14.7 Sýru-basa títranir
14.7 Sýru-basa-títranir
Námsmarkmið
Að loknum þessum kafla munt þú geta:
- túlkað títrunarferla fyrir sýru-basa-kerfi með römmum og daufum sýrum og bösum
- reiknað pH-gildi sýnis á mikilvægum stigum títrunar
- útskýrt hlutverk sýru-basa-litvísa
Eins og fram kom í kaflanum um efnamagnfræði efnahvarfa má nota títranir til megindlegrar greiningar á styrk sýra eða basa í lausnum. Í þessum kafla skoðum við þau efnajafnvægi sem liggja að baki og gera sýru-basa-títrun að gagnlegri greiningaraðferð.
Títrunarferlar
Títrunarferill er línurit sem sýnir eiginleika lausnar sem fall af magni viðbættrar títrunarlausnar. Í sýru-basa-títrunum er pH-gildi lausnarinnar gagnlegt til að fylgjast með, því það breytist á fyrirsjáanlegan hátt með samsetningu lausnarinnar. Því má nota pH-gildið til að fylgjast með framvindu títrunar og finna endapunkt hennar. Eftirfarandi sýnidæmi sýnir hvernig pH-gildi títrunarlausnar er reiknað eftir að tilteknu rúmmáli títrunarlausnar hefur verið bætt við. Fyrra dæmið fjallar um títrun rammrar sýru, þar sem aðeins þarf efnamagnfræðilega útreikninga til að finna pH-gildi lausnarinnar. Seinna dæmið fjallar um títrun daufrar sýru, þar sem jafnvægisútreikninga þarf einnig.
Dæmi 14.21
Dæmi 14.22
Með frekari útreikningum, svipuðum þeim í sýnidæminu á undan, fæst fyllra mat á títrunarferlum. Yfirlit yfir pH/rúmmáls-gagnapör fyrir títranir rammrar og daufrar sýru er gefið í töflu 14.2 og sett upp sem títrunarferlar á mynd 14.18. Samanburður á þessum tveimur ferlum sýnir nokkur mikilvæg hugtök sem best er að skoða með því að skipta títruninni í fjögur stig:
upphafsástand (rúmmál viðbættrar títrunarlausnar = 0 mL): sýran sem er títruð ákvarðar pH-gildið; þar sem sýrusýnin tvö hafa sama styrk hefur daufa sýran hærra upphaflegt pH-gildi.
fyrir jafngildispunkt (0 mL < V < 25 mL): pH-gildi lausnarinnar hækkar smám saman og sýran eyðist í hvarfi við viðbætta títrunarlausn; samsetningin inniheldur óhvarfaða sýru og hvarfafurðina, samstæða basa hennar.
jafngildispunktur (V = 25 mL): skarpt pH-stökk sést þegar samsetning lausnarinnar breytist úr súrri yfir í annaðhvort hlutlausa (fyrir römmu sýruna) eða basíska (fyrir daufu sýruna). Í tilviki daufu sýrunnar ákvarðast pH-gildið af jónun samstæða basa sýrunnar.
eftir jafngildispunkt (V > 25 mL): umframmagn ramma basans í viðbættu títrunarlausninni ákvarðar pH-gildið; þar sem bæði sýnin eru títruð með sömu títrunarlausn líta báðir títrunarferlarnir svipað út á þessu stigi.
| Rúmmál viðbættrar 0,100 M NaOH-lausnar (mL) | Mól viðbætts NaOH | pH-gildi 0,100 M HCl1 | pH-gildi 0,100 M CH3CO2H2 |
|---|---|---|---|
| 0,0 | 0,0 | 1,00 | 2,87 |
| 5,0 | 0,00050 | 1,18 | 4,14 |
| 10,0 | 0,00100 | 1,37 | 4,57 |
| 15,0 | 0,00150 | 1,60 | 4,92 |
| 20,0 | 0,00200 | 1,95 | 5,35 |
| 22,0 | 0,00220 | 2,20 | 5,61 |
| 24,0 | 0,00240 | 2,69 | 6,13 |
| 24,5 | 0,00245 | 3,00 | 6,44 |
| 24,9 | 0,00249 | 3,70 | 7,14 |
| 25,0 | 0,00250 | 7,00 | 8,72 |
| 25,1 | 0,00251 | 10,30 | 10,30 |
| 25,5 | 0,00255 | 11,00 | 11,00 |
| 26,0 | 0,00260 | 11,29 | 11,29 |
| 28,0 | 0,00280 | 11,75 | 11,75 |
| 30,0 | 0,00300 | 11,96 | 11,96 |
| 35,0 | 0,00350 | 12,22 | 12,22 |
| 40,0 | 0,00400 | 12,36 | 12,36 |
| 45,0 | 0,00450 | 12,46 | 12,46 |
| 50,0 | 0,00500 | 12,52 | 12,52 |

Sýru-basa vísar
Ákveðin lífræn efni skipta um lit í þynntri lausn þegar styrkur oxóníumjóna nær tilteknu gildi. Fenólftaleín er til dæmis litlaust í vatnslausnum þar sem styrkur oxóníumjóna er meiri en 5,0 10−9 M (pH < 8,3). Í basískari lausnum, þar sem styrkur oxóníumjóna er minni en 5,0 10−9 M (pH > 8,3), verður það rautt eða bleikt. Efni á borð við fenólftaleín, sem nota má til að ákvarða pH-gildi lausnar, kallast sýru-basa-litvísar. Sýru-basa-litvísar eru annaðhvort daufar lífrænar sýrur eða daufir lífrænir basar.
Jafnvægið í lausn sýru-basa-litvísisins metýlappelsínuguls, sem er dauf sýra, má setja fram með jöfnu þar sem HIn táknar einfaldlega hina flóknu sameind metýlappelsínuguls:
Anjón metýlappelsínuguls, In−, er gul en ójónaða formið, HIn, er rautt. Þegar sýru er bætt út í lausn af metýlappelsínugulu hliðrar aukinn styrkur oxóníumjóna jafnvæginu í átt að ójónaða rauða forminu, í samræmi við lögmál Le Châteliers. Ef basa er bætt við hliðrast jafnvægið í átt að gula forminu. Þessi hegðun er alveg hliðstæð virkni stuðpúðalausna.
Sýnilegur litur litvísislausnar ræðst af hlutfalli styrks efnanna tveggja, In− og HIn. Ef stærstur hluti litvísisins, yfirleitt um 60-90% eða meira, er til staðar sem In−, virðist lausnin gul. Ef stærstur hluti hans er til staðar sem HIn virðist lausnin rauð. Henderson-Hasselbalch-jafnan nýtist til að skilja sambandið milli pH-gildis litvísislausnar og samsetningar hennar, og þar með sýnilegs litar:
Í lausnum þar sem pH > pKₐ verður lograliðurinn að vera jákvæður, sem sýnir að samstætt basaform litvísisins er í umfram magni (gul lausn). Þegar pH < pKₐ verður lograliðurinn að vera neikvæður, sem sýnir að samstæða sýruformið er í umfram magni (rauð lausn). Þegar pH-gildi lausnarinnar er nálægt pKₐ litvísisins eru umtalsverð magn af báðum samstæðu formunum til staðar og litur lausnarinnar verður samlagning litanna tveggja, guls og rauðs, það er appelsínugulur. Litabreytingarbil, eða pH-bil, sýru-basa-litvísis er skilgreint sem það pH-bil þar sem litabreyting sést. Hjá flestum litvísum er þetta bil um það bil pKₐ ± 1.
Til eru margir mismunandi sýru-basa-litvísar sem spanna breitt pH-svið og má nota til að ákvarða nálægt pH-gildi óþekktrar lausnar með útilokunaraðferð. Alhliða litvísar og pH-pappír innihalda blöndu litvísa og sýna mismunandi liti við mismunandi pH-gildi. Mynd 14.19 sýnir nokkra litvísa, liti þeirra og litabreytingarbil.


Títrunarferlarnir á mynd 14.20 sýna hvernig velja má hentugan litvísi fyrir tiltekna títrun. Í títrun römmu sýrunnar ætti hver þessara þriggja litvísa að gefa nokkuð skarpa litabreytingu og nákvæma ákvörðun endapunkts. Í þessari títrun nær pH-gildi lausnarinnar neðri mörkum litabreytingarbils metýlappelsínuguls eftir að um það bil 24 mL af títrunarlausn hefur verið bætt við; þá byrjar upphaflega rauða lausnin að virðast appelsínugul. Þegar 25 mL af títrunarlausn hefur verið bætt við, við jafngildispunktinn, er pH-gildið vel yfir efri mörkunum og lausnin verður gul. Endapunkt títrunarinnar má þá áætla sem það rúmmál títrunarlausnar sem gefur greinilega litabreytingu úr appelsínugulu í gult. Flestum mannsaugum reynist erfitt að greina þessa litabreytingu nákvæmlega. Nákvæmari mat á endapunkti títrunar fæst með lakmús eða fenólftaleíni, en litabreytingarbil beggja falla innan bröttu pH-hækkunarinnar sem verður í kringum jafngildispunktinn við 25,00 mL.
Títrunarferill daufu sýrunnar á mynd 14.20 sýnir að aðeins einn af þessum þremur litvísum hentar til að greina endapunktinn. Ef metýlappelsínugult er notað í þessari títrun breytist lausnin smám saman úr rauðu í appelsínugult og síðan gult yfir tiltölulega stórt rúmmálsbil, 0-6 mL, og litabreytingunni lýkur löngu áður en jafngildispunktinum við 25 mL er náð. Lakmús myndi sýna litabreytingu sem hefst eftir að 7-8 mL af títrunarlausn hefur verið bætt við og lýkur rétt fyrir jafngildispunktinn. Fenólftaleín hefur hins vegar litabreytingarbil sem nær vel yfir snögga pH-breytinguna við jafngildispunkt títrunarinnar. Skörp litabreyting úr litlausu í bleikt sést þá á mjög litlu rúmmálsbili í kringum jafngildispunktinn.