14.8: Titrations ya Asidi-Msingi

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Tafsiri curves ya titration kwa mifumo yenye nguvu na dhaifu ya asidi-msingi
• Compute sampuli pH katika hatua muhimu za titration
• Eleza kazi ya viashiria vya asidi-msingi

Kama inavyoonekana katika sura juu ya stoichiometry ya athari za kemikali, titrations inaweza kutumika kwa quantitatively kuchambua ufumbuzi kwa asidi yao au viwango vya msingi. Katika sehemu hii, tutachunguza usawa wa msingi wa kemikali ambao hufanya titrimetry ya msingi ya asidi kuwa mbinu muhimu ya uchambuzi.

Titration Curves

Curve titration ni njama ya baadhi ya mali ufumbuzi dhidi ya kiasi cha titrant aliongeza. Kwa titrations asidi-msingi, ufumbuzi pH ni mali muhimu ya kufuatilia kwa sababu inatofautiana predictably na muundo wa suluhisho na, kwa hiyo, inaweza kutumika kufuatilia maendeleo ya titration na kuchunguza hatua yake ya mwisho. zoezi zifuatazo mfano inaonyesha hesabu ya pH kwa ufumbuzi titration baada ya nyongeza ya kiasi kadhaa maalum titrant. Mfano wa kwanza unahusisha titration kali ya asidi ambayo inahitaji mahesabu tu ya stoichiometric ili kupata pH ya suluhisho. Mfano wa pili unashughulikia titration dhaifu ya asidi inayohitaji mahesabu ya usawa.

Mfano 14.21

Kuhesabu pH kwa Solutions Titration: Nguvu Acid/Nguvu Msingi

Titration hufanyika kwa 25.00 ml ya 0.100 M HCl (asidi kali) na 0.100 M ya NaOH imara ya msingi (Curve ya titration inavyoonekana kwenye Mchoro 14.18). Tumia pH kwa kiasi hiki cha ufumbuzi wa msingi ulioongezwa:

(a) 0.00 ml

(b) 12.50 ml

(c) 25.00 ml

(d) 37.50 ml

Suluhisho

(a) Kiwango cha Titrant = 0 mL. Suluhisho pH ni kutokana na ionization ya asidi ya HCl. Kwa sababu hii ni asidi kali, ionization imekamilika na molarity ya hidronium ion ni 0.100 M. PH ya suluhisho ni basi

$$\text{pH}=-\text{kigogo}\left(0.100\right)=1.000$$

(b) Kiwango cha Titrant = 12.50 ml. Kwa kuwa sampuli ya asidi na titrant ya msingi ni monoprotic na sawa kujilimbikizia, kuongeza hii ya titrant inahusisha chini ya kiasi cha msingi cha stoichiometric, na hivyo hutumiwa kabisa na majibu na asidi ya ziada katika sampuli. Mkusanyiko wa asidi iliyobaki ni computed kwa kuondoa kiasi kilichotumiwa kutoka kiasi cha awali na kisha kugawa na kiasi cha suluhisho:

$$[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}]=\frac{\text{n}({\text{H}}^{\text{+}})}{V}=\frac{\text{0.002500 mol}\times \left(\frac{\text{1000 ml}}{\text{1 L}}\right)-0.100M\times \text{12.50 ml}}{\text{25.00 ml}+\text{12.50 ml}}=0.0333M$$

(c) kiasi cha Titrant = 25.00 ml. Aidha hii ya titrant inahusisha kiasi cha msingi cha stoichiometric (hatua ya ulinganifu), na hivyo tu bidhaa za mmenyuko wa neutralization ziko katika suluhisho (maji na NaCl). Wala cation wala anion ya chumvi hii hupata ionization ya asidi-msingi; mchakato pekee unaozalisha ions hydronium ni autoprotolysis ya maji. Suluhisho ni neutral, likiwa na pH = 7.00.

(d) Kiwango cha Titrant = 37.50 ml. Hii inahusisha kuongeza ya titrant kwa ziada ya hatua ya ulinganifu. Suluhisho la pH linahesabiwa kwa kutumia mkusanyiko wa ioni ya hidroksidi:

$$\text{n}{({\text{OH}}^{\text{-}})}_0>\text{n}{({\text{H}}^{\text{+}})}_0$$

$$[{\text{OH}}^{\text{-}}]=\frac{\text{n}({\text{OH}}^{\text{-}})}{V}=\frac{0.100M\times \text{37.50 ml}-\text{0.002500 mol}\times \left(\frac{\text{1000 ml}}{\text{1 L}}\right)}{\text{25.00 ml}+\text{37.50 ml}}=0.0200M$$

pH = 14 - PoH = 14 + logi ([OH ^-]) = 14 + logi (0.0200) = 12.30

Angalia Kujifunza Yako

Tumia pH kwa titration kali ya asidi/nguvu ya msingi kati ya 50.0 ml ya 0.100 M HNO ₃ (aq) na 0.200 M NaOH (titrant) kwa kiasi kilichoorodheshwa cha msingi kilichoongezwa: 0.00 ml, 15.0 ml, 25.0 ml, na 40.0 ml.

Jibu:

0.00:1.000; 15.0:1.5111; 25.0:7; 40.0:12.523

Mfano 14.22

Titration ya Acid Dhaifu na Msingi Nguvu

Fikiria titration ya 25.00 ml ya 0.100 M CH ₃ CO ₂ H na 0.100 M NaOH. Majibu yanaweza kuwakilishwa kama:

$${\text{CH}}_3{\text{USHIRIKIANO}}_2\text{H}+{\text{OH}}^{\text{-}}⟶{\text{CH}}_3{\text{USHIRIKIANO}}_2{}^{\text{-}}+{\text{H}}_2\text{O}$$

Tumia pH ya ufumbuzi wa titration baada ya kuongeza kiasi kinachofuata cha NaOH titrant:

(a) 0.00 ml

(b) 25.00 ml

(c) 12.50 ml

(d) 37.50 ml

Suluhisho

(a) PH ya awali inahesabiwa kwa ufumbuzi wa asidi ya asidi katika njia ya kawaida ya ICE:

$K_{\text{a}}=\frac{[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}][{\text{CH}}_3{\text{USHIRIKIANO}}_2{}^{\text{-}}]}{[{\text{CH}}_3{\text{USHIRIKIANO}}_2\text{H}]}\approx \frac{{[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}]}^{\text{2}}}{{[{\text{CH}}_3{\text{USHIRIKIANO}}_2\text{H}]}_0},$na$[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}]=\sqrt{K_a\times [{\text{CH}}_3{\text{USHIRIKIANO}}_2\text{H}]}=\sqrt{1.8\times {10}^{-5}\times 0.100}=1.3\times {10}^{\mathrm{1-3}}$

$$\text{pH}=\text{-logi}(1.3\times {10}^{\mathrm{1-3}})=2.87$$

(b) Asidi na titrant ni monoprotic na sampuli na ufumbuzi wa titrant ni sawa kujilimbikizia; hivyo, kiasi hiki cha titrant kinawakilisha hatua ya ulinganifu. Tofauti na mfano wenye nguvu ya asidi hapo juu, hata hivyo, mchanganyiko wa majibu katika kesi hii ina msingi wa conjugate dhaifu (acetate ion). Suluhisho la pH linahesabiwa kwa kuzingatia ionization ya msingi ya acetate, ambayo iko katika mkusanyiko wa

$$\frac{\text{0.00250 mol}}{\text{0.0500 L}}=\text{0.0500 M}{\text{CH}}_3{\text{USHIRIKIANO}}_2{}^{\text{-}}$$

Ionization ya msingi ya acetate inawakilishwa na equation

$${\text{CH}}_3{\text{USHIRIKIANO}}_2{}^{\text{-}}(aq)+{\text{H}}_2\text{O}(l)\rightleftharpoons {\text{CH}}_3{\text{USHIRIKIANO}}_2\text{H}(aq)+{\text{OH}}^{\text{-}}(aq)$$

$$K_{\text{b}}=\frac{[{\text{H}}^{\text{+}}][{\text{OH}}^{\text{-}}]}{K_{\text{a}}}=\frac{K_{\text{w}}}{K_{\text{a}}}=\frac{1.0\times {10}^{-14}}{1.8\times {10}^{-5}}=5.6\times {10}^{-10}$$

Kutokana x <<<0.0500, pH inaweza kuhesabiwa kupitia mbinu ya kawaida ya ICE:$K_{\text{b}}=\frac{x^{\text{2}}}{0.0500M}$

$$x=[{\text{OH}}^{\text{-}}]=5.3\times {10}^{-6}$$

$$\text{oH}=\text{-logi}(5.3\times {10}^{-6})=5.28$$

$$\text{pH}=14.00-5.28=8.72$$

Kumbuka kuwa pH katika hatua ya ulinganifu wa titration hii ni kubwa zaidi kuliko 7, kama inavyotarajiwa wakati wa titrating asidi dhaifu na msingi imara.

(c) Kiwango cha Titrant = 12.50 ml. Kiasi hiki kinawakilisha nusu ya kiasi cha stoichiometric cha titrant, na hivyo nusu moja ya asidi ya asidi imefutwa ili kutoa kiasi sawa cha ioni ya acetate. Viwango vya washirika hawa wa asidi-msingi, kwa hiyo, ni sawa. Njia rahisi ya kompyuta pH ni matumizi ya equation ya Henderson-Hasselbalch:

$$\text{pH}=p{K}_{\text{a}}+\text{kigogo}\frac{[\text{Msingi}]}{[\text{Acid}]}=\text{-logi}(K_{\text{a}})+\text{kigogo}\frac{[{\text{CH}}_3{\text{USHIRIKIANO}}_2{}^{\text{-}}]}{[{\text{CH}}_3{\text{USHIRIKIANO}}_2\text{H}]}=\text{-logi}(1.8\times {10}^{-5})+\text{kigogo}(1)$$

$$\text{pH}=\text{-logi}(1.8\times {10}^{-5})=4.74$$

(pH = p K _a katika hatua ya nusu ya usawa katika titration ya asidi dhaifu)

(d) Kiwango cha Titrant = 37.50 ml. Kiasi hiki kinawakilisha ziada ya stoichiometric ya titrant, na suluhisho la mmenyuko lililo na bidhaa zote za titration, ioni ya acetate, na titrant kali zaidi. Katika ufumbuzi huo, pH ya suluhisho imedhamiriwa hasa na kiasi cha msingi wa nguvu zaidi:

$$[{\text{OH}}^{\text{-}}]=\frac{\left(\text{0.003750 mol}-\text{0.00250 mol}\right)}{\text{0.06250 L}}=2.00\times {10}^{-2}M$$

$$\text{oH}=\text{-logi}\left(2.00\times {10}^{-2}\right)=\text{1.70, na pH}=14.00-1.70=12.30$$

Angalia Kujifunza Yako

Tumia pH kwa titration dhaifu ya asidi/nguvu ya msingi kati ya 50.0 ml ya 0.100 M HCOOH (aq) (asidi ya formic) na 0.200 M NaOH (titrant) kwa kiasi kilichoorodheshwa cha msingi ulioongezwa: 0.00 ml, 15.0 ml, 25.0 ml, na 30.0 ml.

Jibu:

0.00 ml: 2.37; 15.0 ml: 3.92; 25.00 ml: 8.29; 30.0 ml: 12.097

Kufanya mahesabu ya ziada sawa na yale katika mfano uliopita inaruhusu tathmini kamili zaidi ya curves titration. muhtasari wa pH/kiasi data jozi kwa titrations nguvu na dhaifu asidi hutolewa katika Jedwali 14.2 na kupanga kama curves titration katika Kielelezo 14.18. Ulinganisho wa curves hizi mbili unaeleza dhana kadhaa muhimu ambazo ni bora kushughulikiwa na kutambua hatua nne za titration:

hali ya awali (aliongeza titrant kiasi = 0 mL): pH imedhamiriwa na asidi kuwa titrated; kwa sababu sampuli mbili za asidi ni sawa kujilimbikizia, asidi dhaifu itaonyesha pH kubwa ya awali

hatua ya kabla ya ulinganisho (0 ml <V <25 ml): suluhisho pH huongezeka hatua kwa hatua na asidi hutumiwa na majibu na titrant iliyoongezwa; muundo unajumuisha asidi isiyofanywa na bidhaa ya majibu, msingi wake wa conjugate

ulinganifu uhakika (V = 25 mL): kupanda kwa kasi kwa pH ni kuzingatiwa kama mabadiliko ya utungaji ufumbuzi kutoka tindikali kwa upande wowote (kwa sampuli kali asidi) au msingi (kwa ajili ya sampuli dhaifu asidi), na pH kuamua na ionization ya msingi conjugate ya asidi

postequivalence uhakika (V> 25 mL): pH imedhamiria kwa kiasi cha ziada nguvu titrant msingi aliongeza; tangu sampuli zote mbili ni titrated na titrant sawa, wote curves titration kuonekana sawa katika hatua hii.

Maadili ya pH katika Titrations ya Asidi Nguvu na ya Asidi Dhaifu

Kiasi cha 0.100 M NaOH Aliongeza (mL)	Moles ya NaOH Aliongeza	PH Maadili 0.100 M HCl ^1	PH Maadili 0.100 M CH 3 CO 2 H ^2
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

Jedwali 14.2

Kielelezo 14.18 (a) Curve ya titration ya titration ya 25.00 ml ya 0.100 M HCl (asidi kali) na 0.100 M NaOH (msingi imara) ina kiwango cha usawa wa 7.00 pH. (b) Curve ya titration ya titration ya 25.00 ml ya asidi 0.100 M (asidi dhaifu) na 0.100 M NaOH (msingi imara) ina kiwango cha usawa wa 8.72 pH.

Viashiria vya Asidi-Msingi

Dutu fulani za kikaboni hubadilisha rangi katika suluhisho la kuondokana wakati mkusanyiko wa ioni ya hidroniamu unafikia thamani fulani. Kwa mfano, phenolphthalein ni dutu isiyo na rangi katika suluhisho lolote la maji yenye mkusanyiko wa ioni ya hydronium zaidi ya 5.0$\times$10 ^-9 M (pH <8.3). Katika ufumbuzi wa msingi zaidi ambapo mkusanyiko wa ioni ya hydronium ni chini ya 5.0$\times$10 ^-9 M (pH > 8.3), ni nyekundu au nyekundu. Vipengele kama vile phenolphthalein, ambayo inaweza kutumika kuamua pH ya suluhisho, huitwa viashiria vya asidi-msingi. Viashiria vya msingi vya asidi ni ama asidi za kikaboni dhaifu au misingi dhaifu ya kikaboni.

Msawazo katika suluhisho la kiashiria cha asidi-msingi methyl machungwa, asidi dhaifu, inaweza kuwakilishwa na equation ambayo tunatumia Hin kama uwakilishi rahisi kwa molekuli tata ya machungwa ya methyl:

$$\begin{array}{ccc}\text{Hin}(aq)+{\text{H}}_2\text{O}(l)& \rightleftharpoons & {\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}(aq)+{\text{Katika}}^{\text{-}}(aq)\\ \text{nyekundu}\hfill & & \text{njano}\hfill & \end{array}$$

$$K_a=\frac{[{\text{H}}_3{\text{O}}^{\text{+}}][{\text{Katika}}^{\text{-}}]}{[\text{Hin}]}=4.0\times {10}^{-4}$$

Anion ya machungwa ya methyl, ^{Katika -}, ni njano, na fomu isiyo na nonionized, Hin, ni nyekundu. Tunapoongeza asidi kwa suluhisho la machungwa ya methyl, mkusanyiko wa ioni ya hidronium hubadilisha usawa kuelekea fomu nyekundu isiyo na nonionized, kwa mujibu wa kanuni ya Le Châtelier. Ikiwa tunaongeza msingi, tunabadilisha usawa kuelekea fomu ya njano. Tabia hii ni sawa kabisa na hatua ya buffers.

Rangi inayojulikana ya suluhisho la kiashiria imedhamiriwa na uwiano wa viwango vya aina mbili Katika ^- na Hin. Ikiwa kiashiria kikubwa (kwa kawaida kuhusu 60-90% au zaidi) kinapatikana kama In ^-, rangi inayojulikana ya suluhisho ni ya njano. Ikiwa wengi wanapo kama Hin, basi rangi ya suluhisho inaonekana nyekundu. Equation ya Henderson-Hasselbalch ni muhimu kwa kuelewa uhusiano kati ya pH ya suluhisho la kiashiria na muundo wake (kwa hiyo, rangi inayojulikana):

$$\text{pH}=\text{p}K\text{a}+\text{kigogo}\left(\frac{[{\text{Katika}}^{\text{-}}]}{[\text{Hin}]}\right)$$

Katika ufumbuzi ambapo pH> p K _a, muda wa logarithmic lazima uwe chanya, unaonyesha ziada ya fomu ya msingi ya kiashiria cha kiashiria (ufumbuzi wa njano). Wakati pH <p K _a, muda wa logi lazima uwe hasi, unaonyesha ziada ya asidi ya conjugate (suluhisho nyekundu). Wakati ufumbuzi pH ni karibu na kiashiria PkA, kiasi appreciable ya washirika wote conjugate ni sasa, na ufumbuzi rangi ni ile ya mchanganyiko livsmedelstillsats ya kila (njano na nyekundu, kutoa machungwa). Muda wa mabadiliko ya rangi (au muda wa pH) kwa kiashiria cha asidi-msingi hufafanuliwa kama maadili mbalimbali ya pH ambayo mabadiliko ya rangi yanazingatiwa, na kwa viashiria vingi aina hii ni takriban p K _a ± 1.

Kuna viashiria vingi vya asidi-msingi vinavyofunika maadili mbalimbali ya pH na inaweza kutumika kuamua pH takriban ya suluhisho isiyojulikana kwa mchakato wa kuondoa. Viashiria vya Universal na karatasi ya pH zina mchanganyiko wa viashiria na kuonyesha rangi tofauti katika PHs tofauti. Kielelezo 14.19 kinatoa viashiria kadhaa, rangi zao, na vipindi vyao vya mabadiliko ya rangi.

Kielelezo 14.19 Chati hii inaonyesha vipindi vya mabadiliko ya rangi kwa viashiria kadhaa vya asidi-msingi.

Kielelezo 14.20 Titration curves kwa asidi kali na dhaifu kuonyesha uchaguzi sahihi ya asidi-msingi kiashiria. Yoyote ya viashiria vitatu itaonyesha mabadiliko ya rangi mkali kwa kiwango cha ulinganifu wa titration kali ya asidi, lakini phenolphthalein tu inafaa kwa matumizi katika titration dhaifu ya asidi.

Curves titration inavyoonekana katika Kielelezo 14.20 kuonyesha uchaguzi wa kiashiria kufaa kwa titrations maalum. Katika titration kali ya asidi, matumizi ya yoyote ya viashiria vitatu inapaswa kutoa mabadiliko ya rangi mkali na uamuzi sahihi wa mwisho. Kwa titration hii, ufumbuzi pH hufikia kikomo cha chini cha muda wa mabadiliko ya rangi ya machungwa ya methyl baada ya kuongeza ~ 24 ml ya titrant, wakati ambapo ufumbuzi wa awali wa nyekundu utaanza kuonekana machungwa. Wakati 25 ml ya titrant imeongezwa (hatua ya ulinganifu), pH iko juu ya kikomo cha juu na suluhisho litaonekana njano. Nambari ya mwisho ya titration inaweza kuhesabiwa kama kiasi cha titrant ambayo hutoa mabadiliko tofauti ya rangi ya machungwa hadi njano. Mabadiliko haya ya rangi itakuwa changamoto kwa macho wengi wa binadamu kutambua kwa usahihi. Makadirio sahihi zaidi ya hatua ya mwisho ya titration yanawezekana kwa kutumia litmus au phenolphthalein, zote mbili ambazo zinaonyesha vipindi vya mabadiliko ya rangi ambavyo vinazungukwa na kupanda kwa kasi kwa pH ambayo hutokea karibu na kiwango cha 25.00 ml.

Curve dhaifu ya titration ya asidi katika Kielelezo 14.20 inaonyesha kwamba moja tu ya viashiria vitatu yanafaa kwa kutambua hatua ya mwisho. Ikiwa machungwa ya methyl hutumiwa katika titration hii, suluhisho litafanyika mabadiliko ya rangi nyekundu-kwa-machungwa kwa muda wa kiasi kikubwa (0-6 ml), kukamilisha mabadiliko ya rangi vizuri kabla ya kufikia hatua ya ulinganifu (25 mL). Matumizi ya litmus yangeonyesha mabadiliko ya rangi ambayo huanza baada ya kuongeza 7—8 ml ya titrant na kuishia tu kabla ya hatua ya ulinganifu. Phenolphthalein, kwa upande mwingine, inaonyesha muda wa mabadiliko ya rangi ambayo yanajumuisha mabadiliko ya ghafla katika pH yanayotokea kwenye hatua ya usawa wa titration. Mabadiliko ya rangi mkali kutoka rangi isiyo na rangi hadi nyekundu yatazingatiwa ndani ya muda mdogo sana wa kiasi karibu na hatua ya ulinganifu.

maelezo ya chini

• 1 Titration ya 25.00 ml ya 0.100 M HCl (0.00250 ml ya HCI) na 0.100 M NaOH.
• 2 Titration ya 25.00 ml ya 0.100 M CH ₃ CO ₂ H (0.00250 mol ya CH ₃ CO ₂ H) na 0.100 M NaOH.