انتخاب شناساگر در تیتراسیون اسید ضعیف
در یک آزمایش تیتراسیون، ۲۵٫۰ میلی‌لیتر از محلول استیک اسید با غلظت 0.10 M و Ka=1.8×10^-5 با محلول سدیم هیدروکسید 0.10 M تیتر می‌شود. آزمایشگر سه شناساگر در اختیار دارد: متیل اورانژ با محدودهٔ تغییر رنگ ۳٫۱ تا ۴٫۴، برموتیمول آبی با محدودهٔ ۶٫۰ تا ۷٫۶، و فنول‌فتالئین با محدودهٔ ۸٫۲ تا ۱۰٫۰. او می‌خواهد نقطهٔ هم‌ارزی را با کمترین خطای ممکن تشخیص دهد. یک همکار می‌گوید چون اسید ضعیف است، pH نقطهٔ هم‌ارزی دقیقاً ۷ نیست و باید شناساگر مناسب انتخاب شود. آزمایشگر دیگری اصرار دارد که در نیمهٔ مسیر تیتراسیون، pH برابر pKa است و می‌توان از همان نقطه برای انتخاب شناساگر استفاده کرد. دما ثابت است، حجم کل در نقطهٔ هم‌ارزی ۵۰٫۰ میلی‌لیتر می‌شود و فعالیت‌ها با غلظت تقریب زده می‌شوند. تعیین کنید کدام شناساگر مناسب‌تر است و چرا.
1. pH نقطهٔ هم‌ارزی را محاسبه کنید و شناساگر مناسب را انتخاب کنید.
Read the worked answer
مول استیک اسید: n = 0.0250 L × 0.10 mol/L = 0.0025 mol
در نقطهٔ هم‌ارزی همان مقدار NaOH اضافه شده و نمک استات تولید می‌شود. غلظت استات: C = 0.0025 mol / 0.0500 L = 0.050 M
استات باز مزدوج ضعیف است: Kb = Kw/Ka = 1.0×10^-14 / 1.8×10^-5 ≈ 5.56×10^-10
[OH^-] ≈ sqrt(Kb×C) = sqrt(5.56×10^-10 × 0.050) ≈ sqrt(2.78×10^-11) ≈ 5.27×10^-6 M
pOH ≈ 5.28 ⇒ pH ≈ 8.72
فنول‌فتالئین با محدودهٔ ۸٫۲ تا ۱۰٫۰ این pH را پوشش می‌دهد. متیل اورانژ بسیار اسیدی‌تر است و برموتیمول آبی تا ۷٫۶ می‌رسد؛ هیچ‌کدام نقطهٔ هم‌ارزی را درست نشان نمی‌دهند.
2. ادعای استفاده از pH نیمهٔ مسیر تیتراسیون برای انتخاب شناساگر را ارزیابی کنید.
Read the worked answer
در نیمهٔ مسیر، مقدار اسید و باز مزدوج تقریباً برابر است و رابطهٔ هندرسون‑هاسل‌بالخ برای بافر می‌دهد: pH = pKa + log([A^-]/[HA]) ≈ pKa
pKa استیک اسید برابر است با: pKa = -log(1.8×10^-5) ≈ 4.74
این pH مربوط به منطقهٔ بافر است، نه نقطهٔ هم‌ارزی. شناساگر باید نزدیک pH نقطهٔ هم‌ارزی تغییر رنگ دهد، نه در نیمهٔ مسیر. در pH=4.74 متیل اورانژ تقریباً در انتهای محدودهٔ خود است و برموتیمول آبی هنوز تغییر رنگ نداده است؛ بنابراین انتخاب شناساگر بر پایهٔ نیمهٔ مسیر می‌تواند خطای بزرگی ایجاد کند. معیار درست، pH نقطهٔ هم‌ارزی حدود ۸٫۷ است.