Was ist Titration?

Die Titration ist eine Analysetechnik, die die quantitative Bestimmung einer bestimmten, in einer Probe gelösten Substanz durch Zugabe eines Reagens mit bekannter Konzentration ermöglicht. Sie basiert auf einer vollständigen chemischen Reaktion zwischen der Substanz (Analyt) und einem Reagenz (Titriermittel).

Das Titriermittel wird zugegeben, bis die Reaktion abgeschlossen ist. Für eine titrimetrische Bestimmung muss das Ende der Titrationsreaktion leicht zu beobachten sein. Hierzu eignen sich Techniken die den entsprechenden End- oder Umschlagspunkt anzeigen, z.B. durch Potentiometrie (Potentialmessung mit einem Sensor) oder durch eine Farbänderung (durch einen Indikator).

Die Messung des abgegebenen Titriermittelvolumens ermöglicht die Berechnung des Analytgehalts auf der Grundlage der Stöchiometrie der chemischen Reaktion. Um genau zu sein, sollte eine Titrationsreaktion schnell, vollständig, eindeutig und beobachtbar sein.

Die klassische Titration wird durch manuelle Zugabe von Titriermittel unter Verwendung eines Hahns mit einem graduierten Glaszylinder durchgeführt, der als Bürette bekannt ist. Die moderne automatisierte Titration hingegen ermöglicht eine genaue, wiederholbare Zugabe von Titriermittel und eine robustere Darstellung des Potentials gegenüber dem Titriermittelvolumen. Dennoch ist die manuelle Titration in vielen Labors auf der ganzen Welt nach wie vor eine wichtige Methode (siehe manuelle vs. automatisierte Titration unten). Die grundlegende Theorie hinter der manuellen und der automatischen Titration ist die gleiche.

Weitere Informationen darüber, was Titration ist, finden Sie im Leitfaden Grundlagen der Titration.

• Warum ist Titration wichtig und wie wird sie in der Industrie eingesetzt?
• Was sind die Arten der Titration?
• Was sind die Vorteile der Titration?
• Was sind die Unterschiede zwischen manueller und automatischer Titration?
• Was ist eine Titrationskurve?
• Was ist der Unterschied zwischen Endpunkt- und Äquivalenzpunkt-Titration?
• Wie berechnet man die Molarität / Molaritätsgleichung / molare Konzentration?
• Wie erhalte ich genaue Titrationsergebnisse?
• Grundlegende Terminologie in der Titration

Die Titration ist eine schnelle, genaue und bewährte Analysetechnik, die in der Forschung, Produktentwicklung und Qualitätskontrolle weit verbreitet ist. Im Vergleich zu bestimmten anderen Analysemethoden ist sie kostengünstig, hochpräzise und lässt einen hohen Automatisierungsgrad zu. Diese Faktoren können die Produktivität der Arbeitsabläufe verbessern, da die Titration auch von Anwendern ohne spezielle Chemiekenntnisse durchgeführt werden kann. Zu den Branchen, in denen die Titrationschemie eingesetzt wird, gehören Landwirtschaft, Biotechnologie, Chemikalien, Kosmetika, Elektronik, Lebensmittel und Getränke, Farben und Pigmente, Papier und Zellstoff, Petrochemie und Pharmazeutika.

• Die Titration ist eine gut etablierte Analysetechnik: Die Titration ist eine der ältesten und am häufigsten verwendeten quantitativen Analysemethoden. Manuelle, halbautomatische und vollautomatische Titrationen wurden in großem Umfang entwickelt und werden in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt.
  
• Es ist ein schnelles Verfahren: Bei der manuellen Titration werden lediglich eine Bürette, ein Titriermittel und ein geeigneter Endpunktindikator benötigt. Das Titriermittel wird der Probe in der Bürette zugesetzt, bis die Reaktion vollständig und leicht zu beobachten ist. Die Messung des abgegebenen Titriermittelvolumens ermöglicht die Berechnung des Gehalts des Analyten auf der Grundlage der Stöchiometrie der chemischen Reaktion.
  Automatische Titrationen sind sogar noch schneller und tragen zu einer erheblichen Zeitersparnis bei. Die Automatisierung ermöglicht einen hohen Durchsatz bei minimalem Bedienaufwand und unterstützt den Anwender in Bezug auf Qualität und Datensicherheit, indem sie die Reproduzierbarkeit verbessert und Transkriptionsfehler vermeidet. Die Automatisierung steigert die Produktivität und erhöht die Effizienz.
  
• Sehr genaue und präzise Technik: Zunächst wurden nur die Titrationen durchgeführt, die bei Erreichen des Endpunkts einen signifikanten Farbwechsel zeigten. Später wurden die Titrationen mit einem Indikatorfarbstoff künstlich eingefärbt. Die erreichte Präzision hing hauptsächlich von den Fähigkeiten des Chemikers ab, insbesondere von seiner Fähigkeit, verschiedene Farben zu erkennen. Heutzutage hat sich die Titration stark weiterentwickelt: Manuelle und später motorbetriebene Kolbenbüretten ermöglichen eine genaue und wiederholbare Titriermittelzugabe. Elektrochemische Sensoren ersetzen die Farbindikatoren, wodurch eine höhere Präzision und Genauigkeit der Ergebnisse erreicht wird. Die grafische Darstellung des Potenzials im Verhältnis zum Titriermittelvolumen und die mathematische Auswertung der resultierenden Titrationskurve liefern eine genauere Aussage über die Reaktion als der Farbwechsel am Endpunkt. Mit Mikroprozessoren kann die Titration automatisch gesteuert und ausgewertet werden, was einen wichtigen Schritt in Richtung Automatisierung darstellt.
  
• Höchster Automatisierungsgrad möglich: Ein Titrator ist ein Instrument, das die Automatisierung aller an der Titration beteiligten Vorgänge ermöglicht: Zugabe von Titriermittel, Überwachung der Reaktion (Signalerfassung), Erkennung des Endpunkts, Datenspeicherung, Berechnung und Speicherung der Ergebnisse. Alles, was der Bediener tun muss, ist, die Proben auf das Rack des Titrators zu legen und die Methode zu starten.
  -Erfahren Sie mehr über die Möglichkeiten und Vorteile der Automatisierung mit unserem Titration Automation Guide
  
• Automatisierte Titrationen können auch von gering qualifizierten und geschulten Bedienern verwendet werden: Bei manuellen Titrationen befolgt ein Labortechniker ein detailliertes, standardisiertes Verfahren (oder eine Methode) und wendet seine Fähigkeiten und Kenntnisse auf die Aufgabe an. Die Ergebnisse werden dann berechnet und dokumentiert.
  Automatisierte Titrationen sind einfach durchzuführen und erfordern keine hochspezialisierten chemischen Kenntnisse. Die Titrationsmethoden werden einmal programmiert und können von jedem Benutzer durch einfachen Tastendruck wiederverwendet werden. Die Ergebnisse werden dann automatisch generiert.
  
• Gutes Preis-/Leistungsverhältnis im Vergleich zu anspruchsvolleren Techniken.

Die Titration ist ein quantitatives Analyseverfahren, das zur Bestimmung der unbekannten Konzentration eines Analyten von Interesse (der zu analysierenden Substanz) verwendet wird. Sie wird durchgeführt, indem eine genau bekannte Menge einer Substanz (dem "Titrant"), die mit unserem Analyten in einem bestimmten Verhältnis reagiert, schrittweise zu der zu analysierenden Probe gegeben wird. Die Messung des dosierten Titriermittels ermöglicht die Berechnung des Gehalts des Analyten auf der Grundlage der Stöchiometrie der chemischen Reaktion.

Das Titriermittel wird so lange zugegeben, bis die chemische Reaktion abgeschlossen ist und das Ende der Titrationsreaktion durch geeignete Techniken (z.B. Potentiometrie oder Farbänderung eines geeigneten Indikators) leicht nachgewiesen werden kann. Die an einer Titration beteiligte Reaktion muss also schnell, vollständig, eindeutig und beobachtbar sein.

Für weitere Informationen und einen Vergleich sehen Sie bitte hier nach:

Titrationskurven veranschaulichen den qualitativen Verlauf einer Titration. Sie ermöglichen eine schnelle Beurteilung der Titrationsmethode. Es wird zwischen logarithmischen und linearen Titrationskurven unterschieden.

Die Titrationskurve hat grundsätzlich zwei Variablen:

• Das Volumen des Titriermittels als unabhängige Variable. Das Signal der Lösung, z.B. der pH-Wert bei Säure/Base-Titrationen als abhängige Variable, die von der Zusammensetzung der beiden Lösungen abhängt.
• Die Titrationskurven können 4 verschiedene Formen annehmen und sollten mit den entsprechenden Auswertealgorithmen analysiert werden. Diese vier Formen sind: die symmetrische Kurve, die asymmetrische Kurve, die Minimum/Maximum-Kurve und die segmentierte Kurve.

Endpunkt-Titrierungsmodus (EP):

Der Endpunktmodus entspricht dem klassischen Titrationsverfahren: Das Titriermittel wird zugegeben, bis das Ende der Reaktion beobachtet wird, z.B. durch einen Farbwechsel eines Indikators. Mit einem automatischen Titrator wird die Probe titriert, bis ein vordefinierter Wert erreicht wird, z.B. pH = 8,2.

Äquivalenzpunkt-Titration (EQP):

Der Äquivalenzpunkt ist der Punkt, an dem der Analyt und das Reagenz in genau der gleichen Menge vorhanden sind. Häufig ist er praktisch identisch mit dem Wendepunkt der Titrationskurve, z.B. bei Titrationskurven, die aus Säure/Base-Titrationen gewonnen werden. Der Wendepunkt der Kurve wird durch den entsprechenden pH- oder Potentialwert (mV) und den Titriermittelverbrauch (mL) definiert. Der Äquivalenzpunkt wird anhand des Verbrauchs von Titriermittel mit bekannter Konzentration berechnet. Das Produkt aus der Konzentration des Titriermittels und dem Titriermittelverbrauch ergibt die Menge der Substanz, die mit der Probe reagiert hat. In einem Autotitrator werden die gemessenen Punkte nach bestimmten mathematischen Verfahren ausgewertet, die zu einer ausgewerteten Titrationskurve führen. Der Äquivalenzpunkt wird dann aus dieser ausgewerteten Kurve berechnet.

Die Stoffmengenkonzentration einer Lösung einer Einheit X (Symbol c(X)) ist die Menge des Stoffes n geteilt durch das Volumen V der Lösung.

N ist die Anzahl der im Volumen V (in Litern) vorhandenen Moleküle, das Verhältnis N/V ist die Anzahlkonzentration C, und N_A ist die Avogadro-Konstante, etwa 6,022×10²³ mol⁻¹.

Die üblichen Einheiten, die in der Analyse verwendet werden, sind mol/L und mmol/L.

Um präzise und genaue Titrationsergebnisse zu erhalten, müssen Sie wissen, wie Sie Faktoren, die die Genauigkeit negativ beeinflussen können, minimieren können, und die richtige Titrationsmethode wählen.

Die Verringerung von Faktoren, die sich negativ auf die Genauigkeit der Ergebnisse auswirken, erfordert ein Verständnis für die Arten von Fehlern, die bei allen Messaktivitäten auftreten können: systematische Fehler, zufällige Fehler und Fehler im Arbeitsablauf.

Systematische Fehler

Ein systematischer Fehler ist ein Fehler, der konstant ist oder aufgrund eines konstanten Fehlers während der Analyse abdriftet. Zu den typischen systematischen Fehlern bei der Titration gehören:

• Falsche Analysemethode oder Titrationsformel
• Probenahmefehler oder falsche Probengrößen aufgrund eines konsistenten, unerkannten Wägefehlers
• Falsche oder fehlende Blindwerte, falsche Sensoreinstellung
• Zu hohe Geschwindigkeit für die Reaktion oder Elektrodenreaktion

Sobald die Quelle eines systematischen Fehlers in einem Titrationsprozess identifiziert wurde, ist er in der Regel leicht zu korrigieren.

Zufällige Fehler

Ein zufälliger Fehler ist eine Komponente des Gesamtfehlers, die auf unvorhersehbare Weise schwankt und in der Regel schwieriger zu identifizieren ist. Typische Ursachen für zufällige Fehler bei der Titration sind unter anderem:

• Schlechte Handhabung der Probe
• Ungeeignete Ausrüstung (niedrige Auflösung der Waage, falsche Glassorte, usw.)
• Falsche Methodenparameter (zu große Inkremente, unzureichende Wartezeit)
• Blasen in Bürettenröhrchen oder ineffektives Spülen zwischen den Proben
• Mangelnde Schulung des Bedieners oder inkonsistente Umgebungsbedingungen

Wenn die Quelle eines Zufallsfehlers nicht identifiziert werden kann, muss die Anzahl der Wiederholungen erhöht werden, um einen zuverlässigeren Mittelwert zu erhalten. Dies führt in der Regel zu einer Verschwendung von Proben, Reagenzien und Zeit.

Workflow-Fehler

Diese Art von Fehlern ist oft zeitaufwendig und gelegentlich sehr teuer, insbesondere wenn Zeit- oder Kostendruck besteht. Typische Workflow-Fehler sind:

• Notations-/Transkriptionsfehler (z.B. Kopieren von Daten, falsche Beschriftung von Proben)
• Berechnungsfehler
• Verwechslung von Proben und/oder Reagenzien
• Falsche Probengrößen
• Fehler bei der Einrichtung des Systems, der Bedienung des Geräts oder der Reinigung (z.B. keine Beseitigung von Luftblasen in den Leitungen)

Durch eine Kombination aus Benutzerschulung, Einhaltung der SOPs und fortschrittlichen Maßnahmen zur Rückverfolgbarkeit und Integrität der Daten lassen sich Fehler im Arbeitsablauf drastisch reduzieren.

Handhabung von Proben

Fehler bei der Handhabung der Proben sind vielleicht die größte Fehlerquelle in einem Titrationsarbeitsablauf. Beispiele hierfür sind die Homogenität der Probe, Probleme bei der Lagerung, eine falsche Probengröße und Wiegefehler.

Was die Größe betrifft, so sollte die Probe groß genug sein, um repräsentativ zu sein, aber nicht so groß, dass wiederholte Bürettenfüllungen während der Titration notwendig werden. Die ideale Titration sollte einen Titriermittelverbrauch zwischen 30 und 80% eines einzelnen Bürettenvolumens ergeben. Wenn die Inhomogenität der Probe eine größere Menge erfordert, sollte ein konzentrierteres Titriermittel verwendet werden.

Die Probe sollte auch groß genug sein, damit die Fehler bei der Probenmessung minimiert werden. Dies erfordert in der Regel eine geeignete Waage und die Sicherstellung, dass die Probengröße die Mindestanforderungen der Waage an das Nettogewicht der Probe übersteigt. Das Mindestgewicht ist in der Regel ein Faktor Ihrer gewünschten oder vorgegebenen Prozesstoleranz für das Wiegen. Die USP41 gibt beispielsweise einen maximal zulässigen Fehler von 0,1% bei den Wägeergebnissen vor. Um ein genaues Wägen zu gewährleisten, sollten Ihre individuellen Prozesstoleranzen 2 bis 4 Mal kleiner sein, um eine angemessene Sicherheitsmarge zu gewährleisten. Für nicht USP-regulierte Industrien ist 1% eine typische Prozesstoleranz.

Wenn Sie zum Beispiel ein KF-Titriermittel mit Dinatriumtartrat-Dehydrat standardisieren, ist aufgrund der Löslichkeit von Methanol normalerweise eine Probe von 50 mg erforderlich. Um eine Wägeunsicherheit von weniger als 0,1% zu gewährleisten, ist eine Waage mit einer Ablesbarkeit von mindestens 0,01 mg erforderlich. Wenn jedoch reines Wasser verwendet wird, um ein KF-Reagenz zu standardisieren und einen angemessenen Verbrauch an Titriermittel sicherzustellen, müssen 7,5 bis 20 mg Wasser verwendet werden. In diesem Fall erfüllt eine Waage mit einer Ablesbarkeit von 0,01 mg möglicherweise nicht die USP-Richtlinien für genaues Wägen bei Probengewichten über 14 mg. Im Falle von flüssigen Proben müssen auch die entsprechenden Glasgeräte oder volumetrischen Apparate verwendet werden, und es muss darauf geachtet werden, dass Fehler bei der Handhabung vermieden werden. Um vermeidbare Fehlerquellen bei Titrationsmethoden zu minimieren, laden Sie unser kostenloses Poster herunter und erfahren Sie, wie Sie Titrationsfehler erkennen und vermeiden können.

Die folgenden Titrationsdefinitionen können es Ihnen erleichtern, alles Wissenswerte über die Titration zu erfahren.

Analyte: Spezifische chemische Spezies in einer Probe, deren Gehalt oder Menge durch Titration bestimmt wird.

Ende der Titration: Der gewünschte Endpunkt oder Äquivalenzpunkt, an dem die Titration beendet und der Titriermittelverbrauch bewertet wird. Während der gleichen Titration kann mehr als ein Äquivalenzpunkt auftreten.

Endpunkt: Der Punkt, an dem das Ende der Titrationsreaktion beobachtet wird (in der Regel durch einen Farbwechsel oder einen anderen Titrationsindikator). Die Definition der Titration zusammen mit ihrem Endpunkt stellt die klassische Technik dar.

Äquivalenzpunkt: Der Punkt, an dem die Anzahl der Einheiten (Äquivalente) des zugegebenen Titriermittels gleich der Anzahl der Einheiten des Probenanalyten ist.

Indikation: Das Verfahren, um die Reaktion zu verfolgen und das Ende der Titration zu erkennen. Im Allgemeinen wird die Indikation mit Hilfe der Potentiometrie (Elektroden) oder Farbindikatoren durchgeführt.

Parallaxe: Der Unterschied in der scheinbaren Position eines Objekts in Abhängigkeit von der Sichtlinie des Beobachters. Bei der Titration muss dieses Phänomen bei der visuellen Beobachtung von flüssigen Menisken in einer Bürette berücksichtigt werden.

Primärstandard: Eine zertifizierte, hochreine Substanz, die für die genaue Bestimmung der Konzentration eines Titranten verwendet wird.

Signalerfassung: Die Signalerfassung ist die Überwachung von physikalischen Phänomenen, um digitale oder numerische Werte an bestimmten Punkten zu erhalten (z.B. Endpunkt eines Titrationsexperiments oder Äquivalenzpunkt).

Standardisierung: Die Verwendung einer hochreinen chemischen Referenzsubstanz (Standard) zur Bestimmung der Titriermittelkonzentration.

Stöchiometrie: Das Mol/Masse-Verhältnis zwischen Reagenzien und Produkten bei der Titration. Titrationsreagenzien reagieren nach festen Beziehungen. Wenn also die Menge der einzelnen Reaktanten bekannt ist, kann die Menge des Produkts berechnet werden. Wenn die Menge eines Reaktanten bekannt ist und die Menge der Produkte bestimmt werden kann, kann auch die Menge der anderen Reaktanten berechnet werden.

Titriermittel: Eine Lösung eines bestimmten chemischen Reagenzes, die in Bezug auf die Konzentration standardisiert ist, damit sie für eine genaue Titration verwendet werden kann.

Titration: Eine quantitative chemische Analyse, bei der eine bestimmte Menge an Titriermittel quantitativ mit der zu analysierenden Probenverbindung reagiert. Aus dem Volumen des verbrauchten Titriermittels wird die Menge der Probenverbindung auf der Grundlage der Stöchiometrie der Testreaktion berechnet. Auch bekannt als Volumetrie oder Titrimetrie.

Titrationskurve: Titrationskurven veranschaulichen den qualitativen Verlauf einer Titration. Die Kurve verwendet im Allgemeinen das Volumen des Titriermittels als unabhängige Variable und die Lösung als abhängige Variable. Eine Kurve ermöglicht eine schnelle Bewertung der Titrationsmethode. Es gibt vier Formen von Kurven: symmetrisch, asymmetrisch, Minimum/Maximum und segmentiert.

Titrationszyklus: Der Zyklus, der durchgeführt und wiederholt wird, bis der Endpunkt oder der Äquivalenzpunkt der Titrationsreaktion erreicht ist. Der Titrationszyklus besteht hauptsächlich aus vier Schritten: Zugabe des Titriermittels, Titrationsreaktion, Signalerfassung und Auswertung.

Titrationsgleichung: Eine Reihe von Titrationsformeln, die die Berechnung der Massenmolarität von festen Proben, der Konzentration von Säure- und Basenlösungen, der Konzentration von verdünnten Lösungen und des Titriermittelverbrauchs nach einer direkten Titration ermöglichen. Zur einfachen Berechnung von Titrationsergebnissen besuchen Sie unseren Titrationsrechner.

Titrationstheorie: Die Titrationstheorie befasst sich mit der Bestimmung eines Produkts in Abhängigkeit von seiner Konzentration durch Beobachtung einer Titrationsreaktion mit Hilfe physikalischer oder elektrochemischer Methoden. Die genaue Kenntnis der Konzentration einer Spezies, eines Produkts oder einer chemischen Funktion hilft dabei, die Prozesseffizienz und/oder die Produktqualität sicherzustellen.