JoVE 科学教育
General Chemistry
This content is Free Access.
JoVE 科学教育 General Chemistry
Introduction to Titration
  • 00:00概述
  • 00:56Principles of the Titration
  • 03:57Standardization of the Titrant
  • 07:06Titration of Vinegar with the Standardized Sodium Hydroxide Solution
  • 08:26Applications
  • 09:52Summary

מבוא לתמצית

English

分享

概述

מקור: המעבדה של ד”ר יי ני טאן — הסוכנות למדע, טכנולוגיה ומחקר

טיטציה היא טכניקה נפוצה המשמשת לקביעת הריכוז הלא ידוע של ניתוח מזוהה. 1-4 זה נקרא גם ניתוח נפחי, כמו מדידת כרכים הוא קריטי טיטציה. ישנם סוגים רבים של טייטציות המבוססות על סוגי התגובות שהם מנצלים. הסוגים הנפוצים ביותר הם טיטריוציות בסיס חומצה ו titrations redox. 5-11

בתהליך טיטרציה טיפוסי, פתרון סטנדרטי של titrant בבורט מוחל בהדרגה להגיב עם ניתוח עם ריכוז לא ידוע בבקבוק Erlenmeyer. עבור titration בסיס חומצה, מחוון pH מתווסף בדרך כלל פתרון ניתוח כדי לציין את נקודת הקצה של טיטרציה. 12 במקום להוסיף מחווני pH, pH יכול להיות מנוטר גם באמצעות מד pH במהלך תהליך טיטרציה ונקודת הקצה נקבעת באופן גרפי מעקומת טיטרציה pH. ניתן להשתמש בנפח הצמיגים שנרשמו בנקודת הקצה כדי לחשב את ריכוז הניתוח בהתבסס על סטויצ’יומטריית התגובה.

עבור titration בסיס חומצה המוצג בסרטון זה, titrant הוא פתרון נתרן הידרוקסיד מתוקננת ואת הניתוח הוא חומץ ביתי. חומץ הוא נוזל חומצי המשמש לעתים קרובות כתבלין קולינרי או חומרי טעם. חומץ מורכב בעיקר מחומצה אצטית (CH3COOH) ומים. תכולת החומצה האצטית של חומץ מסחרי יכולה להשתנות במידה רבה ומטרת הניסוי הזה היא לקבוע את תכולת החומצה האצטית של חומץ מסחרי על ידי טיטציה.

Principles

הקביעה של חומצה אצטית בחומץ מבוססת על העיקרון של שיטת טיטריון בסיס חומצה. התגובה בין NaOH ו- CH3COOH מוצגת במשוואה 1:

CH3COOH(aq) + NaOH(aq) → H2O(l) + NaCH3CO2(aq) (1)

פתרון NaOH מתוקנן מתווסף בהדרגה לחומץ עם ריכוז חומצה אצטית לא ידוע עד לנקודת הסיום. במהלך טיטרציה בסיס חומצה, pH יכול להיות שרטט כפונקציה של נפח של titrant הוסיף. נקודת ההטיה בעקומה, הנקודה שבה יש כמות סטויצ’יומטרית שווה של חומצה ובסיס בתמיסה, נקראת נקודת השתוות. רוב החומצות והבסיסים הם חסרי צבע, ללא תגובה נראית לעין המתרחשת בנקודת השווי. כדי לבחון מתי נקודת השתוות הגיעה, נוסף מחוון pH. נקודת הקצה אינה נקודת שקישות אלא נקודה שבה מחוון ה- pH משנה צבע. חשוב לבחור מחוון pH מתאים, כך שנקודת הסיום קרובה לנקודת שקינות של טיטציה ככל האפשר.

בנקודת הסיום של תגובה זו, בסיס מצומד NaCH3CO2 הוא מעט בסיסי. מחוון פנולפתלין יש טווח pH עובד של 8.3-10.0, שהוא חסר צבע פתרון חומצי ומגנטה מעל pH 8.2. לכן, פנולפתלין הוא אינדיקטור מועדף כפי שהוא ישתנה חסר צבע לוורוד במצב זה. בעת ביצוע הניסוי, עדיף לשמור על ריכוז של אינדיקטור pH נמוך כי אינדיקטורים pH עצמם הם בדרך כלל חומצות חלשות המגיבות עם בסיס.

הנפח של פתרון NaOH מתוקנן הוסיף בנקודת הקצה אז ניתן להשתמש כדי לחשב את ריכוזי הטוחנת של חומצה אצטית בהתבסס על סטואיומטריה של המשוואה לעיל. בניסוי זה, NaOH titrant הוא אלקליין חזק ואת חומצה אצטית אנליט היא חומצה חלשה.

לפני ביצוע הניסוי, חשוב לשקול את האופי ההיגרוסקופי של NaOH. מאפיין זה דורש את הפתרון שלו להיות סטנדרטי עם סטנדרט ראשוני יציב כגון אשלגן מימן פתלט (KHC8H4O4). ריכוז הטוחנת המדויק של פתרון NaOH יכול להיקבע במדויק לאחר התקינה. התגובה בין תקן החומצה הראשי לבין NaOH מוצגת במשוואה 2:

KHC8H4O4(aq) + NaOH(aq) → H2O(l) + NaKC8H4O4(aq)   (2)

בסעיף הבא מוצג פרוטוקול טירוט מפורט שלב אחר שלב.

Procedure

1. תקינה של NaOH עם אשלגן מימןפתלט (KHC8H4O4) בתור התחלה, טיטרנט, נתרן הידרוקסיד, חייב להיות מתוקנן. הכן פתרון NaOH מלאי על ידי המסת כ 4 גרם של כדורי NaOH ב 100 מ”ל של מים deionized. שים לב כי NaOH הוא כימיקל מסוכן אשר מאכל לעור ומרגיז לעין, להיות זהיר ללבוש ציוד הגנה אישי מתאים (PPE) כדי למנוע מגע עם העור או העין. הפוך דילול 1:10 של תמיסה נתרן הידרוקסיד על ידי הוספת 25 מ”ל של תמיסה נתרן הידרוקסיד מלאי לבקבוק 500 מ”ל. נתרן הידרוקסיד סופג פחמן דו חמצני. חשוב למנוע זאת על ידי הקפדה על שימוש במים מבושלים, deionized, בקבוק מיובש בתנור, כדי לכסות את הבקבוק במהירות. הפוך את הפתרון עד 250 מ”ל עם מים deionized ולנער לערבב. יבש 4-5 גרם של חומצה סטנדרטית ראשונית, KHC8H4O4 ב 110 °C (4 שעות בתנור ייבוש ולאחר מכן לקרר את מוצק בייבוש במשך 1 שעה. להמיס כ 4 גרם של מיובש KHC8H4O4 ב 250 מ”ל של מים deionized. הקלט את המסה במדויק. חשב את הריכוז הטוחן של פתרון KHC8H4O4. פיפטה 25 מ”ל של KHC8H4O4 לתוך בקבוק ארלנמאייר נקי ויבש. מוסיפים 2 טיפות של פנולפתלין, ומערבבים בעדינות כדי לערבב היטב. שים לב כי פנולפתלין הוא רעיל ומרגיז, להיות זהיר כדי למנוע מגע עור או עין. נקו בורטה של 50 מ”ל ומשפך ביסודיות עם חומר ניקוי ומים. לשטוף את burette עם מים ולשטוף 3x עם מים deionized. יש לשטוף את הבורט בתמיסת NaOH מדוללת 3x, ולוודא שה-NaOH מוקסם מכל המשטח הפנימי ומנקז את הפסולת דרך הקצה. הר את הבורט השטף על הבמה עם מהדק ולוודא שהוא עומד אנכית. מלאו את הבורט הנקי בתמיסת NaOH מדוללת. יש לציין כי כמות NaOH מדולל לא צריך להיות בדיוק בסימן אפס אבל צריך להיות בתוך הסולם מספיק עבור טיטציה אחת לפחות. בועות אוויר עשויות להשפיע על הדיוק של קריאת נפח. בדוק בזהירות את burette עבור בועות אוויר, בעדינות הקש על burette כדי לשחרר אותם ולפתוח את stopcock לתת כמה mL של titrant לזרום דרך באותו זמן שחרור כל אוויר לכוד. קרא את הכרך על ידי צפייה בתחתית המניסקוס לאחר 10s. הקלט אמצעי אחסון התחלתי זה. שים לב לנתונים המשמעותיים של הקריאה. הקלט את הערך לשני מקומות עשרוניים ב- mL. מניחים את בקבוקון ארלנמייר המכיל אשלגן מימן פתלט (KHC8H4O4) מתחת לבורט ולהתאים את גובה הבורט כראוי. טיטראט הפתרון KHC8H4O4 על ידי הוספה איטית של פתרון NaOH במרווחים של 1-2 מ”ל באמצעות יד אחת כדי לשלוט בקצב הזרימה על ידי התאמת הסטופקוק, והשני מערבולת את הבקבוקון. כאשר אתה קרוב לנקודת הקצה, התחל להוסיף את הירידה המלוטטת טיפה אחר טיפה. נקודת הקצה מגיעה כאשר הפתרון הופך צבע ורוד חלש ומתמשך. הקלט את הנפח הסופי של NaOH מדולל בבורט. חזור על התשובות לפחות פעמיים נוספות כדי להשיג נתונים עקביים. חשב את הריכוז הטוחן של פתרון NaOH מדולל. 2. טיטרציה של חומץ עם פתרון נתרן הידרוקסיד מתוקנן תמיסת נתרן הידרוקסיד מתוקננת כעת וניתן להשתמש בה כטיטרנט לניתוח חומץ. כדי להפחית את הניחוח החריף של חומץ, לדלל 10 מ”ל של פתרון חומץ להיבדק 1:10 הקצבה לנפח כולל של 100 מ”ל. פיפטה 25 מ”ל של אנליזה, לבקבוק ארלנמאייר נקי ויבש (ציין כ- VA). מוסיפים 2 טיפות של פנולפתלין. מלא את הבורט בפתרון NaOH מתוקנן מהחלק הראשון של ההליך. הקלט את אמצעי האחסון ההתחלתי של titrant (V1). מוסיפים בהדרגה את תמיסת NaOH מתוקננת לחומץ. כאשר נפח הצמיגים מתקרב לערך הצפוי, התאם את הסטופקוק כדי להוסיף את הירידה הרודנית אחר טיפה. ממשיכים לסובב את הבקבוק ביד אחת ולשמור על היד השנייה מוכנה לסגור את stopcock. לאחר פתרון הניתוח משתנה לצבע ורוד בהיר, מערבול במשך כמה שניות כדי לראות אם הצבע יתפוגג. אם הצבע נמשך, התמצית מגיעה לנקודת הסיום. הקלט את הכרך הסופי של titrant (V1′). אם צבע הפתרון דועך, הוסף טיפה אחת נוספת של titrant. לשטוף את הקצה התחתון של burette באמצעות בקבוק לשטוף. לאסוף את התערובת שטף ולצפות בשינוי הצבע של פתרון הניתוח. המשך את ההטיה עד לנקודת הסיום. רשום את כמות הצמיגים הדרושה (Vt1 = V1′ V1). חזור על טיטציה לפחות פעמיים עד שלושה ערכי קונקורדנט הנמצאים בטווח של 0.1 מ”ל זה מזה מתקבל (Vt2 ו- Vt3). חשב את הערך הממוצע של אמצעי אחסון titrant באמצעות שלושת הערכים שהושגו בשלושה titrations שונים: Vt = (Vt1 + Vt2 + Vt3)/3. הריכוז הטוחן של חומצה אצטית בחומץ ניתן לחשב כך באמצעות משוואה 3.

Results

Unit Trial 1 Trial 2 Trial 3
Volume of diluted vinegar acid (VA) mL 25.00
Molar concentration of NaOH (cNaOH) mol/L 0.09928
Initial burette reading of NaOH mL 0.10 0. 05 1.20
Final burette reading of NaOH mL 18.75 18.60 19.80
Volume of NaOH dispensed mL 18.65 18.55 18.60
Mean volume of NaOH dispensed (Vt) mL 18.60

Table 1. Titration results.

Sample calculations:

Mass of KC8H5O4 = 4.0754 g

Molar mass of KC8H5O4 = 204.22 g/mol

Number of moles of KC8H5O4 in 25.00 mL standard solution = Equation 2

According to Equation 2,

Concentration of the diluted NaOH solution = Equation 3

Moles of NaOH dispensed = concentration of NaOH × mean volume of NaOH dispensed = 0.09928 mol/L × 18.60 mL = 1.847 × 10-3 mol

According to Equation 1,

Number of moles of CH3COOH in 25.00 mL of diluted vinegar = 1.847 × 10-3 mol

Concentration of diluted vinegar = Equation 4

Hence concentration of undiluted vinegar = 10 × 7.388 102 mol/L = 0.7388 mol/L

The above steps are presented to illustrate the calculation procedure; we can simply apply Equation 3 to obtain the concentration of undiluted vinegar in one step.

Therefore 1.000 L of undiluted vinegar contains 0.7388 mol of CH3COOH.

Volume of CH3COOH=Equation 5

Volume percent of vinegar = Equation 6

Applications and Summary

Titration is an important chemical method that is frequently applied in current chemistry research. For example, acid base titration is applied to determine amine or hydroxyl value of a sample. The amine value is defined as the number of milligrams of KOH equivalent to the amine content in one gram of sample. To determine the hydroxyl value, the analyte is first acetylated using acetic anhydride then titrated with KOH. The mass in milligrams of KOH then corresponds to hydroxyl groups in one gram of sample.13 Another example is the Winkler test, a specific type of redox titration used to determine the concentration of dissolved oxygen in water for water quality studies. Dissolved oxygen is reduced using manganese(II) sulfate, which then reacts with potassium iodide to produce iodine. Since the iodine released is directly proportional to the oxygen content, the oxygen concentration is determined by titrating iodine with thiosulfate using a starch indicator.14

Besides applications in basic chemical research, titration has also been widely adopted in industrial and everyday use. In biodiesel industry, waste vegetable oil (WVO) must first be neutralized to remove free fatty acids that would normally react to make undesired soap. A portion of WVO is titrated with a base to determine the sample acidity, so the rest of the batch could be properly neutralized.15 Benedict's method, a test for quantification of urine glucose level, is another example showing the importance of titration in healthcare. In this titration, cupric ions are reduced to cuprous ions by glucose, which then react with potassium thiocyanate to form a white precipitate, indicating the endpoint.16

References

  1. Llc, B. Titration: Ph Indicator, Thermometric Titration, Nonaqueous Titration, Equivalence Point, Acid-Base Titration, Amperometric Titration. General Books LLC, (2010).
  2. Jacobsen, J. J., Jetzer, K. H., Patani, N., Zweerink, G. & Zimmerman, J. Titration Techniques. J. Chem. Educ. 72, 612, doi:10.1021/ed072p612 (1995).
  3. Harris, D. C. Quantitative Chemical Analysis. 8th edn, W. H. Freeman, (2010).
  4. Mattock, G., Taylor, G. R. & Paul, M. A. pH Measurement and Titration. J. Electrochem. Soc. 110, 31C, doi:10.1149/1.2425702 (1963).
  5. De Levie, R. Aqueous Acid-base Equilibria and Titrations. Oxford University Press, (1999).
  6. Cannan, R. K. The Acid-Base Titration of Proteins. Chem. Rev. 30, 395-412, doi:10.1021/cr60097a005 (1942).
  7. Michalowski, T. & Lesiak, A. Acid-Base Titration Curves in Disproportionating Redox Systems. J. Chem. Educ. 71, 632, doi:10.1021/ed071p632 (1994).
  8. Waser, J. Acid-base Titration and Distribution Curves. J. Chem. Educ. 44, 274, doi:10.1021/ed044p274 (1967).
  9. Gorbikova, E. A., Vuorilehto, K., Wikström, M. & Verkhovsky, M. I. Redox Titration of All Electron Carriers of Cytochrome c Oxidase by Fourier Transform Infrared Spectroscopy. Biochemistry 45, 5641-5649, doi:10.1021/bi060257v (2006).
  10. Silverstein, T., Cheng, L. & Allen, J. F. Redox Titration of Multiple Protein Phosphorylations in Pea Chloroplast Thylakoids. Biochim. Biophys. Acta (BBA)-Bioenerg. 1183, 215-220, doi:10.1016/0005-2728(93)90022-8 (1993).
  11. Lenghor, N., Jakmunee, J., Vilen, M., Sara, R., Christian, G. D. & Grudpan, K. Sequential Injection Redox or Acid-Base Titration for Determination of Ascorbic Acid or Acetic Acid. Talanta 58, 1139-1144, doi:10.1016/S0039-9140(02)00444-7 (2002).
  12. Mitchell, P., Moyle, J. & Smith, L. Bromthymol Blue as a pH Indicator in Mitochondrial Suspensions. Eur. J. Biochem. 4, 9-19, doi:10.1111/j.1432-1033.1968.tb00166.x (1968).
  13. Perkins, E. G. Analyses of Fats, Oils and Derivatives. AOCS press, (1993).
  14. Spellman, F. R. Handbook of Water and Wastewater Treatment Plant Operations. 2 edn, CRC Press, (2009).
  15. Purcella, G. Do It Yourself Guide to Biodiesel: Your Alternative Fuel Solution for Saving Money, Reducing Oil Dependency, Helping the Planet. Ulysses Press, (2007).
  16. Nigam. Lab Manual Of Biochemistry. Tata McGraw-Hill Education (2007).

成績單

Titration is a commonly applied method of quantitative chemical analysis used to determine the unknown concentration of a solution. A typical titration is based on a reaction between a titrant and an analyte. The titrant of known concentration is gradually added to a precise volume of an unknown analyte until the reaction reaches an endpoint.

At the endpoint, the moles of titrant and analyte are equal. By manipulating the equation relating volume and concentration, the concentration of analyte can be deduced.

This video will illustrate the principles behind titration, present a protocol to determine the amount of acetic acid in commercial vinegar, and finally explore some common applications of the method.

Titrations are classified based on the type of reaction carried out. For example, redox titrations make use of an oxidation-reduction exchange between reactants which involves the transfer of electrons from one reactant to another. Complexometric titrations rely on the formation of a largely undissociated complex. However, acid-base titrations, which exploit the neutralization of an acid with a base, are one of the most widely studied. To determine the concentration of acid in an analyte, a base, such as sodium hydroxide, is used. Sodium hydroxide is hygroscopic, that is, it has the property of absorbing moisture from the atmosphere. Before it can be used as a titrant, its exact concentration in solution must be standardized.

To do this, it is first titrated with the primary standard, potassium hydrogen phthalate. A primary standard should be pure, stable, non-hygroscopic, and have a high molecular weight. Because the amount of hydronium ions contributed by the primary standard is known to a high degree of accuracy, it is used to determine the exact concentration of the hydroxide ions in the titrant. During an acid-base titration, the pH can be plotted as a function of the volume of the titrant added. The inflection point on the curve, the point at which there is a stoichiometric equal amount of acid and base in a solution, is called the equivalence point.

Most acids and bases are colorless, with no visible reaction occurring at the equivalence point. To observe when the equivalence point has been reached, a pH indicator is added. This is a pH sensitive dye that changes color in different pH environments. Its important to note that endpoint is not equal to the equivalence point, but indicates when a particular pH value has been reached. For example, phenolphthalein changes color around a pH of 8 and is commonly used as an indicator for acid-base titrations with an equivalence point around pH 7. While an accurate indicator for the titration is one that changes color as close to the equivalence point as possible, the titration curve has a steep slope around the equivalence point, leading to an acceptable level of error. At the equivalence point, the moles of base added are equal to the moles of acid initially present. An equation that utilizes the molarity and volume of each component can be used. With the other three values known, the acid concentration can be calculated. Now that you understand the principles behind the procedure, lets take a look at an actual protocol to determine the percent acetic acid in a commercial vinegar sample by reacting it with a standardized sodium hydroxide solution.

Typically, a rough estimate titration is performed to approximate where the endpoint will be. To begin, the titrant, sodium hydroxide, must be standardized. First, dissolve roughly 4 g of sodium hydroxide into 100 mL of deionized water. Make a 1:10 dilution by adding 25 mL of this stock sodium hydroxide solution to a glass container. Bring the total volume to 250 mL with deionized water and shake to mix. As sodium hydroxide absorbs carbon dioxide, it is important to use boiled, deionized water and an oven-dried bottle, and to cap the bottle quickly.

Calculate the approximate molar concentration of sodium hydroxide. Then, weigh out 5 g of the standard acid, potassium hydrogen phthalate, and place it in a drying oven. Once dried, allow the solid to cool to room temperature in a desiccator.

Weigh out 4 g of the dried potassium hydrogen phthalate to a high degree of precision, and dissolve in 250 mL of deionized water. Calculate the molar concentration of the potassium hydrogen phthalate solution.

Using a volumetric pipette, transfer 25 mL of the potassium hydrogen phthalate solution into a clean, dry Erlenmeyer flask. Add 2 drops of phenolphthalein pH indicator. Gently swirl the flask to mix. Flush a clean 50-mL burette with water and rinse at least three times with deionized water. Following this, rinse again with the diluted sodium hydroxide solution three times, making sure that the sodium hydroxide wets the entire inner surface. Mount the washed burette on a ringstand with a clamp and ensure that it stands vertically.

Fill the burette with the diluted sodium hydroxide solution. Air bubbles can affect the accuracy of volumetric readings. Gently tap the burette to free any air bubbles present, and open the stopcock to allow a few mL of titrant to flow through to release any trapped air. Read the volume of sodium hydroxide, at the bottom of the meniscus.

Place the flask containing potassium hydrogen phthalate under the burette. Add the titrant from the burette in 1–2 mL increments using one hand to control the flow rate by adjusting the stopcock, and the other swirling the flask.

When close to the endpoint, begin adding the titrant drop by drop. The endpoint is reached when the solution turns a faint, persistent pink color. Record the volume in the burette.

Repeat the titration at least two more times for consistent data and calculate the molar concentration of the diluted sodium hydroxide solution used as shown in the text protocol.

The sodium hydroxide solution is now standardized and can be used as a titrant to analyze vinegar. To reduce the pungent aroma, dilute 10 mL to a total volume of 100 mL.

Pipette 25 mL of the diluted vinegar into an Erlenmeyer flask, and add 2 drops of phenolphthalein. Fill the burette with the standardized sodium hydroxide solution and record the initial volume. Similar to the previous titration, slowly add the titrant to the analyte in the flask while swirling until the solution turns a light pink color, and record the final volume of sodium hydroxide used.

In this experiment, the titration was performed in triplicate and the mean volume of sodium hydroxide dispensed to neutralize the acetic acid in vinegar was calculated. The concentration and volume of base was used to elucidate the moles of acetic acid in the vinegar. The volume and molar mass were then used to calculate the concentration. It was determined that the vinegar had a molarity of 0.7388. Converting to percent, it was 4.23% acetic acid by volume.

Titrations are robust and easily customizable methods commonly applied in research, industry, and healthcare.

Scientists often use the measure of dissolved oxygen in freshwater bodies as an indicator of overall health that ecosystem. This is done by a redox titration. Unlike acid-base neutralizations, these titrations are based on a reduction-oxidation reaction between the analyte and the titrant. Dissolved oxygen in the water sample is reduced with chemicals in a reaction that results in the production of iodine. The amount of iodine produced and thus the level of dissolved oxygen can be determined by titration using a starch indicator. Glucose in urine can be indicative of a pathological condition like diabetes. A test to quantify urine glucose level, called Benedict’s Method, is another example of the importance of titration; in this case, in healthcare. In this titrimetric procedure, sugars from urine are first reacted with an alkali resulting in the formation of enediols with powerful reducing properties. These reduce copper two ions in Benedict’s reagent to copper one, in a colorimetric reaction that correlates with the initial concentration of glucose present in the urine sample.

You’ve just watched JoVE’s introduction to titration. You should now be familiar with the principles behind this method, know how to perform an acid-base titration, and appreciate some of the ways it is being applied in research and industry.

As always, thanks for watching!

Tags

Cite This
JoVE Science Education Database. JoVE Science Education. Introduction to Titration. JoVE, Cambridge, MA, (2023).