การไทเทรตกรด-เบส — ขั้นตอน การคำนวณ และอินดิเคเตอร์

การไทเทรตกรด-เบสเป็นวิธีหาความเข้มข้นที่ไม่ทราบค่าของกรดหรือเบส โดยให้มันทำปฏิกิริยากับสารละลายมาตรฐานที่ทราบความเข้มข้นแน่นอน เราจะเติมสารละลายมาตรฐานจนปฏิกิริยาไปถึง จุดสมมูล ซึ่งเป็นจุดที่กรดและเบสทำปฏิกิริยากันในอัตราส่วนโมลที่ตรงตามสมการเคมีที่ดุลแล้วพอดี

ในการทดลองทั่วไป คุณจะตวงตัวอย่าง เติมไทแทรนต์จากบิวเรตต์ สังเกตจุดยุติ แล้วใช้ปริมาตรของไทแทรนต์มาคำนวณหาความเข้มข้นที่ไม่ทราบค่า ถ้าปฏิกิริยาเป็นแบบ $1{:}1$ สามารถใช้สูตรลัด $C_aV_a = C_bV_b$ ได้ แต่ถ้าไม่ใช่ $1{:}1$ ต้องเริ่มจากสมการเคมีที่ดุลแล้วก่อน

ทำไมการไทเทรตกรด-เบสจึงใช้ได้ผล

วิธีนี้ใช้ได้ผลเพราะปฏิกิริยาการเป็นกลางเป็นไปตามสโตอิชิโอเมทรี ที่จุดสมมูล ปริมาณสารที่ทำปฏิกิริยากันไม่ได้แค่ “ใกล้เคียง” กัน แต่ต้องตรงตามสมการเคมีที่ดุลแล้ว

เงื่อนไขนี้สำคัญมาก HCl และ NaOH ทำปฏิกิริยากันในอัตราส่วน $1{:}1$ แต่กรดซัลฟิวริกและโซเดียมไฮดรอกไซด์ทำปฏิกิริยากันในอัตราส่วน $1{:}2$:

$$\mathrm{H_2SO_4} + 2\mathrm{NaOH} \rightarrow \mathrm{Na_2SO_4} + 2\mathrm{H_2O}$$

ดังนั้นดูแค่ปริมาตรอย่างเดียวไม่พอ คุณต้องใช้อัตราส่วนโมลจากสมการด้วย

ขั้นตอนการไทเทรตกรด-เบสทีละขั้น

การไทเทรตในห้องเรียนหรือห้องปฏิบัติการโดยทั่วไปมักทำตามขั้นตอนดังนี้:

1. ล้างและเติมสารละลายมาตรฐานลงในบิวเรตต์
2. ใช้ปิเปตต์ตวงสารละลายที่ไม่ทราบความเข้มข้นในปริมาตรที่กำหนดลงในขวดรูปชมพู่
3. หยดอินดิเคเตอร์ที่เหมาะสมสองสามหยด หรือใช้หัววัด pH
4. เติมไทแทรนต์พร้อมกับหมุนวนขวด แล้วค่อยเติมทีละหยดเมื่อใกล้ถึงจุดยุติ
5. บันทึกค่าที่อ่านได้จากบิวเรตต์เมื่อเห็นจุดยุติ
6. ทำซ้ำจนได้ค่าไทเทอร์ที่สอดคล้องกัน

จุดยุติ คือสัญญาณที่สังเกตเห็นได้ เช่น การเปลี่ยนสี ส่วน จุดสมมูล คือจุดเชิงสโตอิชิโอเมทรีที่กำหนดโดยเคมีของปฏิกิริยา ในโจทย์แบบเรียนมักถือว่าสองจุดนี้เหมือนกัน แต่ในการทดลองจริงจะเป็นเพียงค่าที่ใกล้กันเท่านั้น

สูตรและการคำนวณการไทเทรตกรด-เบส

วิธีที่ปลอดภัยที่สุดคือเริ่มจากจำนวนโมลและสมการเคมีที่ดุลแล้ว:

$$\frac{n_{\text{acid}}}{a} = \frac{n_{\text{base}}}{b}$$

โดยที่ $a$ และ $b$ คือสัมประสิทธิ์สโตอิชิโอเมทรีจากสมการเคมีที่ดุลแล้ว

เนื่องจาก $n = CV$ จึงเขียนได้เป็น:

$$\frac{C_{\text{acid}}V_{\text{acid}}}{a} = \frac{C_{\text{base}}V_{\text{base}}}{b}$$

นี่คือความสัมพันธ์ทั่วไปของการไทเทรตกรด-เบส

ส่วนสูตรลัด

$$C_aV_a = C_bV_b$$

ใช้ได้เฉพาะเมื่อปฏิกิริยาเป็นแบบ $1{:}1$ เท่านั้น

ตัวอย่างโจทย์: หาความเข้มข้นของ HCl ที่ไม่ทราบค่า

สมมติว่าไทเทรตกรดไฮโดรคลอริกปริมาตร $25.0\ \mathrm{mL}$ ด้วยโซเดียมไฮดรอกไซด์ความเข้มข้น $0.100\ \mathrm{mol/L}$ จุดยุติเกิดขึ้นหลังจากเติม NaOH ไป $18.4\ \mathrm{mL}$ จงหาความเข้มข้นของ HCl

เริ่มจากเขียนสมการปฏิกิริยา:

$$\mathrm{HCl} + \mathrm{NaOH} \rightarrow \mathrm{NaCl} + \mathrm{H_2O}$$

นี่เป็นปฏิกิริยาแบบ $1{:}1$ ดังนั้นที่จุดสมมูล จำนวนโมลของ HCl และ NaOH จะเท่ากัน

หาจำนวนโมลของ NaOH ที่เติมไป:

$$n(\mathrm{NaOH}) = CV = 0.100 \times 0.0184 = 0.00184\ \mathrm{mol}$$

ดังนั้นตัวอย่าง HCl ก็มี:

$$n(\mathrm{HCl}) = 0.00184\ \mathrm{mol}$$

จากนั้นหารด้วยปริมาตรของกรดในหน่วยลิตร:

$$C(\mathrm{HCl}) = \frac{0.00184}{0.0250} = 0.0736\ \mathrm{mol/L}$$

ดังนั้นความเข้มข้นของกรดคือ:

$$0.0736\ \mathrm{mol/L}$$

ตัวอย่างนี้แสดงตรรกะของโจทย์ไทเทรตส่วนใหญ่: เมื่อรู้ความเข้มข้นและปริมาตรที่วัดได้ ก็หาจำนวนโมลได้ และใช้จำนวนโมลนั้นหาความเข้มข้นที่ไม่ทราบค่าได้

วิธีเลือกอินดิเคเตอร์ที่เหมาะสม

อินดิเคเตอร์ควรเปลี่ยนสีในช่วงที่กราฟการไทเทรตมีความชันมากที่สุด ถ้าช่วงการเปลี่ยนสีของมันอยู่ไกลจากช่วงที่ pH เปลี่ยนอย่างรวดเร็ว มันอาจบอกจุดยุติเร็วเกินไปหรือช้าเกินไป

สำหรับการไทเทรตกรดแก่-เบสแก่ อินดิเคเตอร์ที่ใช้กันทั่วไปหลายชนิดสามารถใช้ได้ เพราะการเปลี่ยนแปลงของ pH ใกล้จุดสมมูลมีขนาดมาก สำหรับการไทเทรตกรดอ่อน-เบสแก่ อินดิเคเตอร์ที่มีช่วงเปลี่ยนสีอยู่ด้านเบสมักเหมาะกว่า เพราะจุดสมมูลมักมีค่าเกิน $7$ ในสารละลายน้ำเจือจาง ส่วนการไทเทรตกรดแก่-เบสอ่อน อินดิเคเตอร์ที่เปลี่ยนสีในช่วงกรดมักเหมาะกว่า

หลักปฏิบัติง่าย ๆ คือ เลือกอินดิเคเตอร์ให้สอดคล้องกับกราฟการไทเทรต ไม่ใช่ดูแค่ชื่อสารรีเอเจนต์

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยในการไทเทรตกรด-เบส

ใช้ $C_aV_a = C_bV_b$ โดยอัตโนมัติ

สูตรลัดนี้ใช้ได้เฉพาะกับปฏิกิริยาแบบ $1{:}1$ เท่านั้น ถ้าสัมประสิทธิ์ต่างกัน ต้องเริ่มจากสมการเคมีที่ดุลแล้วก่อน

สับสนระหว่างจุดยุติกับจุดสมมูล

จุดยุติคือสิ่งที่คุณสังเกตเห็น ส่วนจุดสมมูลคือสิ่งที่สโตอิชิโอเมทรีกำหนด ทั้งสองควรอยู่ใกล้กัน แต่ตามนิยามแล้วไม่ใช่จุดเดียวกัน

เติมเกินเมื่อใกล้ถึงจุดยุติ

ปริมาตรส่วนใหญ่ที่ต้องใช้สามารถเติมได้อย่างปลอดภัยก่อนถึงช่วงหยดสุดท้ายไม่กี่หยด เมื่อใกล้จุดยุติ การเติมเกินเพียงหนึ่งหยดก็อาจมีผลได้

ใช้หน่วยปริมาตรปะปนกัน

ถ้าคุณคำนวณจำนวนโมลด้วย $n = CV$ ต้องใช้ความเข้มข้นเป็น $\mathrm{mol/L}$ และปริมาตรเป็น $\mathrm{L}$ ถ้าใช้รูปแบบอัตราส่วนทั้งสองข้าง หน่วยปริมาตรก็ยังต้องสอดคล้องกันอยู่ดี

การไทเทรตกรด-เบสใช้เมื่อใด

การไทเทรตกรด-เบสใช้เพื่อหาความเข้มข้นที่ไม่ทราบค่า ปรับมาตรฐานสารละลาย และตรวจสอบความเข้มข้นของตัวอย่าง นอกจากนี้ยังทำให้แนวคิดเรื่องการเป็นกลางกลายเป็นวิธีทดลองที่วัดผลได้จริง

วิธีนี้มีประโยชน์มากที่สุดเมื่อปฏิกิริยาการเป็นกลางมีความชัดเจน และสามารถตรวจจับจุดยุติได้อย่างชัดเจน

ลองทำโจทย์ที่คล้ายกัน

เปลี่ยนตัวอย่างโจทย์โดยให้ปริมาตร NaOH เป็น $22.0\ \mathrm{mL}$ แทน $18.4\ \mathrm{mL}$ แล้วลองแก้อีกครั้ง หลังจากนั้นลองกรณีที่ไม่ใช่ $1{:}1$ เช่น $\mathrm{H_2SO_4}$ กับ NaOH แล้วสังเกตว่าการตั้งโจทย์เปลี่ยนไปก่อนที่การคำนวณเลขจะเปลี่ยน