Asit Baz Titrasyonu ve Dereceleme

Konu Anlatımı

Asit Baz Titrasyonu ve Dereceleme

Bir çözeltinin içindeki madde miktarını bilmek, o maddeye verilecek işlemi planlamak için zorunludur. Bu miktarı bulmanın iki temel yolu vardır: kütleyi doğrudan ölçmek ya da hacmi ölçüp tepkime yardımıyla sayıya çevirmek. Analitik kimyada bu iki yönteme dereceleme denir; gravimetrik dereceleme kütleyi, volumetrik dereceleme hacmi temel alır. Volumetrik yöntemin en yaygın uygulaması titrasyondur: bilinen derişimli bir çözelti, başka bir çözeltiye damla damla eklenir ve tüketim noktasında miktar hesaplanır. Bir atölyede asit miktarı bilinmeden nötrleştirme, yıkama veya kalite kontrolü yapılamaz.

Bu derste ne öğreneceğiz?

Bu konuda dereceleme kavramını, gravimetrik ve volumetrik yöntemleri karşılaştırmayı öğreneceğiz. Titrasyonun adımlarını, büret okumasını ve tüketim noktası belirlemeyi uygulamalı olarak göreceğiz. Asit ve baz arasındaki eşitlik tepkimelerini denkleştirip mol oranlarını çıkaracağız. Bir asidin veya bazın derişimini, harcanan titreşik çözelti hacminden hesaplayacağız. İndikatörlerin renk aralıklarını öğrenip doğru indikatörü seçeceğiz. Standart çözelti hazırlama kurallarını ve deney hata kaynaklarını inceleyeceğiz.

Ön bilgi

Titrasyonun ön bilgisi mol hesabıdır: n = c · V bağıntısı, denklem denkleştirme ve eşitlik tepkimelerinin katsayıları. Ayrıca asit ve baz kavramları ile kuvvetli ve zayıf ayrımı gerekir. HACCP uygulamalarında pH kontrolü sık yapıldığı için önceki konudaki pH ölçümü bilgisi de doğrudan kullanılır.

İkinci ön bilgi grubu ölçüm aletleridir. Balon joje ile hassas çözelti hazırlama, pipetle sabit hacim alma, teraziyle tartma ve menisküs okuma teknikleri titrasyonun temelidir. Büret okumaya özgü bir alettir ve kendi kullanım kuralları vardır.

1. Dereceleme: Gravimetrik ve Volumetrik

Dereceleme, bir maddenin miktarını belirlemek için kütle ya da hacim ölçümüne dayanan yöntemlerin genel adıdır. Gravimetrik derecelemede madde doğrudan tartılır; tartma işlemi çözünmeden yapılırsa doğrudan gravimetri, madde önce çözündürülüp bir bileşene dönüştürülüp tartılıyorsa uzaktan gravimetri adı verilir. Uzaktan gravimetride ağır metal iyonları, genellikle sülfat hâlinde çökeltilerek tartılır.

Volumetrik derecelemede ise hacim ölçülür. Bir çözeltinin hacmi, içindeki madde miktarıyla birlikte bilindiğinde derişim bulunur. Hacim, büret ya da pipet gibi ölçüm araçlarıyla belirlendiği için kütle ölçümüne göre daha hızlıdır ve küçük miktarlarda daha duyarlıdır. Bu nedenle günlük uygulamada çoğu belirleme volumetrik yöntemle yapılır.

Yöntem seçimi, beklenen doğruluğa ve madde miktarına göre yapılır. Çok az miktarda bulunan bir bileşen için gravimetrik yöntem gereğinden uzun sürer; buna karşılık çok büyük miktarlarda tartma hatası göreli olarak küçük kalır. İki yöntemin sonuçları karşılaştırıldığında biri diğerini doğrular; denetim raporlarında bu çapraz kontrol sık kullanılır.

2. Titrasyonun Adımları

Titrasyon, standart derişimi bilinen çözeltinin, ölçülen çözeltiye damla damla eklenmesidir. İlk adım büretin hazırlanmasıdır: büret yıkanır, titreşik çözeltiyle çalkalanır ve ucunda hava baloncuğu kalmayacak biçimde doldurulur. Baloncuğu almak için büret ucu bir beherin kenarına ya da camsız bir yüzeye bastırılır ve hava dışarı verilir.

İkinci adım numunenin ölçülmesidir. Pipetle belli bir hacimde numune alınır, konik kap içine yerleştirilir. Üçüncü adım indikatör eklenir; seçilen indikatör birkaç damla ile yeterlidir. Dördüncü adım titrasyondur: çözelti büretten yavaşça damla damla eklenir, kap yumuşakça çalkalanır. Renk kalıcı bir renge dönüştüğünde tüketim noktasına gelinmiştir.

Beşinci adım okumadır. Büret sıfırdan başlatılmışsa doğrudan okunan değer harcanan hacimdir; sıfırdan başlatılmamışsa son ve başlangıç okumaları arasındaki fark alınır. Altıncı adım hesaptır: mol oranı kullanılarak numunedeki madde miktarı bulunur. Yedinci adım doğrulamadır: en az iki kez tekrarlanır ve ortalama alınır. Tek deneyle karar vermek ölçüm değildir.

3. Eşitlik Tepkimeleri ve Mol Oranları

Asit baz tepkimelerinde eşitlik, asit ve bazın mol sayılarının denklem katsayılarıyla uyumlu olduğu durumdur. Hidroklorik asit ile sodyum hidroksit arasında HCl + NaOH → NaCl + H₂O tepkimesi yürür ve mol oranı 1: 1 dir. Aynı zamanda iki tarafın toplam iyon sayısı eşittir, yani denklem zaten dengelenmiş hâldedir.

Sülfürik asit iki bazik bir asittir ve iki kademeli ayrışır. Bu nedenle H₂SO₄ + 2 NaOH → Na₂SO₄ + 2 H₂O yazılır ve mol oranı 1: 2 olur. Bu oranı bilmek, gereken baz miktarını hesaplamak için zorunludur; oran yanlış alınırsa sonuç iki kat hatalı çıkar. Karbonik asit gibi çok protonlu asitlerde her basamağın pH değeri farklı olduğundan tüketim noktası birden fazladır.

Kuvvetli asit ve kuvvetli bazın eşitlik noktasında çözelti nötr hâle gelir, pH 7 olur. Kuvvetli asit ile zayıf bazda eşitlik noktası asidik, zayıf asit ile kuvvetli bazda ise bazik bölgede olur. Bu yüzden indikatör seçimi asidin ve bazın gücüne göre yapılır; her kombinasyonda fenolftalein kullanılamaz.

4. Tüketim Noktası ve İndikatör Seçimi

Tüketim noktası, eklenen standart çözelti miktarının ölçülen madde miktarını tam olarak nötrleştirdiği andır. Uygulamada tüketim noktası, çözeltinin pH değerinin hızla değiştiği aralığın ortasına denk gelir. İndikatör, tam da bu pH değişiminin olduğu aralıkta renk değiştirecek biçimde seçilir.

Fenolftalein renk değiştirmesini 8,2 ile 10,0 pH aralığında yapar; renk kırmızımsı bir mora döner. Metil turuncu 3,1 ile 4,4 pH aralığında çalışır ve renk turuncu ile sarı arasında değişir. Bromtimol mavisi 6,0 ile 7,6 pH aralığında yeşilden maviye geçer ve kuvvetli asit ile kuvvetli baz titrasyonları için uygundur.

İndikatör seçimi zayıf asit ve zayıf baz titrasyonlarında güçtür, çünkü pH değişimi yavaştır. Bu durumda potansiyometrik yöntem tercih edilir. Seçilen indikatör fazla miktarda eklenirse kendisi asidik ya da bazik katkı yapar ve tüketim noktası kayar. Bu yüzden indikatör damla sayısı ile sınırlıdır.

5. Büret Okuması ve Dikkat Edilecekler

Büret 0,1 mL bölümlüdür ve iki bölüm arasında okunur; bu yüzden tek büret okumasının okunabilirliği 0,05 mL düzeyindedir. Menisküs göz hizasına getirilir; göz, menisküsün altından ya da üstünden bakılırsa paralaks hatası oluşur. Koyu renkli sıvılarda menisküsün üst kısmı, açık renkli sıvılarda ise alt kısmı okunur.

Ölçüm başlamadan önce büretin ucundaki hava baloncuğu alınmalıdır; baloncuğu kalırsa kaydedilen hacim, gerçekten çözeltiye geçen hacimden daha küçük görünür. Çözelti çok yavaş akıtılmalı, son damlalar tek tek ve her damla kapta karışana kadar beklenmelidir. Tüketim noktasına birkaç damla fazla eklemek, özellikle indikatörü az miktarda kullanan deneylerde belirgin hata yaratır.

Deney en az iki kez tekrarlanır ve ortalama alınır. Tekrarlar arasındaki fark büyükse deney tekrarlanır; ortalama, hatalı bir okumayı yıkamaz. Deney defterine büretin başlangıç ve bitiş okumaları, kullanılan indikatörün adı ve iki deneyin ayrı ayrı sonucu yazılır. Kayıt tutulmayan titrasyon denetlenemez.

6. Standart Çözelti Hazırlama

Standart çözelti, derişimi yüksek doğrulukla bilinen çözeltidir. Doğrudan yöntemle hazırlanırsa birincil standart madde kullanılır. Birincil standart maddenin üç koşulu vardır: saf olması, bileşiminin kesin ve değişmez bilinmesi ve kolayca kurutulabilmesi. Bu maddeler doğrudan tartılarak çözelti hazırlanır, dolayısıyla hacim hatası en aza iner.

İkincil standart çözelti ise daha az saf maddelerden, önceden belirlenmiş derişimli bir çözeltiyle karşılaştırılarak hazırlanır. Karşılaştırma işlemi standartlaştırmadır. Kalıtsal bir hata, hem büretin hem de pipetin aynı anda yanlış olmasıyla açıklanamaz; bu nedenle iki farklı ölçüm aracıyla yapılan denetimler güçlü kanıttır.

Standart çözeltilerin etiketinde ad, formül, derişim, hazırlanma tarihi, standartlaştıran kişi ve geçerlilik süresi bulunur. Tarihi geçen standart çözelti kullanılmaz; buzdolabında saklansa bile buhar kaybı derişimi değiştirir. Standart çözelti, analiz sonucunun bütün güvenilirliğini belirlediği için titrasyonda en kritik bileşendir.

Basit örnek

25,0 mL 0,10 mol/L NaOH çözeltisi, 0,10 mol/L HCl çözeltisiyle titre edilecektir. Önce NaOH madde miktarı hesaplanır: n = 0,10 · 0,0250 = 0,0025 mol bulunur. Tepkime 1: 1 olduğundan aynı miktarda HCl harcanır. Bu miktarı 0,10 mol/L ile karşılamak için gereken hacim 0,0025 / 0,10 = 0,025 L değeridir; bu değer 25,0 mL olarak okunur. Deneyde tüketim noktasına 25,0 mL değerinde ulaşılmalıdır.

İleri örnek

20,0 mL 0,20 mol/L H₂SO₄ numunesi 0,10 mol/L NaOH ile titre edilecektir. Burada iki ayrı hesap üst üste biner: önce asidin madde miktarı n = 0,20 · 0,0200 = 0,0040 mol olarak bulunur, sonra 1: 2 mol oranıyla gereken NaOH miktarı n = 2 · 0,0040 = 0,0080 mol olur. Bu miktarı 0,10 mol/L ile karşılamak için gereken hacim 0,0080 / 0,10 = 0,080 L değeridir; yani 80 mL NaOH tüketilir. Kademeli titrasyonda ayrıca pH değişiminin iki basamakta görüldüğü ve bunun ayrı raporlanması gerektiği unutulmamalıdır.

Adım adım çözülmüş örnek

Adım 1: Denklem yazılır ve mol oranı çıkarılır; HCl + NaOH tepkimesinde oran 1: 1 dir. Adım 2: Titreşik çözeltinin madde miktarı hesaplanır: n = 0,10 · 0,0300 = 0,0030 mol. Adım 3: Numunedeki tek bazik asit de 0,0030 mol olarak hesaplanır. Adım 4: Derişim bulunur: 0,0030 / 0,0200 = 0,15 mol/L sonucu çıkar.

Adım 5: Deneyde büret 0,1 mL bölümlü olduğu için okuma iki bölüm arasında yapılır. Adım 6: İki deney yapılır ve ortalaması alınır. Adım 7: Ortalama değer, raporun sonuç bölümüne yazılır. Adım 8: Kullanılan indikatörün adı kayda eklenir.

Kavram karşılaştırma tablosu

Sık Yapılan Hatalar

• Büret ucunda baloncuğu bırakmak: harcanan görünen hacim, gerçekte çözeltiye geçen hacimden küçüktür.
• Göz hizasından okumamak: paralaks hatası okuma değerini kaydırır ve sonuç yanlış yönde ilerler.
• Tüketim noktasında yeterince karıştırmamak: yerel renk değişimi tüm çözeltiye yayılmadan karar verilir.
• Mol oranını 1: 1 sayıp sülfürik asidi haksız yere saymak: iki protonlu asitte sonuç iki kat hatalı çıkar.
• Tek deneyle karar vermek: okuma hatasının fark edilmesi için en az iki tekrama ihtiyaç vardır.
• İndikatörü fazla miktarda eklemek: indikatörün kendi asitliği tüketim noktasını kaydırır.

Özet

Dereceleme, maddenin miktarını kütle ya da hacim ölçümüyle belirleme yöntemlerinin genel adıdır. Gravimetrik derecelemede kütle, volumetrik derecelemede hacim temel alınır; titrasyon volumetrik yöntemin yaygın uygulamasıdır. Titrasyonda büret hazırlanır, numune pipetle ölçülür, indikatör eklenir ve tüketim noktasına kadar damla damla titre edilir. HCl + NaOH tepkimesinde mol oranı 1: 1, H₂SO₄ + 2 NaOH tepkimesinde 1: 2 dir. Tüketim noktası, indikatörün kalıcı renk verdiği andır. Fenolftalein 8,2 ile 10,0, metil turuncu 3,1 ile 4,4, bromtimol mavisi 6,0 ile 7,6 aralıkta renk değiştirir. Standart çözeltiler saf, bileşimi belli ve kurutulmuş birincil standart maddelerle hazırlanır. Hata kaynakları baloncuğu, göz hizası, yetersiz karıştırma ve aşırı damladır; tekrarlama ve ortalama bunları azaltır.

Kendini dene

Aşağıdaki çalışmayı yaparak konuyu pekiştirebilirsin: bir numunenin derişimini bulmak için kullandığın denklemi yaz, mol oranını çıkar ve gereken titreşik çözelti hacmini hesapla. Ardından büret okuma kurallarını numaralandırarak listele ve deney defteri kaydının hangi bilgileri içermesi gerektiğini yaz. Yüz puan üzerinden puanlama yaparken hesap doğruluğu altmış, denklem ve mol oranı yirmi, ölçüm kuralları yirmi puan olarak ele alınabilir.