تیتر کردن: روشی آزمایشگاهی برای تعیین غلظت یک محلول با استفاده از واکنش شیمیایی

در آزمایشگاه‌های شیمی، اغلب با محلول‌هایی سروکار داریم که غلظت دقیق آن‌ها را نمی‌دانیم. به این محلول‌ها، محلول مجهول¹ یا آنالیت می‌گویند. تیتر کردن یا تیتراسیون روشی است که به ما اجازه می‌دهد با استفاده از یک واکنش شیمیایی کنترل‌شده، غلظت این محلول مجهول را پیدا کنیم.

در این روش، یک محلول با غلظت کاملاً مشخص که به آن محلول استاندارد² یا تیترانت می‌گویند، به آرامی به محلول مجهول اضافه می‌شود تا واکنش شیمیایی بین آن‌ها کامل شود. با اندازه‌گیری دقیق حجم تیترانت مصرف‌شده و استفاده از استوکیومتری واکنش، می‌توان غلظت محلول مجهول را محاسبه کرد.

به عنوان مثال، فرض کنید می‌خواهید غلظت یک محلول اسید کلریدریک (HCl) را که برچسب آن پاک شده است، پیدا کنید. شما می‌توانید این کار را با تیتر کردن آن توسط یک محلول سدیم هیدروکسید (NaOH) با غلظت مشخص، مثلاً 0.1 مولار، انجام دهید.

یک تیتراسیون موفق نیازمند دقت و رعایت مراحل مشخصی است. تصور کنید در یک آزمایشگاه شیمی دبیرستان هستید و می‌خواهید غلظت اسید را پیدا کنید. مراحل کار به این شرح است:

1. آماده‌سازی: ابتدا بورت³ (لوله شیشه‌ای مدرج) را با محلول استاندارد (مثلاً سود 0.1 مولار) پر می‌کنیم. سپس مقدار مشخصی از محلول مجهول (مثلاً 10 میلی‌لیتر اسید) را با استفاده از پیپت⁴ به ارلن مایر⁵ (ظرف مخروطی شکل) منتقل می‌کنیم.
2. اضافه کردن شناساگر: چند قطره از یک شناساگر⁶ مناسب، مانند فنل‌فتالئین، به محلول داخل ارلن اضافه می‌کنیم. شناساگر ماده‌ای است که در نقطه پایان واکنش تغییر رنگ می‌دهد.
3. تیتر کردن: به آرامی شیر بورت را باز می‌کنیم تا محلول سود قطره‌قطره به ارلن حاوی اسید اضافه شود. در همین حین، ارلن را به آرامی تکان می‌دهیم تا محلول‌ها به خوبی مخلوط شوند.
4. تشخیص نقطه پایان: اضافه کردن سود را تا جایی ادامه می‌دهیم که با اضافه شدن تنها یک قطره، محلول درون ارلن برای همیشه تغییر رنگ دهد (مثلاً از بی‌رنگ به صورتی کمرنگ). این لحظه را نقطه پایان⁷ می‌نامیم.
5. ثبت حجم: حجم سود مصرفی را از روی مدرج بورت دقیقاً می‌خوانیم و یادداشت می‌کنیم.

در این میان، آشنایی با دو مفهوم کلیدی بسیار مهم است: نقطه هم‌ارزی⁸، لحظه‌ای است که مقدار تیترانت اضافه‌شده از نظر شیمیایی دقیقاً معادل مقدار آنالیت است. نقطه پایان، لحظه‌ای است که شناساگر تغییر رنگ می‌دهد. هدف ما در تیتراسیون این است که نقطه پایان تا حد امکان به نقطه هم‌ارزی نزدیک باشد.

تیتراسیون بر اساس نوع واکنش شیمیایی که بین تیترانت و آنالیت رخ می‌دهد، به دسته‌های مختلفی تقسیم می‌شود. رایج‌ترین آن‌ها تیتراسیون اسید-باز است، اما انواع دیگری نیز وجود دارند که در جدول زیر به آن‌ها اشاره شده است.

شاید فکر کنید تیتراسیون فقط یک آزمایش ساده در کتاب‌های درسی است، اما این روش کاربردهای بسیار گسترده و حیاتی در صنایع مختلف و حتی زندگی روزمره ما دارد.

• صنایع غذایی: برای تعیین اسیدیته محصولاتی مانند آبمیوه‌ها، ماست، پنیر و ترشیجات. همچنین برای اندازه‌گیری میزان نمک در سس‌ها و کنسروها.
• صنعت داروسازی: کنترل کیفیت داروها و اطمینان از اینکه قرص‌ها و شربت‌ها حاوی مقدار صحیح ماده مؤثره هستند. برای مثال، تعیین مقدار استامینوفن در یک قرص.
• کشاورزی و محیط زیست: آزمایش pH خاک برای تعیین نوع کود مورد نیاز، اندازه‌گیری میزان آلاینده‌ها در آب رودخانه‌ها و بررسی کیفیت آب آشامیدنی از نظر سختی و کلر باقی‌مانده.
• صنعت نفت و پتروشیمی: برای تعیین میزان گوگرد در سوخت‌های فسیلی و کنترل کیفیت محصولات.
• پزشکی قانونی: در آزمایش‌های سم‌شناسی برای تشخیص و اندازه‌گیری میزان سموم یا داروها در نمونه‌های بیولوژیکی.

❓ چرا نمی‌توانیم از هر شناسگری برای هر تیتراسیونی استفاده کنیم؟

هر شناسگر در محدوده خاصی از pH تغییر رنگ می‌دهد. نقطه هم‌ارزی برای تیتراسیون‌های مختلف در pHهای متفاوتی رخ می‌دهد (مثلاً برای اسید قوی-باز قوی، pH=7، اما برای اسید ضعیف-باز قوی، pH>7). اگر محدوده تغییر رنگ شناسگر با pH نقطه هم‌ارزی همخوانی نداشته باشد، خطای زیادی در تشخیص نقطه پایان ایجاد می‌شود و نتیجه محاسبه غلظت نادرست خواهد بود.

❓ چرا باید بورت را قبل از شروع تیتراسیون با محلول تیترانت شستشو دهیم؟

اگر بورت با آب مقطر یا محلول دیگری شسته شود و خشک نگردد، قطرات باقی‌مانده باعث رقیق‌شدن محلول تیترانت می‌شوند. در نتیجه، غلظت تیترانت از مقدار مشخص‌شده کمتر می‌شود. وقتی حجم تیترانت مصرفی را در محاسبات به کار می‌بریم، چون از غلظت اسمی (و نه غلظت واقعی رقیق‌شده) استفاده می‌کنیم، غلظت محاسبه‌شده برای آنالیت بیشتر از مقدار واقعی خواهد بود و خطای مثبت ایجاد می‌کند.

❓ چرا در تیتراسیون اسید و باز قوی، نقطه پایان و نقطه هم‌ارزی تقریباً یکسان هستند؟

در تیتراسیون یک اسید قوی با یک باز قوی، نمک حاصل (مثلاً NaCl از واکنش HCl و NaOH) در آب خنثی است و pH محلول در نقطه هم‌ارزی دقیقاً برابر 7 است. شناساگرهایی مانند فنل‌فتالئین (محدوده تغییر رنگ 8.2 تا 10) یا متیل‌اورانژ (محدوده 3.1 تا 4.4) با اضافه شدن فقط یک قطره اضافی از تیترانت، pH را به شدت تغییر داده و باعث تغییر رنگ ناگهانی می‌شوند. این جهش رنگی در نزدیکی pH=7 رخ می‌دهد، بنابراین خطای بسیار ناچیز است.

¹ محلول مجهول (Unknown Solution): به محلولی گفته می‌شود که غلظت آن مشخص نیست و هدف از آزمایش، تعیین آن است.

² محلول استاندارد (Standard Solution): محلولی با غلظت دقیق و کاملاً مشخص که به عنوان تیترانت در فرآیند تیتراسیون استفاده می‌شود.

³ بورت (Burette): وسیله‌ای شیشه‌ای مدرج و استوانه‌ای با یک شیر در انتها که برای افزودن حجم‌های دقیق و کنترل‌شده مایع در تیتراسیون به کار می‌رود.

⁴ پیپت (Pipette): وسیله‌ای برای برداشتن و انتقال حجم دقیقی از مایع از یک ظرف به ظرف دیگر.

⁵ ارلن مایر (Erlenmeyer Flask): یک نوع ظرف مخروطی شکل با کف تخت و دهانه باریک که برای مخلوط کردن و تیتر کردن محلول‌ها بسیار مناسب است.

⁶ شناساگر (Indicator): ماده‌ای است که با تغییر ویژگی‌های فیزیکی خود (معمولاً رنگ) در نقطه پایان واکنش، پایان تیتراسیون را مشخص می‌کند.

⁷ نقطه پایان (End Point): لحظه‌ای در تیتراسیون که در آن شناساگر تغییر رنگ می‌دهد و به ما علامت می‌دهد که تیتراسیون را متوقف کنیم.

⁸ نقطه هم‌ارزی (Equivalence Point): نقطه‌ای در تیتراسیون که در آن مقدار تیترانت اضافه‌شده از نظر شیمیایی دقیقاً معادل مقدار آنالیت موجود در نمونه است.