เครื่องคำนวณการไทเทรต - ผลลัพธ์ความเข้มข้นของสารละลายอย่างรวดเร็ว

เครื่องคำนวณการไทเทรตคืออะไร?

เครื่องคำนวณการไทเทรตใช้หาความเข้มข้นของสารละลายที่ไม่ทราบค่า ซึ่งเรียกว่า สารวิเคราะห์ โดยใช้ข้อมูลจากการไทเทรต ในการไทเทรต จะเติมสารละลายที่ทราบความเข้มข้น ซึ่งเรียกว่า สารไทเทรต ลงในสารวิเคราะห์อย่างช้า ๆ จนปฏิกิริยาระหว่างสารทั้งสองเกิดขึ้นอย่างสมบูรณ์ การวัดปริมาณสารไทเทรตที่ใช้ทำให้นักเคมีคำนวณได้ว่าสารวิเคราะห์มีความเข้มข้นเท่าใด

สูตรการไทเทรต

เครื่องคำนวณใช้สูตรการไทเทรตมาตรฐานสำหรับปฏิกิริยาที่สารไทเทรตและสารวิเคราะห์ทำปฏิกิริยากันในอัตราส่วน 1:1:

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

• $C_1$ = ความเข้มข้นของสารไทเทรต (โมล/ลิตร)
• $V_1$ = ปริมาตรสารไทเทรตที่ใช้ (มล.) เท่ากับค่าที่อ่านได้จากบิวเรตต์ครั้งสุดท้ายลบด้วยค่าที่อ่านได้ครั้งแรก
• $C_2$ = ความเข้มข้นของสารวิเคราะห์ (โมล/ลิตร)
• $V_2$ = ปริมาตรของสารวิเคราะห์ (มล.)

สูตรนี้มาจากหลักพื้นฐานของการไทเทรตว่า ณ จุดที่ปฏิกิริยาเสร็จสมบูรณ์พอดี (จุดสมมูล) จำนวนโมลของสารไทเทรตที่เติมจะเท่ากับจำนวนโมลของสารวิเคราะห์ที่มีอยู่ ตราบใดที่ปฏิกิริยาใช้สารทั้งสองในอัตราส่วน 1:1 จำนวนโมลเท่ากับความเข้มข้นคูณด้วยปริมาตร ดังนั้น:

$C_1 \times V_1 = C_2 \times V_2$

เมื่อแก้สมการหา $C_2$ จะได้สูตรข้างต้น

วิธีคำนวณความเข้มข้นของสารวิเคราะห์

1. บันทึกค่าที่อ่านได้จากบิวเรตต์ครั้งแรก ค่านี้คือปริมาตรเริ่มต้นในบิวเรตต์ หน่วยเป็นมล. โดยมีค่าเป็น 0.0 มล. หากเติมสารละลายในบิวเรตต์จนถึงขีดศูนย์
2. บันทึกค่าที่อ่านได้จากบิวเรตต์ครั้งสุดท้าย ค่านี้คือปริมาตรที่แสดงเมื่อปฏิกิริยาเพิ่งเสร็จสมบูรณ์ ซึ่งโดยทั่วไปสังเกตได้จากการเปลี่ยนสีของอินดิเคเตอร์
3. ลบค่าเพื่อหาปริมาตรสารไทเทรต ค่าที่อ่านได้ครั้งสุดท้ายลบด้วยค่าที่อ่านได้ครั้งแรก หน่วยเป็นมล.
4. ป้อนความเข้มข้นของสารไทเทรต ค่านี้คือความเข้มข้นที่ทราบของสารละลายมาตรฐาน หน่วยเป็นโมล/ลิตร
5. ป้อนปริมาตรของสารวิเคราะห์ ค่านี้คือปริมาตรของสารละลายที่ไม่ทราบค่าซึ่งนำมาใช้ โดยทั่วไปวัดด้วยปิเปตต์ หน่วยเป็นมล.
6. ใช้สูตรคำนวณ นำความเข้มข้นของสารไทเทรตคูณด้วยปริมาตรสารไทเทรต แล้วหารด้วยปริมาตรของสารวิเคราะห์

ค่าที่อ่านได้ครั้งสุดท้ายต้องมากกว่าหรือเท่ากับค่าที่อ่านได้ครั้งแรก และปริมาตรของสารวิเคราะห์ต้องมากกว่าศูนย์ เครื่องคำนวณจะตรวจสอบเงื่อนไขทั้งสองข้อและแสดงข้อความแสดงข้อผิดพลาดหากไม่เป็นไปตามข้อใดข้อหนึ่ง

ตัวอย่างพร้อมวิธีทำ

สมมติว่าบิวเรตต์เริ่มต้นที่ 0.0 มล. และสิ้นสุดที่ 10.0 มล. หลังปฏิกิริยาเสร็จสมบูรณ์ สารไทเทรตมีความเข้มข้น 0.1 mol/ลิตร และสารวิเคราะห์มีปริมาตร 25 มล.

1. ปริมาตรสารไทเทรต: $10.0 - 0.0 = 10.0$ มล.
2. ใช้สูตร: $C_2 = \dfrac{0.1 \times 10.0}{25} = 0.04$ โมล/ลิตร

ความเข้มข้นของสารวิเคราะห์คือ 0.04 mol/ลิตร

การไทเทรตที่มีอัตราส่วนไม่ใช่ 1:1

ปฏิกิริยาบางชนิดใช้สารไทเทรตและสารวิเคราะห์ในอัตราส่วนอื่นที่ไม่ใช่ 1:1 ตัวอย่างเช่น กรดซัลฟิวริกทำปฏิกิริยากับโซเดียมไฮดรอกไซด์ตามสมการ $\text{H}_2\text{SO}_4 + 2\text{NaOH} \rightarrow \text{Na}_2\text{SO}_4 + 2\text{H}_2\text{O}$ ดังนั้นกรดหนึ่งโมลจึงต้องใช้เบสสองโมล ต้องปรับสูตรข้างต้นด้วยสัมประสิทธิ์ปริมาณสัมพันธ์:

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

ในที่นี้ $n_1$ คือสัมประสิทธิ์ของสารไทเทรตในสมการดุล และ $n_2$ คือสัมประสิทธิ์ของสารวิเคราะห์ สำหรับตัวอย่างกรดซัลฟิวริก $n_1 = 2$ (NaOH) และ $n_2 = 1$ (H₂SO₄) ดังนั้นพจน์ของสารไทเทรตในสูตรจึงต้องหารด้วยตัวประกอบเพิ่มเติมเป็นสอง

ประเภทของการไทเทรต

• การไทเทรตกรด-เบส กรดแก่หรือกรดอ่อนทำปฏิกิริยากับเบสแก่หรือเบสอ่อน ใช้ทดสอบความเป็นกรดของน้ำส้มสายชู ความเป็นด่างของน้ำ และยาเม็ดลดกรด
• การไทเทรตรีดอกซ์ อาศัยการถ่ายโอนอิเล็กตรอนระหว่างสารไทเทรตกับสารวิเคราะห์ ใช้วัดความเข้มข้นของไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์หรือออกซิเจนละลายในน้ำ
• การไทเทรตเชิงซ้อน สารคีเลต เช่น EDTA จะจับกับไอออนโลหะ ใช้วัดความกระด้างของน้ำจากปริมาณแคลเซียมและแมกนีเซียม
• การไทเทรตแบบตกตะกอน ปฏิกิริยาทำให้เกิดของแข็งที่ไม่ละลายน้ำ ใช้วัดความเข้มข้นของคลอไรด์ด้วยซิลเวอร์ไนเตรต

แหล่งที่มาของความคลาดเคลื่อน

• เติมเลยจุดยุติ การเติมสารไทเทรตเร็วเกินไปอาจทำให้เลยจุดที่อินดิเคเตอร์เปลี่ยนสี
• อ่านเมนิสคัสผิด ควรอ่านค่าบิวเรตต์ในระดับสายตา โดยมองที่ส่วนล่างของผิวของเหลวที่โค้ง
• ฟองอากาศที่ปลายบิวเรตต์ ฟองอากาศที่ค้างอยู่ทำให้ปริมาตรที่บันทึกไว้มากกว่าปริมาตรที่จ่ายออกจริง
• สารไทเทรตเสื่อมสภาพ สารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์จากอากาศเมื่อเวลาผ่านไป ทำให้ความเข้มข้นเปลี่ยนแปลง
• เครื่องแก้วสกปรก สารตกค้างในบิวเรตต์หรือขวดรูปชมพู่อาจทำปฏิกิริยากับสารละลายและทำให้ผลลัพธ์เปลี่ยนแปลง

คำถามที่พบบ่อย

สารไทเทรตกับสารวิเคราะห์แตกต่างกันอย่างไร สารไทเทรตคือสารละลายที่ทราบความเข้มข้นและเติมจากบิวเรตต์ ส่วนสารวิเคราะห์คือสารละลายที่มีความเข้มข้นไม่ทราบค่าและเป็นสิ่งที่ต้องการวัด

จุดยุติกับจุดสมมูลแตกต่างกันอย่างไร จุดสมมูลคือช่วงเวลาที่ปฏิกิริยาเสร็จสมบูรณ์ตามปริมาณสัมพันธ์อย่างแม่นยำ ส่วนจุดยุติคือช่วงเวลาที่อินดิเคเตอร์เปลี่ยนสี ซึ่งบ่งชี้ว่าปฏิกิริยาเสร็จแล้ว การเลือกอินดิเคเตอร์ที่เหมาะสมทำให้จุดทั้งสองอยู่ใกล้กันมาก แต่แทบไม่เหมือนกันอย่างสมบูรณ์

เหตุใดเครื่องคำนวณจึงกำหนดให้ค่าที่อ่านได้ครั้งสุดท้ายต้องมากกว่าหรือเท่ากับค่าที่อ่านได้ครั้งแรก ปริมาตรสารไทเทรตเท่ากับค่าที่อ่านได้ครั้งสุดท้ายลบด้วยค่าที่อ่านได้ครั้งแรก เนื่องจากอ่านค่าบิวเรตต์ขณะสารไหลออก ปริมาตรที่เติมจึงไม่อาจเป็นค่าลบได้ ดังนั้นค่าที่อ่านได้ครั้งสุดท้ายจึงไม่อาจน้อยกว่าค่าที่อ่านได้ครั้งแรก

คำนวณการไทเทรตที่มีปริมาณสัมพันธ์ไม่ใช่ 1:1 ได้อย่างไร คูณผลลัพธ์มาตรฐานด้วยอัตราส่วนของสัมประสิทธิ์ปริมาณสัมพันธ์ระหว่างสารไทเทรตกับสารวิเคราะห์ ดังที่แสดงในสูตรข้างต้น ปฏิกิริยาที่สารไทเทรตสองโมลทำปฏิกิริยากับสารวิเคราะห์หนึ่งโมล ต้องหารพจน์ของสารไทเทรตด้วยสอง

สามารถใช้การไทเทรตกับสารละลายที่มีสีหรือขุ่นได้หรือไม่ ได้ หากมองเห็นอินดิเคเตอร์เปลี่ยนสีได้ยาก สามารถใช้ขั้วไฟฟ้าวัดค่า pH (การไทเทรตแบบโพเทนชิโอเมทรี) หรือเครื่องวัดการนำไฟฟ้า (การไทเทรตแบบคอนดักโตเมทรี) เพื่อระบุจุดยุติแทนได้

ผลการไทเทรตมีความแม่นยำเพียงใด เมื่อใช้เครื่องแก้วที่สอบเทียบแล้วและปฏิบัติอย่างระมัดระวัง การไทเทรตอาจมีความแม่นยำประมาณ 0.1% ความคลาดเคลื่อนส่วนใหญ่ในการไทเทรตเกิดจากการวัดและเทคนิค ไม่ใช่จากการคำนวณ

เอกสารอ้างอิง

1. Harris, D. C. (2015). Quantitative Chemical Analysis (การวิเคราะห์ทางเคมีเชิงปริมาณ) (ฉบับที่ 9). W. H. Freeman and Company.
2. Skoog, D. A., West, D. M., Holler, F. J., & Crouch, S. R. (2013). Fundamentals of Analytical Chemistry (พื้นฐานเคมีวิเคราะห์) (ฉบับที่ 9). Cengage Learning.
3. บทสรุปศัพท์เคมีของ IUPAC (Gold Book)
4. NIST Chemistry WebBook, สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติสหรัฐอเมริกา