Happo-emästitraus

Esimerkki HCl-näyte (10 - 20 ml) titrataan NaOH-liuoksella (vahva happo ja vahva emäs)
c = konsentraatio mol/l, liuokset vesiliuoksia, c << 1,0 mol/l

Titrauksen käytännön suoritus, DVAction (mov-video eri ikkunaan)

Titrauksen kuluessa keittopulloa sekoitetaan koko ajan ja tarvittaessa huuhdotaan pullon seinämät tislatulla vedellä (pienellä määrällä). Titraus kannattaa toistaa pari kolme kertaa ja laskea saaduista NaOH-kulutuksista keskiarvo. Aluksi liuos on keittopullossa väritön. Loppupisteessä väri saa olla vain heikosti punertava. NaOH-liuosta ei ole tarpeen lisätä niin, että väri muuttuu hyvin punaiseksi, koska silloin titrataan reippaasti yli ekvivalenttikohdan. Tulos lasketaan reaktioyhtälön perusteella.

Ekvivalenttikohta (stoikiometrinen piste) on kohta, jossa titrattavan yhdisteen ja titraavan yhdisteen ainemäärä on reaktioyhtälön mukaisesti tasan. Happo-emäs-titrauksessa happo ja emäs ovat silloin juuri neutraloituneet ja liuoksen pH muuttuu hyppäyksellisesti. Ennen ekvivalenttikohtaa ja sen jälkeen pH muuttuu hitaammin.

Reaktioyhtälö		HCl + NaOH NaCl + H2O
n = cV V(NaOH) = kulutus V(HCl) = näyte n(HCl) = n(NaOH)		c(HCl) = c(NaOH) · V(NaOH) : V(HCl)
		Titrauksen loppupiste voidaan määrittää myös pH-mittarin avulla tuotetusta titrauskäyrästä. Vahvaa happoa vahvalla emäksellä (tai päinvastoin) titrattaessa ekvivalenttikohdan pH on 7,00. Titraus on sitä tarkempi, mitä täsmällisemmin kokeellisesti määritetty loppukohta osuu ekvivalenttikohtaan.

Titrattaessa heikkoa happoa vahvalla emäksellä, ekvivalenttikohdan pH on selvästi yli 7. Tämä johtuu siitä, että heikosta haposta syntynyt anioni sitoo protoneja. Vahvasta haposta muodostunut anioni ei pysty sitomaan protoneja, koska vahva happo on aina liuoksessaan täysin hajonnut ioneiksi (protolysoitunut).

Titrauskäyrä esittää pH:n muutoksen emäslisäyksen funktiona titrattaessa emäksellä ja happolisäyksen funktiona titrattaessa hapolla. Ekvivalenttikohdassa käyrä tekee jyrkän hyppäyksen. Hyppäyksen keskikohta ilmoittaa ekvivalenttikohdan pH-arvon ja sitä vastaavan titrauskulutuksen.

Titrattaessa heikkoa happoa voidaan hapon happovakion K_a arvo määrittää käyrän alkuportaan puolivälistä, jossa titraukseen käytetystä emäksestä on lisätty puolet. Tässä kohdin hapon konsentraatio on yhtä suuri kuin sen anionin konsentraatio eli [HA] = [A^–]. Samassa kohdassa myös liuoksen puskurivaikutus on suurin.

Titrauskäyriä, http://chemistry.beloit.edu/Rain/pages/titr.html (mov-animaatio, uuteen koko ikkunaan) Sisältyy Chemistry Connections Modules -oppimateriaaleihin, © Beloit College, University of California, Berkeley

Happo-emäs-indikaattorit ovat heikkoja happoja tai emäksiä, joiden happomuoto ja anioni ovat erivärisiä. Indikaattoria valittaessa on otettava huomioon, että titrauksen ekvivalenttikohdan pH ja indikaattorin värinmuutosalueen pH-väli ovat toisiinsa sopivat. Titrauksen loppupisteen on osuttava likimain värinmuutosalueen keskikohdalle.

Tärkeää on myös värinmuutoksen selkeys, esimerkiksi fenoliftaleiini on myös siksi hyvä indikaattori, että sen happomuoto on väritön ja anioni punainen. Fenoliftaleiinin värinmuutos alue on pH-välillä 8,3 - 10. Yhdiste sopii käytettäväksi myös titrattaessa vahvaa happoa vahvalla emäksellä, vaikkei värinmuutos tapahdukaan pH-arvolla 7, sillä muutos on selkeä ja titraus lopetetaan heti punertavan värin jäädessä näkyviin. Sitä paitsi pH-hyppäys on titrauksessa suuri, joten ylititrauksen vaaraa ei ole. Fenoliftaleiini sopii erinomaisesti heikon hapon titraukseen, koska loppupisteen pH on silloin aina suurempi kuin 7. Heikkoa emästä vahvalla hapolla titrattaessa jokin alemmalla pH-välillä väriään vaihtava indikaattori saattaa olla parempi, esim. metyylipunainen tai bromitymolisininen.

Kysymykset

1. Miksi ei haittaa vaikka titrattavaan liuoksen lisätään titrauksen aikana vettä eli liuosta laimennetaan?
2. Millainen olisi titrauskäyrä titrattaessa a) vahvaa emästä b) heikkoa emästä vahvalla hapolla?
3. Millainen olisi titrauskäyrä titrattaessa moniarvoista happoa yksiarvoisella vahvalla emäksellä?
4. Voiko vahvan hapon happovakion määrittää titrauskäyrästä kuten heikon hapon?
5. Miksi heikon hapon titrauskäyrä alkaa korkeammasta pH-arvosta kuin vahvan hapon käyrä saman väkevyisiä happoliuoksia titrattaessa samalla ja saman väkevyisellä emäksellä?
6. Mikä ero on käsitteillä "vahva happo" ja "väkevä happo"? Mikä olisi vastaava käsitepari heikosta haposta puhuttaessa?
7. Miksi fenoliftaleiinia alemmilla pH-arvoilla väriään muuttava indikaattori sopii käytettäväksi titrattaessa heikkoa emästä vahvalla hapolla?

Vastaukset

OPH Etälukion kemia

Näytteen ainemäärä ei muutu laimennuksessa, vaikka konsentraatio muuttuu. Kunhan ei vettä ei lisätä huomattavia määriä, laimeneminen ei haittaa neutraloitumisreaktion kulkua. a) Likimain peilikuva vahvan hapon titraus vahvalla emäksellä -käyrästä. Ekvivalenttikohdan pH = 7. b) Likimain kuin heikon hapon titraus vahvalla emäksellä - käyrä ylösalaisin käännettynä. Lisäksi käyrä päätyy alempaan pH-arvoon kuin mistä em. käyrä alkaa. Ekvivalenttikohdan pH < 7. Käyrään tulee useampia pH-hyppäyskohtia, kaksiarvoiselle hapolle kaksi, kolmiarvoiselle kolme. Kohdat vastaavat kunkin anionilajin ekvivalenttikohtaa. Ei. Vahva happo protolysoituu täysin, eikä sen happovakiolla ole merkitystä (koska se on liian suuri). Heikko happo protolysoituu vain osittain, joten pH jää korkeammaksi (liuoksen [H3O+] pienemmäksi) kuin täysin protolysoituvalla vahvalla hapolla. "Vahva happo" tarkoittaa hapon kykyä protolysoitua, "väkevä happo" viittaa happoliuoksen konsentraatioon. Heikko happo vs. laimea happo(liuos). Titrattaessa heikkoa emästä vahvalla hapolla ekvivalenttikohdan pH on alle 7.