Titrering – ekvivalenspunkt, indikator och beräkning

Titrering är en kvantitativ analysmetod där en lösning med känd eller noggrant bestämd koncentration reagerar med ett prov. Genom att mäta hur stor volym titrant som behövs för att nå reaktionens stökiometriska ekvivalens kan provets substansmängd eller koncentration bestämmas.

Syra-bas-titrering är ett vanligt undervisningsexempel, men titrering används också för bland annat redoxreaktioner, komplexbildning och utfällningsreaktioner.

Viktiga begrepp

• Titrant: lösningen som tillsätts kontrollerat, ofta från en byrett.
• Analyt: ämnet som ska bestämmas i provet.
• Ekvivalenspunkt: den punkt där reaktanterna har reagerat i exakt stökiometriskt förhållande.
• Slutpunkt: den experimentellt observerade signalen som används för att avgöra när titreringen ska stoppas, exempelvis indikatorns färgomslag.

Slutpunkten ska ligga så nära ekvivalenspunkten som möjligt men är inte definitionsmässigt samma sak.

Hur går en titrering till i princip?

I ett laboratorium följer man den metod, riskbedömning och kemikaliehantering som gäller för den aktuella analysen. En typisk volymetrisk arbetsgång är:

1. En bestämd mängd prov mäts upp med lämplig volymetrisk utrustning.
2. Titranten placeras i en byrett eller annan exakt doseringsutrustning.
3. Titranten tillsätts under omblandning.
4. Nära slutpunkten minskas tillsatshastigheten.
5. Den använda titrantvolymen bestäms från start- och slutavläsning.
6. Stökiometrin används för att beräkna mängden analyt.

Den exakta utrustningen och indikatorn beror på analysen. Det finns ingen universell byrettstorlek, provvolym eller titrantkoncentration som alltid ska användas.

Ekvivalenspunkt och pH

Vid titrering av en stark monoprotisk syra med en stark bas ligger ekvivalenspunkten nära pH 7 vid ungefär rumstemperatur i idealiserade vattenlösningar.

Det gäller inte alla syra-bas-titreringar.

• Svag syra + stark bas får en ekvivalenspunkt över pH 7.
• Svag bas + stark syra får en ekvivalenspunkt under pH 7.
• Polyprotiska syror kan ge flera ekvivalensområden.

Därför väljs indikator efter titreringskurvans branta pH-förändring, inte efter en regel att alla titreringar ska sluta vid neutralt pH.

Indikator och slutpunkt

En syra-bas-indikator är en svag syra eller bas vars olika former har olika färg. Färgförändringen sker över ett pH-intervall.

En lämplig indikator har sitt omslagsintervall inom den branta delen av titreringskurvan runt ekvivalenspunkten.

Fenolftalein kan exempelvis vara lämpligt i många titreringar där pH stiger kraftigt genom dess omslagsområde, men valet beror på vilket syra-baspar som analyseras.

Beräkning: börja med reaktionsformeln

Den säkraste metoden är att utgå från en balanserad reaktionsformel.

För reaktionen:

HCl + NaOH → NaCl + H₂O

är molförhållandet 1:1. Vid ekvivalenspunkten gäller därför:

n(HCl) = n(NaOH)

Eftersom n = cV får man i just detta 1:1-fall:

c_syraV_syra = c_basV_bas

När fungerar inte c₁V₁ = c₂V₂ direkt?

Formeln kan inte användas mekaniskt när stökiometrin inte är 1:1.

För svavelsyra och natriumhydroxid:

H₂SO₄ + 2 NaOH → Na₂SO₄ + 2 H₂O

krävs två mol NaOH per mol H₂SO₄. Då måste koefficienterna i reaktionsformeln användas när substansmängderna jämförs.

Det generella arbetssättet är alltså:

1. beräkna titrantens substansmängd med n = cV,
2. använd reaktionsformelns molförhållande,
3. bestäm analytens substansmängd,
4. beräkna den okända koncentrationen om volymen är känd.

Varför standardiseras en titrant?

En titrants verkliga koncentration behöver ibland bestämmas noggrant mot ett lämpligt referensämne innan lösningen används för kvantitativ analys.

Natriumhydroxidlösningar kan exempelvis förändras genom att ta upp koldioxid från luften. En nominell koncentration på etiketten eller från beredningen är därför inte alltid tillräcklig för arbete som kräver hög noggrannhet.

Vanliga felkällor

Meniskavläsning: avläsningsvinkel och glasets skala påverkar volymmätningen.

Luftbubbla i byrettspetsen: en del av den uppmätta volymförändringen kan då gå åt till att fylla spetsen i stället för provet.

Övertitrering: för mycket titrant tillsätts efter slutpunkten.

Fel indikator: färgomslaget sker för långt från ekvivalenspunkten.

Felaktig titrantkoncentration: ger ett systematiskt fel direkt i det beräknade resultatet.

Dålig omblandning: kan göra att den lokala färgförändringen misstolkas som slutpunkt.

Precision och riktighet

Upprepade titreringar kan användas för att bedöma precisionen. Värden som ligger nära varandra visar god repeterbarhet, men säger inte automatiskt att resultatet är riktigt.

Ett systematiskt fel kan ge flera mycket lika men felaktiga resultat. Därför behöver både spridning och metodens möjliga bias bedömas.

Potentiometrisk titrering

En titrering behöver inte använda färgindikator. Vid potentiometrisk syra-bas-titrering mäts pH kontinuerligt och en titreringskurva kan användas för att bestämma ekvivalenspunkten.

Det är särskilt användbart när provet är färgat, när indikatoromslaget är svårt att se eller när flera ekvivalenspunkter ska analyseras.

Titreringskurvan innehåller mer information än slutpunkten

Om pH registreras under hela en syra-bas-titrering får man en titreringskurva. Kurvans form kan ge information om syrans eller basens styrka och visa eventuella buffertområden före ekvivalenspunkten.

För en svag syra som titreras med stark bas gäller vid halva ekvivalenspunkten att koncentrationerna av syraformen och dess konjugerade bas är lika. Då är pH nära syrans pK_a, enligt Henderson–Hasselbalch-sambandet.

Detta samband gäller inte som en generell genväg för alla typer av titreringar, men är användbart för att tolka många svag-syra-system.

Säkerhet

Titrering med syror, baser eller andra reaktiva kemikalier ska utföras enligt laboratoriets instruktioner och riskbedömning. Skyddsutrustning och avfallshantering beror på vilka kemikalier och koncentrationer som används.

Artikeln beskriver analysprincipen och är inte en instruktion för att utföra kemiska experiment i hemmet.

Vanliga frågor

Är slutpunkt och ekvivalenspunkt samma sak?

Nej. Ekvivalenspunkten är den stökiometriska punkten. Slutpunkten är den signal du observerar experimentellt.

Är pH alltid 7 vid ekvivalenspunkten?

Nej. Det gäller ungefär för stark syra mot stark bas under vissa förhållanden. Svaga syror eller baser ger andra pH-värden vid ekvivalenspunkten.

Kan man alltid använda c₁V₁ = c₂V₂?

Nej. Den enkla formen gäller direkt bara när reaktionsförhållandet är 1:1. Annars måste stökiometriska koefficienter tas med.

Varför gör man flera titreringar?

För att kontrollera repeterbarheten och upptäcka avvikande mätningar. Flera liknande resultat minskar osäkerheten från slumpmässiga variationer men eliminerar inte systematiska fel.