Analiza namirnica 13

VOLUMETRIJA Dok se kod gravimetrijske analize tei da se to tanije odredi masa traene komponente uzorka, u volumetrijskoj analizi se radi sa zapreminama koje se uz korienje razliitog volumetrijskog pribora mogu meriti isto tako tano kao i masa, ak i tanije. Tokom volumetrijske analize se tano odreena proba uzorka najpre razori pogodnim sredstvom ili rastvori u pogodnom rastvarau i takav rastvor dopuni rastvaraem do odreene, tane zapremine. Zatim se bira reagens koji specifino i kvantitativno reaguje s traenom komponentom uzorka i njegov rastvor tano poznate koncentracije dodaje celoj zapremini rastvora uzorka ili nekom njegovom alikvotnom delu (petini, desetini, ...) do postizanja take ekvivalencije, to se utvruje posredstvom tzv. indikatora ili na drugi nain. (Ova operacija se zove titracija.) Koncentracija traene komponente u rastvoru uzorka se izraunava iz utroene zapremine standardnog rastvora reagensa, upotrebljene zapremine rastvora uzorka i koncentracije reagensa u standardnom rastvoru. Budui da reagens, specifian za neku komponentu uzorka, reaguje s njim kvantitativno u stehiometrijskom odnosu (u odnosu celog broja molova), koncentracije se u volumetriji ne izraavaju u procentima, ve kao molarne, tj. u molovima po litru rastvora (mol/l). Na taj nain se sa zapreminama rastvora moe manipulisati kao sa molovima rastvorenih supstanci. Na primer, ako imamo rastvore natrijum-hidroksida i sumporne kiseline u koncentracijama od po 0,1 mol/l, za neutralisanje jedne zapremine rastvora sumporne kiseline e biti potrebne dve zapremine rastvora natrijum-hidroksida:

OHSONaSOHNaOH 242422 ++ ali ako je koncentracija rastvora natrijum-hidroksida 0,2 mol/l, a koncentracija rastvora sumporne kiseline 0,1 mol/l, tada e se neutralisati iste zapremine dva rastvora. Zapremina i koncentracija rastvora natrijum-hidroksida, potrebne za neutralizaciju jedne zapremine rastvora sumporne kiseline stoje, dakle, u obrnutoj srazmeri to je rastvor hidroksida razreeniji, potrebno ga je zapreminski vie da bi se neutralisala ista koliina kiseline. Sve vreme, meutim, ostaje konstatan reagujui broj molova, kao to i treba da bude na osnovu stehiometrije: 1 mol natrijum-hidroksida reaguje potpuno sa 1/2 mola sumporne kiseline, odnosno 1 mol sumporne kiseline se neutralie sa 2 mola natrijum-hidroksida. Pretpostavimo da se izmeu reagensa R i komponete K uzorka odvija specifina kvantitativna reakcija u sledeem stehiometrijskom odnosu:

reakcije proizvodi+bKaR

pri emu su a i b celi brojevi. Ako se u zapremini Vu rastvora uzorka nalazi nepoznata molarna koncentracija ck komponente K, to znai da se u toj zapremini nalazi

Analiza namirnica 14

Nk = ck x Vu molova komponente K. Pri dodavanju rastvora reagensa R, standardne koncentracije cr, do take ekvivalencije se utroi njegova zapremina Vr, emu odgovara

Nr = cr x Vr molova reagensa R. Uvaavajui stehiometrijske odnose reagovanja R i K, u taki ekvivalencije vai:

rkk

r NabN

ba

NN

== ili

Dalje sledi: rruk VCabVC =

i konano: u

rrk V

VCabC =

Dakle, poznajui tanu (standardnu) koncentraciju rastvora reagensa (Cr), i merei zapremine rastvora uzorka (Vu) i utroene zapreminu rastvora reagensa (Vr), moemo da izraunamo koncentraciju (mol/l) traene komponente u rastvoru uzorka. Primer: Potrebno je u 50 ml rastvora uzorka odrediti koncentraciju sumporne kiseline titriui je rastvorom natrijum-hidroksida, standardne koncentracije 0,1 mol/l. Tokom titracije uz odgovarajui indikator se za to utroi 12,5 ml rastvora natrijum-hidroksida.

1 ;2 2 24242

==++

baOHSONaSOHNaOH

lmolC SOH / 0125,0505,121,0

21

42==

Ako ukupna zapremina rastvora uzorka iznosi 250 ml (od ega je za titrisanje uzet alikvotni deo), onda u uzorku ima ukupno

molll

mol 003125,0 250,0 0125,0 =

sumporne kiseline. Mnoei ovu vrednost s molskom masom sumporne kiseline (98 g/mol), dobijamo ukupnu masu sumporne kiseline u uzorku: 0,30635 g. Poreenje volumetrije s gravimetrijom Tokom izvoenja gravimetrijskih metoda se uvek tei da se neka, inae povratna (ravnotena) reakcija, dovede do kraja, tj. da joj se ravnotea pomeri u smeru kvantitativnog izdvajanja traene komponente, tako to se barem jedan od reaktanata primenjuje u velikom viku ili to se barem jedan od produkata reakcije kontinualno odvodi iz reakcione smee u vidu taloga, odnosno gasa. Najee se radi oboje: jedan od reaktanata s leve strane jednaine se primenjuje u znatnom viku u odnosu na stehiometrijski potrebnu koliinu, a jedan od produkata s desne strane jednaine se taloi ili odvodi u vidu gasa (obino traena komponenta).

Analiza namirnica 15

U volumetriji se, meutim, reagens koji reaguje s traenom komponentom dodaje u tano ekvivalentnoj koliini (shodno stehiometriji reakcije), to se utvruje, kao to je reeno, pomou indikatora, o kojima e kasnije biti vie rei. Dok je gravimetrijska analiza uglavnom ograniena na talone reakcije i reakcije izdvajanja produkata u gasovitom stanju, za volumetriju se moe iskoristiti bilo koji pogodan tip hemijske reakcije, npr. neutralisanje baza kiselinama i obrnuto, razliite oksido-redukcije, reakcije obrazovanja taloga itd. Potrebno je samo za svaku od njih utvrditi tanu taku ekvivalencije. Zbog toga volumetrijska analiza ima mnogo iru primenu od gravimetrijske. Tanost volumetrijskog odreivanja Ve je naglaeno da se izborom odgovarajueg volumetrijskog pribora moe postii tanost merenja koja je jednaka tanosti merenja u gravimetriji, ak i vea. Naravno, kalibrisanje i odravanje tanosti zapremine graduisanih volumetrijskih sudova je posebna vetina, dok analitiar-praktiar treba samo da ume da ih pravilno koristi i odrava u besprekorno istom i suvom stanju. Od volumetrijskih sudova pomenimo laboratorijske graduisane ae, menzure, merne tikvice (meskolbene) ili normalne sudove, pipete i birete. Svi oni na sebi nose vidno istaknutu deklaraciju zapremine na koju se odnose i temperature njenog odreivanja. Sa svakim od njih se radi na poneto drugaiji nain, ali u osnovi, vae tri opta osnovna pravila: 1. U sudu se nalazi deklarisana zapremina tenosti ukoliko se donji kraj sferinog meniskusa tenosti poklapa sa odreenom oznakom na zidu suda. 2. Deklarisana tanost odreivanja zapremine tenosti pomou nekog volumetrijskog suda definisana je najfinijim podeokom njegove graduacije. 3. to je graduisani deo suda ui, tanost merenja deklarisane zapremine je vea. a) Laboratorijske ae (pehari). One slue za grubo odmeravanje tenosti. iroke su i sa samo nekoliko podelaka. Na primer, aa od 250 ml ima podeoke na svakih 50 ml. U njima se moe odmerena odvaga ekstrahovati u manjoj koliini rastvaraa, pa takav rastvor ceenjem prebaciti u taniji sud i istim rastvaraem dopuniti do tane zapremine. b) Menzure. To su stakleni ili plastini cilindri sa stopom koja im omoguava uspravan poloaj i skalom po celoj visini. Bez obzira na ukupnu zapreminu menzure, njena skala obino ima 100 podelaka. Ako je, na primer, ukupna zapremina menzure 100 ml, zapremina zahvaena izmeu dva njena uzastopna podeoka je 1 ml, to je ujedno i tanost odreivanja zapremine pomou nje. Postoje, meutim, menzure i od 1000 ml, ali i one od samo 10 ml, ija je tanost 10 puta manja, odnosno 10 puta vea od menzure od 100 ml. Menzurama se zapremina tanije meri nego pomou laboratorijskih aa, ali ipak nedovoljno tano za bilo kakvo analitiko odreivanje. Slue za kombinovanje vie tenosti u jedinstven rastvor, kada tani odnosi izmeu pojedinih komponenata nisu presudni.

Analiza namirnica 16

c) Merne tikvice (meskolbeni, normalni sudovi). To su sudovi s proirenim donjim delom i izduenim uspravnim vratom. Zatvaraju se bruenim staklenim ili plastinim epom. Na vratu merne tikvice je urezana samo jedna crta marka, koja oznaava deklarisanu zapreminu tikvice. Postoje tikvice zapremine od 25, 50, 100, 250, 500, 1000 ml. Kada se proba uzorka razori i(ili) prevede u rastvor u laboratorijskoj ai, taj rastvor se kvantitativno uliva u mernu tikvicu, aa vie puta ispira rastvaraem i spirine takoe ulivaju u tikvicu, i na kraju se tikvica istim rastvaraem dopuni do marke. Na taj nain se tana odvaga uzorka prevodi u (mnogo veu) tanu zapreminu, iz koje za dalju analizu moemo uzimati alikvotne delove. Zbog toga je tanost zapremine mernih tikvica od izuzetne vanosti jer u sluaju pogreno odreene zapremine dolazi do sistematske greke koja se provlai kroz celu analizu. d) Pipete su cilindrine cevi, izduene i suene sa oba kraja. Na gornjem izduenom delu je marka koja oznaava deklarisanu zapreminu pipete. Donji izdueni kraj pipete se uranja u rastvor, koji se ustima usisava kroz gornji kraj u pipetu do iznad marke. Zatim se pipeta brzo izvadi iz usta i gornji otvor zatvori prstom, pa se pipeta izdigne iznad rastvora i paljivim poputanjem stiska prsta dozvoli da iz nje iscuri natrag deo rastvora, tako da se donja ivica meniskusa tenosti poklopi s markom. Pipeta se paljivo u vertikalnom poloaju prenosi nad sud u koji je potrebno otpipetirati tanu zapreminu, prst die s njenog otvora i puta se da rastvor iscuri iz nje. Poslednja kap tenosti se s vrha pipete skida tako to se njenim vrhom dodirne zid suda. Tanost odmeravanja zapremine pipetom je ista kao i kod mernih tikvica i od sutinske je vanosti iz razloga koji su ve navedeni. Opisanom prenosnom ili trbuastom pipetom od npr. 25 ml se uzima 1/10 rastvora iz merne tikvice od 250 ml. Za rad sa agresivnim ili toksinim tenostima se koristi pipeta specijalne konstrukcije koja spreava sluajno usisavanje tenosti u usta, ili se koristi tzv. propipeta gumena lopta s tri ventila koja se postavlja na gornji kraj pipete. Pomou nje je mogue u pipeti stvoriti vakuum, atmosferski pritisak ili natpritisak. Za razliku od opisanih pipeta, postoji i graduisana varijanta merna pipeta, cev jednolikog preseka, graduisana po celoj duini. Ako je njena ukupna zapremina 1 ml, pomou nje se mogu odmeravati zapremine veliine 0,01 ml. One se ipak ree koriste u analitikom radu. e) Birete su uspravne cilindrine cevi sa slavinicom na donjem kraju, graduisane po celoj duini. Obino su zapremine od 25 i 50 ml, s podelom na 0,1 ml. Postoje i mikro-varijante, zapremine 1 ili 10 ml, s podelom od 0,002, odnosno od 0,01 ml. Birete slue za merenje zapremine rastvora reagensa koji se pri titraciji dodaje rastvoru uzorka. Poto je bireta pribor koji se rutinski koristi za serijska odreivanja, pa se zato mora esto dopunjavati rastvorom reagensa, postoje i "automatske birete", kod kojih se ovo dopunjavanje iz rezervoara reagensa obavlja pritiskanjem na odgovarajuu gumenu kruku. Birete su precizni volumetrijski sudovi. O optoj tanosti volumetrijskog odreivanja u odnosu na gravimetrijsko moe se rasuivati na sledei nain. Ako 1 g supstance izmerimo na analitikoj vagi s tanou od 0,0001 g i rastvaranjem ga prevedemo u 1000 ml rastvora, onda iz tog rastvora moemo otpipetirati 1 ml s tanou od 0,01 ml. U tih 0,01 ml je sadrano 0,00001 g supstance, to je istovremeno i tanost merenja mase supstance u

Analiza namirnica 17

alikvotnom delu rastvora (1 ml). To znai da smo u alikvotnom delu masu supstance izmerili 10 puta tanije nego na analitikoj vagi. Standardizovanje rastvora volumetrijskih reagenasa, volumetrijski faktor Ve je naglaeno da se volumetrijski rastvori prave tako da se tano zna koliko molova sadri njihova odreena zapremina. Pri tome, na primer, ako svi rastvori sadre 1 mol reagensa po litru, njihove zapremine e meusobno reagovati u stehiometrijskom odnosu, ba kao brojevi molova u jednaini hemijske reakcije. Dovoenje koncentracije reagenasa na ovakve jednake vrednosti se naziva standardizacija rastvora. Rastvori volumetrijskih reagenasa se obino standardizuju tako da im koncentracije, na primer, budu 1 mol/l, 0,1 mol/l, 0,05 mol/l, a koji e se od njih u konkretnoj situaciji upotrebiti zavisi od oekivane koncentracije rastvora nepoznate komponente koja se odreuje u uzorku. Pravilo je da se meusobno titriu rastvori istog nivoa koncentracije. Jasno je, isto tako, da se pri standardizovanju, iz praktinih razloga ne biraju bilo koje koncentracije reagenasa, ve neke od navedenih decimalnih koncentracija. Standardne rastvore nekih reagenasa je lako napraviti. Na analitikoj vagi se tano odmeri masa supstance koja odgovara, npr. desetini njenog mola (0,1 mol), supstanca se kvantitativno prenese u mernu tikvicu od 1000 ml, u tikvicu se doda destilovane vode onoliko koliko je potrebno da se supstanca rastvori, a zatim se rastvor u tikvici dopuni vodom do marke, tikvica zaepi i obrtanjem dobro promea. Rastvor se potom prerui u (tamnu) bocu, dobro zatvori i ostavi (u mraku) do upotrebe. Opisani postupak se strogo moe primeniti samo na reagense koje je mogue dobiti u istom stanju i koji nisu previe higroskopni, tako da pri njihovom odmeravanju na vagi tano znamo s kojim brojem njihovih molova radimo. U takve supstance spadaju neke soli (kalijum-dihromat, natrijum-oksalat, natrijum-karbonat, natrijum-tetraborat, srebro-nitrat, hloridi alkalnih metala, ...), neki elementi (jod), neke kiseline koje se mogu dobiti u kristalnom obliku (oksalna) itd. Druge supstance, meutim, ne moemo dobiti u istom vidu. Alkalni hidroksidi, i kada su stopljeni, dakle bezvodni, uvek u sebi sadre nepoznatu koliinu karbonata, a tokom merenja na vagi edno upijaju vazdunu vlagu. Takvi reagensi se, dakle, mogu napraviti samo u priblinim koncentracijama, ija se tana vrednost utvruje titrisanjem s nekim standardnim reagensom. Tako se rastvor NaOH, pribline koncentracije 0,1 mol/l, obino titrie standardnim rastvorom HCl, tane koncentracije 0,1 mol/l. Za kvantitativno reagovanje ova dva rastvora vai:

HClHClNaOHNaOH VCVC = Poto koncentracija hidroksida nije tano 0,1 mol/l, ni zapremine dva rastvora pri neutralizaciji nee biti jednake. Da bi se ipak naglasila naa tenja da napravimo rastvor NaOH istog nivoa koncentracije kao kod rastvora HCl (0,1 mol/l), u gornji izraz se uvodi tzv. volumetrijski faktor rastvora NaOH, koji predstavlja odnos izmeu stvarne i nominalne (0,1 mol/l) koncentracije rastvora NaOH:

Analiza namirnica 18

)()()( nominalnostvarnonominalno

stvarno ili )( NaOHNaOHNaOHNaOH

NaOHNaOH cFcc

cF ==

Sada imamo: HClHClNaOHNaOHNaOH VcVcF = )(nominalno Poto su sada nominalna koncentracija hidroksida i tana koncentracija kiseline (0,1 mol/l) meusobno jednake, moemo ih u izrazu skratiti:

HClNaOHNaOH VVF =

ili NaOH

HClNaOH V

VF =

to jednovremeno predstavlja i praktian izraz za izraunavanje faktora. Na bocama u kojima se uvaju standardni volumetrijski reagensi, pored njihove koncetracije (npr. 0,1 mol/l) se obavezno naznaava i njihov faktor (npr. 0,9678). Uoptavajui gornji primer, zakljuujemo da pri meusobnom reagovanju reagenasa A i B, u taki ekvivalencije vai:

BBBAAA VcFVcF = to znai da i rastvor HCl iz prethodnog primera ima svoj faktor, ali je taj faktor jedinica jer je rastvor napravljen tano. Volumetrijski faktor, bez obzira na nivo koncentracije rastvora, treba da ima vrednost blisku jedinici, npr. 1,0876 ili 0,9831. U sluaju prevelikog odstupanja, koncentraciju rastvora reagensa je potrebno korigovati dodavanjem bilo rastvaraa, bilo same supstance i ponovo odrediti faktor. Standardizovanje rastvora treba sprovoditi tanije od drugih rutinskih volumetrijskih analiza jer e nedovoljno tano odreen faktor uneti sistematsku greku u sve rezultate analiza raenih s tim rastvorom. Titraciju treba uraditi barem tri puta s razliitim koliinama rastvora nepoznate koncentracije, pa usvojiti srednju vrednost dobijenih rezultata. Jednom standardizovan rastvor reagensa ne mora tokom vremena i da zadri utvrenu koncentraciju, pa je njegov faktor potrebno povremeno proveravati. Standardni rastvori hlorovodonine i sumporne kiseline, koji se esto koriste u volumetriji, ostaju stabilni dugo vremena. S druge strane, isto tako esto korieni rastvori alkalnih hidroksida menjaju svoju koncentraciju zbog upijanja kiselih gasova iz vazduha (uglavnom ugljendioksida) i deliminog prelaska u karbonat. Njima se faktor mora esto proveravati. Nekim standardnim rastvorima oksidacionih sredstava (kalijum-permanganat) treba odreeno vreme da se stabilizuju, a onda su srazmerno stabilni ako se uvaju u dobro zatvorenoj, do vrha punoj boci i u mraku. Rastvor kalijum-dihromata takoe oksidacionog sredstva je, meutim, stabilan. U analitikoj hemiji za svaki standardni rastvor postoje specifini propisi o njegovom pravljenju, standardizovanju, uvanju i trajnosti, kojih se treba strogo pridravati.