تبلیغات
شیمی تجزیه - روشهای کلاسیک در شیمی تجزیه

روشهای کلاسیک در شیمی تجزیه

نویسنده :احمد قسمی
تاریخ:یکشنبه 1 اردیبهشت 1392-07:25 ب.ظ

               ( تئوری روشهای کلاسیک تجزیه )

مقدمه

تیتر کردن از روش‌های تجزیه حجمی است. در تجزیه حجمی ابتدا جسم را حل کرده و حجم معینی از محلول آن را با محلول دیگری که غلظت آن مشخص است که همان محلول استاندارد نامیده می‌شود، می‌سنجند. در تیتراسیون محلول استاندارد به‌طور آهسته از یک بورت به محلول حاوی حجم مشخص یا وزن مشخص از ماده حل شده اضافه می‌شود.
افزایش محلول استاندارد ، آنقدر ادامه می‌یابد تا مقدار آن از نظر اکی‌والان برابر مقدار جسم حل شده شود. نقطه اکی‌والان نقطه ای است که در آن ، مقدار محلول استاندارد افزوده شده از نظر شیمیایی برابر با مقدار حجم مورد نظر در محلول مجهول است. این نقطه را نقطه پایان عمل از نظر تئوری یا نقطه هم ارزی نیز می‌گویند.

روش تیتر کردن

در عمل تیتر کردن ، محلول استاندارد را از یک بورت به محلولی که باید غلظت آن اندازه گرفته می‌شود، می‌افزایند و این عمل تا وقتی ادامه دارد تا واکنش شیمیایی بین محلول استاندارد و تیتر شونده کامل شود. سپس با استفاده از حجم و غلظت محلول استاندارد و حجم محلول تیتر شونده ، غلظت محلول تیتر شونده را حساب می‌کنند.

یک مثال

نقطه اکی‌والان در عمل تیتر کردن NaCl با نقره تیترات وقتی مشخص می‌شود که برای هر وزن فرمولی -Cl در محیط یک وزن فرمول +Ag وارد محیط عمل شده باشد و یا در تیتر کردن ، سولفوریک اسید (H2SO4 ) با سدیم هیدروکسید ( NaOH ) نقطه اکی‌والان وقتی پدید می‌آید که دو وزن فرمولی اسید و دو وزن فرمولی باز وارد محیط عمل شوند.

 

تشخیص نقطه اکی‌والان

نقطه اکی‌والان در عمل بوسیله تغییر فیزیکی ( مثلا تغییر رنگ ) شناخته می‌شود. نقطه ای که این تغییر رنگ در آن روی می‌دهد، نقطه پایان تیتر کردن است. در تیتراسیون اسید و باز شناساگرها برای تعیین زمان حصول نقطه اکی‌والان بکار می‌روند. تغییر رنگ معرف ، نشانگر نقطه پایانی تیتراسیون می‌باشد.

انواع تیتر کردن

بر حسب واکنش‌هایی که بین محلول تیتر شونده و استاندارد صورت می‌گیرد، تجزیه‌های حجمی (تیتراسیون) به دو دسته تقسیم می‌شوند:

روش‌هایی که بر اساس ترکیب یون‌ها هستند. یعنی تغییر ظرفیت در فعل و انفعالات مربوط به آن صورت نمی‌گیرد. این روش‌ها عبارت اند از:

واکنش‌های خنثی شدن یا واکنش‌های اسید و باز

            واکنش‌های رسوبی                                           واکنش‌هایی که تولید ترکیبات کمپلکس می‌کنند.

روشهایی که بر اساس انتقال الکترون هستند؛ مانند واکنش‌های اکسایش و کاهش

تیتر کردن واکنش های اسید و باز یا خنثی شدن

تیتر کردن ، عبارت است از تعیین مقدار اسید یا باز موجود در یک محلول که با افزایش تدریجی یک باز به غلظت مشخص یا بر عکس انجام می‌گیرد. موقعی که محلول یک باز دارای یونهای -OH است به محلول اسید اضافه کنیم، واکنش خنثی شدن انجام می‌شود:

OH- + H3O+ -----> 2H2O

 

محاسبات

معمولا حجم مشخص (V) از محلول اسید با نرمالیته مجهول (N) انتخاب کرده ، به‌کمک یک بورت مدرج به‌تدریج محلو ل یک باز به نرمالیته مشخص (N) به آن اضافه می‌کنند. عمل خنثی شدن وقتی کامل است که مقدار اکی‌والان گرم های باز مصرفی برابر مقدار اکی‌والان گرم های اسید موجود در محلول شود.

برای این که عمل تیتراسیون بدقت انجام شود، باید عمل افزایش محلول باز درست موقعی متوقف گردد که تساوی فوق برقرار شود. روش معمول و همگانی برای تعیین پایان تیتراسیون استفاده از شناساگرهاست. دستگاه PH متر نیز برای محاسبات دقیق در تعیین نقطه اکی والان کاربرد دارد.

روش‌تهای تجزیه وزنی

روش‌های تجزیه وزنی از قدیمیترین روش‌های تجزیه‌ای است که هنوز هم به علت دقت و صحت زیادی که دارند در بسیاری از آزمایشگاه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این روش‌ها، حجم جسم به عنوان سیگنال تجزیه‌ای محسوب می‌شود. اندازه‌گیری جرم نسبتاً آسان است و تحت شرایط مناسب، این سیگنال با مقدار ماده موجود در نمونه آزمایشی ارتباط داده می‌شود.

تقسیم بندی روش‌های تجزیه وزنی

این‌گونه روش‌ها براساس اندازه‌گیری جرم پایه‌گذاری گردیده‌اند و به دو روش دسته‌بندی می‌شوند. در روش رسوبی، آنالیت را با استفاده از واکنشگر رسوبی مناسب به صورت ترکیبی با حلالیت کم در آورده، رسول را صاف کرده و شستشو می‌دهند و سپس آن را خشک کرده یا مشتعل می‌کنند تا به فرم شیمیایی و قابل توزین مناسب در آید. سپس با استفاده از وزن گونه توزین شده و ضریب وزنی مربوط، مقدار آنالیت محاسبه می‌شود. در روش تبخیری، آنالیت یا محصولات تخریبی آن را در یک دمای مناسب تبخیر می‌کنند. سپس محصول حاصل ا تبخیر جمع آوری و توزیع می شود و یا اینکه از روی کاهش وزن نمونه، وزن محصول به طور غیر مستقیم تعیین می‌شود. کاربرد این روش‌ها به مراتب کمتر از روش‌های رسوبی است و به همین جهت فقط به ذکر یک مثال اکتفا می‌کنیم تا نحوه استفاده از روش تبخیر را نشان دهیم. برای اندازه‌گیری محتویات سدیم هیدروژن کربنات موجود در قرص‌های ضد اسید، نمونه را کاملاً به صورت پودر در آورده و سپس مقدار معینی از ان را دقیقاً وزن کرده و در درون ظرف مناسب با سولفوریک اسید واکنش می‌دهند تا سدیم هیدروژن کربنات به کربن دی اکسید تبدیل شود:

CO2(g)+ H2O(l) + NaHSO4(aq)NaHCO3(aq) + H3SO4(aq)

ظرف واکنش به لوله جاذبه توزین شده‌ای متصل می‌باشد که حاوی ماده‌ی جاذبی است. وقتی براثر حرارت دادن محلول، گاز کربن دی اکسید آزاد یم‌شود وارد لوله جاذبه شده و به طور گزینشی نگهداری می‌شود. با توجه به اختلاف وزن لوله قبل و بعد از جذب CO2، مقدار سدیم هیدروژن کربنات محاسبه می شود.

در روش‌های رسوبی غالباً آنالیت را به صورت محلول در می‌آورند و سپس عملیات بعدی را بر روی آن انجام می‌دهند. معذلک برای نمونه‌هایی که در «محلول» گازی نیز قرار دارند می‌توان از این روش استفاده کرد. به عنوان مثال، برای اندازه‌گیری مقادیر بسیار کم کربن و هیدروژن موجود در مواد آلی، نمونه را در مجاورت اکسیژن خالص ( ترجیحاً در حضور کاتالیزوری‌هایی مانند CuO، PbCrO4 یا Co3O4 در دمای C ْ 900 می‌سوزانند. کربن موجود در ماده آلی به CO2 و  هیدروژن نیز به H2O تبدیل می‌گردد.

اصول تجزیه حجمی و تیتراسیون اسید ـ باز تک عاملی

روشهای حجمی دسته بزرگ و قدرتمندی از روش‌های کمی را تشکیل می‌دهند که کاربرد وسیعی در شیمی تجزیه دارند. روش‌های حجمی یکی از سه نوع تیترسنجی را تشکیل می‌دهند که در آن تجزیه‌ها براساس اندازه‌گیری مقدار معرف با غلظت معلوم که توسط آنالیت مصرف می شود، می‌باشد. دو نوع دیگر تیترسنجی عبارت‌اند از وزنی (گراویمتری) و کولومتری. در روش تیترسنجی حجمی، حجم محلولی با غلظت مشخص اندازه‌گیری می‌شود که برای واکنش کامل با آنالیت مورد نیاز است. تیترسنجی وزنی فقط از این جهت فرق دارد که وزن واکنشگر به جای حجم آن اندازه‌گیری می‌شود. در تیترسنجی کولومتری، واکنشگر مورد نیاز برای واکنش کامل با آنالیت از طریق جریان الکتریکی مستقیم تولید می شود و زمان لازم برای کامل شدن واکنش الکتروشیمیایی اندازه‌گیری می‌شود.

در این مبحث و مبحث بعدی، اصول تیتراسیون، نحوه انجام محاسبات حجمی، منحنیهای تیتراسیون و کاربردهای آن را در تجزیه تشریح می‌کنیم.

تیتراسیون عبارت است از اندازه‌گیری حجم دقیق یک محلول با غلظت کاملاً مشخص، به نام محلول استاندارد، که برای انجام واکنش با مقدار معلومی از جسم مورد تجزیه لازم است. محلول استاندار را تیترکننده و جسم مورد تجزیه را تیتر شونده گویند. معمولاً ( ولی نه همیشه) محلول استاندارد را درون بورت یا وسیله دیگر اندازه‌گیری حجم می‌ریزند. هدف از انجام یک تیتراسیون عبارت است از افزودن تدریجی و با احتیاط تیتر کننده به محلول حاوری تیتر شونده تا هنگامی که واکنش بین این دو کامل شود. سپس حجم مورد نیاز برای کامل شدن واکنش را با توجه به اختلاف بین درجه شروع و درجه پایانی بورت اندازه‌گیری کرده و براساس آن محاسبات حجمی را انجام می‌دهند.

نقطه هم‌ارزی در یک تیتراسیون هنگامی فرا می‌رسد که مقدار تیتر کننده اضافه شده، از لحاظ شیمیایی دقیقاً برابر مقدار آنالیت موجود در نمونه باشد. مثلاً در تیتراسیون سدیم کلرید با نقره نیترات، نقطه هم ارزی هنگامی فرا می‌رسد که به ازای هر مول یون کلرید موجود در نمونه یک مول یون نقره افزوده باشیم. با نقطه هم‌ارزی سولفوریک اسید با سدیم هیدروکسید وقتی فرا می رسد که به ازای هر مول اسید، دو مول باز اضافه کرده باشیم.

گاهی اوقات مناسب‌تر و یا حتی الزامی است که مازاد تیتر کننده استاندارد را به محلول مورد تجزیه بیفزاییم و سپس اضافی آن را توسط انجام تیتراسیون با محلول استاندارد دوم تعیین کنیم. این روش را تیتراسیون برگشتی نامند. در این روش، نقطه هم ارزی معادل با نقطه‌ای است که مقدار تیتر کننده ابتدایی از لحاظ شیمیایی با مقدار آنالیت به اضافه مقدار تیترکننده برگشتی معادل باشد.

اختلاف بین نقطه هم‌ارزی و نقطه پایانی یک تیتراسیون شایان توجه است. نقطه هم ارزی یک تیتراسیون، نقطه‌ای نظری که نمی‌تواند به طور تجربی تعیین شود. در عوض با مشاهده بعضی تغییرات فیزیکی ایجاد شده در حوالی نقطه هم ارزی می‌توان آن را فقط تخمین زد. این تغییر فیزیکی را نقطه پایانی تیتراسیون نامند. تمام تلاش بر این است تا اطمینان حاصل شود که اختلاف بین نقطه هم ارزی و نقطه پایانی کوچک باشد. لیکن به علت نارسایی در تغییرات فیزیکی و توانایی ما در مشاهده آن‌ها، تا اندازه‌ای اختلاف وجود دارد. اختلاف حجم بین نقطه هم ارزی و نقطه پایانی را خطای تیتراسیون نامند.

Et=Vep-Veq

که Vep حجم واقعی واکنشگر برای رسیدن به نقطه پایانی و Veq حجم تئوری لازم برای رسیدن به نقطه هم ارزی است.

غالباً یک شناساگر به محلول مورد تیتراسیون اضافه می شود تا یک تغییر فیزیکی قابل رؤیت ( نقطه پایانی) در حوالی نقطه هم ارزی ایجاد کند. همان طوری که بعداً خواهیم دید، تغییرت بزرگ در غلظت نسبی آنالیت یا تیتر کننده در ناحیه نقطه هم ارزی اتفاق می‌افتد. این تغییرات غلظت باعث می‌شود تا حالت ظاهری شناساگر تغییر کند. نمونه‌ای از تغییرات فیزیکی عبارت‌اند از: ظهور یا زایل شدن رنگ، تغییر رنگ، و ظهور یا زایل شدن کدورت محلول.

غالباً از دستگاه‌ها برای آشکار سازی نقاط پایینی استفاده می شوند. این دستگاه‌ها نسبت به بعضی از خواص محلول که تغییر مشخصی در خلال تیتراسیون دارند، پاسخ نشان می دهند. نمونه‌هایی از این‌گونه دستگاه‌ها عبارت‌اند از: ولت متر، آمپرمترف اهم متر، رنگ سنج، ثبات دما، هدایت سنج و جذب سنج.

یکی از عوامل تعیین کننده صحبت روش‌های تیتراسیون، صحت روش استاندارد کردن محلول‌های استاندارد است. به همین دلیل، محلول‌های استاندارد باید با دقت زیاد تهیه شود. غلظت محلول‌های استاندارد را یا به طور مستقیم و یا غیر مستقیم تعیین می‌کنند:

1. در روش مستقیم، مقداری از ترکیب شیمیایی کاملاً خالص ( به نام استاندارد اولیه) را دقیقاً توزین کرده و پس ازا نحلال در یک بالن حجمی، آنرا تا حجمی معین رقیق می‌کنند.

2. در روش غیر مستقیم، محلولی با غلظت تقریبی تهیه کرده و سپس با انجام تیتراسیون با مقدار معینی از یک استاندارد اولیه مناسب، غلظت آن را به دست می‌آورند. این روش که در آن غلظت یک محلول توسط انجام تیتراسیون تعیین می‌شود، استاندارد کردن و محلول مورد نظر را محلول استاندارد نامند.