Что такое титрование?

Титрование — это аналитический метод, который позволяет определить количество конкретного вещества, растворенного в образце, путем добавления реагента с известной концентрацией. Он основан на полной химической реакции между веществом (аналитом) и реагентом (титрантом).

Титрант добавляют до завершения реакции. Чтобы быть пригодным для определения, окончание реакции титрования должно быть легко наблюдаемым при мониторинге (индикации) с помощью соответствующих методов, например потенциометрии (измерение потенциала с помощью датчика) или через изменение цвета.

Измерение объема дозированного титранта позволяет рассчитать содержание аналита на основе стехиометрии химической реакции. Для обеспечения точности реакция титрования должна быть быстрой, полной, однозначной и наблюдаемой.

В то время как классическое титрование проводилось путем ручного добавления титранта с помощью градуированной стеклянной трубки с краном, известной как бюретка, современное автоматизированное титрование обеспечивает точное, воспроизводимое добавление титранта и более надежный график зависимости потенциала от объема титранта. Тем не менее, ручное титрование остается основным методом во многих лабораториях по всему миру (см. ручное и автоматизированное титрование ниже). Основная теория, лежащая в основе ручного и автоматизированного титрования, одинакова.

Более подробную информацию о том, что такое титрование, можно найти в руководстве  "Основы титрования".

• В чем ценность титрования? Как оно используется в промышленности?
• Какие виды титрования существуют?
• Каковы преимущества титрования?
• Каковы различия между ручным и автоматизированным титрованием?
• Что такое кривая титрования?
• В чем разница между конечной точкой и точкой эквивалентности титрования?
• Как рассчитать молярность / уравнение молярности / молярную концентрацию?
• Как добиться точных результатов титрования?
• Основная терминология в области титрования

Титрование - это быстрый, точный и устоявшийся аналитический метод, который широко применяется в исследованиях, разработке продуктов и контроле качества. По сравнению с некоторыми другими аналитическими методами, оно является экономически эффективным, высокоточным и допускает высокую степень автоматизации. Эти факторы могут облегчить повышение производительности рабочего процесса, поскольку титрование может выполняться операторами без специальных знаний в области химии. Отрасли, в которых используется химия титрования, включают сельское хозяйство, биотехнологии, химикаты, косметику, электронику, продукты питания и напитки, краски и пигменты, бумагу и целлюлозу, нефтехимию и фармацевтику.

• Титрование - это хорошо зарекомендовавший себя аналитический метод. Титрование - один из старейших и наиболее часто используемых методов количественного анализа. Ручное, полуавтоматическое и полностью автоматизированное титрование применяется в широком спектре отраслей промышленности.
  
• Высокая скорость процедуры. Для ручного титрования единственными необходимыми инструментами являются бюретка, титрант и подходящий индикатор конечной точки. Титрант добавляется к образцу в бюретке до тех пор, пока реакция не завершится и не станет легко наблюдаемой. Измерение объема дозированного титранта позволяет рассчитать содержание аналита на основе стехиометрии химической реакции.
  Автоматическое титрование происходит еще быстрее, что позволяет сэкономить значительное количество времени. Автоматизация обеспечивает высокую пропускную способность при минимальных усилиях оператора и обеспечивает высокое качество и безопасности данных, улучшая воспроизводимость и избегая ошибок транскрипции. Автоматизация повышает производительность и эффективность титрования.
  
• Очень точная техника. Сначала проводили только те операции титрования, которые показывали значительное изменение цвета при достижении конечной точки. Позже титрование окрашивалось искусственно с помощью индикаторного красителя. Достигнутая точность зависела в основном от навыков химика и, в частности, от его способности воспринимать различные цвета. В настоящее время титрование сильно развилось: ручные, а позже поршневые бюретки с моторным приводом позволяют точно и воспроизводимо добавлять титранты. Электрохимические датчики заменяют цветовые индикаторы, что позволяет достичь более высокой точности и достоверности результатов. График зависимости потенциала от объема титранта и математическая оценка полученной кривой титрования дает более точное заключение о реакции, чем изменение цвета в конечной точке. С помощью микропроцессоров титрование может контролироваться и оцениваться автоматически, что представляет собой важный шаг на пути к автоматизации.
  
• Максимально возможная степень автоматизации. Титратор - это прибор, который позволяет автоматизировать все операции, связанные с титрованием: добавление титранта, наблюдение за реакцией (получение сигнала), распознавание конечной точки, сбор данных, расчет и хранение результатов. Все, что нужно сделать оператору, - это поместить образцы на штатив титратора и запустить метод.
  -Узнайте больше о возможностях и преимуществах автоматизации титрования.
  
• Автоматизированное титрование может использоваться низкоквалифицированными и обученными операторами. В случае ручного титрования лаборант следует подробной, стандартизированной процедуре (или методу) и применяет свои навыки и знания для выполнения задачи. Затем результаты рассчитываются и документируются.
  Автоматизированное титрование выполняется просто и не требует узкоспециализированных химических знаний. Методы титрования программируются один раз и могут быть повторно использованы любым пользователем простым нажатием кнопки. Результаты генерируются автоматически.
  
• Хорошее соотношение цена/производительность по сравнению с более сложными методами.

Титрование - это количественный аналитический метод, используемый для определения неизвестной концентрации интересующего аналита (анализируемого вещества). Он выполняется путем постепенного добавления точно известного количества вещества (титранта), которое реагирует с аналитом в определенной пропорции, к образцу, который необходимо проанализировать. Измерение объема дозированного титранта позволяет рассчитать содержание аналита на основе стехиометрии химической реакции.

Титрант добавляют до завершения химической реакции, и окончание реакции титрования легко обнаружить с помощью соответствующих методов (например, потенциометрии или изменения цвета подходящего индикатора). Поэтому реакция, участвующая в титровании, должна быть быстрой, полной, однозначной и наблюдаемой.

Для получения дополнительной информации воспользуйтесь ссылкой ниже:

Кривые титрования иллюстрируют качественный ход титрования. Они позволяют быстро оценить метод титрования. Различают логарифмические и линейные кривые титрования.

Кривая титрования имеет в основном две переменные:

• Объем титранта как независимая переменная. Сигнал раствора, например, pH для кислотного/основного титрования, как зависимая переменная, которая зависит от состава двух растворов.
• Кривые титрования могут принимать 4 различные формы и должны анализироваться с помощью соответствующих алгоритмов оценки. Эти формы могут быть следующими: симметричная кривая, асимметричная кривая, кривая минимум/максимум и сегментированная кривая.

Титрование по конечной точке (EP):

Такой режим представляет собой классическую процедуру титрования: титрант добавляется до тех пор, пока не будет наблюдаться окончание реакции, например, по изменению цвета индикатора. При использовании автоматического титратора образец титруется до достижения заранее определенного значения, например pH = 8,2.

Титрование по точке эквивалентности (EQP):

Точка эквивалентности — это точка, в которой аналит и реагент присутствуют в абсолютно одинаковых количествах. В большинстве случаев она практически совпадает с точкой перегиба кривой титрования, например, полученной при титровании кислот/оснований. Точка перегиба кривой определяется соответствующим значением pH или потенциала (мВ) и расходом титранта (мл). Точка эквивалентности рассчитывается по расходу титранта известной концентрации. Произведение концентрации титранта и расхода титранта дает количество вещества, вступившего в реакцию с образцом. В автотитраторе измеренные точки оцениваются в соответствии со специальными математическими процедурами, которые приводят к построению кривой титрования. Затем по этой кривой рассчитывается точка эквивалентности.

Концентрация количества вещества в растворе вещества X (символ c(X)) - это количество вещества n, поделенное на объем V раствора.

N - это число молекул, присутствующих в объеме V (в литрах), отношение N/V - это числовая концентрация C, а N_A - постоянная Авогадро, приблизительно 6,022×10²³ моль⁻¹.

Стандартными единицами, используемыми в анализе, являются моль/л и ммоль/л.

Получение точных и достоверных результатов титрования требует понимания того, как минимизировать факторы, негативно влияющие на точность, а также выбора правильного метода титрования.

Снижение влияния негативных факторов требует понимания типов ошибок, которые могут присутствовать в любом измерительном процессе: систематические ошибки, случайные ошибки и ошибки рабочего процесса.

Систематические ошибки

Систематическая ошибка - это постоянная или дрейфующая повторяющаяся ошибка анализа. Типичные систематические ошибки при титровании включают:

• Неправильный аналитический метод или неверная формула титрования
• Ошибки отбора проб или неправильные размеры проб из-за постоянной, нераспознанной ошибки взвешивания
• Ложные или отсутствующие холостые значения, неправильная настройка датчика
• Слишком высокая скорость реакции или работы электрода

Как только источник систематической ошибки в процессе титрования определен, ее обычно легко исправить.

Случайные ошибки

Случайная ошибка - это компонент общей ошибки, который изменяется непредсказуемым образом, и его обычно труднее определить. Типичные источники случайных ошибок при титровании:

• Плохая обработка образца
• Неадекватное оборудование (низкое разрешение весов, неправильный тип стеклянной посуды и т.д.)
• Неправильные параметры метода (слишком большие приращения, недостаточное время ожидания)
• Пузырьки в пробирках бюретки или неэффективная промывка между пробами
• Недостаточная подготовка оператора или несоответствующие условия окружающей среды

Если источник случайной ошибки не может быть идентифицирован, необходимо увеличить количество повторов для получения более достоверного среднего значения. Это, как правило, приводит к напрасной трате образца, реагентов и времени.

Ошибки рабочего процесса

Этот тип ошибок часто отнимает много времени, а иногда его отслеживание обходится очень дорого, особенно в условиях дефицита времени или бюджета. Типичные ошибки рабочего процесса включают:

• Ошибки обозначения/переписывания (например, копирование данных, неправильная маркировка образцов)
• Ошибки в расчетах
• Смешивание образцов и/или реагентов
• Неправильные размеры образцов
• Ошибки при настройке системы, эксплуатации прибора или очистке (например, не удалены пузырьки из линий).

Сочетание обучения пользователей, соблюдения СОП и передовых мер по отслеживанию и обеспечению целостности данных позволит значительно сократить количество ошибок в рабочем процессе.

Обработка проб

Работа с пробами является, пожалуй, самым большим источником ошибок в рабочем процессе титрования. В качестве примера можно привести однородность пробы, проблемы с хранением, неправильный размер пробы и ошибки взвешивания.

Что касается размера пробы, то она должна быть достаточно большой, чтобы быть репрезентативной. Но не слишком большой, чтобы во время титрования не возникала необходимость в повторном наполнении бюретки. Идеальное титрование должно давать расход титранта от 30 до 80% объема одной бюретки. Если неоднородность требует, чтобы образец был больше, то следует использовать более концентрированный титрант.

Образец также должен быть достаточно большим, чтобы ошибки измерения образца были сведены к минимуму. Для этого обычно требуются подходящие весы: необходимо, чтобы размер образца превышал минимальный вес образца нетто, установленный весами. Минимальный вес обычно зависит от желаемого или заданного технологического допуска на взвешивание. Например, USP41 устанавливает максимально допустимую погрешность результатов взвешивания в 0,1%. Для обеспечения точного взвешивания, индивидуальные технологические допуски должны быть в 2-4 раза меньше, чтобы обеспечить достаточный запас прочности. Для отраслей промышленности, не регулируемых USP, типичным технологическим допуском является 1%.

Например, при стандартизации титранта КФ с дегидратом тартрата натрия обычно требуется образец в 50 мг из-за проблем с растворимостью в метаноле. Чтобы обеспечить погрешность взвешивания менее 0,1%, необходимы весы с показаниями не менее 0,01 мг. Однако, если для стандартизации реактива КФ и обеспечения адекватного расхода титранта используется чистая вода, необходимо использовать от 7,5 до 20 мг воды. В этом случае весы с показаниями 0,01 мг могут не соответствовать рекомендациям USP по точности взвешивания для образцов массой более 14 мг. В случае с жидкими образцами необходимо использовать соответствующую марку стеклянной посуды или инструмента для измерения объема, а также соблюдать осторожность, чтобы избежать ошибок при обращении. Чтобы узнать больше о том, как определять и минимизировать источники ошибок в процессе титрования, скачайте бесплатный плакат METTLER TOLEDO.

Следующая терминология поможет вам облегчить изучение всего, что необходимо знать о титровании.

Аналит ─ специфический вид химического образца, содержание или количество которого определяется титрованием.

Конец титрования ─ желаемая конечная точка или точка эквивалентности, в которой титрование прекращается и оценивается расход титранта. В ходе одного и того же титрования может возникнуть более одной точки эквивалентности.

Конечная точка ─ точка, в которой наблюдается окончание реакции титрования (обычно по изменению цвета или другому индикатору титрования). Титрование по конечной точке представляет собой классическую методику.

Точка эквивалентности ─ точка, в которой количество единиц (эквивалентов) добавленного титранта равно количеству единиц анализируемого образца.

Индикация ─ процедура, позволяющая проследить за ходом реакции и определить окончание титрования. Как правило, индикация осуществляется с помощью потенциометрии (электродов) или цветовых индикаторов.

Параллакс ─ разница в видимом положении объекта в зависимости от линии зрения наблюдателя. В титровании это явление необходимо учитывать при визуальном наблюдении за жидкими менисками в бюретке.

Первичный стандарт ─ сертифицированное, высокочистое вещество, используемое для точного определения концентрации титранта.

Получение сигнала ─ это мониторинг физических явлений для получения цифровых или числовых значений в определенных точках (например, конечная точка титрования или точка эквивалентности).

Стандартизация ─ использование высокочистого эталонного химического вещества (стандарта) для определения концентрации титранта.

Стехиометрия ─ соотношение моль/масса между реагентами и продуктами при титровании. Реагенты для титрования реагируют в соответствии с фиксированными соотношениями, поэтому, если известно количество отдельных реактивов, можно рассчитать количество продукта. Если известно количество одного реактива и можно определить количество продуктов, то можно рассчитать и количество других реактивов.

Титрант ─ раствор определенного химического реагента, который стандартизирован по концентрации, чтобы его можно было использовать для точного титрования.

Титрование ─ количественный химический анализ, при котором определенное количество титранта вступает в реакцию с анализируемым соединением образца. По объему израсходованного титранта рассчитывается количество анализируемого соединения на основе стехиометрии реакции. Также известен как волюметрия или титриметрия.

Кривая титрования ─ график, иллюстрирующий качественный ход титрования. Кривая обычно использует объем титранта в качестве независимой переменной, а раствор - в качестве зависимой переменной. Кривая позволяет быстро оценить метод титрования. Кривые имеют четыре формы: симметричная, асимметричная, минимум/максимум и сегментированная.

Цикл титрования ─ цикл, который выполняется и повторяется до достижения конечной точки или точки эквивалентности реакции титрования. Цикл титрования состоит в основном из четырех этапов: добавление титранта, реакция титрования, получение сигнала и оценка.

Уравнение титрования ─ серия формул титрования, которые позволяют рассчитать молярную массу твердых образцов, концентрацию растворов кислоты и основания, концентрацию разбавленных растворов и расход титранта после прямого титрования. Для простого расчета результатов используйте калькулятор титрования.

Теория титрования изучает определение продукта в зависимости от его концентрации путем наблюдения за реакцией титрования с использованием физических или электрохимических методов. Знание точной концентрации вида, продукта или химической функции помогает обеспечить эффективность процесса и/или качество продукции.