Die Säure-Base-Titration ist eine der ältesten und zuverlässigsten Techniken in der analytischen Chemie zur Bestimmung einer unbekannten Konzentration. Durch vorsichtige Zugabe einer Lösung bekannter Konzentration zu einem abgemessenen Volumen des Unbekannten, bis die Reaktion abgeschlossen ist, liefert eine einfache Verhältnisberechnung die Antwort. In diesem Artikel geht es um den Äquivalenzpunkt, die klassische MₐVₐ = MᵦVᵦ-Beziehung, warum polyprotische Säuren und Basen eine Anpassung des Molverhältnisses benötigen und die praktischen Fehlerquellen, die eine gute Titration von einer großartigen unterscheiden.
Der Äquivalenzpunkt, nicht die Farbänderung
Jede Titration hat zwei unterschiedliche Momente, die leicht zu verwechseln sind: den Äquivalenzpunkt, an dem die hinzugefügten Mol des Titriermittels genau die Mol des Analyten ausgleichen (angepasst an die Stöchiometrie), und den Endpunkt, den Moment, in dem der Indikator sichtbar seine Farbe ändert. Ein gut ausgewählter Indikator ändert seine Farbe sehr nahe am Äquivalenzpunkt, sodass in der Praxis das gemessene Endpunktvolumen als Ersatz dafür verwendet wird. Die Berechnung selbst – Cₐ = Cₜ Vₜ × Verhältnis / Vₐ – geht davon aus, dass Sie das Volumen bei echter Äquivalenz ablesen, weshalb die Auswahl des Indikators (Anpassung des Farbänderungs-pH-Bereichs des Indikators an den erwarteten pH-Wert bei Äquivalenz) für die Genauigkeit so wichtig ist.
Woher MₐVₐ = MᵦVᵦ kommt
Bei einer einfachen einprotonigen Säure, die mit einer einprotonigen Base reagiert (HA + BOH → BA + H₂O), reagiert ein Mol Säure mit genau einem Mol Base. Da Mol = Konzentration × Volumen, Mol Säure = MₐVₐ und Mol Base = MᵦVᵦ und bei Äquivalenz gleich sind: MₐVₐ = MᵦVᵦ. Dies ist einfach die obige verhältnisbereinigte Gleichung mit Verhältnis = 1. Sie funktioniert mit jeder konsistenten Volumeneinheit – ml gegen ml –, solange beide Volumina dieselbe Einheit verwenden und beide Konzentrationen dieselbe Molaritätsskala verwenden.
Wenn das Molverhältnis nicht 1:1 beträgt
Viele gängige Säuren und Basen sind polyprotisch – sie geben oder akzeptieren mehr als ein Proton pro Molekül. Schwefelsäure (H₂SO₄) und Oxalsäure (H₂C₂O₄) sind diprotisch; Phosphorsäure (H₃PO₄) ist triprotisch. Die Titration einer zweiprotonigen Säure mit einer monoprotischen Base bedeutet, dass jedes Mol Säure zwei Mol Base verbraucht. Daher überschätzt die naive 1:1-Formel die Konzentration der Säure um den Faktor zwei, es sei denn, Sie bauen das Verhältnis in die Berechnung ein. Auf der Registerkarte „Mole Ratio“ wird dies erledigt, indem Sie das Verhältnis von Analyt zu Titriermittel direkt aus der ausgeglichenen Gleichung eingeben können – 0,5 für einen diprotischen Säureanalyten gegenüber einem monoprotonen Base-Titranten, 2 für einen diprotischen Base-Analyten gegenüber einem monoprotonen Säure-Titranten und so weiter für triprotische Spezies.
Vorausplanen: Lösung für das Titriermittelvolumen
Titrationsberechnungen werden nicht erst im Nachhinein durchgeführt. Ein Chemiker, der eine Reihe von Titrationen vorbereitet oder überprüft, ob eine Bürette genügend Titriermittel enthält, muss oft den umgekehrten Weg gehen: Wie viel Titriermittel ist bei einer bekannten oder erwarteten Analytkonzentration und einem bekannten oder erwarteten Analytvolumen erforderlich, um eine Äquivalenz zu erreichen? Das Umstellen der Äquivalenzgleichung in Vₜ = Cₐ Vₐ / (Cₜ × Verhältnis) beantwortet genau das, und die Registerkarte „Volumen lösen“ führt diese Berechnung direkt durch, sodass Sie die Algebra nicht manuell neu anordnen müssen.
Fehlerquellen bei realen Titrationen
Die Rechnung ist genau, aber echte Titrationen sind mit Messunsicherheiten behaftet. Die häufigsten Ursachen sind: ungenaue Ablesung des Bürettenmeniskus, Überschreitung des Endpunkts (Zugabe von Titriermittel über den tatsächlichen Farbumschlag hinaus), ein Indikator, dessen Farbumschlagsbereich nicht gut mit dem Äquivalenz-pH-Wert übereinstimmt, und ungenau eingestellte Titriermittelkonzentration. Gute Laborpraxis – Standardisierung des Titriermittels gegen einen Primärstandard, Verwendung eines gut passenden Indikators und langsames Titrieren in der Nähe des erwarteten Endpunkts – sorgt dafür, dass das gemessene Volumen nahe genug am tatsächlichen Äquivalenzpunktvolumen liegt, damit das Ergebnis dieses Rechners vertrauenswürdig ist.