วันเสาร์ที่ 16 มกราคม พ.ศ. 2553

การหาความเข้มข้นสารละลายมาตรฐานกรด MO Memoir : Saturday 16 January 2553

เนื่องจากสมาชิกผู้หนึ่งของกลุ่มกำลังทำการทดลองเพื่อศึกษาผลของกรดที่มีต่อการเกิดปฏิกิริยา ในการทดลองดังกล่าวต้องมีการผสมสารละลายกรด HCl เจือจาง (ที่ต้องทราบความเข้มข้นที่แน่นอน) ลงไปในสารละลาย H2O2 แต่เนื่องจากสารละลายกรดเจือจางที่เตรียมขึ้นมานั้นยังไม่ทราบความเข้มข้นที่แน่นอน (เหตุผลจะกล่าวในย่อหน้าถัดไป) จึงจำเป็นต้องมีการไทเทรตหาความเข้มข้นที่แน่นอนของสารละลายกรด HCl เจือจางที่ใช้ก่อน Memoir ฉบับนี้จึงขอยกเอาวิธีการไทเทรตหาความเข้มข้นที่แน่นอนของสารละลายกรด ซึ่งกระทำอยู่ทุกปีในวิชาเคมีวิเคราะห์ภาคปฏิบัติการสำหรับนิสิตปริญญาตรีปี ๒ มาทบทวนให้ฟังกัน

ในการเตรียมสารละลายมาตรฐานกรด (standard acid solution) นั้น เรามักเริ่มจากการนำเอากรดเข้มข้นมาเจือจางด้วยน้ำกลั่น แต่ความเข้มข้นที่เขียนไว้ข้างขวดนั้นมักเป็นความเข้มข้นโดยประมาณ (wt% หรือร้อยละโดยน้ำหนัก) และการนำกรดความเข้มข้นสูง (ระดับเกิน 10 M) มาเจือจางให้เหลือระดับเพียงแค่ประมาณ 0.1 M นั้น การตวงกรดเข้มข้นคลาดเคลื่อนไปเพียงนิดเดียวก็ทำให้ความเข้มข้นของกรดเจือจางที่เตรียมได้นั้นคลาดเคลื่อนไปได้มาก

การหาความเข้มข้นที่แน่นอนของสารละลาย HCl ที่เตรียมได้ ทำได้ด้วยการไทเทรตกับสารละลาย Anhydrous Na2CO3 (M.W. 105.99) โดยใช้ methyl red (เปลี่ยนสีในช่วง 4.4 (แดง) - 6.2 (เหลือง)) เป็นอินดิเคเตอร์ และทำการต้มไล่ CO2 ที่จุดยุติด้วย (อ่านถึงตรงนี้ถ้าสงสัยว่าทำไมไม่ไทเทรตกับสารละลาย NaOH ให้ไปอ่านหมายเหตุที่ท้ายบันทึกฉบับนี้)

รูปที่ 1 แสดงการเปลี่ยนแปลงค่าพีเอชเมื่อทำการไทเทรตสารละลาย Na2CO3 เข้มข้น 0.1 M กับสารละลาย HCl เข้มข้น 0.1 M โดยไม่มีการต้มไล่ CO2 และมีการต้มไล่ CO2 ในการไทเทรต HCO3-

รูปที่ 1 การเปลี่ยนค่าพีเอชเมื่อทำการไทเทรตสารละลาย Na2CO3 เข้มข้น 0.1 M กับสารละลายกรด HCl เข้มข้น 0.1 M โดย (บน) ไม่มีการต้มไล่ CO2 ในการไทเทรต HCO3- และ (ล่าง) มีการต้มไล่ CO2 ในการไทเทรต HCO3- (ภาพจากหนังสือ "Analytical chemistry : An introduction" แต่งโดย D.A. Skoog, D.M. West และ F.J. Holler ของสำนักพิมพ์ Saunders College Publishing, 6th edition 1994


สมมุติว่าเราทำการไทเทรตสารละลายมาตรฐาน Na2CO3 (อยู่ในฟลาสค) กับสารละลาย HCl (หยดจากบิวเรต) โดยใช้ methyl red เป็นอินดิเคเตอร์ ในช่วงแรกของการไทเทรตนั้น HCl จะเข้าไปสะเทิน CO32- ก่อนโดยเปลี่ยน CO32- ให้เป็น HCO3- ซึ่งเป็นเบสอ่อน ดังนั้นในช่วงที่สองที่ทำการไทเทรต HCO3- ให้กลายเป็น H2CO3 นั้นจะเห็นการเปลี่ยนสีของ methyl red ไม่ชัดเจน คือสีจะค่อย ๆ เปลี่ยนจากเหลืองไปเป็นส้ม (สีผสมระหว่างแดงและเหลือง) และกลายเป็นแดง (สีที่จุดยุติ) ทำให้กำหนดจุดยุติของการไทเทรตได้ลำบาก แต่ถ้าหากเราไทเทรตจนสีของ methyl red กลายเป็นสีส้ม แล้วนำไปต้มให้สารละลายในฟลาสคร้อนขึ้น HCO3- จะสลายตัวกลายเป็นแก๊ส CO2 และ OH- ทำให้ค่าพีเอชของสารละลายในฟลาสคเพิ่มขึ้นกระทันหัน (พีคตรงตำแหน่ง "before boiling" กับ "after boiling" ที่แสดงในรูปที่ 1 (ล่าง)) สีของสารละลายในฟลาสคจะกลายเป็นสีเหลือง และทำให้การไทเทรตเป็นการไทเทรตระหว่างกรดแก่ (HCl) กับเบสแก่ (OH-) ซึ่งมีการเปลี่ยนสีของอินดิเคเตอร์ที่ชัดเจน ซึ่งเมื่อหยดสารละลาย HCl ลงไปอีกเล็กน้อยก็จะทำให้ methyl red เปลี่ยนสีเป็นสีแดงทันที (ถ้าหากกลายเป็นสีส้มอีกแสดงว่า ตอนที่เอาฟลาสคไปต้มนั้นสีของสารละลายเพิ่งจะเริ่มเป็นสีส้ม ในกรณีนี้ให้เอาฟลาสคไปต้มใหม่อีกจนสีของสารละลายในฟลาสคกลายเป็นสีเหลือง แล้วนำมาไทเทรตใหม่)


สิ่งที่ควรต้องทำคือ

1. นำ Na2CO3 (analar grade) ไปอบให้แห้ง (ที่อุณหภูมิเกิน 100 องศาเซลเซียส ข้ามคืน)

2. เตรียมสารละลาย Na2CO3 เข้มข้น 0.1 M จำนวน 250 ml (หรือ 100 ml) โดยใช้ Na2CO3 จากข้อ (1) ในขั้นตอนนี้ให้ชั่ง Na2CO3 มาอย่างละเอียด และละลาย Na2CO3 ที่ชั่งมาใน volumetric flask ขนาด 250 ml (หรือ 100 ml)

ในการหาน้ำหนักที่แน่นอนของ Na2CO3 ที่ชั่งได้นั้น ให้ชั่ง Na2CO3 บนแผ่นกระดาษ (หรืออะลูมิเนียมฟลอย) จดน้ำหนักรวมเอาไว้ จากนั้นจึงเท Na2CO3 ที่ชั่งมานั้นลงไปใน volumetric flask แล้วนำแผ่นกระดาษ (หรืออะลูมิเนียมฟลอย) มาชั่งน้ำหนักใหม่อีกครั้ง น้ำหนักที่หายไปคือน้ำหนักของ Na2CO3 ที่เทลงไปใน volumetric flask

ในการละลาย Na2CO3 ใน volumetric flask นั้น ให้เติมน้ำลงไปประมาณ 1/4-1/2 ของปริมาตรขวด โดยพยายามอย่าให้คอขวดส่วนที่อยู่เหนือเส้นบอกปริมาตรเปียกน้ำ (สำคัญมาก) จากนั้นเขย่าเพื่อละลาย Na2CO3 ที่เติมลงไปให้หมด (โดยที่ยังคงพยายามไม่ให้คอขวดส่วนที่อยู่เหนือเส้นบอกปริมาตรเปียกน้ำ) เมื่อละลายNa2CO3 ที่เติมลงไปจนหมดแล้ว จึงเติมน้ำเพิ่มเติมจนถึงเส้นบอกปริมาตร (โดยที่ยังคงพยายามไม่ให้คอขวดส่วนที่อยู่เหนือเส้นบอกปริมาตรเปียกน้ำ) จากนั้นจึงเขย่าขวดเพื่อให้สารละลายในขวดเป็นเนื้อเดียวกันสม่ำเสมอทั้งขวด (ในขณะนี้อนุญาตให้คอขวดส่วนที่อยู่เหนือเส้นบอกปริมาตรเปียกน้ำได้แล้ว) หลังเสร็จสิ้นการเขย่าจนสารละลายในขวดเป็นเนื้อเดียวกันหมดแล้ว พอตั้งขวดเอาไว้อาจเห็นว่าระดับของเหลวอยู่ "ต่ำ" กว่าเส้นบอกปริมาตร ก็ "ไม่ต้อง" เติมน้ำลงไปเพิ่มเติม เพราะน้ำที่หายไปนั้นมันไปเปียกคอขวดส่วนที่อยู่เหนือเส้นบอกปริมาตร

3. ในการไทเทรตนั้นให้ปิเปตสารละลาย Na2CO3 ที่เตรียมไว้มา 10-25 ml (ใช้ transfer pipette ขนาดที่มีอยู่ในห้องแลป) หยด methyl red ที่ใช้เป็นอินดิเคเตอร์ลงไป 3-4 หยด แล้วนำไปไทเทรตกับกรด HCl ที่เป็นตัวอย่าง

4. เมื่อสีของสารละลายในฟลาคกลายเป็นสีส้มเข้ม (ยังไม่แดง) ให้นำฟลาคไปต้มในอ่างน้ำร้อน ต้มจนกระทั่งสารละลายในฟลาคกลายเป็นสีเหลืองใหม่

5. ทำการไทเทรตต่อจนกระทั่ง methyl read เปลี่ยนสีจากเหลืองเป็นแดงทันที ถ้าการเปลี่ยนสียังเป็นจากเหลืองไปเป็นส้ม ก็ให้นำฟลาคไปต้มให้ร้อนใหม่จนกระทั่งสีของสารละลายเป็นสีเหลือง แล้วค่อยนำกลับมาไทเทรตใหม่

6. พึงระลึกว่าต้องใช้ HCl 2 โมลทำปฏิกิริยาพอดีกับ Na2CO3 1 โมล


ก่อนที่จะลงมือทำให้มาปรึกษารายละเอียดอีกครั้งก่อน


หมายเหตุ

ในการไทเทรตนั้น เราอาจทำโดย

(ก) ใช้สารมาตรฐานที่ทราบความเข้มข้นที่แน่นอน (หยดจากบิวเรต) มาทำปฏิกิริยากับสารตัวอย่างที่ทราบปริมาณที่แน่นอน (อยู่ในฟลาสค) แล้วหาว่าต้องใช้สารมาตรฐานในปริมาตรเท่าใดจึงจะทำปฏิกิริยากับสารตัวอย่างได้พอดี หรือ

(ข) ใช้สารมาตรฐานที่ทราบความเข้มข้นที่แน่นอนและทราบปริมาณที่แน่นอน (ใส่ในฟลาสค) มาทำปฏิกิริยากับสารตัวอย่าง (หยดจากบิวเรต) แล้วหาว่าต้องใช้สารตัวอย่างเท่าใดจึงจะทำปฏิกิริยาพอดีกับสารมาตรฐาน

ส่วนจะเลือกใช้แบบ (ก) หรือ (ข) นั้นขึ้นอยู่กับว่าเรามีสารแต่ละชนิดในปริมาณเท่าใด (โดยหลักก็คือเอาตัวที่มีมากใส่บิวเรต) หรือเลือกทิศทางที่เห็นการเปลี่ยนสีของอินดิเคเตอร์ได้ชัดเจน (เช่นดูการเกิดสีของฟีนอฟทาลีนจากไม่มีสีเป็นมีสีชมพูแดง จะดูง่ายกว่าดูการเปลี่ยนสีจากสีชมพูแดงเป็นไม่มีสี)

โดยหลักแล้วสารที่จะนำมาใช้เป็นสารมาตรฐานปฐมภูมิ (primary standard) นั้นควรมีคุณสมบัติดังนี้คือ มีความบริสุทธิ์สูง และมีมวลโมเลกุลสูง

การที่สารมาตรฐานต้องมีความบริสุทธิ์สูงนั้นก็ชัดเจนอยู่ในตัวอยู่แล้ว ส่วนการที่ต้องมีมวลโมเลกุลสูงก็เพื่อลดความผิดพลาด (สัมพัทธ์) ในการชั่งน้ำหนักสารมาตรฐาน

ในการชั่งสารนั้นจะมีความคลาดเคลื่อนอยู่ในระดับหนึ่ง ซึ่งขึ้นอยู่กับความละเอียดของเครื่องชั่ง

สมมุติว่าเราใช้เครื่องชั่งที่มีความละเอียด 0.001 g มาใช้ชั่งสาร ดังนั้นไม่ว่าเราจะชั่งสารหนัก 2.000 g หรือ 5.000 g เราก็จะมีความคลาดเคลื่อนในระดับ 0.001 g อยู่ดี

แต่ความคลาดเคลื่อนระดับ 0.001 g เมื่อเทียบกับ 2.000 g หมายถึงคลาดเคลื่อน 0.05% แต่ถ้าเทียบกับ 5.000 g จะกลายเป็นคลาดเคลื่อนเพียง 0.02%

ดังนั้นถ้าเราใช้สารที่มีมวลโมเลกุล 20 แล้วต้องการชั่งเพียง 0.1 โมล เราก็ต้องชั่งมา 2.000 g โดยสารที่ชั่งได้จะมีความคลาดเคลื่อน 0.05% แต่ถ้าเราใช้สารที่มีมวลโมเลกุล 50 แล้วต้องการชั่งเพียง 0.1 โมล เราก็ต้องชั่งมา 5.000 g โดยสารที่ชั่งได้จะมีความคลาดเคลื่อนลดลงเหลือเพียง 0.02% ซึ่งน้อยกว่า

การที่เราไม่ใช่ NaOH เป็นสารมาตรฐานปฐมภูมินั้นเป็นเพราะ NaOH ไม่มีความบริสุทธิ์สูง ขวด NaOH ที่เปิดสัมผัสอากาศแล้วมีโอกาสที่ NaOH จะจับกับแก๊ส CO2 ในอากาศกลายเป็น Na2CO3 ปนอยู่ในขวด และสารละลาย NaOH ที่เตรียมได้ยังสามารถทำปฏิกิริยากับแก๊ส CO2 ในอากาศได้เช่นเดียวกัน ทำให้ความเข้มข้นเปลี่ยนไปได้ถ้าเก็บไว้ไม่ดีพอ

ในการไทเทรตหาความเข้มข้นของกรดนั้นจะต้องนำสารละลาย NaOH ที่เตรียมได้ไปไทเทรตกับสารละลายของเกลือ potassium hydrogen phtahlate (บางทีก็เรียกกันสั้น ๆ ว่า KHP สารนี้มี M.W. 204.23) ก่อนเพื่อหาความเข้มข้นที่แน่นอนของ NaOH ที่เตรียมได้ จากนั้นจึงจะสามารถนำสารละลาย NaOH ที่เตรียมไว้ไปใช้เป็นสารละลายมาตรฐานทุติภูมิ (secondary standard) ในการไทเทรตหาความเข้มข้นของกรด

ส่วนการไทเทรตหาความเข้มข้นของสารละลาย HCl นั้นอาจทำได้โดยการไทเทรตกับสารละลาย Na2CO3 ที่กล่าวไว้ในข้างต้น หรือไทเทรตกับสารละลาย NaOH ที่ผ่านการไทเทรตหาความเข้มข้นที่แน่นอน

วิธีการที่บอกให้ทำนั้นจะเป็นการใส่สารละลาย Na2CO3 ในฟลาคแล้วหยด HCl ลงมาจากบิวเรต แต่เนื่องจากเรามี HCl ที่เป็นสารตัวอย่างในปริมาณจำกัด ดังนั้นพึงระวังอย่าใส่สารละลาย Na2CO3 มากเกินไป เพราะจะทำให้ไม่มี HCl เพียงพอสำหรับการทำซ้ำ

ไม่มีความคิดเห็น: