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Introduction to Titration
  • 00:00Overview
  • 00:56Principles of the Titration
  • 03:57Standardization of the Titrant
  • 07:06Titration of Vinegar with the Standardized Sodium Hydroxide Solution
  • 08:26Applications
  • 09:52Summary

Introdução à Titulação

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Overview

Fonte: Laboratório do Dr. Yee Nee Tan — Agência de Ciência, Tecnologia e Pesquisa

Titulação é uma técnica comum usada para determinar quantitativamente a concentração desconhecida de um analito identificado. 1-4 Também é chamada de análise volumétrica, pois a medição dos volumes é fundamental na titulação. Existem muitos tipos de titulações baseadas nos tipos de reações que exploram. Os tipos mais comuns são titulações de base ácida e titulações de redox. 5-11

Em um processo típico de titulação, uma solução padrão de titulação em uma burette é gradualmente aplicada para reagir com um analito com uma concentração desconhecida em um frasco de Erlenmeyer. Para titulação ácido-base, um indicador de pH é geralmente adicionado na solução de analito para indicar o ponto final da titulação. 12 Em vez de adicionar indicadores de pH, o pH também pode ser monitorado usando um medidor de pH durante um processo de titulação e o ponto final é determinado graficamente a partir de uma curva de titulação de pH. O volume de titulação registrado no ponto final pode ser usado para calcular a concentração do analito com base na estoquimetria de reação.

Para a titulação ácido-base apresentada neste vídeo, o titrant é uma solução padronizada de hidróxido de sódio e o analito é vinagre doméstico. Vinagre é um líquido ácido que é frequentemente usado como um condimento culinário ou aromatizantes. O vinagre consiste principalmente de ácido acético (CH3COOH) e água. O teor de ácido acético do vinagre comercial pode variar muito e o objetivo deste experimento é determinar o teor de ácido acético do vinagre comercial por titulação.

Principles

A determinação do ácido acético no vinagre baseia-se no princípio de um método de titulação ácido-base. A reação entre NaOH e CH3COOH é mostrada na Equação 1:

CH3COOH(aq) + NaOH(aq) → H2O(l) + NaCH3CO2(aq) (1)

A solução naOH padronizada é progressivamente adicionada ao vinagre com concentração de ácido acético desconhecido até que o ponto final seja alcançado. Durante a titulação ácido-base, o pH pode ser plotado em função do volume do titante adicionado. O ponto de inflexão na curva, o ponto em que há uma quantidade igual estoquiométrica igual de ácido e base em uma solução, é chamado de ponto de equivalência. A maioria dos ácidos e bases são incolores, sem reação visível ocorrendo no ponto de equivalência. Para observar quando o ponto de equivalência foi atingido, um indicador de pH é adicionado. O ponto final não é o ponto de equivalência, mas um ponto em que o indicador de pH muda de cor. É importante selecionar um indicador de pH adequado para que o ponto final esteja o mais próximo possível do ponto de equivalência da titulação.

No ponto final desta reação, a base conjugada NaCH3CO2 é ligeiramente básica. O indicador phenolphthalein tem uma faixa de pH de trabalho de 8,3-10,0, que é incolor em solução ácida e magenta acima do pH 8.2. Portanto, o fenolfthalein é um indicador preferido, pois mudará de incolor para rosa nesta condição. Ao realizar o experimento, é melhor manter a concentração do indicador de pH baixa porque os próprios indicadores de pH geralmente são ácidos fracos que reagem com base.

O volume de solução naOH padronizada adicionada no ponto final pode então ser usado para calcular as concentrações molares do ácido acético com base na estequiometria da equação acima. Neste experimento, o naoh titante é um alcalino forte e o ácido acético de análise é um ácido fraco.

Antes de realizar o experimento, é importante considerar a natureza higroscópica do NaOH. Esta propriedade requer que sua solução seja padronizada com um padrão primário estável, como o ftalato de hidrogênio de potássio (KHC8H4O4). A concentração molar exata da solução NaOH pode então ser determinada com precisão após a padronização. A reação entre o padrão de ácido primário e o NaOH é mostrada na Equação 2:

KHC8H4O4(aq) + NaOH(aq) → H2O(l) + NaKC8H4O4(aq)   (2)

Um protocolo detalhado de titulação passo a passo é apresentado na seção a seguir.

Procedure

1. Padronização de NaOH com Hidrogênio de Potássio (KHC8H4O4) Para começar, o titulante, hidróxido de sódio, deve ser padronizado. Prepare uma solução naOH de estoque dissolvendo cerca de 4 g de pelota NaOH em 100 mL de água desionizada. Observe que o NaOH é um produto químico perigoso que é corrosivo para a pele e irritante aos olhos, seja cauteloso e use equipamentos de proteção pessoal adequados (EPI) para evitar o contato com a pele ou o contato visual. Faça uma diluição de 1:10 da solução de hidróxido de sódio adicionando 25 mL da solução de hidróxido de sódio ao frasco de 500 mL. Hidróxido de sódio absorve dióxido de carbono. É importante evitar isso, certificando-se de usar água cozida e deionizada, uma garrafa seca no forno, e tampar a garrafa rapidamente. Faça a solução até 250 mL com a água deionizada e agite para misturar. Seque 4-5 g do ácido padrão primário, KHC8H4O4 a 110 °C por 4h em forno de secagem e depois esfrie o sólido em um dessecador por 1 h. Dissolva cerca de 4 g de KHC seco8H4O4 em 250 mL de água deionizada. Regisso da massa com precisão. Calcule a concentração molar da solução KHC8H4O4. Pipeta 25 mL de KHC8H4O4 em um frasco erlenmeyer limpo e seco. Adicione 2 gotas de fenolfthaleina, e gire suavemente para misturar bem. Note que o fenolfofino é tóxico e irritante, tenha cuidado para evitar o contato com a pele ou o contato visual. Limpe uma burette de 50 mL e um funil bem com detergente e água. Lave a burette com água e enxágue 3x com água deionizada. Enxágüe o burette com a solução NaOH diluída 3x, certificando-se de que o NaOH molhe toda a superfície interna e drene os resíduos através da ponta. Monte a burette lavada em um suporte de anéis com um grampo e certifique-se de que ela fique verticalmente. Encha o burete limpo com a solução NaOH diluída. Deve-se notar que a quantidade do NaOH diluído não precisa ser exatamente na marca zero, mas deve estar dentro da escala e suficiente para pelo menos uma titulação. Bolhas de ar podem afetar a precisão da leitura de volume. Verifique cuidadosamente as bolhas de ar da burette e bata suavemente no burete para libertá-las e abra a torneira para deixar alguns mL de titulante fluir e, ao mesmo tempo, liberar qualquer ar preso. Leia o volume visualizando a parte inferior do menisco após os 10 s. Registo o volume inicial. Preste atenção aos números significativos da leitura. Registo o valor para duas casas decimais em mL. Coloque o frasco de Erlenmeyer contendo ftalato de hidrogênio de potássio (KHC8H4O4) sob a burette e ajuste a altura da burette corretamente. Titule a solução KHC8H4O4 adicionando lentamente a solução NaOH em incrementos de 1 a 2 mL usando uma mão para controlar a taxa de fluxo ajustando a torneira, e a outra girando o frasco. Quando estiver perto do ponto final, comece a adicionar o titante gota a gota. O ponto final é alcançado quando a solução vira uma cor rosa fraca e persistente. Registo o volume final do NaOH diluído na burette. Repita a titulação pelo menos mais duas vezes para obter dados consistentes. Calcule a concentração molar da solução NaOH diluída. 2. Titulação de Vinagre com Solução padronizada de hidróxido de sódio A solução de hidróxido de sódio agora é padronizada e pode ser usada como um titulante para analisar o vinagre. Para reduzir o aroma pungente do vinagre, diluir 10 mL da solução de vinagre a ser testada em uma ração de 1:10 para um volume total de 100 mL. Pipeta 25 mL de analito, para um frasco erlenmeyer limpo e seco (anotado como VA). Adicione 2 gotas de fenolfthaleina. Encha o burette com a solução NaOH padronizada desde a primeira parte do Procedimento. Regisso volume inicial de titulante (V1). Adicione progressivamente a solução naOH padronizada ao vinagre. Quando o volume de titulante se aproximar do valor esperado, ajuste a torneira para adicionar a gota de titulação por gota. Continue girando o frasco com uma mão e mantenha a outra mão pronta para fechar a torneira. Uma vez que a solução de analito muda para a cor rosa clara, gire por alguns segundos para ver se a cor vai desaparecer. Se a cor persistir, a titulação chega ao ponto final. Registo o volume final de titulante (V1′). Se a cor da solução desaparecer, adicione mais uma gota de titulação. Lave a ponta inferior da burete usando a garrafa de lavagem. Colete a mistura lavada e observe a mudança de cor da solução de analito. Continue a titulação até o ponto final. Registo da quantidade de titulante necessário (Vt1 = V1′ V1). Repita a titulação pelo menos duas vezes até que três valores concordantes que estão dentro de 0,1 mL um do outro sejam obtidos (Vt2 e Vt3). Calcule o valor médio do volume de titrant usando os três valores obtidos em três titulações diferentes: Vt = (Vt1 + Vt2 + Vt3)/3. A concentração molar de ácido acético no vinagre pode ser assim calculada usando a Equação 3.

Results

Unit Trial 1 Trial 2 Trial 3
Volume of diluted vinegar acid (VA) mL 25.00
Molar concentration of NaOH (cNaOH) mol/L 0.09928
Initial burette reading of NaOH mL 0.10 0. 05 1.20
Final burette reading of NaOH mL 18.75 18.60 19.80
Volume of NaOH dispensed mL 18.65 18.55 18.60
Mean volume of NaOH dispensed (Vt) mL 18.60

Table 1. Titration results.

Sample calculations:

Mass of KC8H5O4 = 4.0754 g

Molar mass of KC8H5O4 = 204.22 g/mol

Number of moles of KC8H5O4 in 25.00 mL standard solution = Equation 2

According to Equation 2,

Concentration of the diluted NaOH solution = Equation 3

Moles of NaOH dispensed = concentration of NaOH × mean volume of NaOH dispensed = 0.09928 mol/L × 18.60 mL = 1.847 × 10-3 mol

According to Equation 1,

Number of moles of CH3COOH in 25.00 mL of diluted vinegar = 1.847 × 10-3 mol

Concentration of diluted vinegar = Equation 4

Hence concentration of undiluted vinegar = 10 × 7.388 102 mol/L = 0.7388 mol/L

The above steps are presented to illustrate the calculation procedure; we can simply apply Equation 3 to obtain the concentration of undiluted vinegar in one step.

Therefore 1.000 L of undiluted vinegar contains 0.7388 mol of CH3COOH.

Volume of CH3COOH=Equation 5

Volume percent of vinegar = Equation 6

Applications and Summary

Titration is an important chemical method that is frequently applied in current chemistry research. For example, acid base titration is applied to determine amine or hydroxyl value of a sample. The amine value is defined as the number of milligrams of KOH equivalent to the amine content in one gram of sample. To determine the hydroxyl value, the analyte is first acetylated using acetic anhydride then titrated with KOH. The mass in milligrams of KOH then corresponds to hydroxyl groups in one gram of sample.13 Another example is the Winkler test, a specific type of redox titration used to determine the concentration of dissolved oxygen in water for water quality studies. Dissolved oxygen is reduced using manganese(II) sulfate, which then reacts with potassium iodide to produce iodine. Since the iodine released is directly proportional to the oxygen content, the oxygen concentration is determined by titrating iodine with thiosulfate using a starch indicator.14

Besides applications in basic chemical research, titration has also been widely adopted in industrial and everyday use. In biodiesel industry, waste vegetable oil (WVO) must first be neutralized to remove free fatty acids that would normally react to make undesired soap. A portion of WVO is titrated with a base to determine the sample acidity, so the rest of the batch could be properly neutralized.15 Benedict's method, a test for quantification of urine glucose level, is another example showing the importance of titration in healthcare. In this titration, cupric ions are reduced to cuprous ions by glucose, which then react with potassium thiocyanate to form a white precipitate, indicating the endpoint.16

References

  1. Llc, B. Titration: Ph Indicator, Thermometric Titration, Nonaqueous Titration, Equivalence Point, Acid-Base Titration, Amperometric Titration. General Books LLC, (2010).
  2. Jacobsen, J. J., Jetzer, K. H., Patani, N., Zweerink, G. & Zimmerman, J. Titration Techniques. J. Chem. Educ. 72, 612, doi:10.1021/ed072p612 (1995).
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  10. Silverstein, T., Cheng, L. & Allen, J. F. Redox Titration of Multiple Protein Phosphorylations in Pea Chloroplast Thylakoids. Biochim. Biophys. Acta (BBA)-Bioenerg. 1183, 215-220, doi:10.1016/0005-2728(93)90022-8 (1993).
  11. Lenghor, N., Jakmunee, J., Vilen, M., Sara, R., Christian, G. D. & Grudpan, K. Sequential Injection Redox or Acid-Base Titration for Determination of Ascorbic Acid or Acetic Acid. Talanta 58, 1139-1144, doi:10.1016/S0039-9140(02)00444-7 (2002).
  12. Mitchell, P., Moyle, J. & Smith, L. Bromthymol Blue as a pH Indicator in Mitochondrial Suspensions. Eur. J. Biochem. 4, 9-19, doi:10.1111/j.1432-1033.1968.tb00166.x (1968).
  13. Perkins, E. G. Analyses of Fats, Oils and Derivatives. AOCS press, (1993).
  14. Spellman, F. R. Handbook of Water and Wastewater Treatment Plant Operations. 2 edn, CRC Press, (2009).
  15. Purcella, G. Do It Yourself Guide to Biodiesel: Your Alternative Fuel Solution for Saving Money, Reducing Oil Dependency, Helping the Planet. Ulysses Press, (2007).
  16. Nigam. Lab Manual Of Biochemistry. Tata McGraw-Hill Education (2007).

Transcript

Titration is a commonly applied method of quantitative chemical analysis used to determine the unknown concentration of a solution. A typical titration is based on a reaction between a titrant and an analyte. The titrant of known concentration is gradually added to a precise volume of an unknown analyte until the reaction reaches an endpoint.

At the endpoint, the moles of titrant and analyte are equal. By manipulating the equation relating volume and concentration, the concentration of analyte can be deduced.

This video will illustrate the principles behind titration, present a protocol to determine the amount of acetic acid in commercial vinegar, and finally explore some common applications of the method.

Titrations are classified based on the type of reaction carried out. For example, redox titrations make use of an oxidation-reduction exchange between reactants which involves the transfer of electrons from one reactant to another. Complexometric titrations rely on the formation of a largely undissociated complex. However, acid-base titrations, which exploit the neutralization of an acid with a base, are one of the most widely studied. To determine the concentration of acid in an analyte, a base, such as sodium hydroxide, is used. Sodium hydroxide is hygroscopic, that is, it has the property of absorbing moisture from the atmosphere. Before it can be used as a titrant, its exact concentration in solution must be standardized.

To do this, it is first titrated with the primary standard, potassium hydrogen phthalate. A primary standard should be pure, stable, non-hygroscopic, and have a high molecular weight. Because the amount of hydronium ions contributed by the primary standard is known to a high degree of accuracy, it is used to determine the exact concentration of the hydroxide ions in the titrant. During an acid-base titration, the pH can be plotted as a function of the volume of the titrant added. The inflection point on the curve, the point at which there is a stoichiometric equal amount of acid and base in a solution, is called the equivalence point.

Most acids and bases are colorless, with no visible reaction occurring at the equivalence point. To observe when the equivalence point has been reached, a pH indicator is added. This is a pH sensitive dye that changes color in different pH environments. Its important to note that endpoint is not equal to the equivalence point, but indicates when a particular pH value has been reached. For example, phenolphthalein changes color around a pH of 8 and is commonly used as an indicator for acid-base titrations with an equivalence point around pH 7. While an accurate indicator for the titration is one that changes color as close to the equivalence point as possible, the titration curve has a steep slope around the equivalence point, leading to an acceptable level of error. At the equivalence point, the moles of base added are equal to the moles of acid initially present. An equation that utilizes the molarity and volume of each component can be used. With the other three values known, the acid concentration can be calculated. Now that you understand the principles behind the procedure, lets take a look at an actual protocol to determine the percent acetic acid in a commercial vinegar sample by reacting it with a standardized sodium hydroxide solution.

Typically, a rough estimate titration is performed to approximate where the endpoint will be. To begin, the titrant, sodium hydroxide, must be standardized. First, dissolve roughly 4 g of sodium hydroxide into 100 mL of deionized water. Make a 1:10 dilution by adding 25 mL of this stock sodium hydroxide solution to a glass container. Bring the total volume to 250 mL with deionized water and shake to mix. As sodium hydroxide absorbs carbon dioxide, it is important to use boiled, deionized water and an oven-dried bottle, and to cap the bottle quickly.

Calculate the approximate molar concentration of sodium hydroxide. Then, weigh out 5 g of the standard acid, potassium hydrogen phthalate, and place it in a drying oven. Once dried, allow the solid to cool to room temperature in a desiccator.

Weigh out 4 g of the dried potassium hydrogen phthalate to a high degree of precision, and dissolve in 250 mL of deionized water. Calculate the molar concentration of the potassium hydrogen phthalate solution.

Using a volumetric pipette, transfer 25 mL of the potassium hydrogen phthalate solution into a clean, dry Erlenmeyer flask. Add 2 drops of phenolphthalein pH indicator. Gently swirl the flask to mix. Flush a clean 50-mL burette with water and rinse at least three times with deionized water. Following this, rinse again with the diluted sodium hydroxide solution three times, making sure that the sodium hydroxide wets the entire inner surface. Mount the washed burette on a ringstand with a clamp and ensure that it stands vertically.

Fill the burette with the diluted sodium hydroxide solution. Air bubbles can affect the accuracy of volumetric readings. Gently tap the burette to free any air bubbles present, and open the stopcock to allow a few mL of titrant to flow through to release any trapped air. Read the volume of sodium hydroxide, at the bottom of the meniscus.

Place the flask containing potassium hydrogen phthalate under the burette. Add the titrant from the burette in 1–2 mL increments using one hand to control the flow rate by adjusting the stopcock, and the other swirling the flask.

When close to the endpoint, begin adding the titrant drop by drop. The endpoint is reached when the solution turns a faint, persistent pink color. Record the volume in the burette.

Repeat the titration at least two more times for consistent data and calculate the molar concentration of the diluted sodium hydroxide solution used as shown in the text protocol.

The sodium hydroxide solution is now standardized and can be used as a titrant to analyze vinegar. To reduce the pungent aroma, dilute 10 mL to a total volume of 100 mL.

Pipette 25 mL of the diluted vinegar into an Erlenmeyer flask, and add 2 drops of phenolphthalein. Fill the burette with the standardized sodium hydroxide solution and record the initial volume. Similar to the previous titration, slowly add the titrant to the analyte in the flask while swirling until the solution turns a light pink color, and record the final volume of sodium hydroxide used.

In this experiment, the titration was performed in triplicate and the mean volume of sodium hydroxide dispensed to neutralize the acetic acid in vinegar was calculated. The concentration and volume of base was used to elucidate the moles of acetic acid in the vinegar. The volume and molar mass were then used to calculate the concentration. It was determined that the vinegar had a molarity of 0.7388. Converting to percent, it was 4.23% acetic acid by volume.

Titrations are robust and easily customizable methods commonly applied in research, industry, and healthcare.

Scientists often use the measure of dissolved oxygen in freshwater bodies as an indicator of overall health that ecosystem. This is done by a redox titration. Unlike acid-base neutralizations, these titrations are based on a reduction-oxidation reaction between the analyte and the titrant. Dissolved oxygen in the water sample is reduced with chemicals in a reaction that results in the production of iodine. The amount of iodine produced and thus the level of dissolved oxygen can be determined by titration using a starch indicator. Glucose in urine can be indicative of a pathological condition like diabetes. A test to quantify urine glucose level, called Benedict’s Method, is another example of the importance of titration; in this case, in healthcare. In this titrimetric procedure, sugars from urine are first reacted with an alkali resulting in the formation of enediols with powerful reducing properties. These reduce copper two ions in Benedict’s reagent to copper one, in a colorimetric reaction that correlates with the initial concentration of glucose present in the urine sample.

You’ve just watched JoVE’s introduction to titration. You should now be familiar with the principles behind this method, know how to perform an acid-base titration, and appreciate some of the ways it is being applied in research and industry.

As always, thanks for watching!

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JoVE Science Education Database. JoVE Science Education. Introduction to Titration. JoVE, Cambridge, MA, (2023).