Все формулы РФ

Химия / Титрование, концентрации

Молярность кислоты по титрованию основанием

Концентрацию кислоты находят по объему и концентрации основания в точке эквивалентности с учетом кислотности и основности реагентов.

Опубликовано: Обновлено:

Титрование, концентрацииЕсть историческая справкаСтраницы с задачами и решениямиБазовые химические расчеты

Формула

$$C_a=\frac{C_bV_bz_b}{V_az_a}$$
схема Бюретка и колба в кислотно-основном титровании

Схема показывает стандартный раствор основания в бюретке и пробу кислоты в колбе с индикатором.

В точке эквивалентности количество эквивалентов H+ равно количеству эквивалентов OH-.

Обозначения

$Ca$
молярная концентрация кислоты, моль/л
$Cb$
молярная концентрация основания, моль/л
Va, Vb
объем кислоты и объем основания, взятые в титровании, л или мл в одинаковых единицах
za, zb
число отдаваемых H+ у кислоты и число OH- у основания, безразмерная величина

Условия применения

  • Точка эквивалентности соответствует равенству количеств эквивалентов кислоты и основания.
  • Объемы Va и Vb должны быть в одинаковых единицах, если используется отношение.
  • Реакция нейтрализации должна идти количественно и быстро.
  • Индикатор или pH-метр должны давать близкую к эквивалентной конечную точку.

Ограничения

  • Для слабых кислот и оснований выбор индикатора может заметно влиять на результат.
  • Если в пробе есть другие кислые или основные вещества, формула дает суммарную кислотность.
  • Карбонизация щелочи CO2 из воздуха снижает фактическую концентрацию титранта.

Подробное объяснение

В точке эквивалентности кислота и основание израсходованы в стехиометрическом соотношении. Удобно говорить не только о молях вещества, но и об эквивалентах H+ и OH-. Количество кислотных эквивалентов равно CaVa za, а количество основных эквивалентов равно CbVb zb. При равенстве этих величин легко выразить неизвестную Ca.

Для одноосновной кислоты и однокислотного основания формула упрощается до CaVa = CbVb. Это знакомая запись для HCl и NaOH. Но для H2SO4, Ca(OH)2 или Ba(OH)2 коэффициенты уже принципиальны: один моль вещества может дать два эквивалента кислоты или основания.

Объемы могут быть в миллилитрах, если оба объема записаны в миллилитрах. Коэффициент перевода в литры сократится. Однако концентрация титранта Cb должна оставаться в моль/л, а итоговая Ca тоже будет в моль/л. Нельзя смешивать миллилитры для одного объема и литры для другого без явного перевода.

Точность титрования зависит от конечной точки. Индикатор меняет цвет в определенном интервале pH, который должен соответствовать скачку титрования. Для сильной кислоты и сильного основания выбор проще, а для слабой кислоты или слабого основания нужно подбирать индикатор осторожнее.

Формула отражает идеальную стехиометрию. На практике результат улучшают повторными титрованиями до согласующихся объемов, промывкой бюретки титрантом, удалением пузырьков из наконечника и стандартизацией раствора основания.

Как пользоваться формулой

  1. Запишите уравнение нейтрализации или определите za и zb.
  2. Измерьте Va пробы кислоты и Vb раствора основания до конечной точки.
  3. Подставьте известную Cb и объемы в одинаковых единицах.
  4. Разделите на Vaza и получите Ca.
  5. Проверьте результат повторными титрованиями и средним объемом.

Историческая справка

Титриметрический анализ развивался вместе с потребностью быстро определять состав растворов в аптечном деле, металлургии, пищевой химии и промышленности. В XVIII и XIX веках появились мерные сосуды, бюретки, индикаторы и стандартные растворы, которые сделали объемный анализ воспроизводимым. Кислотно-основное титрование стало одним из самых доступных методов, потому что реакция нейтрализации часто идет быстро и имеет резкое изменение pH около эквивалентности. Понятия эквивалента и нормальности долго помогали записывать расчеты, а позднее их во многих учебных курсах заменили молярностью и стехиометрическими коэффициентами. Современная формула через C, V и z сохраняет старую идею равенства эквивалентов, но выражает ее в молях и концентрациях.

Историческая линия формулы

Формула не принадлежит одному автору. Она является следствием стехиометрии нейтрализации и практики объемного анализа. Развитие метода связано с многими химиками, совершенствовавшими стандартные растворы, индикаторы и лабораторную посуду, а современная запись использует молярную концентрацию.

Пример

Пробу HCl объемом 25,00 мл титровали раствором NaOH с концентрацией 0,1000 моль/л. На достижение конечной точки ушло 24,60 мл щелочи. Для HCl и NaOH za = 1 и zb = 1. Подставляем объемы в одинаковых единицах, миллилитры можно не переводить в литры, потому что они стоят в отношении: Ca = CbVbzb/(Vaza) = 0,1000 · 24,60 · 1 /(25,00 · 1) = 0,09840 моль/л. Ответ: концентрация кислоты равна 0,09840 М. Проверка размерности проста: отношение объемов безразмерно, поэтому единица остается моль/л. Если бы кислота была двухосновной, в знаменателе появился бы множитель 2.

Частая ошибка

Частая ошибка состоит в использовании формулы C1V1 = C2V2 для многоосновной кислоты без коэффициентов za и zb. Еще путают объем пробы и объем титранта, из-за чего концентрация получается перевернутой. Важно читать бюретку по разности конечного и начального отсчетов, а не по одному делению. Для NaOH нужно помнить, что раствор может поглощать CO2, поэтому стандартность титранта со временем меняется.

Практика

Задачи с решением

Концентрация серной кислоты

Условие. 10,00 мл H2SO4 титровали 0,2000 М NaOH. Израсходовано 18,40 мл щелочи. Для H2SO4 za = 2, для NaOH zb = 1. Найдите Ca.

Решение. Ca = 0,2000 · 18,40 · 1 /(10,00 · 2) = 0,1840 моль/л.

Ответ. 0,1840 М H2SO4.

Уксусная кислота в пробе

Условие. 20,00 мл CH3COOH титровали 0,0500 М NaOH. Израсходовано 19,10 мл. Кислота одноосновная. Найдите концентрацию.

Решение. za = zb = 1. Ca = 0,0500 · 19,10 / 20,00 = 0,04775 моль/л.

Ответ. 0,0478 М с учетом значащих цифр.

Дополнительные источники

  • IUPAC Gold Book: terminology for chemistry and physical chemistry
  • OpenStax Chemistry 2e: thermochemistry, solutions, stoichiometry and gases
  • Atkins and de Paula: Physical Chemistry, selected chapters

Связанные формулы