Introduktion

Citronsyra är en lättanvänt användbar, billig, vattenlöslig, kristallin fast karboxylsyra. I jämförelse med användning av klorvätesyrelösningar är det säkrare och bekvämare att använda fast citronsyra och dess lösningar i vatten. För oerfarna elever är dess titreringar mot starka baser lättare att utföra. I denna artikel presenteras en neutraliseringstitrering av en citronsyrelösning med natriumhydroxidlösning i ett format som lämpar sig för nybörjartitrerare. En andra artikel kommer att föreslå tillämpningar av samma experiment som är lämpliga för erfarna titrare.

Citronsyra

Citronsyra1 framställs genom jäsning av sockerarter (> 1 M ton per år) för användning i drycker och livsmedel (70 %), i tvättmedel (20 %) och i kosmetika, läkemedel och andra kemikalier (10 %). Det framställs som ett kristallint fast ämne, antingen vattenfritt eller som monohydrat, och är tillgängligt i båda formerna till låg kostnad. Det fasta monohydratet förlorar vatten under 100 °C vid upphettning och bildar det vattenfria fasta ämnet som smälter vid 156 °C och sönderdelas vid 175 °C. Båda fasta ämnena är stabila och förblir lättflytande i flaskan även efter många års lagring. Den är mycket lättlöslig i vatten. Citronsyra kan köpas till ett lågt pris som reagenskemikalie i båda formerna med olika renhetsgrader,2 eller till ett ännu lägre pris som ett konsumentämne med ospecificerad renhet och vanligen ospecificerad form.3

Titrering av citronsyra mot stark bas

Citronsyra har tre karboxylsyregrupper, tre joniserbara, sura väteatomer och tre Ka/pKa-värden. Neutraliseringsreaktionen med natriumhydroxid har en stökiometri på 3 till 1, vilket illustreras av den balanserade kompletta neutraliseringsekvationen. Reaktionen går till fulländning och är lämplig för analytiska titreringar:

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

När en lösning av citronsyra titreras med en stark bas, t.ex. en 0,1 M NaOH-lösning, genomkorsar en lösning av citronsyra ett buffertområde under vilket lösningens pH stiger gradvis och sedan mer brant. Från ungefär en tillsatt droppe av 0,1 M NaOH-lösningen före titreringens ekvivalenspunkt till ungefär en tillsatt droppe efter ekvivalenspunkten stiger pH-värdet i titreringslösningen extremt brant från något under 7 till över 9.
En visuell syra-basindikator som väljs för titreringen måste ändra sin syrafärg till basfärg i intervallet 7 till 9. Fenolftaleinindikatorn är ett utmärkt val för denna titrering och ändrar från färglös till rosa till röd. Jämfört med titreringar med en stark syra, t.ex. saltsyra, ”suger” den utspädda svaga syran upp basen i dropparna med tillsatt titreringsmedel långsammare. Resultatet är att när man närmar sig ekvivalenspunkten, även om man virvlar, så uppträder den rosa-röda färgen där dropparna av titreringsmedlet kommer in i titreringsflaskan och kvarstår, först i bråkdelar av en sekund, sedan allt längre och längre, tills man kan se en svag rosa färg i hela lösningen som kvarstår i minst en minut (se fråga 3). Detta fenomen gör att dessa titreringar är mycket lätta att utföra och därför mycket lämpliga för nybörjare.

Säkerhet, bortskaffande av avfall och förvaring

Citronsyra är en relativt stark svag syra, men inga särskilda försiktighetsåtgärder krävs för dess användning. Citronsyrepulver säljs för hemmabruk utan begränsningar. pH-värdet för 0,033 M citronsyra är cirka 2,2, vilket är något högre än för citronsaft.4 0,1 M natriumhydroxid och fenolftaleinindikatorn är farligare. Hantera och städa upp fast citronsyra på samma sätt som fast natriumhydroxid.

Titrerade lösningar och överskott av reagenslösningar kan säkert bortskaffas i en diskbänk. Vid Mohawk College förvarar vi droppflaskorna med natriumhydroxidlösningen under långa perioder utan uppenbara negativa effekter. Förvaring av citronsyrelösning är kanske inte tillrådligt, eftersom den mycket väl kan stödja mikrobiologiskt liv.

Experimentbeskrivning

Här finns en enkel, snabb och billig metod för att utföra titreringar av citronsyrelösning med natriumhydroxidlösning. Det förutsätts att titreringarna utförs gravimetriskt med hjälp av billiga, okrossbara, 60-mL-polymerpressflaskor med kontrollerad droppspridning med kontrollerad droppspridning.5a

Förberedelser, apparatur och förnödenheter

*En mindre borrdiameter är bättre för precision.

Förbered de två reagenserna på ett ungefärligt sätt, så att dina förhandstitreringar visar att ett prov på 5 ml av citronsyrelösningen neutraliseras av ungefär 5 g av natriumhydroxidlösningen. Som en provberäkning kan du märka den ena eller andra lösningen med ett ”fiktivt” koncentrationsvärde och låta eleverna bestämma koncentrationen i den andra lösningen genom titrering och beräkning. (Se beräkningar nedan.)

Den fullständiga metoden och en provtitrering bör demonstreras för nybörjare. Ange ett precisionskriterium för att lyckas. En rimlig standard skulle vara ”tre titreringsmassor inom ± 3 % av medelmassan”. Om man använder 50 ml buretter, öka volymen av citronsyreproverna från 5 ml till 10 ml för att få ungefär samma precision i resultaten.

Gravimetrisk titrering med en polymerstyrd droppdispenserande pressflaska och en digital våg med två platserGravimetrisk titrering med en polymerstyrd droppdispenserande pressflaska och en digital våg med två platser.squeeze-bottle och en digital våg med två platser

Studentinstruktioner

1. Omkring 10 mL av citronsyrelösningen överförs till en liten bägare (100 eller 250 mL). Använd denna del av lösningen för att skölja den inre ytan av den lilla bägaren, 10-mL-mätcylindern och droppipetten. Denna sköljportion är avfall. Upprepa sköljningen ytterligare två gånger. Skölj INTE 125 ml Erlenmeyerkolven, den kan lämnas våt, men endast med destillerat vatten. (Se fråga 1.)

1. Överför cirka 50 ml av citronsyrelösningen till den sköljda lilla bägaren. Denna mängd kommer att behövas för de tre försöken. För försök 1 överför en del av lösningen så försiktigt som möjligt till 10 mL-måttcylindern, upp till 5,0 mL-linjen, med hjälp av dropppipetten för att justera meniskens botten till linjen.

1. Överför det 5,0 mL-prov av citronsyralösningen för försök 1 från cylindern till en 125 mL Erlenmeyerkolv. Töm cylindern helt och hållet genom att vänta tills de sista dropparna faller. Tillsätt destillerat vatten från pressflaskan så att den totala volymen i kolven är mellan 20 och 30 mL. Tillsätt 4-5 droppar fenolftaleinindikatorlösning till kolven. Virvla kolven försiktigt för att blanda innehållet fullständigt.

1. Dryck på noll-/tara-knappen på den digitala 2-placeringsbalansen. Placera droppspridningsflaskan med NaOH-lösning på vågskålen. Balansplattan, droppflaskans utsida och dina fingrar måste alltid hållas torra. (Se fråga 2.)

1. Registrera flaskans massa och dess innehåll.
2. Titrera lösningen i Erlenmeyerkolven genom att tillsätta droppar av lösningen från droppflaskan. Håll flaskan upp och ner över kolvens mynning. Räkna droppar. Virvla kolven försiktigt. Slutpunkten är uppnådd när lösningen i kolven vid tillsats av en droppe bas ändras från färglös till rosa eller röd och färgen kvarstår i minst en minut.

Om lösningen är djupt röd efter tillsats av flera droppar bas efter tillsats av flera droppar kan slutpunkten ha passerats, och titreringsresultatet får inte användas för beräkningar. Om du ”förlorar” en droppe under en titrering får titreringsresultatet inte användas för beräkningar.

1. Upprepa steg 4 och 5. Anteckna den nya massan för flaskan och dess innehåll. Subtrahera dina massvärden för att få titreringsmassan för 0,1 M NaOH-lösningen.

1. Upprepa titreringsförfarandet. Droppantalet kan fungera som en vägledning för att påskynda de upprepade titreringarna. Fortsätt tills kriteriet för lyckat avslut har uppnåtts.

Kalkyler

Tätheten hos en 0,125 M NaOH-lösning vid 20 °C är 1,0039 g/mL.6 För studentberäkningar är densiteten hos en 0,1 M NaOH-lösning så nära enheten i enheterna g/mL att titreringarnas massvärden i enheterna g kan användas som volymer i enheterna mL utan betydande fel.

Min föredragna metod för introduktionsstudenter är en beräkning i tre delar. Anta att upprepade titreringar av 5-mL-prover av citronsyrelösning gav ett genomsnittligt titreringsresultat på 4,87 g 0,0989 M NaOH (= 4,87 mL 0,0989 M NaOH):

Frågor till eleverna

1. Du fick instruktioner om att skölja bägaren, mätcylindern och droppipetten, men inte Erlenmeyerkolven, med citronsyralösningen. Förklara.

1. Vilka fel uppstår om dina fingrar, vågskålen eller droppflaskans utsida är våta av vatten?

1. Den mycket långsamma blekningen av färgen på fenolftaleinindikatorn skylls på att koldioxiden i luften reagerar med hydroxidjonen i lösningen. Skriv en balanserad kemisk ekvation för denna reaktion och förklara varför den får färgen att blekna.

Acknowledgements

Författaren tackar Randy Travis, tekniker vid institutionen för kemisk, miljö- och bioteknologi vid Mohawk College, för hans ovärderliga hjälp.

1. http://www.wikipedia.org för syredissociationskonstanter för citronsyra.

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

3. Boreal Science: Citronsyra monohydrat (ospecificerad %):

Fibre Garden: Citronsyra (ospecificerad form eller %)

4. Engineering Toolbox: Referens 4 listar pH-värden för lösningar vars koncentrationer anges i Normality-enheter. För en citronsyrelösning är 0,033 M = 0,100 N. Det finns vissa teknikområden där normalitet fortfarande används. Industriella rådgivare till högskoleprogrammen insisterar på att detta ämne är viktigt för våra utexaminerade.

5. Artiklar tillgängliga från webbsidan:

• Gravimetrisk titrering 3:
• Gravimetrisk titrering 2:

Och kontakta David Cash för redigerbara Word®-versioner av dessa artiklar.

6. CRC Handbook (1973-74): Koncentrationsegenskaper hos vattenhaltiga
lösningar – natriumhydroxid. ∎