Úvod

Kyselina citronová je uživatelsky přívětivá, levná, ve vodě rozpustná, krystalická pevná karboxylová kyselina. Ve srovnání s používáním roztoků kyseliny chlorovodíkové je používání pevné kyseliny citronové a jejích roztoků ve vodě bezpečnější a pohodlnější. Pro nezkušené studenty se její titrace proti silné zásadě provádějí snadněji. Tento článek představuje neutralizační titraci roztoku kyseliny citronové roztokem hydroxidu sodného ve formátu vhodném pro začínající titrátory. Druhý článek navrhne aplikace téhož pokusu, které jsou vhodné pro zkušené titrátory.

Kyselina citronová

Kyselina citronová1 se vyrábí kvašením cukrů (> 1 mil. tun ročně) pro použití v nápojích a potravinách (70 %); v čisticích prostředcích (20 %) a v kosmetice, farmaceutických přípravcích a dalších chemikáliích (10 %). Vyrábí se jako krystalická pevná látka, buď bezvodá, nebo jako monohydrát, a je k dispozici v obou formách za nízkou cenu. Pevný monohydrát ztrácí při zahřívání pod 100 °C vodu, čímž vzniká bezvodá pevná látka, která taje při 156 °C a rozkládá se při 175 °C. Obě pevné látky jsou stabilní a zůstávají v lahvičce sypké i po mnoha letech skladování. Je velmi dobře rozpustný ve vodě. Kyselinu citronovou lze zakoupit za nízkou cenu jako chemické činidlo v obou formách s různým stupněm čistoty2 nebo za ještě nižší cenu jako spotřební látku nespecifikované čistoty a obvykle nespecifikované formy3.

Titrace kyseliny citronové proti silné zásadě

Kyselina citronová má tři skupiny kyseliny karboxylové, tři ionizovatelné, kyselé atomy vodíku a tři hodnoty Ka/pKa. Neutralizační reakce s hydroxidem sodným má stechiometrii 3:1, jak znázorňuje vyvážená rovnice úplné neutralizace. Reakce probíhá do úplnosti a je vhodná pro analytické titrace:

3 NaOH (aq) + H3C6H5O7 (aq) –> Na2C6H5O7 (aq) + 3 H2O

Při titraci silnou zásadou, jako je 0,1 M roztok NaOH, prochází roztok kyseliny citronové pufrovací oblastí, během níž pH roztoku stoupá postupně a pak strměji. Přibližně od jedné přidané kapky 0,1 M roztoku NaOH před bodem ekvivalence titrace do přibližně jedné přidané kapky za bodem ekvivalence stoupá pH titračního roztoku extrémně strmě z hodnoty mírně pod 7 na hodnotu nad 9.
Vizuální acidobazický indikátor zvolený pro titraci musí v rozmezí hodnot 7 až 9 změnit svou kyselou barvu na barvu základní. Výbornou volbou pro tuto titraci je fenolftaleinový indikátor, který mění barvu z bezbarvé na růžovou až červenou. Ve srovnání s titrací silnou kyselinou, např. kyselinou chlorovodíkovou, zředěná slabá kyselina „vymývá“ bázi v kapkách přidaného titrantu pomaleji. Výsledkem je, že jak se blíží bod ekvivalence, objevuje se i při víření růžovočervené zbarvení v místě, kde kapky titrantu vstupují do titrační baňky, a přetrvává nejprve zlomky sekundy, pak stále déle, až je v celém roztoku vidět slabě růžové zbarvení, které přetrvává nejméně jednu minutu (viz otázka 3). Díky tomuto jevu se tyto titrace provádějí velmi snadno, a proto jsou velmi vhodné pro začátečníky.

Bezpečnost, likvidace odpadu a skladování

Kyselina citronová je poměrně silná slabá kyselina, ale pro její použití nejsou nutná žádná zvláštní bezpečnostní opatření. Prášek kyseliny citronové se prodává pro domácí použití bez omezení. pH 0,033 M kyseliny citronové je přibližně 2,2, což je o něco vyšší než pH citronové šťávy4 . 0,1 M hydroxid sodný a fenolftaleinový indikátor jsou nebezpečnější. S pevnou kyselinou citronovou manipulujte a odstraňujte ji stejně jako pevný hydroxid sodný.

Titrované roztoky a přebytky roztoků činidel lze bezpečně zlikvidovat ve výlevce. Na Mohawk College skladujeme lahvičky s kapátkem obsahující roztok hydroxidu sodného po dlouhou dobu bez zjevných škodlivých účinků. Skladování roztoku kyseliny citronové nemusí být vhodné, protože může dobře podporovat mikrobiologický život.

Popis experimentu

Představujeme jednoduchou, rychlou a levnou metodu pro provádění titrací roztoku kyseliny citronové roztokem hydroxidu sodného. Předpokládá se, že titrace se provádějí gravimetricky s použitím levných nerozbitných polymerních stlačovacích lahví s kontrolovaným dávkováním po kapkách o objemu 60 ml.5a

Příprava, přístroje a potřeby

* Menší průměr otvoru je lepší pro přesnost.

Připravte obě činidla přibližně tak, aby vaše předběžné zkušební titrace ukázaly, že 5ml vzorek roztoku kyseliny citronové je neutralizován zhruba 5 g roztoku hydroxidu sodného. Jako ukázku výpočtu označte jeden nebo druhý roztok „fiktivní“ hodnotou koncentrace a nechte studenty určit koncentraci druhého roztoku titrací a výpočtem. (Viz výpočty níže.)

Úplnou metodu a ukázkovou titraci je třeba předvést začátečníkům. Určete přesné kritérium úspěšného dokončení. Rozumným standardem by bylo „tři titrační hmotnosti v rozmezí ± 3 % průměrné hmotnosti“. Pokud používáte 50ml byrety, zvětšete objem vzorků kyseliny citronové z 5 ml na 10 ml, abyste dosáhli přibližně stejné přesnosti výsledků.

Gravimetrická titrace s polymerem řízeným kapátkem a dvoumístnými digitálními váhamiGravimetrická titrace s polymerem řízeným kapátkem.squeeze-bottle a dvoumístnými digitálními váhami

Pokyny pro studenty

1. Přemístěte asi 10 ml roztoku kyseliny citronové do malé kádinky (100 nebo 250 ml). Tuto část roztoku použijte k opláchnutí vnitřního povrchu malé kádinky, 10ml odměrného válce a kapací pipety. Tento výplach je odpad. Oplachování zopakujte ještě dvakrát. Erlenmeyerovu baňku o objemu 125 ml NEOPLACHUJTE, můžete ji ponechat mokrou, ale pouze destilovanou vodou. (Viz otázka 1.)

1. Přeneste asi 50 ml roztoku kyseliny citronové do vypláchnuté malé kádinky. Toto množství bude potřeba pro tři pokusy. Pro pokus 1 přeneste část roztoku co nejopatrněji do odměrného válce o objemu 10 ml až po rysku 5,0 ml a pomocí kapací pipety upravte dno menisku na tuto rysku.

1. Přeneste vzorek 5,0 ml roztoku kyseliny citronové pro pokus 1 z válce do Erlenmeyerovy baňky o objemu 125 ml. Válec zcela vyprázdněte tak, že počkáte, až spadnou poslední kapky. Přidejte destilovanou vodu ze stlačovací láhve tak, aby celkový objem v baňce byl mezi 20 ml a 30 ml. Do baňky přidejte 4 až 5 kapek roztoku fenolftaleinového indikátoru. Jemně baňkou zatočte, aby se obsah zcela promíchal.

1. Stiskněte tlačítko nula/taré na dvoumístných digitálních vahách. Na misku vah umístěte lahvičku s kapátkem obsahující roztok NaOH. Váhová miska, vnější strana lahvičky s kapátkem a vaše prsty musí být vždy suché. (Viz otázka 2.)

1. Zaznamenejte hmotnost lahvičky a jejího obsahu.
2. Titrujte roztok v Erlenmeyerově baňce přidáváním kapek roztoku z kapací lahvičky. Držte láhev dnem vzhůru nad ústím baňky. Počítejte kapky. Jemně baňkou otáčejte. Koncového bodu je dosaženo, když se po přidání jedné kapky báze roztok v baňce změní z bezbarvého na růžový nebo červený a barva zůstane zachována po dobu nejméně jedné minuty.

Pokud je po přidání několika kapek báze roztok sytě červený, může být koncový bod překročen a výsledek titrace se nesmí použít pro výpočty. Pokud během titrace „ztratíte“ kapku, nesmí se výsledek titrace použít k výpočtům.

1. Zopakujte kroky 4 a 5. V případě, že se při titraci ztratí kapka, nesmí se výsledek titrace použít k výpočtům. Zaznamenejte novou hmotnost láhve a jejího obsahu. Odečtením hodnot hmotnosti získáte titrační hmotnost 0,1 M roztoku NaOH.

1. Zopakujte postup titrace. Počet kapek může sloužit jako vodítko pro urychlení opakovaných titrací. Pokračujte, dokud není dosaženo kritéria úspěšného dokončení.

Výpočty

Hustota 0,125 M roztoku NaOH při 20 °C je 1,0039 g/ml.6 Pro výpočty studentů je hustota 0,1 M roztoku NaOH v jednotkách g/mL natolik blízká jednotce, že hodnoty hmotnosti titrací v jednotkách g lze bez výrazné chyby použít jako objemy v jednotkách ml.

Mojí preferovanou metodou pro úvodní studenty je třídílný výpočet. Předpokládejme, že opakované titrace 5ml vzorků roztoku kyseliny citronové daly průměrný výsledek titrace 4,87 g 0,0989 M NaOH (= 4,87 ml 0,0989 M NaOH):

Otázky pro studenty

1. Měli jste za úkol vypláchnout kádinku, odměrný válec a kapací pipetu, ale ne Erlenmeyerovu baňku roztokem kyseliny citronové. Vysvětlete to.

1. K jakým chybám dochází, pokud jsou vaše prsty, miska s váhou nebo vnější strana kapací láhve navlhčeny vodou?

1. Velmi pomalé blednutí barvy fenolftaleinového indikátoru je zaviněno tím, že oxid uhličitý ve vzduchu reaguje s hydroxidovým iontem v roztoku. Napište pro tuto reakci vyváženou chemickou rovnici a vysvětlete, proč způsobuje blednutí barvy.

Poděkování

Autor děkuje Randymu Travisovi, technologovi katedry chemie, životního prostředí a biotechnologie Mohawk College, za jeho neocenitelnou pomoc.

1. http://www.wikipedia.org pro disociační konstanty kyseliny citronové.

1. Kyselina citronová Sigma-Aldrich (99 %), monohydrát kyseliny citronové (98 %)

3. Boreal Science: Kyselina citronová monohydrát (nespecifikované %):

Fibre Garden: Kyselina citronová (nespecifikovaná forma nebo %)

4. Engineering Toolbox: Kyseliny – hodnoty pH Odkaz 4 uvádí hodnoty pH pro roztoky, jejichž koncentrace jsou uvedeny v jednotkách normality. Pro roztok kyseliny citronové 0,033 M = 0,100 N. Existují některé oblasti techniky, kde se normalita stále používá. Průmysloví poradci pro vysokoškolské programy trvají na tom, že toto téma je pro naše absolventy důležité.

5. Články dostupné na webové stránce:

• Gravimetrická titrace 3:
• Gravimetrická titrace 2:

Nebo se obraťte na Davida Cashe pro editovatelné verze těchto článků ve Wordu®.

6. CRC Handbook (1973-74): Koncentrační vlastnosti vodných
roztoků – hydroxid sodný. ∎