Wprowadzenie

Kwas cytrynowy jest przyjaznym dla użytkownika, niedrogim, rozpuszczalnym w wodzie, krystalicznym kwasem karboksylowym w stanie stałym. W porównaniu do stosowania roztworów kwasu chlorowodorowego, stosowanie stałego kwasu cytrynowego i jego roztworów w wodzie jest bezpieczniejsze i wygodniejsze. Dla niedoświadczonych studentów jego miareczkowanie wobec mocnych zasad jest łatwiejsze do wykonania. W niniejszym artykule przedstawiono miareczkowanie zobojętniające roztworu kwasu cytrynowego roztworem wodorotlenku sodu w formie odpowiedniej dla początkujących miareczkarzy. Drugi artykuł będzie sugerował zastosowania tego samego eksperymentu, które są odpowiednie dla doświadczonych miareczkarzy.

Kwas cytrynowy

Kwas cytrynowy1 jest produkowany przez fermentację cukrów (> 1 M ton rocznie) do użytku w napojach i żywności (70%); w detergentach (20%); oraz w kosmetykach, farmaceutykach i innych chemikaliach (10%). Jest produkowany jako krystaliczne ciało stałe, albo bezwodne, albo jako monohydrat, i jest dostępny w obu formach po niskich kosztach. Stały monohydrat traci wodę poniżej 100 °C podczas ogrzewania, tworząc bezwodne ciało stałe, które topi się w temperaturze 156 °C, a rozkłada w temperaturze 175 °C. Oba ciała stałe są stabilne i pozostają wolne od zanieczyszczeń. Oba ciała stałe są stabilne i pozostają sypkie w butelce po wielu latach przechowywania. Jest on bardzo dobrze rozpuszczalny w wodzie. Kwas cytrynowy można nabyć po niskich kosztach jako odczynnik chemiczny w obu postaciach o różnych poziomach czystości2 lub po jeszcze niższych kosztach jako substancję konsumpcyjną o nieokreślonej czystości i zwykle nieokreślonej postaci3.

Miareczkowanie kwasu cytrynowego wobec mocnej zasady

Kwas cytrynowy ma trzy grupy karboksylowe, trzy jonizowalne, kwaśne atomy wodoru i trzy wartości Ka/pKa. Reakcja neutralizacji z wodorotlenkiem sodu ma stechiometrię 3 do 1, co ilustruje zrównoważone równanie całkowitej neutralizacji. Reakcja przebiega do końca i jest odpowiednia do miareczkowania analitycznego:

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

Podczas miareczkowania silną zasadą, taką jak 0,1 M roztwór NaOH, roztwór kwasu cytrynowego przechodzi przez obszar buforowy, podczas którego pH roztworu wzrasta stopniowo, a następnie coraz bardziej gwałtownie. Od około jednej kropli 0,1 M roztworu NaOH dodanej przed punktem równoważności miareczkowania do około jednej kropli dodanej po punkcie równoważności, pH roztworu miareczkującego wzrasta bardzo gwałtownie od nieco poniżej 7 do powyżej 9.
Widoczny wskaźnik kwasowo-zasadowy wybrany do miareczkowania musi zmienić barwę z kwaśnej na zasadową w zakresie od 7 do 9. Wskaźnik fenoloftaleinowy jest doskonałym wyborem do tego miareczkowania, zmieniając barwę od bezbarwnej przez różową do czerwonej. W porównaniu do miareczkowania mocnym kwasem, takim jak kwas solny, rozcieńczony słaby kwas wolniej „wciąga” zasadę z kropli dodanego titranta. W rezultacie, w miarę zbliżania się do punktu równoważnikowego, nawet podczas mieszania, w miejscu, gdzie krople titranta dostają się do kolby miareczkującej, pojawia się różowo-czerwone zabarwienie, które utrzymuje się, początkowo przez ułamki sekund, potem coraz dłużej, aż do momentu, gdy w całym roztworze można zaobserwować słabe różowe zabarwienie, które utrzymuje się co najmniej przez minutę (patrz pytanie 3). To zjawisko sprawia, że te miareczkowania są bardzo łatwe do wykonania, a zatem bardzo odpowiednie dla nowicjuszy.

Bezpieczeństwo, usuwanie odpadów i przechowywanie

Kwas cytrynowy jest stosunkowo silnym słabym kwasem, ale nie są wymagane specjalne środki ostrożności przy jego stosowaniu. Kwas cytrynowy w proszku jest sprzedawany do użytku domowego bez żadnych ograniczeń. pH 0,033 M kwasu cytrynowego wynosi około 2,2, co jest nieco wyższe niż pH soku cytrynowego.4 0,1 M wodorotlenek sodu i wskaźnik fenoloftaleinowy są bardziej niebezpieczne. Z kwasem cytrynowym w stanie stałym należy postępować tak, jak z wodorotlenkiem sodu w stanie stałym.

Roztwory miareczkowane i nadmiar roztworów odczynników można bezpiecznie usunąć do zlewu. W Mohawk College przechowujemy butelki z kroplomierzem zawierające roztwór wodorotlenku sodu przez długi czas bez widocznych skutków ubocznych. Przechowywanie roztworu kwasu cytrynowego może być niewskazane, ponieważ może on podtrzymywać życie mikrobiologiczne.

Opis doświadczenia

Przedstawiamy prostą, szybką i niedrogą metodę wykonywania miareczkowania roztworu kwasu cytrynowego roztworem wodorotlenku sodu. Zakłada się, że miareczkowanie jest wykonywane grawimetrycznie przy użyciu niedrogich, nietłukących się, 60-ml butelek polimerowych z kontrolowanym dozowaniem kropli.5a

Przygotowanie, aparatura i dostawy

*Mniejsza średnica otworu jest lepsza dla precyzji.

Przygotuj oba odczynniki w sposób przybliżony, tak aby Twoje wcześniejsze miareczkowanie próbne wykazało, że próbka 5 ml roztworu kwasu cytrynowego jest zobojętniana przez około 5 g roztworu wodorotlenku sodu. Jako przykład obliczeń, oznaczyć jeden lub drugi roztwór „fikcyjną” wartością stężenia i poprosić uczniów o określenie stężenia drugiego roztworu poprzez miareczkowanie i obliczenia. (Patrz obliczenia poniżej.)

Pełna metoda i przykładowe miareczkowanie powinny być zademonstrowane dla nowicjuszy. Określić precyzyjne kryterium pomyślnego zakończenia. Rozsądnym standardem byłoby „trzy miareczkowania w zakresie ± 3% średniej masy”. Jeśli używasz biurety 50 ml, zwiększ objętość próbek kwasu cytrynowego z 5 mL do 10 mL, aby uzyskać w przybliżeniu taką samą precyzję wyników.

Miareczkowanie grawimetryczne za pomocą butelki z wyciskarką z kontrolowaną polimerowo kroplą i dwumiejscowej wagi cyfrowejMiareczkowanie grawimetryczne za pomocą butelki z wyciskarką z kontrolowaną polimerowo kroplą i dwumiejscową wagą cyfrową.i dwumiejscową wagą cyfrową

Instrukcje dla studentów

1. Przenieść około 10 mL roztworu kwasu cytrynowego do małej zlewki (100 lub 250 mL). Użyj tej porcji roztworu do przepłukania wewnętrznej powierzchni małej zlewki, cylindra miarowego o pojemności 10 ml i pipety z kroplomierzem. Ta część płukania jest odpadem. Powtórzyć płukanie jeszcze dwukrotnie. NIE PŁUKACZAĆ kolby Erlenmeyera o pojemności 125 ml, można ją pozostawić mokrą, ale tylko wodą destylowaną. (Patrz pytanie 1.)

1. Przeniesienie około 50 mL roztworu kwasu cytrynowego do przepłukanej małej zlewki. Ta ilość będzie potrzebna do wykonania trzech prób. Dla próby 1 przenieść część roztworu tak ostrożnie, jak to możliwe do cylindra miarowego o pojemności 10 mL, aż do linii 5,0 mL, używając pipety wkraplającej, aby dostosować dno menisku do linii.

1. Przeniesienie 5,0-mL próbki roztworu kwasu cytrynowego dla próby 1 z cylindra do kolby Erlenmeyera o pojemności 125 mL. Opróżnić całkowicie cylinder, czekając aż opadną ostatnie krople. Dodać wodę destylowaną z butelki tak, aby całkowita objętość w kolbie wynosiła od 20 mL do 30 mL. Dodać 4 do 5 kropli roztworu wskaźnika fenoloftaleiny do kolby. Delikatnie zawirować kolbę, aby całkowicie wymieszać zawartość.

1. Nacisnąć przycisk zerowania/tary na dwumiejscowej wadze cyfrowej. Umieścić butelkę z dozownikiem kropel zawierającą roztwór NaOH na szalce wagi. Szalka wagi, zewnętrzna strona butelki z kroplomierzem i palce muszą być zawsze suche. (Patrz pytanie 2.)

1. Zapisz masę butelki i jej zawartości.
2. Miareczkuj roztwór w kolbie Erlenmeyera dodając krople roztworu z butelki z kroplomierzem. Butelkę trzymać do góry dnem nad ujściem kolby. Policzyć krople. Delikatnie zawirować kolbą. Punkt końcowy jest osiągnięty, gdy po dodaniu jednej kropli zasady roztwór w kolbie zmienia barwę z bezbarwnej na różową lub czerwoną i barwa ta utrzymuje się przez co najmniej minutę.

Jeżeli po wielokrotnym dodaniu kropli zasady roztwór jest intensywnie czerwony, punkt końcowy mógł zostać przekroczony, a wynik miareczkowania nie może być użyty do obliczeń. Jeżeli podczas miareczkowania „zgubisz” kroplę, to wynik miareczkowania nie może być użyty do obliczeń.

1. Powtórz kroki 4 i 5. Zanotować nową masę butelki i jej zawartości. Odjąć wartości mas, aby otrzymać masę miareczkową 0,1 M roztworu NaOH.

1. Powtórzyć procedurę miareczkowania. Liczba kropli może służyć jako wskazówka do przyspieszenia powtórnych miareczkowań. Kontynuować aż do osiągnięcia kryterium pomyślnego zakończenia.

Obliczenia

Gęstość 0,125 M roztworu NaOH w temperaturze 20 °C wynosi 1,0039 g/mL.6 Dla obliczeń studenckich gęstość 0,1 M roztworu NaOH jest tak bliska jedności w jednostkach g/mL, że wartości masowe miareczkowania w jednostkach g mogą być użyte jako objętości w jednostkach mL bez znaczącego błędu.

Moją preferowaną metodą dla studentów wprowadzających jest 3-częściowe obliczenie. Załóżmy, że powtórne miareczkowanie 5-ml próbek roztworu kwasu cytrynowego dało średni wynik miareczkowania 4,87 g 0,0989 M NaOH (= 4,87 mL 0,0989 M NaOH):

Pytania dla uczniów

1. Poradzono Ci, abyś przepłukał zlewkę, cylinder miarowy i pipetę z kroplomierzem, ale nie kolbę Erlenmeyera, roztworem kwasu cytrynowego. Wyjaśnij.

1. Jakie błędy wystąpią, jeśli palce, szalka wagi lub zewnętrzna strona butelki z wkraplaczem będą mokre od wody?

1. Bardzo powolne zanikanie zabarwienia wskaźnika fenoloftaleinowego jest spowodowane tym, że dwutlenek węgla w powietrzu reaguje z jonem wodorotlenkowym w roztworze. Napisz zrównoważone równanie chemiczne dla tej reakcji i wyjaśnij, dlaczego powoduje ona blaknięcie barwy.

Podziękowania

Autor dziękuje Randy’emu Travisowi, technologowi z Wydziału Chemii, Środowiska i Biotechnologii Mohawk College, za jego nieocenioną pomoc.

1. http://www.wikipedia.org dla stałych dysocjacji kwasowej kwasu cytrynowego.

1. Sigma-Aldrich Citric acid (99 %), Citric acid monohydrate (98 %)

3. Boreal Science: Monohydrat kwasu cytrynowego (nieokreślony %):

Fibre Garden: Kwas cytrynowy (nieokreślona forma lub %)

4. Engineering Toolbox: Acids – pH values Reference 4 wymienia wartości pH dla roztworów, których stężenia podane są w jednostkach normalności. Dla roztworu kwasu cytrynowego 0,033 M = 0,100 N. Istnieją pewne obszary technologii, gdzie normalność jest nadal w użyciu. Doradcy przemysłowi programów studiów nalegają, aby ten temat był ważny dla naszych absolwentów.

5. Artykuły dostępne na stronie internetowej:

• Miareczkowanie grawimetryczne 3:
• Miareczkowanie grawimetryczne 2:

Or contact David Cash for editable Word® versions of these articles.

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