Калкулатор за титруване - Бързи резултати за концентрацията на аналита

Какво представлява калкулаторът за титруване?

Калкулаторът за титруване определя концентрацията на неизвестното вещество, наречено аналит, като използва данни от титруване. При титруване към аналита бавно се добавя разтвор с известна концентрация, наречен титрант, докато реакцията между тях завърши. Като се измери количеството необходим титрант, химикът може да изчисли концентрацията на аналита.

Формула за титруване

Калкулаторът използва стандартната формула за титруване при реакция, в която титрантът и аналитът реагират в съотношение 1:1:

$C_2 = \frac{C_1 \times V_1}{V_2}$

• $C_1$ = концентрация на титранта (mol/L)
• $V_1$ = обем на използвания титрант (mL), равен на крайната стойност на бюретата минус началната стойност
• $C_2$ = концентрация на аналита (mol/L)
• $V_2$ = обем на аналита (mL)

Формулата произтича от основно правило на титруването: в момента, когато реакцията е напълно завършила (точката на еквивалентност), количеството вещество на добавения титрант е равно на количеството вещество на наличния аналит, ако реакцията ги изразходва в съотношение 1:1. Количеството вещество е равно на концентрацията, умножена по обема, така че:

$C_1 \times V_1 = C_2 \times V_2$

При решаване на уравнението за $C_2$ се получава горната формула.

Как се изчислява концентрацията на аналита

1. Запишете началната стойност на бюретата. Това е началният обем в бюретата, измерен в mL. Той е 0,0 ml, ако бюретата е била напълнена до нулевата отметка.
2. Запишете крайната стойност на бюретата. Това е обемът, показан в момента, когато реакцията току-що е завършила, което обикновено се установява по промяна на цвета на индикатора.
3. Извадете, за да получите обема на титранта. Крайната стойност минус началната стойност, в mL.
4. Въведете концентрацията на титранта. Това е известната концентрация на стандартния разтвор, в mol/L.
5. Въведете обема на аналита. Това е обемът на използвания неизвестен разтвор, обикновено измерен с пипета, в mL.
6. Приложете формулата. Умножете концентрацията на титранта по обема на титранта, след което разделете на обема на аналита.

Крайната стойност трябва да е равна на началната или по-голяма от нея, а обемът на аналита трябва да е по-голям от нула. Калкулаторът проверява и двете условия и показва съобщение за грешка, ако някое от тях не е изпълнено.

Решен пример

Да предположим, че бюретата започва от 0,0 ml и завършва на 10,0 ml след приключване на реакцията. Титрантът е с концентрация 0,1 mol/L, а обемът на аналита е 25 ml.

1. Обем на титранта: $10.0 - 0.0 = 10.0$ mL
2. Прилагане на формулата: $C_2 = \dfrac{0.1 \times 10.0}{25} = 0.04$ mol/L

Концентрацията на аналита е 0,04 mol/L.

Титрувания, които не са в съотношение 1:1

При някои реакции титрантът и аналитът се изразходват в съотношение, различно от 1:1. Например сярната киселина реагира с натриев хидроксид съгласно уравнението $\text{H}_2\text{SO}_4 + 2\text{NaOH} \rightarrow \text{Na}_2\text{SO}_4 + 2\text{H}_2\text{O}$, така че един мол киселина изисква два мола основа. Горната формула трябва да се коригира със стехиометричните коефициенти:

$C_2 = \frac{C_1 \times V_1 \times n_2}{V_2 \times n_1}$

Тук $n_1$ е коефициентът на титранта в изравненото уравнение, а $n_2$ е коефициентът на аналита. В примера със сярната киселина $n_1 = 2$ (NaOH) и $n_2 = 1$ (H₂SO₄), така че членът за титранта във формулата се разделя на допълнителен множител две.

Видове титруване

• Киселинно-основно титруване. Силна или слаба киселина реагира със силна или слаба основа. Използва се за изследване на киселинността на оцет, алкалността на водата и таблетките против киселини.
• Окислително-редукционно титруване. Основава се на пренос на електрони между титранта и аналита. Използва се за измерване на концентрацията на водороден пероксид или на разтворения във вода кислород.
• Комплексонометрично титруване. Хелатообразуващ реагент, например EDTA, се свързва с метални йони. Използва се за измерване на твърдостта на водата чрез съдържанието на калций и магнезий.
• Титруване чрез утаяване. Реакцията образува неразтворимо твърдо вещество. Използва се за измерване на концентрацията на хлориди със сребърен нитрат.

Източници на грешки

• Надхвърляне на крайната точка. Прекалено бързото добавяне на титрант може да премине точката, в която индикаторът променя цвета си.
• Неправилно отчитане на менискуса. Бюретата трябва да се отчита на нивото на очите, като се гледа долната част на извитата повърхност на течността.
• Въздушни мехурчета в накрайника на бюретата. Задържаният мехур прави отчетения обем по-голям от действително доставения обем.
• Разложен титрант. Разтворите на натриев хидроксид с времето поглъщат въглероден диоксид от въздуха, което променя концентрацията им.
• Замърсена стъклария. Остатъци в бюретата или колбата могат да реагират с разтворите и да променят резултата.

Често задавани въпроси

Каква е разликата между титранта и аналита? Титрантът е разтворът с известна концентрация, който се добавя от бюретата. Аналитът е разтворът с неизвестната концентрация, която се измерва.

Каква е разликата между крайната точка и точката на еквивалентност? Точката на еквивалентност е точният момент, в който реакцията е завършила стехиометрично. Крайната точка е моментът, в който индикаторът променя цвета си, показвайки, че реакцията е завършила. Правилният избор на индикатор поддържа двете точки много близки, но те рядко са напълно еднакви.

Защо калкулаторът изисква крайната стойност да е равна на началната или по-голяма от нея? Обемът на титранта е равен на крайната стойност минус началната стойност. Тъй като бюретата се отчита, докато се изпразва, добавеният обем не може да бъде отрицателен, затова крайната стойност не може да е по-малка от началната.

Как се изчислява титруване с не-1:1 стехиометрия? Стандартният резултат се умножава по съотношението на стехиометричните коефициенти между титранта и аналита, както е показано в горната формула. При реакция, в която два мола титрант реагират с един мол аналит, членът за титранта трябва да се раздели на две.

Може ли титруването да се използва за оцветени или мътни разтвори? Да. Когато промяната на цвета на индикатора се вижда трудно, крайната точка може да се установи с pH електрод (потенциометрично титруване) или с уред за измерване на електропроводимостта (кондуктометрично титруване).

Колко точни са резултатите от титруването? При калибрирана стъклария и внимателна техника титруването може да достигне точност около 0,1%. Повечето грешки при титруване произтичат от измерването и техниката, а не от аритметичните изчисления.

Източници

1. Харис, Д. К. (2015). Количествен химичен анализ (9-о изд.). W. H. Freeman and Company.
2. Skoog, D. A., West, D. M., Holler, F. J., & Crouch, S. R. (2013). Fundamentals of Analytical Chemistry (9-о изд.). Cengage Learning.
3. Компендиум на IUPAC по химична терминология (Златна книга).
4. Химически уебкниги на NIST, Национален институт за стандарти и технологии на САЩ.