Quantitative analysis

Odměrná analýza (též titrační stanovení, titrace) patří obecně mezi kvantitativní metody, které se zabývají stanovením množství jednotlivých složek ve zkoumaném (analyzovaném) materiálu (vzorku), které byly již předem určeny kvalitativní analýzou, zjišťující pouze složení analyzovaného vzorku.

Odměrná analýza se provádí v kapalném prostředí, patří mezi přímé chemické metody analýzy vedle instrumentálních analytických metod, které využívají ke kvantitativnímu stanovení nepřímých fyzikálně-chemických měření.

Odměrná analýza využívá ke kvantitativnímu stanovení stechiometrických analytických reakcí. Podmínkou je, aby takovéto reakce probíhaly jednoznačně, dostatečně rychle, bez rušivých vedlejších reakcí a kvantitativně, s možností snadno identifikovat konec reakce, dosažení bodu ekvivalence.

Principem titrace je přesné měření objemu roztoku odměrného (titračního) činidla, které postupně přidáváme (z byrety) k přesně známému objemu roztoku analyzovaného vzorku (v titrační baňce) až do okamžiku, kdy mezi nimi proběhne kvantitativně chemická reakce (bod ekvivalence). Podle stechiometrických poměrů chemické rovnice proběhlé reakce, z naměřeného objemu titračního činidla spotřebovaného při titraci, z jeho koncentrace a z objemu roztoku analyzovaného vzorku vypočítáme ekvivalentní množství analyzované látky v objemu analyzovaného vzorku nebo přímo jeho koncentraci.

Titrace se mohou provádět jako:
 * Přímá titrace, kdy se přidává odměrný roztok přímo k roztoku stanovované látky až do okamžiku, kdy jsou si látková množství obou roztoků ekvivalentní.
 * Nepřímá titrace, kdy se k roztoku stanovované látky přidá nadbytek činidla, vytvoří se produkt, který se teprve titruje.
 * Zpětná titrace, kdy se přidá k roztoku stanovované látky přesný objem odměrného činidla v nadbytku, nechá se proběhnout kvantitativní reakce, poté se nadbytek odměrného činidla titruje dalším odměrným činidlem.

Metody odměrné analýzy
Metody odměrné analýzy se dělí podle principu chemických reakcí, které jsou podstatou titračního stanovení, na:
 * acidobazické titrace (stanovení kyselých, respektive zásaditých látek titrací zásadami, resp. kyselinami), principem jsou neutralizační reakce
 * H3O+ + OH- 2 H2O


 * komplexotvorné (titrace, kdy kation stanovovaného kovu je vázán do rozpustného komplexního iontu, takže z roztoku jako volný kation vymizí), viz komplexní sloučeniny.


 * srážecí (titrace založené na vzniku málo rozpustných sloučenin, titrovaná látka vymizí z roztoku, protože je z něj vysrážena), viz součin rozpustnosti. Např. argentometrie, která využívá tvorby nerozpustných solí s kationtem Ag+, titračním činidlem je AgNO3, vhodná pro stanovení Cl-, Br-, I-, CN-, SCN- aj.


 * oxidačně-redukční (titrovaná látka je zoxidována nebo zredukována oxidujícím, resp. redukujícím titračním činidlem)

Jednotlivé typy titrací se také někdy nazývají podle charakteru roztoku titračního činidla (alkalimetrie – používáme odměrný roztok zásady, acidimetrie – používáme odměrný roztok kyseliny, manganometrie – titrujeme odměrným roztokem KMnO4 aj.). Pokud se konec titrace zjišťuje některou z instrumentálních indikací, pak se tato objevuje v názvu titrace, např. potenciometrická, konduktometrická titrace.

Vlastní titrace
Byreta se propláchne destilovanou vodou a nalije se do ní pomocí nálevky odměrné činidlo o známé koncentraci. Do čisté titrační baňky se přesně odměří objem roztoku analyzované látky (vzorku) a přidá se několik kapek vhodného indikátoru. Titrační baňkou se krouživě pohybuje a současně se opatrně odpouští z byrety postupně malé množství odměrného roztoku. Před koncem titrace, tj. když začíná být patrná změna titrovaného roztoku (barva, zákal aj.), přidáváme titrační činidlo velmi pomalu (po kapkách), až do trvalé změny titrovaného roztoku. Titruje se celkem třikrát. První titrace je orientační, slouží k vyzkoušení barevného přechodu indikátoru či jiných změn, (snadno se „přetitruje“, tj. spotřebuje se větší objem odměrného činidla). Průměrná spotřeba druhé a třetí titrace se použije pro výpočet koncentrací. Barevný roztok se lépe pozoruje proti bílému pozadí, vznikající bílý zákal naopak proti černému pozadí.

Calculation of substance and mass concentration from titration determination
When calculating the concentrations of substances determined by titration, we start from a state where a quantitative chemical reaction took place in a stoichiometric ratio, and at the equivalence point, the equivalent substance amounts of the measuring reagent and the titrated substance are equal. If X moles of titrant reacts with Y moles of titrant in solution, then the equation generally applies:


 * $$\frac{n_x}{X}=\frac{n_y}{Y}$$

and if the product of concentration and volume is substituted for the amount of substance n, than the relation applies to:


 * $$\frac{c_x \cdot V_x}{X} = \frac{c_y \cdot V_y}{Y}$$

 Example

For the titration of 10 ml of NaOH solution, 8 ml of sulfuric acid with an exact concentration of c = 0,1 mol/l. What will be the substance and mass concentration of the titrated NaOH solution?

Solution

A chemical equation applies to a titration
 * H2SO4 + 2 NaOH Na2SO4 + 2 H2O

titrant H2SO4 (X = 1 mol), titrant NaOH (Y = 2 moly).

By modifying the above extract, we get


 * $$Y \cdot c_x \cdot V_x = X \cdot c_y \cdot V_y $$

After reaching


 * $$2 \cdot 0,1 \cdot 8 = 1 \cdot c_y \cdot 10 $$


 * $$c_y = \frac{2 \cdot 0,1 \cdot 8}{1 \cdot 10} = 0,16 \mbox{ mol/l}$$

The substance concentration of NaOH is cy = 0,16 mol/l.

Conversion to mass concentration: (Mr NaOH = 40)


 * $$ w = \frac{m}{V} = M_r \cdot \frac{n}{V} = 40 \cdot 0,16 = 6,4 \mbox{ g/l}$$

mass concentration of NaOH is w = 6.4 g/l.

Literature

 * Karlíček R. a kolektiv (2001): Analytická chemie pro farmaceuty. Karolinum, Nakladatelství Univerzity Karlovy.
 * Kraml J. a kolektiv (1999): Návody k praktickým cvičením z lékařské chemie a biochemie. Karolinum, Nakladatelství Univerzity Karlovy.
 * Návod k použití laboratorního pH/mV/ORC-metru Orion 2 Star