การไทเทรต

การไทเทรตกรด – เบส

การไทเทรต กรด - เบส (Acid-Base Titration)
เป็นกระบวนการวิเคราะห์หาปริมาณของกรดหรือเบส โดยให้สารละลายกรดหรือเ บสทำปฏิกิริยาพอดีกับสารละลายมาตรฐาน เบสหรือกรดซึ่งทราบความเข้มข้นที่แน่นอน และใช้อินดิเคเตอร์เป็นสารที่บอกจุดยุติ ด้วยการสังเ กตจากสีที่เปลี่ยน ขณะไทเทรต pH จะเปลี่ยนไป ถ้าเลือกใช้อินดิเคเตอร์เหมาะสม จะบอกจุดยุติใกล้เคียงกับจุดสมมูล
จุดสมมูล ( จุดสะเทิน = Equivalence point)
คือจุดที่กรดและเบสทำปฏิกิริยาพอดีกัน จุดสมมูลจะมี pH เป็นอย่างไร<> นั้นขึ้นอยู่กับชนิดของกรดและเบสที่นำมาไทเทรตกัน และขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของกรดและเบส
จุดยุติ (End point)
คือจุดที่อินดิเคเตอร์เปลี่ยนสี ขณะไทเทรตกรด- เบสอยู่ จุดยุติจะใกล้เคียงกับจุดสมมูลได้นั้น จะ ต้องเลือกอินดิเคเตอร์เหมาะสม ในทางปฏิบัติถือว่าจุดยุติ เป็นจุดเดียวกับจุดสมมูล
จุดยุติ (End point)
การที่จะทราบว่า ปฏิกิริยาการไทเทรตถึงจุดสมมูลหรือยังนั้น จะต้องมีวิธีการที่จะหาจุดสมมูล วิธีการหนึ่งคือ การใช้อินดิเคเตอร์ โดยอินดิเคเตอร์จะต้องเปลี่ยนสีที่จุดที่พอดีหรือใกล้เคียงกับจุดสมมูล นั่นคือ จุดที่อินดิเคเตอร์เปลี่ยนสี จะเรียกว่า จุดยุติ
การหาความเข้มข้นของกรดไฮโดรคลอริก โดยการไทเทรตชัน
a) ตวงปริมาตรของสารละลายกรดด้วยปิเปดต์ใส่ขวดชมพู่b) ไทเทรตสารละลายมาตรฐานจากบิวเรตต์ลงในขวดชมพู่ที่มีสารละลายกรดไฮโดรคลอริกอยู่ด้วยc) การไทเทรตกรด- เบสจนถึงจุดยุติโดยสังเกตจากอินดิเคเตอร์เปลี่ยนสีd) อ่านปริมาตรของสารละลายเบส ( สารละลายมาตรฐาน) ที่ใช้ในการทำปฏิกิริยาพอดีกับสารละลายกรดนี้ บันทึกข้อมูล
วิธีการไทเทรตกรด - เบส คือ นำสารละลายกรดหรือเบสตัวอย่างที่ต้องการวิเคราะห์หาปริมาณ มาทำการไทเทรตกับสารละลายเบสหรือกรดมาตรฐานที่ทราบค่าความเข้มข้นที่แน่นอน กล่าวคือ ถ้าสารละลายตัวอย่างเป็นสารละลายกรด ก็ต้องใช้สารละลายมาตรฐานเป็นเบส นำมาทำการไทเทรต แล้วบันทึกปริมาตรของสารละลายมาตรฐานที่ใช้ในการทำปฏิกิริยาพอดีกัน จากนั้นนำไปคำนวณหาปริมาณของสารตัวอย่างต่อไป หรือทางตรงกันข้าม ถ้าใช้สารละลายตัวอย่างเป็นเบส ก็ต้องใช้สารละลายมาตรฐานเป็นกรด
ตัวอย่างเช่น การหาค่าสารละลายกรด HCl ว่ามีความเข้มข้นเท่าใดเราอาจใช้สารละลายมาตรฐาน NaOH เข้มข้น 0.100 โมล/ ลิตร มาทำการไทเทรตกับสารละลาย HCl ตัวอย่าง จำนวนหนึ่ง ( อาจจะเป็น 50 cm 3 ) เมื่อทราบปริมาตรของ NaOH ที่ใช้ในการทำปฏิกิริยาพอดีกับ HCl จำนวน 50 cm 3 นี้โดยอินดิเคเตอร์เป็นตัวบอกจุดยุติ แล้วเราก็สามารถคำนวณหาความเข้มข้นของกรด HCl ได้
รูปที่ 1 การไทเทรตกรด- เบส
สารละลายมาตรฐาน ที่ทราบความเข้มข้นแน่นอน บรรจุอยู่ในเครื่องแก้วที่เรียกว่า บิวเรตต์ ซึ่งจะมีก๊อกไขปิด- เปิดเพื่อหยดสารละลายมาตรฐานมายังขวดรูปกรวยที่บรรจุสารละลายตัวอย่างที่ต้องการวิเคราะห์ ในการไทเทรต ค่อยๆ หยดสารละลายมาตรฐานลงมาทำปฏิกิริยากับสารตัวอย่างในขวดรูปกรวย เขย่าหรือหมุนขวดรูปกรวยเพื่อให้สารผสมกันพอดี ไทเรตจนกระทั่งอินดิเคเตอร์เปลี่ยนสีก็หยุดไทเทรต แล้วบันทึกปริมาตรสารละลายมาตรฐานที่ใช้ เพื่อนำไปคำนวณหา pH สารละลายต่อไป
เครื่องแก้วเชิงปริมาตร ที่ใช้ในการถ่ายเทของเหลวตัวอย่าง ลงในขวดรูปกรวยจะใช้เครื่องแก้วที่สามารถ อ่านปริมาตรได้ค่าที่ละเอียด และมีค่าถูกต้องมากที่สุด นั่นคือจะใช้ ปิเปตต์ ( จะไม่ใช้กระบอกตวงเพราะให้ค่าที่ไม่ละเอียด และความถูกต้องน้อย) ซึ่งมีขนาดต่างๆ ให้เลือกใช้ เช่น ขนาด 1 cm 3 , 5, 10, 25, 50 cm 3 เป็นต้น วิธีใช้ปิเปตต์จะใช้ลูกยางช่วยในการดูดสารละลาย โดยในตอนแรก บีบอากาศออกจากลูกยาง ที่อยู่ปลายบนของปิเปตต์ แล้วจุ่มปลายปิเปตต์ ลงในสารละลายที่ต้องการปิเปตต์ แล้วค่อยๆ ปล่อยลูกยาง สารละลายจะถูกดูดขึ้นมาในปิเปตต์ เมื่อสารละลายอยู่เหนือขีดบอกปริมาตร ดึงลูกยางออก รีบใช้นิ้วชี้กดที่ปลายปิเปตต์ค่อยๆ ปล่อยสารละลายออกจนถึงขีดบอกปริมาตรบน จากนั้นก็ปล่อยสารละลาย ออกจากปิเปตต์สู่ขวดรูปกรวยจนหมด
ปฏิกิริยาในการไทเทรตกรด - เบส
ปฏิกิริยา ที่เกี่ยวข้อง ในการไทเทรตกรด- เบสต่างๆ ได้แก่
1. ปฏิกิริยาระหว่างกรดแก่กับเบสแก่
2. ปฏิกิริยาระหว่างกรดแก่กับเบสอ่อน
3. ปฏิกิริยาระหว่างกรดอ่อนกับเบสแก่
สำหรับปฏิกิริยาระหว่างกรดอ่อนกับเบสอ่อนไม่นิยมนำมาใช้ในการไทเทรตกรด- เบส เพราะที่จุดสมมูล หรือจุดที่กรดและเบสทำปฏิกิริยาพอดีกัน สังเกตการเปลี่ยนแปลงได้ไม่ชัดเจน
ปฏิกิริยาระหว่างกรด- เบส เขียนแทนด้วยสมการ
H + (aq) + OH - (aq) H­ 2O (l)

การคำนวณเกี่ยวกับการไทเทรตกรด - เบส
การคำนวณเกี่ยวกับการไทเทรต จะเกี่ยวข้องกับการคำนวณต่อไปนี้
1. การคำนวณความเข้มข้นของกรดหรือเบสที่เข้าทำปฏิกิริยากันพอดี
ปริมาณของกรดหรือเบสจะคำนวณได้จากปริมาณสัมพันธ์ในสมการของปฏิกิริยาระหว่างกรดและเบส m กรด + n เบส p เกลือ + q น้ำ
M a , M b คือ ความเข้มข้นเป็น โมล/ ลิตร ของกรดและเบส ตามลำดับ
V a , V b คือ ปริมาตรเป็น ลิตร ของสารละลายกรดและเบส ตามลำดับ
m , n คือ จำนวนโมลของกรดและเบส ตามลำดับ
2. การคำนวณเกี่ยวกับ pH ของสารละลายและการสร้างกราฟของการไทเทรต
กราฟของการไทเทรต
เป็นกราฟที่ได้จากการเขียนระหว่าง pH ของสารละลายที่เปลี่ยนไปขณะไทเทรต กับปริมาตรของสารละลายมาตรฐาน จะได้กราฟที่มีรูปร่างเปลี่ยนแปลง ขึ้นอยู่กับความแรงของกรด และเบสที่เกี่ยวข้องในการทำไทเทรต ความเข้มข้นของกรดและเบส สภาวะที่เกิดเป็นบัฟเฟอร์ และการเกิดไฮโดรไลซีสของเกลือ จุดประสงค์ของการเขียนกราฟของการไทเทรต เพื่อศึกษาดูว่า การไทเทรตระหว่างกรด- เบสคู่นั้นจะทำได้หรือไม่ และยังใช้เป็นส่วนหนึ่งในการเลือกใช้อินดิเคเตอร์อีกด้วย ซึ่งกราฟของการไทเทรตนี้ แบ่งออกได้เป็น 3 ช่วง คือ
1. ก่อนถึงจุดสมมูล
2. ที่จุดสมมูล จำนวนโมลของกรดจะทำปฏิกิริยาพอดีกับเบส
3. หลังจุดสมมูล
1. การไทเทรตระหว่างกรดแก่กับเบสแก่
การไทเทรตกรดแก่ด้วยเบสแก่นั้น ทั้งกรดแก่และเบสแก่ต่างก็แตกตัวได้หมด ตัวอย่างเช่น การไทเทรตสารละลายกรดเกลือ (HCl) ด้วยสารละลายมาตรฐานเบส NaOH ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นคือ
HCl(aq) + NaOH(aq) ฎ H 2O (l) + NaCl (aq)
การไทเทรตระหว่างกรดแก่และเบสแก่ สารละลายผลิตภัณฑ์ที่ได้เป็นเกลือที่ไม่เกิดปฏิกิริยาไฮโดรไลซีส ดังนั้น การหาค่า pH ก็คำนวณจากปริมาณ H 3O + หรือ OH - ที่มีอยู่ในสารละลายนั้นโดยตรงและมี pH ของสารละลายเท่ากับ 7
. การไทเทรตระหว่างกรดอ่อนกับเบสแก่
การไทเทรตกรดอ่อนกับเบสแก่ เช่น กรดแอซิติก (CH 3COOH) กับโซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) เมื่อถึงจุดสมมูล สารละลายที่ได้จะมีโซเดียมแอซิเตต ซึ่งเกิดไฮโดรไลซีสได้ และสารละลายจะมี pH > 7
3. การคำนวณ pH ของสารละลายจากปฏิกิริยาระหว่างกรดแก่กับเบสอ่อน
การไทเทรตกรดแก่กับเบสอ่อน เช่น กรด HCl กับ NH 3 จะได้เกลือ NH 4Cl ซึ่งเกิดไฮโดรไลซีสได้สารละลายที่เป็นกรดมี pH < 7 ที่จุดสมมูล

การไทเทรตกรดพอลิโปรติก
กรดโพลิโปรติกสามารถให้โปรตอน (H +) กับเบสได้มากกว่า 1 โปรตอน ตัวอย่างเช่น กรดซัลฟิวริก (H 2SO 4) เป็นกรดไดรโปรติก ให้โปรตอนได้ 2 ตัว กรดฟอสฟอริก (H 3PO 4) เป็นกรดไตรโปรติก ใหโปรตอนได้ 3 ตัว สมการแสดงภาวะสมดุลของกรดพอลิโปรติก สามารถเขียนได้ดังนี้
H 2M + H 2O H 3O + + HM -
HM - + H 2O H 3O + + M 2-
H 2M เป็นกรดไดโปรติก มีค่าคงที่การแตกตัว K 1 และ K 2 ในการไทเทรตกรไดโปรติกนี้กับเบสกรดจะทำปฏิกิริยากับเบสเป็น 2 ขั้นด้วยกัน และมีจุดสมมูลเกิดขึ้น 2 จุดด้วยกัน
จุดสมมูลที่หนึ่ง โปรตอนตัวแรกทำปฏิกิริยาพอดีกับเบส
จุดสมมูลที่สอง โปรตอนตัวที่สองทำปฏิกิริยาพอดีกับเบส
ความเข้มข้นของ H + ในสารละลาย หรือ pH ของสารละลายจะขึ้นอยู่กับค่า K 1 และ K 2 ในการไทเทรตกรดพอลิโปรติกนี้ ถ้า < 10 3 จะเกิดความคลาดเคลื่อนได้ โดยเฉพาะที่จุดสมมูลที่หนึ่ง
อินดิเคเตอร์กับการไทเทรตกรด - เบส
อินดิเคเตอร์กรด- เบส ที่เหมาะสมกับปฏิกิริยาการไทเทรตจะต้องมีค่า pH ที่จุดกึ่งกลางช่วงการเปลี่ยนสีใกล้เคียงหรือเท่ากับ pH ที่จุดสมมูลของปฏิกิริยา นอกจากนี้ การเลือกใช้อินดิเคเตอร์กรด- เบส ต้องพิจารณาสีที่ปรากฎ จะต้องมีความเข้มมากพอที่จะมองเห็นได้ง่าย หรือเห็นการเปลี่ยนสีได้ชัดเจน ช่วงการเปลี่ยนสีของอินดิเคเตอร์ จะเกิดขึ้นในช่วง 2 หน่วย pH

ตัวอย่างการประยุกต์ใช้ ได้แก่ การหาปริมาณกรดอ่อนในน้ำส้ม น้ำมะนาว และในไวน์ การหาปริมาณเบส Mg(OH) 2 , MgO ในยาลดกรด หรือการหาปริมาณโปรตีนในอาหาร
การหาปริมาณกรดอ่อนในน้ำสม ทำได้โดยการปิเปตต์น้ำส้มเจือจางด้วยน้ำกลั่นประมาณ 5 เท่า แล้วไทเทรตกับสารละลายมาตรฐาน NaOH เข้มข้น 0.1000 M โดยใช้ฟีนอล์ฟทาลีนเป็นอินดิเคเตอร์ ไทเทรตจนสารละลายเปลี่ยนจากไม่มีสีเป็นสีชมพู แล้วคำนวณหาร้อยละของกรดแอซิติก (CH 3COOH) โดยมวลต่อปริมาตร
การหาปริมาตรกรดอ่อนในมะนาวและในไวน์ ก็ทำได้โดยวิธีเดียวกับการหาปริมาณกรดแอซิติกในน้ำส้ม การรายงานผล จะรายงานเป็นร้อยละของกรดแอซิติก ( ในน้ำมะนาว) และกรดทาร์ทาริก ( ในไวน์)
การหาปริมาณ Mg(OH) 2 ก็ทำได้โดยการไทเทรตกับสารละลายมาตรฐานโดยตรง เช่น ไทเทรตกับกรด HCl สำหรับการหาปริมาณ MgO จะต้องเปลี่ยนให้เป็น Mg(OH) 2 โดยการใช้เบส แล้วค่อยไทเทรตกับสารละลายกรดมาตรฐาน
การหาปริมาณโปรตีนในอาหาร ต้องใช้วิธีทางอ้อมในการวิเคราะห์ โดยการหาปริมาณไนโตรเจนที่อยู่ในเอมีน ซึ่งเป็นกรดอะมิโนในโปรตีน การหาปริมาณไนโตรเจนนี้ทำได้โดยการเปลี่ยนไนโตรเจนให้อยู่ในรูปของ NH 3 แล้วไทเทรตกับสารละลายมาตรฐาน