تیتراسیون چیست؟ (نحوه کار دستگاه تیتراتور)

تیتراتور یک دستگاه آزمایشگاهی است که با استفاده از روش تیتراسیون میتواند غلظت یک ماده از محلول را اندازه گیری نماید. تیتراسیون یک روش آنالیز شیمیایی است که در آن می توان غلظت یکی از اجزای محلول نمونه را تعیین کرد که از قبل باید بدانید چه ماده ای است. بنابراین شما فقط می توانید غلظت یک جزء را تعیین کنید، اما همه ی اجزای یک محلول را نمی توانید تعیین کنید.

فرآیند تیتراسیون چگونه است؟

عمل تیتراسیون به تعیین غلظت یک آنالیت می ‌گویند. از آنجایی که در تیتراسیون، اندازه‌گیری حجم بسیار مهم است،‌ به این روش آنالیز حجمی نیز می ‌گویند. در این روش برای رسیدن به نتیجه و تعیین غلظت ماده ی مورد نیاز در نمونه، نیاز به یک محلول استاندارد است. محلول استاندارد به محلولی گفته میشود که از قبل نوع اجزاء و غلظت آنها را می دانید. این محلول استاندارد با ماده مورد نظر در محلول نمونه واکنش شیمیایی میدهد. شما به اضافه کردن محلول استاندارد ادامه می دهید تا به نقطه هم ارزی برسید. در این مرحله محلول نمونه کاملاً واکنش داده و مقدار ماده موجود در نمونه و آنالیز یکسان است. سپس می توانید با استفاده از حجم محلول استاندارد استفاده شده و معادله واکنش شناخته شده با استفاده از روش های استوکیومتری غلظت ماده در محلول نمونه را تعیین نمایید استفاده کنید.

انواع واکنش های تیتراسیون: نوع واکنش انجام شده که بوسیله آن میزان غلظت ماده ی مجهول انتخاب میشود از اهمیت بالایی برخوردار است. به همین جهت در این قسمت میخواهیم با برخی از این واکنش ها آشنا شویم.

الف) تیتراسیون اسید و باز

احتمالاً شناخته شده ترین نوع تیتراسیون، تیتراسیون اسید-باز است. همانطور که احتمالا از نام آن متوجه شده اید، واکنش تبدیل از نوع اسید-باز برونستد است که برای استفاده از این روش نمونه حتما باید یک اسید یا یک باز باشد. مقدار ماده تبدیل شده را می توان با استفاده از مقدار pH ارزیابی کرد. با استفاده از یک شناساگر و انتخاب یک نقطه انتقال مناسب، می توان تعیین کرد که کل مقدار اسید یا باز در محلول نمونه چه زمانی واکنش نشان داده است. در این نقطه از منحنی تیتراسیون یک نقطه عطف وجود دارد که همان نقطه هم ارزی است.

ب) تیتراسیون رسوبی

در تیتراسیون رسوبی، ماده مورد تجزیه و تحلیل توسط یک واکنش به یک ترکیب نا محلول تبدیل می‌شود که رسوب می‌کند. به محض اینکه غلظت این ماده نا محلول از محصول کم انحلال آن بیشتر شود، به صورت جامد رسوب می‌کند. این نقطه از رسوب جامدات اغلب رنگی بوده و رسیدن به نقطه هم ارزی را نشان می دهد. از محصول حلالیت می توان برای تعیین غلظت ماده مورد نظر استفاده کرد. نماینده رایج ترین این نوع تیتراسیون آرژانتومتری است که در آن می توان غلظت یون های هالید را از طریق تشکیل هالید های نقره تعیین کرد.

ج) تیتراسیون اکسایش-کاهش یا ریدوکس

این نوع تیتراسیون از واکنش های ردوکس (Redox) برای تبدیل ماده مورد تجزیه و تحلیل استفاده می کند. در اینجا نیز هدف اجرای کامل محلول آزمایشی توسط محلول استاندارد است. محلول های استاندارد رایج به دلیل داشتن رنگ بسیار قوی، از نوع محلول های پرمنگنات و ید هستند. از آنجایی که با رسیدن به نقطه هم ارزی هیچ شریک واکنشی در دسترس نیست، محلول نمونه نیز تغییر رنگ می دهد. سپس می توان آن را به عنوان رسیدن به نقطه هم ارزی تشخیص داد. بنابراین، در هنگام استفاده از این محلول های استاندارد، به نشانگر اضافی نیاز نیست.

د) تیتراسیون کمپلکسومتری یا کمپلکس سنجی

تیتراسیون کمپلکسومتری نوعی تجزیه ولتامتری است که در آن از تشکیل یک کمپلکس رنگی برای نشان دادن نقطه انتهایی یک تیتراسیون استفاده می‌شود. تیتراسیون کمپلکسومتری به ویژه برای تعیین مخلوطی از یون‌های فلزی مختلف در محلول مفید است. معمولاً از شاخصی که قادر به ایجاد تغییر رنگ نامشخص است برای تشخیص نقطه پایانی تیتراسیون استفاده می‌شود.

نحوه ی محاسبه

در ارزیابی و محاسبه تمامی نتایج تیتراسیون همواره نقطه ی هم ارزی است که نقش کلیدی را بر عهده دارد. در این نقطه مقدار ماده ی واکنش داده شده در محلول استاندارد (n_m) با محلول نمونه (n_p) برابر است (n_m=n_p). از آن جایی که ما در این مرحله هم به حجم محلول استاندارد (V_m) و هم به غلظت آن (C_m) آگاه هستیم به راحتی میتوانیم میزان ماده ی تبدیل شده در محلول استاندارد را با استفاده از فرمول (n_m= C_m×V_m) محاسبه نماییم. از آنجایی که می توانید حجم کل محلول نمونه (V_m ) را اندازه گیری کنید، سپس با استفاده از معادله زیر میتوانید غلظت محلول نمونه C_p را بدست می آورید:

دستگاه های تیتراتور را میتوان علاوه بر نوع واکنش شیمیایی، بر اساس مستقیم یا غیر مستقیم بودن نیز دسته بندی کرد؛ اکنون میخواهیم هر مورد را به تفضیل توضیح دهیم:

1. تیتراسیون مستقیم: در این روش آنالیت به طور مستقیم با محلول استاندارد واکنش می دهد. در واقع نقطه پایانی فرآیند، نشان دهنده پایان واکنش شیمیایی میان این دو می باشد. در نتیجه با استفاده از نقطه پایانی می توان غلظت ترکیب نا شناخته موجود در محلول نمونه را تعیین کرد.
2. تیتراسیون غیر مستقیم: در این روش به دلیل نا پایداری نمونه ابتدا ماده مورد تجزیه و تحلیل به صورت شیمیایی در محلول نمونه تبدیل به رسوب می شود و از آن خارج میشود. سپس با ربط دادن مقدار مول های جایگزین شده به حجم کل میتوان غلظت نمونه ی اولیه را محاسبه کنیم. از آن جهت به این روش تیتراسیون غیر مستقیم میگویند که آنالیت مستقیما در آزمایش شرکت نمیکند.
3. تیتراسیون معکوس یا برگشتی: 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. 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.

روش های تعیین نقطه ی پایانی آزمایش:

ساده ترین روش برای تعیین نقطه پایانی استفاده از محلول های شناساگر است. این شناساگر ها همیشه هنگامی که کل مقدار ماده تعیین شده تبدیل شده است، تغییر رنگ در محلول نمونه ایجاد می کنند. یک شناساگر شناخته شده در تیتراسیون اسید-باز، فنل فتالئین است. این نشانگر در  0 تا 8.2pH بی رنگ است. تنها زمانی که مقدار pH از 8.2 بیشتر شود، رنگ فنل فتالئین صورتی روشن می شود. با توجه به نقطه گذار در محدوده پایه، این نشانگر برای تیتراسیون اسیدهای ضعیف مناسب است. علاوه بر این، محصول واکنش محلول استاندارد و نمونه نیز می تواند به عنوان یک شاخص عمل کند. این در تیتراسیون رسوبی استفاده می شود، که در آن رسوب جامد ته نشین شده به عنوان نقطه پایانی ارزیابی می شود. برای تعیین دقیقتر نقطه پایانی در آزمایشاتی که نیازمند دقت بالاتری هستند میتوان از دو روش زیر استفاده کرد:

روش اول) پتانسیومتری:

در این مورد، از این واقعیت استفاده می شود که پتانسیل الکتروشیمیایی یک محلول بر اساس معادله نرنست وابسته به غلظت است. برای اندازه گیری این، یک الکترود اندازه گیری را در محلول نمونه غوطه ور می کنید و ولتاژ یک الکترود مرجع را که در یک پتانسیل ثابت است اندازه می گیرید. اگر غلظت محلول نمونه به تدریج با افزودن محلول استاندارد کاهش یابد، ولتاژ اندازه گیری شده نیز تغییر می کند. تا رسیدن به نقطه پایانی، ولتاژ فقط کمی تغییر می کند، تنها زمانی که از آن فراتر رود، یک تغییر ناگهانی رخ می دهد. این باعث می شود که به راحتی بتوان نقطه پایان را دید.

روش دوم) هدایت سنجی:

آخرین راه برای تعیین نقطه پایانی هدایت سنجی است. این تلاش می کند تا نقطه پایانی را بر اساس رسانایی الکترولیتی تشخیص دهد. برای اینکه بتوان این میزان را اندازه گیری کرد، دو الکترود اندازه گیری بی اثر در محلول نمونه غوطه ور می شوند. سپس با اعمال یک ولتاژ متناوب، جریان متناوب از محلول نمونه از طریق الکترودها عبور می کند. از این طریق می توان مقاومت یا هدایت الکتریکی را تعیین کرد. لازمه این امر این است که ماده ای که باید اندازه گیری شود در محلول به صورت یونی وجود داشته باشد که در واقع می تواند جریان متناوب را از طریق انتشار در محلول منتقل کند.