تیتراسیون چیست ؟ از انواع و کاربرد آن چه می دانید؟

تیتراسیون (Titration) یکی از فرآیند های بسیار مهم در علم شیمی به ویژه در شیمی تجزیه و علوم آزمایشگاهی می باشد. این فرآیند یک روش ساده و کاربردی برای تعیین غلظت محلول مجهول می باشد. در واقع به افزودن آرام و آهسته یک محلول با غلظت معلوم (محلول استاندارد) به حجم مشخصی از یک محلول با غلظت نا مشخص و نا معلوم گفته می شود. در این مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک به معرفی تیتراسیون، انواع و کاربرد های آن در علوم شیمی و آزمایشگاهی پرداخته می شود. در ادامه با ما همراه باشید.

همانطور که می دانید امروزه بیشتر آنالیزها و آزمایشات در آزمایشگاه ها و به کمک روش های آنالیز دستگاهی انجام می شوند. اما توجه داشته باشید که استفاده از روش های کلاسیک همانند تیتراسیون همچنان در آزمایشگاه ضروری می باشد.

در واقع در محدوده غلظت های پایین روش های کلاسیک شکست می خورند، بنابراین اندازه گیری با روش های مدرن مانند آنالیز دستگاهی می تواند سودمند باشد. اما در محدوده غلظت های بالاتر، روش های مدرن نسبت به روش های کلاسیک از نظر دقت دارای محدودیت هستند، بنابراین تیتراسیون روش جایگزین مناسبتری می باشد.

تیتراسیون در واقع یک تکنیک و روش برای تعیین غلظت یک محلول نا شناخته و یا تعیین غلظت یک محلول شناخته شده می باشد. فرایند تیتراسیون تا زمانی ادامه پیدا می کند که واکنش در نقطه هم ارزی به خنثی شدن دست یابد. در این حالت با تغییر رنگ واکنش، پایان آن اعلام می شود. در حقیقت بدست آوردن نقطه پایانی به کمک شناساگر و با تغییر رنگ، قابل شناسایی خواهد بود. در ادامه به بررسی بیشتر آن می پردازیم.

لازم به ذکر است که به فرآیند تیتراسیون، تیتر کردن یا تیترامتری نیز نامیده می شود. از طرفی دیگر، به دلیل آنکه در این فرآیند اندازه‌گیری حجم خیلی مهم است، به آن آنالیز حجمی نیز گفته می شود.

 

اصطلاحات تیتراسیون

آنالیت یا نمونه : به محلولی گفته می شود که غلظت و یا درصد خلوص آن نا معلوم است و باید مشخص گردد.

تیترانت : به محلولی گفته می شود که دارای غلظت و فرمول شیمیایی مشخص و معین می باشد و جهت تعیین غلظت و یا درصد خلوص آنالیت استفاده می شود. به تیترانت، محلول استاندارد، تیتراتور و یا معرف نیز گفته می شود.

شناساگر : به ماده رنگی گفته می شود که با تغییر رنگ آن، می توان متوجه پایان یافتن واکنش بین تیترانت و نمونه شد. شناساگر معمولا یک اسید و یا باز ضعیف است.

 

نقطه هم ارزی یا نقطه اکی والان : به نقطه ای گفته می شود که نسبت های مولی نمونه و تیترانت یکسان شوند. در این نقطه، میزان اکی والان آنالیت و تیترانت با هم برابر می باشد. در واقع در این نقطه، مقدار کافی از تیترانت برای خنثی سازی کامل نمونه اضافه و مصرف شده است. در این هنگام، تیترانت و آنالیت به طور کامل با هم واکنش داده اند و بنابراین تیتراسیون به نقطه هم ارزی رسیده است.

 

نقطه پایانی : به نقطه ای گفته می شود که شناساگر سبب تغییر رنگ محلول شود.

اما تفاوت نقطه هم ارزی با نقطه پایانی در چیست؟ در حین آزمایش از کجا متوجه شویم که به نقطه پایانی رسیده ایم ؟ نقطه هم ارزی در واقع بیشتر مفهوم ریاضی دارد و از روی نمودار سنجش حجمی تعیین می شود. در حین آزمایش، با مشاهده اولین تغییر رنگ در محلول، می توان به نقطه هم ارزی پی برد. لازم به ذکر است که نقطه پایانی واکنش فاصله کمی با نقطه هم ارزی دارد. باید توجه نمود که پایان واکنش و در نتیجه رسیدن به نقطه پایانی زمانی مشخص می شود که تغییر رنگ در محلول ثابت بماند.

 

وسایل لازم برای انجام تیتراسیون حجمی

وسایل لازم جهت تیتر کردن عبارتند از : ارلن مایر، بالن ژوژه، بشر، بورت، پایه نگه دارنده بورت، پیپت، پوآر، بالن، ترازو دقیق، قیف، مزور یا استوانه مدرج.

 

فرآیند یا روش تیتر کردن

همانطور که بیان شد، این روش بر اندازه ‌گیری حجم دقیق یک محلول بنا شده است. واکنش بین آنالیت و محلول استاندارد، واکنش اصلی تیتراسیون محسوب می شود. روش کار به این صورت است كه حجم مشخصی از محلول حاوی آناليت در یک ارلن ريخته مي شود. از طرفی دیگر، محلول استاندارد را در یک بورت می ریزند. از طریق بورت، محلول استاندارد به صورت قطره قطره به محلول آنالیت در ارلن اضافه می شود تا زمانیکه واکنش کامل شود.

 

برای تشخیص کامل شدن واکنش بین محلول استاندارد و آنالیت، روش ‌های مختلفی به کار می ‌رود که از معروف ‌ترین آنها می توان به استفاده از شناساگر های شیمیایی اشاره کرد. روش های اندازه گیری فیزیکی همانند هدایت سنجی، آمپرومتری، پتانسیومتری، فوتومتری، رسانایی، تشکیل رسوب، میزان جذب و یا تغییرات PH نیز می توانند در فرآیند تیتر کردن کلاسیک جهت تعیین و مشخص کردن نقطه پایانی استفاده شوند.

لازم به ذکر است که اضافه کردن حتی یک قطره بیشتر، می تواند سبب اشتباه در محاسبات گردد. در واقع در نقطه پایانی باید یک تغییر رنگ ثابت داشته باشید. با دانستن و یادداشت کردن حجم تیترانت مصرف شده از روی بورت، می توان غلظت آنالیت مورد نظر را محاسبه نمود. با استفاده از رابطه زیر می توان غلظت آنالیت را محاسبه کرد.

که در آن C_a غلظت آنالیت، C_t غلظت تیترانت به مولاریته، V_t حجم تیترانت استفاده شده به لیتر،  V_aحجم تیترانت استفاده شده به لیتر و M نسبت مولی آنالیت و تیتر کننده می باشد.

 

شرایط لازم برای تیتر کردن

۱- تیتر کننده و آنالیت باید به صورت محلول باشند. در واقع جامدات ابتدا در یک محلول آبی حل شده و سپس وارد فرآیند می شوند. توجه داشته باشید که برای افزایش دقت فرآیند، آنالیت‌ غلیظ رقیق می ‌گردد.

۲- استوکیومتری واکنش های مربوط به آنالیت و تیترانت باید شناخته شده باشد. در صورت نا مشخص بودن استوکیومتری واکنش، نمی توان با استفاده از تعداد مول های تیترانت مصرف شده در نقطه پایانی، مقدار آنالیت موجود در نمونه را محاسبه نمود.

۳- واکنش تیتراسیون مورد نظر سریع باشد. اگر سرعت اضافه کردن تیترانت از سرعت واکنش بین تیتر کننده و آنالیت سریع تر باشد، نقطه پایانی از نقطه هم ارزی به مقدار قابل توجهی فراتر رفته و سبب خطا می شود.

۴- در فرآیند تیتراسیون‌ غیر اسید و باز، به PH ثابت در طول واکنش تیتر کردن نیاز می باشد، بنابراین از یک محلول بافر در ظرف تیترانت استفاده می‌ کنند.

۵- اگر در محلول نمونه، علاوه بر آنالیت، واکنش ‌دهنده‌ دیگری نیز در واکنش شرکت کند، از محلول پوشاننده بهره می برند تا به صورت یک پوشش برای واکنش یون نا خواسته عمل نماید.

۶- برای تعیین نقطه پایانی با سطح دقت قابل قبول باید از روش مناسبی استفاده کرد.

 

نمودار و منحنی تیتراسیون

منحنی تیتراسیون در واقع نموداری است که در آن، تغییرات خاصیت فیزیکی انتخاب شده برای تعیین نقطه پایانی ( بر روی محور عمودی) بر حسب میزان تیترانت مصرف شده (بر روی محور افقی) را نشان می دهد. در حقیقت منحنی y نشان دهنده غلظت آنالیت مورد نظر در هر مرحله می باشد. در صورتیکه از اسید و باز قوی در فرآیند تیترکردن استفاده شود، تغییرات pH بر روی محور y قرار می گیرد. در این حالت، یک شیب تند در نقطه هم ارزی مشاهده می شود و تغییرات کم در طول نمودار ایجاد می گردد.

 

برای تعیین غلظت آنالیت در این روش از معادله N_۱ V_۱ = N_۲ V_۲ استفاده می شود. در این معادله، یک سمت تساوی به غلظت تیترانت (که از ابتدای واکنش مشخص می باشد) و حجم استفاده شده از آن تا رسیدن به نقطه پایانی تعلق دارد و طرف دیگر تساوی، به نمونه آنالیت که حجم معین ولی غلظت مجهول دارد تعلق می گیرد. با جای گذاری مقادیر معلوم در معادله، غلظت نمونه که مجهول است مشخص می شود.

 

انواع روش های تیتراسیون

انواع روش های گوناگون برای تیتر کردن وجود دارد که بسته به نمونه آزمایشی می توانند مورد استفاده قرار بگیرند. از جمله این روش ها می توان به موارد زیر اشاره نمود.

۱- تیتراسیون مستقیم (Direct titration) :

در این روش آنالیت به طور مستقیم با تیترانت واکنش می دهد. در واقع نقطه پایانی فرآیند، نشان دهنده پایان واکنش می باشد. در نتیجه با استفاده از نقطه پایانی می توان غلظت ترکیب نا شناخته موجود در محلول نمونه را تعیین کرد.

۲- تیتراسیون غیر مستقیم (Indirect titration) یا تیتراسیون جایگزینی (substitution titration) :

در این روش به دلیل نا محلول و نا پایدار بودن نمونه مورد بررسی، آنالیت با ماده ای دیگر واکنش می دهد. در حقیقت آنالیت مورد نظر یا رسوب می کند و یا از محلول خارج می شود. در نتیجه به طور مستقیم در فرآیند تیتراسیون شرکت نخواهد کرد. در اینجا، مقدار مول های ماده جایگزین محاسبه و به مقدار انالیت مورد نظر ربط داده می شود.

۳- تیتراسیون معکوس (inverse titration) یا تیتراسیون برگشتی (back titration) :

به تیتراسیونی گفته می شود که در جهت عکس انجام ‌شود. در این روش به جای تیتراسیون آنالیت اصلی، مقدار اضافی یک ترکیب با غلظت شناخته شده (معرف استاندارد) به محلول اضافه می گردد و این مقدار اضافی تیتر می شود.

در فرآیند تیتر کردن برگشتی یا معکوس، واکنش مستقیم میان تیترانت و تیتر شونده انجام نمی شود. این عمل زمانی سودمند است که تشخیص نقطه پایانی، راحت ‌تر از تیتراسیون معمولی باشد. در واقع زمانیکه واکنش بین آنالیت و تیترانت به کندی انجام شود، واکنش از نوع ته نشینی باشد و یا آنالیت یک جامد حل نشدنی باشد کاربرد خواهد داشت.

 

انواع تیتراسیون

انواع متفاوتی از تیتر کردن بر اساس نوع واکنش درگیر و با اهداف مختلف وجود دارد. رایج‌ ترین انواع آن عبارتند از :

۱- تیتراسیون اسید و باز : که در آن یک تیترانت اسیدی یا بازی با آنالیتی که باز یا اسید است درگیر واکنش می شود. این واکنش در واقع یک واکنش خنثی شدن اسید و باز می باشد. تیتراسیون های اسید باز شامل موارد اسید و باز قوی، اسید ضعیف با باز قوی، باز ضعیف با اسید قوی و اسید و باز ضعیف می باشد.

۲- کمپلکسومتری : این روش در واقع واکنش کمپلکس شدن یک فلز با یک لیگاند می باشد. معمولا معرف مورد استفاده در این فرآیند، دی سدیم اتیلن دی آمین تترااستات (EDTA) می باشد.

۳- تیتراسیون رسوبی : این روش در واقع برای تعیین غلظت عناصر کاربرد دارد. در نتیجه معمولا محصول واکنش رسوب خواهد کرد. تیتراسیون های رسوبی شامل موارد تیتراسیون با تیترانت های غیر آلی و تیتراسیون های سورفكتنت ها می باشد.

 

۴- تیتراسیون اکسایش- کاهش (ردوکس) : که در آن تیترانت یک ماده اکسید کننده یا کاهش دهنده می باشد. در حقیقت فرآیند تیتر کردن یک واکنش اکسایش-کاهش می باشد. معمولا به دلیل رنگی بودن واکنش دهنده ها، نیازی به اضافه کردن شناساگر نیست.

۵- تیتراسیون فاز گازی : در این روش واکنش‌ دهنده ها را با یک گاز اضافی مخلوط می‌ کنند. در واقع گاز جای تیترانت را در فرآیند می ‌گیرد.

۶- تیتراسیون پتانسیل زتا : در این فرآیند، کامل شدن واکنش به وسیله پتانسیل زتا مشخص می شود نه شناساگر.

۷- یدومتری : به واکنشی گفته می شود که در آن ید اکسید می شود. در این تیتراسیون، ید نقش شناساگر داشته و معمولا از تیوسولفات به عنوان تیترانت استفاد می شود.

 

خطای تیتراسیون

همانطور که گفته شد، نقطه هم ارزی یک نقطه تئوری می باشد که واکنش در آن کامل شده ‌است. اما نقطه پایانی قابل مشاهده است. اگر فرآیند تیتر کردن به درستی و با دقت انجام شده باشد، پس این دو نقطه یکسان خواهند بود. در حالیکه اگر دقت کافی در انجام فرآیند نباشد، منجر به ایجاد خطای محاسباتی و همچنین خطا در تعیین غلظت آنالیت خواهد شد. این مورد بیشترین نقش را در ایجاد خطا بازی می کند. استاندارد نبودن تیترانت مورد استفاده برای تیتر کردن نیز می تواند منجر به ایجاد خطا در اندازه گیری غلظت آنالیت شود. از دیگر خطا ها در فرآیند تیتر کردن می توان به کالیبره نبودن وسایل آزمایشگاهی مورد استفاده همانند بشر، بورت و غیره نام برد.

 

کاربردهای تیتراسیون

از آن جهت که فرآیند تیتر کردن یک فرآیند شیمی تجزیه می باشد، بنابراین برای اندازه گیری غلظت استفاده می شود. بنابراین در صنایع مختلفی مانند صنایع غذایی، آزمایشگاه های تشخیص طبی، آزمایش های شیمی، معدن، صنایع آب و فاضلاب، داروسازی و غیره کاربرد زیادی دارد. علاوه بر آن، در علم زیست شناسی برای تعیین غلظت ویروس ها و باکتری ها نیز استفاده می شود.

تیتراسیون اسید و باز

تیتراسیون اسیدها و بازها با غلظت نامعلوم با استفاده از محلول اسیدی یا قلیایی استاندارد انجام می شود. اسیدمتری با استفاده از محلول اسید مرجع، غلظت محلول قلیایی را محاسبه می کند. به طور مشابه، قلیایی سنجی از یک محلول قلیایی مرجع برای تخمین غلظت محلول اسید استفاده می کند. تیتراسیون های اسید-باز بر اساس قدرت اسیدها و بازها به کلاس های زیر طبقه بندی می شوند:

تیتراسیون باز اسید قوی

از نقطه نظر آزمایشی، این یکی از تیتراسیون های اسید-باز کمتر پیچیده است. اسید قوی و باز قوی در آب از هم جدا می شوند و در نتیجه یک مکانیسم تعادل باز قوی اسیدی ایجاد می شود. نقطه تناسب زمانی حاصل می شود که مول های اسید و باز برابر و PH برابر ۷.۰۰ باشد.

تیتراسیون باز اسیدی قوی

در این نوع تیتراسیون، پروتون ها مستقیماً از اسید ضعیف به ذره هیدروکسید منتقل می شوند. هنگامی که یک اسید ضعیف (اسید استیک) با یک باز قوی (NaOH) واکنش می دهد، اسید و باز به نسبت هماهنگی واکنش نشان می دهند. در نقطه خنثی تیتراسیون باز ضعیف اسیدی، pH بیشتر از ۷ است.

تیتراسیون قوی اسید-پایه ضعیف

در این نوع تیتراسیون، اسید و باز باید واکنش دهند تا آرایش اسیدی تشکیل دهند. در طی تیتراسیون، نوعی اسید تشکیل می شود که متعاقباً با آب واکنش داده و ذرات هیدرونیوم را تشکیل می دهد. در نقطه تناسب تیتراسیون قوی اسید-باز ضعیف، pH کمتر از ۰۷.۰۰ است.

تیتراسیون اسید ضعیف-باز ضعیف

بر خلاف اسیدها و بازهای قوی، وضعیت تیتراسیون اسید ضعیف یا باز متناوب به شدت تحت تأثیر شخصیت اسید یا باز متناوب و ثابت ‌های یونیزاسیون اسید متصل (Ka) یا ثابت‌های یونیزاسیون باز (Kb) است. هنگام تیتر کردن یک اسید ضعیف یا باز ضعیف نزدیک به نقطه برابری، که به صورت جداگانه بیشتر از ۰۷.۰۰ است، pH بسیار کندتر تغییر می کند.