\log[{\ce {H3O+}}]_{eq}=14+\log[{\ce {OH-}}]_{eq}}$ Где - концентрация гидроксид-иона. Концентрация гидроксид-иона рассчитывается из концентрации гидроксония-иона и с использованием следующего соотношения: ${\displaystyle {\ce {[OH^{-}]}}}$

${\displaystyle K_{a}K_{b}=K_{w}=10^{-14}}$ Где K _b — константа диссоциации основания , K _w — константа диссоциации воды.

4. pH после точки эквивалентности зависит от концентрации сопряженного основания слабой кислоты и сильного основания титранта. Однако основание титранта сильнее сопряженного основания кислоты. Поэтому pH в этой области контролируется сильным основанием. Таким образом, pH можно найти, используя следующее: ^[1]

${\displaystyle {\ce {pH}}=14+\log[{\ce {OH^-}}]=14+\log {\frac {(C_{b}V_{b})-(C_{a}V_{a})}{V_{a}+V_{b}}}}$где — концентрация добавляемого сильного основания, — объем основания, добавляемого до наступления равновесия, — концентрация добавляемой сильной кислоты, — начальный объем кислоты. ${\displaystyle C_{b}}$ ${\displaystyle V_{b}}$ ${\displaystyle C_{a}}$ ${\displaystyle V_{a}}$

Единая формула

Точнее, единая формула ^[18] , описывающая титрование слабой кислоты сильным основанием от начала до конца, приведена ниже:

${\displaystyle \phi ={\frac {C_{b}V_{b}}{C_{a}V_{a}}}}$

где "φ = доля завершения титрования (φ < 1 ​​— до точки эквивалентности, φ = 1 — точка эквивалентности, а φ > 1 — после точки эквивалентности)

Кривая титрования монопротонной кислоты. Выделенная розовая область отображает точку эквивалентности.

${\displaystyle C_{a},C_{b}}$= концентрации кислоты и основания соответственно

${\displaystyle V_{a},V_{b}}$= объемы кислоты и основания соответственно

Графические методы

Определение pH, связанного с любой стадией процесса титрования, относительно просто для одноосновных кислот и оснований. Одноосновная кислота — это кислота, которая отдает один протон. Одноосновное основание — это основание, которое принимает один протон. Одноосновная кислота или основание имеет только одну точку эквивалентности на кривой титрования. ^{[13] [9]}

Кривая титрования дипротоновой кислоты. Выделенные розовые области отображают точки эквивалентности.

Дипротонная кислота отдает два протона, а дипротонное основание принимает два протона. Кривая титрования для дипротонного раствора имеет две точки эквивалентности. ^{[13] [9]}

Полипротонное вещество имеет несколько точек эквивалентности. ^[9]

Все реакции титрования содержат небольшие буферные области, которые на графике выглядят горизонтально. Эти области содержат сопоставимые концентрации кислоты и основания, предотвращая резкие изменения pH при добавлении дополнительной кислоты или основания. ^{[19] [9]}

Фармацевтическое применение

Химик проводит кислотно-щелочное титрование в лаборатории.

В фармацевтической промышленности кислотно-щелочное титрование служит фундаментальным аналитическим методом с разнообразными приложениями. Одно из основных применений включает определение концентрации активных фармацевтических ингредиентов (АФИ) в лекарственных формах, гарантируя качество продукта и соответствие нормативным стандартам. ^[20]

Кислотно-щелочное титрование особенно ценно для количественной оценки кислотных или основных функциональных групп в фармацевтических соединениях. Кроме того, этот метод используется для анализа добавок или ингредиентов, что упрощает регулировку и контроль процесса производства продукта. ^[21] Лаборатории контроля качества используют кислотно-щелочное титрование для оценки чистоты сырья и мониторинга различных стадий процессов производства лекарств. ^[21]

Надежность и простота метода делают его неотъемлемым инструментом фармацевтических исследований и разработок, способствуя производству безопасных и эффективных лекарственных препаратов.

Приложения для мониторинга окружающей среды

Анализ плодородия почвы методом кислотно-щелочного титрования

Кислотно-щелочное титрование играет решающую роль в экологическом мониторинге, предоставляя количественный аналитический метод для оценки кислотности или щелочности образцов воды. ^[22] Измерение таких параметров, как pH, общая щелочность и кислотность, имеет важное значение для оценки воздействия на окружающую среду промышленных сбросов, сельскохозяйственных стоков и других источников загрязнения воды . ^[22]

Кислотно-щелочное титрование позволяет определить буферную емкость природных водных систем, помогая оценить их способность противостоять изменениям pH. ^[23] Мониторинг уровня pH важен для сохранения водных экосистем и обеспечения соблюдения экологических норм. ^[23]

Кислотно-щелочное титрование также используется при анализе воздействия кислотных дождей на почву и водоемы, способствуя общему пониманию и управлению качеством окружающей среды. ^[24] Предвидение и надежность метода делают его ценным инструментом для защиты экосистем и оценки воздействия деятельности человека на природные водные ресурсы. ^[24]

Смотрите также

• Уравнение Хендерсона – Хассельбаха
• индикатор pH

Ссылки

1. "Кислотно-основные титрования 14.7". PennState . Получено 2023-12-07 .
2. "Титрование | Определение, типы и факты | Britannica". www.britannica.com . Получено 2023-12-06 .
3. Раджендрапрасад, Нагараджу; Басавайя, Канакапура; Винай, Басавая Канакапура (2010). «Кислотно-основной титриметрический анализ гидроксизина дигидрохлорида в фармацевтических образцах». Химическая промышленность и химическое машиностроение Ежеквартальный журнал . 16 (2): 127–132.
4. Ли, На; Хефферрен, Джон Дж.; Ли, Ки'ан (2013-04-26). Количественный химический анализ. World Scientific Publishing Company. ISBN 978-981-4452-31-1.
5. Сабадвари, Ференц; Чалмерс®, Роберт А. (1 августа 1979 г.). «Карл Фридрих Мор и аналитическая химия в Германии». Таланта . 26 (8): 609–617. дои : 10.1016/0039-9140(79)80165-4. ISSN  0039-9140.
6. Kousathana, Margarita; Demerouti, Margarita; Tsaparlis, Georgios (2005-02-01). «Заблуждения в обучении кислотно-щелочному равновесию: анализ с точки зрения истории и философии науки». Наука и образование . 14 (2): 173–193. doi :10.1007/s11191-005-5719-9. ISSN  1573-1901.
7. "Урок 6.9: Нейтрализация кислот и оснований". Американское химическое общество . Получено 2023-12-07 .
8. Химический век – Химический словарь – Химические термины. Геспериды. 2007-03-15. стр. 14. ISBN 978-1-4067-5758-3.
9. "Кривые титрования". groups.chem.ubc.ca . Получено 2023-12-07 .
10. "Кислотно-щелочные индикаторы". groups.chem.ubc.ca . Получено 2023-12-07 .
11. Калерт, Хайке; Мейер, Габриэле; Альбрехт, Аня (2016-04-29). «Цветные карты кислотно-основных титрований с цветными индикаторами: как выбрать подходящий индикатор и как оценить систематические ошибки титрования». ChemTexts . 2 (2): 7. doi : 10.1007/s40828-016-0026-4 . ISSN  2199-3793.
12. "Фенолфталеин | Индикатор pH, кислотно-основное титрование, индикаторный краситель | Britannica". www.britannica.com . 2023-09-15 . Получено 2023-11-05 .
13. "13.5: Кислотно-основное титрование". Chemistry LibreTexts . 2016-02-13 . Получено 2023-10-08 .
14. Ким, Мён-Хун (октябрь 2009 г.). «Как сохранить пересчёт титров».
15. "Что такое обратное титрование?". ThoughtCo . Получено 2023-11-05 .
16. Gabi (2021-08-05). "Использование таблицы ICE". ChemTalk . Получено 2023-12-06 .
17. Количественный химический анализ, 7-е изд. Дэниела С. Харриса. Freeman and Company 2007.
18. Де Леви, Роберт (1993). «Явные выражения общей формы кривой титрования в терминах концентрации: написание единого замкнутого выражения для кривой титрования для различных титрований без использования приближений или сегментации». Журнал химического образования . 70 (3): 209. Bibcode : 1993JChEd..70..209D. doi : 10.1021/ed070p209.
19. "Кривые титрования pH – HSC Chemistry". Science Ready . Получено 2023-12-06 .
20. Альхамдани, Хайдер; Альфахад, Моханад (июль–сентябрь 2021 г.). «Оценка стабильности ацетилсалициловой кислоты в коммерческих таблетках аспирина, доступных на иракском рынке» (PDF) .
21. Chapman, OW (1949). «Статистический контроль качества в аналитических лабораториях колледжей». Труды Канзасской академии наук . 52 (2): 160–167. doi :10.2307/3626169. ISSN  0022-8443. JSTOR  3626169.
22. Marle, Leanne; Greenway, Gillian M. (2005-10-01). «Микрофлюидные устройства для мониторинга окружающей среды». TrAC Trends in Analytical Chemistry . 24 (9): 795–802. doi :10.1016/j.trac.2005.08.003. ISSN  0165-9936.
23. "Производство мочевины, кислотно-щелочная регуляция и их взаимодействие у тиляпии озера Магади, уникального костного рака, адаптированного к сильнощелочной среде". journals.biologists.com . Получено 2023-12-06 .
24. Кармановская, Наталья В; Носова, Ольга В; Галишевская, Виктория В (2 февраля 2021 г.). «Общественный экологический мониторинг качества водных объектов Норильска и Таймыра» – через Academia.edu .

Внешние ссылки

• Графический метод решения кислотно-основных задач, включая титрование
• Графический и численный решатель общих кислотно-щелочных задач - Программа для телефонов и планшетов
• Хан, ASA (2014). «Простые аналитические формулы для титрования полипротонных кислот». The Nucleus . 51 (4): 448–454. ISSN  2306-6539.