Indledning

Citronsyre er en brugervenlig, billig, vandopløselig, krystallinsk, fast carboxylsyre. I sammenligning med anvendelse af saltsyreopløsninger er det sikrere og mere praktisk at anvende fast citronsyre og dens opløsninger i vand. For uerfarne elever er det lettere at udføre titreringer mod stærk base. I denne artikel præsenteres en neutraliseringstitrering af en citronsyreopløsning med natriumhydroxidopløsning i et format, der er velegnet til nybegyndertitratorer. I en anden artikel vil der blive foreslået anvendelser af det samme forsøg, som er velegnede til erfarne titratorer.

Citronsyre

Citronsyre1 fremstilles ved gæring af sukkerstoffer (> 1 mio. ton pr. år) til brug i drikkevarer og fødevarer (70 %), i rengøringsmidler (20 %) og i kosmetik, lægemidler og andre kemikalier (10 %). Det fremstilles som et krystallinsk fast stof, enten vandfrit eller som monohydrat, og det fås i begge former til lave priser. Det faste monohydrat mister vand under 100 °C ved opvarmning og danner det vandfrie faste stof, som smelter ved 156 °C og nedbrydes ved 175 °C. Begge faste stoffer er stabile og forbliver fritflydende i flasken efter mange års opbevaring. Det er meget opløseligt i vand. Citronsyre kan købes billigt som reagenskemikalie i begge former i forskellige renhedsgrader2 eller til endnu lavere pris som et forbrugerstof af uspecificeret renhed og sædvanligvis uspecificeret form3 .

Titrering af citronsyre mod stærk base

Citronsyre har tre carboxylsyregrupper, tre ioniserbare, sure hydrogenatomer og tre Ka/pKa-værdier. Neutraliseringsreaktionen med natriumhydroxid har en stoiometri på 3 til 1, som illustreret ved den balancerede komplette neutraliseringsligning. Reaktionen går til ende og er velegnet til analytiske titreringer:

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

Ved titrering med en stærk base såsom 0,1 M NaOH-opløsning gennemløber en opløsning af citronsyre et bufferområde, hvor opløsningens pH-værdi stiger gradvist og derefter mere stejlt. Fra ca. en dråbe tilsat 0,1 M NaOH-opløsning før ækvivalenspunktet i titreringen til ca. en dråbe tilsat efter ækvivalenspunktet stiger pH-værdien af titreringsopløsningen ekstremt stejlt fra lidt under 7 til over 9.
En visuel syre-baseindikator, der vælges til titreringen, skal skifte fra sin syrefarve til sin basefarve i intervallet 7 til 9. Phenolphthaleinindikator er et glimrende valg til denne titrering, idet den skifter fra farveløs til rosa til rød. I forhold til titreringer med en stærk syre, f.eks. saltsyre, “opsluger” den fortyndede svage syre langsommere basen i de tilsatte dråber titreringsmiddel. Resultatet er, at når ækvivalenspunktet nærmer sig, selv under omrøring, fremkommer den lyserøde farve på det sted, hvor dråberne af titreringsmiddel kommer ind i titreringskolben, og den fortsætter, først i brøkdele af et sekund, derefter længere og længere, indtil der kan ses en svag lyserød farve i hele opløsningen, som fortsætter i mindst et minut (se spørgsmål 3). Dette fænomen gør disse titreringer meget lette at udføre og derfor meget velegnede til nybegyndere.

Sikkerhed, bortskaffelse af affald og opbevaring

Citronsyre er en forholdsvis stærk svag syre, men der kræves ingen særlige forholdsregler ved dens anvendelse. Citronsyrepulver sælges til hjemmebrug uden begrænsninger. pH-værdien af 0,033 M citronsyre er ca. 2,2, hvilket er lidt højere end for citronsaft.4 0,1 M natriumhydroxid og phenolphthaleinindikatoren er mere farlige. Håndter og rengør fast citronsyre som fast natriumhydroxid.

Titrerede opløsninger og overskud af reagensopløsninger kan sikkert bortskaffes i en håndvask. På Mohawk College opbevarer vi dråbeflaskerne med natriumhydroxidopløsningen i lange perioder uden synlige skadelige virkninger. Opbevaring af citronsyreopløsning er måske ikke tilrådeligt, da den godt kan understøtte mikrobiologisk liv.

Forøgelsesbeskrivelse

Her er en enkel, hurtig og billig metode til at udføre titreringer af citronsyreopløsning med natriumhydroxidopløsning. Det antages, at titreringerne udføres gravimetrisk ved hjælp af billige, brudsikre, 60-mL-polymerpresserflasker med kontrolleret dråbedispensering med 60 ml.5a

Forberedelse, apparatur og forsyninger

*En mindre boringsdiameter er bedre for præcisionen.

Før de to reagenser tilnærmelsesvis op, således at dine forudgående prøvetitreringer viser, at en prøve på 5 ml af citronsyreopløsningen neutraliseres af ca. 5 g af natriumhydroxidopløsningen. Som en prøveberegning mærkes den ene eller den anden med en “fiktiv” koncentrationsværdi, og eleverne får lov til at bestemme koncentrationen af den anden opløsning ved titrering og beregning. (Se beregninger nedenfor.)

Den fulde metode og en prøvetitrering bør demonstreres for nybegyndere. Angiv et præcisionskriterium for vellykket gennemførelse. En rimelig standard ville være “tre titreringer af masse inden for ± 3% af middelmassen”. Hvis der anvendes 50-mL-buretter, skal citronsyreprøvernes volumen øges fra 5 mL til 10 mL for at opnå nogenlunde den samme præcision i resultaterne.

Gravimetrisk titrering med en polymerstyret dråbedispenserende squeeze-bottle og en digitalvægt med 2 pladserGravimetrisk titrering med en polymerstyret dråbedispenserende squeeze-bottle og en digitalvægt med 2 pladserGravimetrisk titrering med en polymerstyret dråbe-dispenserende squeeze-flaske og en digital 2-placeret digitalvægt

Instruktioner til elever

1. Overfør ca. 10 mL af citronsyreopløsningen til et lille bægerglas (100 eller 250 mL). Brug denne del af opløsningen til at skylle den indvendige overflade af det lille bægerglas, 10-mL-målecylinderen og dråberpipetten. Denne skylleportion er affald. Skylningen gentages yderligere to gange. Erlenmeyer-kolben på 125 ml må IKKE skylles; den må gerne være våd, men kun med destilleret vand. (Se spørgsmål 1.)

1. Overfør ca. 50 mL af citronsyreopløsningen til det skyllede lille bægerglas. Denne mængde vil være nødvendig til de tre forsøg. Til forsøg 1 overføres noget af opløsningen så forsigtigt, som du kan, til 10 mL målecylinderen op til 5,0 mL-stregen, idet du bruger pipetten til at justere meniskens bund til stregen.

1. Overfør 5,0 mL af citronsyreopløsningen til forsøg 1 fra cylinderen til en 125 mL Erlenmeyer-kolbe. Tøm cylinderen helt ved at vente, indtil de sidste dråber falder ned. Der tilsættes destilleret vand fra pressflasken, så det samlede volumen i kolben bliver mellem 20 mL og 30 mL. Der tilsættes 4 til 5 dråber phenolphthaleinindikatoropløsning til kolben. Kolben omrøres forsigtigt for at blande indholdet fuldstændigt.

1. Druk på nul-/tarmknappen på den digitale 2-pladsvægt. Placer dråbedispenseringsflasken med NaOH-opløsning på vægtskålen. Vægtskålen, dråbeopløsningsflaskens yderside og dine fingre skal hele tiden holdes tørre. (Se spørgsmål 2.)

1. Registrér flaskens masse og dens indhold.
2. Titrer opløsningen i Erlenmeyer-kolben ved at tilsætte dråber af opløsningen fra dråbedispenseringsflasken. Hold flasken på hovedet nedad over kolbens munding. Tæl dråberne. Omryst kolben forsigtigt. Slutpunktet er nået, når opløsningen i kolben ved tilsætning af en dråbe base ændres fra farveløs til lyserød eller rød, og farven forbliver i mindst et minut.

Hvis opløsningen efter tilsætning af flere dråber base er dybrød, er slutpunktet muligvis overskredet, og titreringsresultatet må ikke anvendes til beregninger. Hvis man “mister” en dråbe under en titrering, må titreringsresultatet ikke anvendes til beregninger.

1. Gentag trin 4 og 5 igen. Noter den nye masse af flasken og dens indhold. Træk dine masseværdier fra hinanden for at få titreringsmassen af 0,1 M NaOH-opløsningen.

1. Gentag titreringsproceduren igen. Dråbetællingen kan tjene som en vejledning til at fremskynde de gentagne titreringer. Fortsæt, indtil kriteriet for vellykket afslutning er opnået.

Kalkulationer

Densiteten af en 0,125 M NaOH-opløsning ved 20 °C er 1,0039 g/mL.6 Til elevberegninger er massefylden af en 0,1 M NaOH-opløsning så tæt på enhed i g/mL-enheder, at masseværdierne af titreringer i g-enheder kan anvendes som volumener i mL-enheder uden væsentlig fejl.

Min foretrukne metode til introduktionselever er en beregning i 3 dele. Antag, at gentagne titreringer af 5-mL-prøver af citronsyreopløsning gav et gennemsnitligt titreringsresultat på 4,87 g 0,0989 M NaOH (= 4,87 mL 0,0989 M NaOH):

Spørgsmål til eleverne

1. Du blev instrueret om at skylle bægerglasset, målecylinderen og dråbepipetten, men ikke Erlenmeyer-kolben, med citronsyreopløsningen. Forklar.

1. Hvilke fejl opstår, hvis dine fingre, vægtskålen eller ydersiden af dråbeflasken er våde af vand?

1. Den meget langsomme afblegning af farven på phenolphthaleinindikatoren skyldes, at kuldioxid i luften reagerer med hydroxidionen i opløsningen. Skriv en balanceret kemisk ligning for denne reaktion, og forklar, hvorfor den får farven til at falme.

Akkommentarer

Forfatteren takker Randy Travis, tekniker ved Department of Chemical, Environmental, and Biotechnology of Mohawk College, for hans uvurderlige hjælp.

1. http://www.wikipedia.org for syredissociationskonstanter for citronsyre.

1. Sigma-Aldrich Citronsyre (99 %), Citronsyremonohydrat (98 %)

3. Boreal Science: Citronsyremonohydrat (uspecificeret %):

Fibre Garden: Citronsyre (uspecificeret form eller %)

4. Engineering Toolbox: Syrer – pH-værdier Reference 4 indeholder en liste over pH-værdier for opløsninger, hvis koncentrationer er angivet i Normality-enheder. For en citronsyreopløsning er 0,033 M = 0,100 N. Der er nogle områder inden for teknologien, hvor normalitet stadig anvendes. Industrielle rådgivere til universitetsuddannelser insisterer på, at dette emne er vigtigt for vores kandidater.

5. Artikler, der er tilgængelige fra websiden:

• Gravimetrisk titrering 3:
• Gravimetrisk titrering 2:

Og kontakt David Cash for at få redigerbare Word®-versioner af disse artikler.

6. CRC Handbook (1973-74): Concentrative properties of aqueous
solutions – sodium hydroxide. ∎