Co je titrace?

Co je titrace? Titrace je analytická technika, která umožňuje kvantitativní stanovení určité látky rozpuštěné ve vzorku přidáním činidla o známé koncentraci. Je založena na úplné chemické reakci mezi látkou (analytem) a činidlem (titrantem).

Titrant se přidává, dokud není reakce úplná. Aby bylo stanovení vhodné, musí být konec titrační reakce snadno pozorovatelný při sledování (indikaci) vhodnými technikami, např. potenciometrií (měření potenciálu pomocí senzoru) nebo prostřednictvím změny barvy.

Měření objemu dávkovaného titrantu umožňuje výpočet obsahu analytu na základě stechiometrie chemické reakce. Aby byla titrační reakce přesná, měla by být rychlá, úplná, jednoznačná a pozorovatelná.

Zatímco klasická titrace se prováděla ručním přidáváním titrantu pomocí kohoutku s odměrným skleněným válcem známým jako byreta, moderní automatizovaná titrace umožňuje přesné, opakovatelné přidávání titrantu a robustnější graf závislosti potenciálu na objemu titrantu. Manuální titrace však zůstává základem v mnoha laboratořích po celém světě (viz níže manuální vs. automatizovaná titrace). Základní teorie manuální a automatické titrace je stejná.

Další informace o tom, co je titrace, najdete v příručce Základy titrace.

• Proč je titrace důležitá a jak se používá v průmyslu?
• Jaké jsou typy titrace?
• Jaké jsou výhody titrace?
• Jaké jsou rozdíly mezi manuální a automatizovanou titrací?
• Co je to titrační křivka?
• Jaký je rozdíl mezi titrací v koncovém bodě a v bodě ekvivalence?
• Jak vypočítat molaritu / rovnici molarity / molární koncentraci
• Jak dosáhnout přesných výsledků titrace?
• Základní terminologie v titraci

Titrace je rychlá, přesná a zavedená analytická technika, která se široce používá ve výzkumu, při vývoji produktů a kontrole kvality. Ve srovnání s některými jinými analytickými metodami je cenově výhodná, vysoce přesná a umožňuje vysoký stupeň automatizace. Tyto faktory mohou usnadnit zvýšení produktivity pracovních postupů, protože titraci mohou provádět operátoři bez specifických znalostí chemie. Mezi odvětví, která využívají titrační chemii, patří zemědělství, biotechnologie, chemický průmysl, kosmetika, elektronika, potravinářství a výroba nápojů, barvy a pigmenty, papír a celulóza, petrochemie a farmaceutický průmysl.

• Titrace je dobře zavedená analytická technika: Titrace je jednou z nejstarších a nejčastěji používaných kvantitativních analytických metod. Byly vyvinuty manuální, poloautomatické a plně automatizované titrace, které se používají v celé řadě průmyslových odvětví.
  
  
• Jedná se o rychlý postup: V případě manuálních titrací jsou jedinými potřebnými položkami byreta, titrant a vhodný indikátor koncového bodu. Titrant se přidává do vzorku v byretě, dokud není reakce úplná a snadno pozorovatelná. Měření objemu dávkovaného titrantu umožňuje výpočet obsahu analytu na základě stechiometrie chemické reakce.
  Automatické titrace jsou ještě rychlejší a představují značnou úsporu času. Automatizace umožňuje vysokou propustnost s minimálním úsilím obsluhy a podporuje uživatele z hlediska kvality a bezpečnosti dat tím, že zlepšuje reprodukovatelnost a zabraňuje chybám při přepisu. Automatizace zvyšuje produktivitu a zvyšuje efektivitu.
  
  
  
• Velmi přesná a precizní technika: Zpočátku se prováděly pouze ty titrace, které vykazovaly výraznou změnu barvy po dosažení koncového bodu. Později byly titrace uměle obarveny indikátorovým barvivem. Dosažená přesnost závisela především na dovednostech chemika a zejména na jeho schopnosti vnímat různé barvy. V dnešní době zaznamenala titrace silný rozvoj: ruční a později i motoricky poháněné pístové byrety umožňují přesné a opakovatelné přidávání titrantů. Elektrochemické senzory nahrazují barevné indikátory, čímž se dosahuje vyšší přesnosti a správnosti výsledků. Grafický graf závislosti potenciálu na objemu titrantu a matematické vyhodnocení výsledné titrační křivky poskytuje přesnější výpověď o reakci než změna barvy v koncovém bodě. Pomocí mikroprocesorů lze titraci řídit a vyhodnocovat automaticky, což představuje důležitý krok k automatizaci.
  
  
• Nejvyšší možný stupeň automatizace: Titrátor je přístroj, který umožňuje automatizovat všechny operace spojené s titrací: přidávání titrantu, sledování reakce (sběr signálu), rozpoznání koncového bodu, ukládání dat, výpočet a ukládání výsledků. Obsluha musí pouze umístit vzorky do stojanu titrátoru a spustit metodu.
  -Další informace o možnostech a výhodách automatizace získáte z našeho průvodce automatizací titrace.
  
  
  
• Automatizované titrace mohou používat i málo kvalifikovaní a vyškolení operátoři: V případě manuálních titrací postupuje laboratorní technik podle podrobného, standardizovaného postupu (nebo metody) a uplatňuje své dovednosti a znalosti. Výsledky pak vypočítá a zdokumentuje.
  Automatizované titrace se provádějí snadno a není k nim zapotřebí vysoce specializovaných chemických znalostí. Titrační metody jsou naprogramovány jednou a každý uživatel je může znovu použít pouhým stisknutím tlačítka. Výsledky jsou pak generovány automaticky.
  
  
  
• Dobrý poměr cena/výkon ve srovnání se sofistikovanějšími technikami.

Titrace je kvantitativní analytická technika používaná ke stanovení neznámé koncentrace analytu (analyzované látky). Provádí se postupným přidáváním přesně známého množství látky (titrantu), která reaguje s naším analytem v určitém poměru, ke vzorku, který chceme analyzovat. Měření objemu dávkovaného titrantu umožňuje výpočet obsahu analytu na základě stechiometrie chemické reakce.

Titrant se přidává tak dlouho, dokud není chemická reakce dokončena a konec titrační reakce lze snadno zjistit vhodnými technikami (např. potenciometrií nebo změnou barvy vhodného indikátoru). Reakce probíhající při titraci proto musí být rychlá, úplná, jednoznačná a pozorovatelná.

Další informace a srovnání naleznete zde:

Titrační křivky znázorňují kvalitativní průběh titrace. Umožňují rychlé vyhodnocení titrační metody. Rozlišují se logaritmické a lineární titrační křivky.

Titrační křivka má v podstatě dvě proměnné:

• Objem titrantu jako nezávislou proměnnou. Signál roztoku, např. pH u titrací kyselin a zásad jako závislá proměnná, která závisí na složení obou roztoků.
• Titrační křivky mohou mít 4 různé podoby a měly by být analyzovány pomocí příslušných vyhodnocovacích algoritmů. Tyto čtyři formy jsou: symetrická křivka, asymetrická křivka, křivka minima/maximima a segmentovaná křivka.

Režim titrace koncového bodu (EP):

Režim koncového bodu představuje klasický postup titrace: titrant se přidává, dokud není pozorován konec reakce, např. změnou barvy indikátoru. U automatického titrátoru se vzorek titruje, dokud není dosaženo předem definované hodnoty, např. pH = 8,2.

Režim titrace v bodě ekvivalence (EQP):

Bod ekvivalence je bod, ve kterém jsou analyt a činidlo přítomny v naprosto stejném množství. Ve většině případů je prakticky totožný s inflexním bodem titrační křivky, např. titrační křivky získané z titrací kyselin a zásad. Inflexní bod křivky je definován odpovídající hodnotou pH nebo potenciálu (mV) a spotřebou titrantu (ml). Bod ekvivalence se vypočítá ze spotřeby titrantu o známé koncentraci. Součin koncentrace titrantu a spotřeby titrantu udává množství látky, která reagovala se vzorkem. V autotitrátoru se naměřené body vyhodnocují podle specifických matematických postupů, které vedou k vyhodnocené titrační křivce. Z této vyhodnocené křivky se pak vypočítá bod ekvivalence.

Koncentrace látkového množství roztoku entity X (symbol c(X)) je podíl látkového množství n a objemu V roztoku.

N je počet molekul přítomných v objemu V (v litrech), poměr N/V je početní koncentrace C a N_A je Avogadrova konstanta, přibližně 6,022×10²³ mol⁻¹.

Obvyklé jednotky používané při analýze jsou mol/l a mmol/l.

Získání přesných a správných výsledků titrace vyžaduje pochopení toho, jak minimalizovat faktory, které mohou negativně ovlivnit přesnost, a také výběr správné titrační metody.

Omezení faktorů, které negativně ovlivňují přesnost výsledků, vyžaduje pochopení typů chyb, které se mohou vyskytovat při všech činnostech měření: systematické chyby, náhodné chyby a chyby pracovního postupu.

Systematické chyby

Systematická chyba je chyba, která je konstantní nebo odchylná v důsledku soustavné chyby, k níž došlo během analýzy. Mezi typické systematické chyby při titraci patří např:

• nesprávná analytická metoda nebo titrační vzorec
• Chyby při odběru vzorků nebo nesprávná velikost vzorku v důsledku soustavné, nerozpoznané chyby při vážení
• Falešné nebo chybějící slepé hodnoty, nesprávné nastavení senzoru
• Příliš vysoká rychlost reakce nebo odezvy elektrody

Jakmile je v titračním procesu identifikován zdroj systematické chyby, je obvykle snadné jej opravit.

Náhodné chyby

Náhodná chyba je složka celkové chyby, která se mění nepředvídatelným způsobem a kterou je obvykle obtížnější identifikovat. Mezi typické zdroje náhodných chyb při titraci patří např:

• špatná manipulace se vzorkem
• Nevhodné vybavení (nízká rozlišovací schopnost vah, nesprávná třída skla atd.)
• Nesprávné parametry metody (příliš velké přírůstky, nedostatečná čekací doba).
• Bublinky ve zkumavkách byrety nebo neúčinné proplachování mezi vzorky
• Nedostatečné školení obsluhy nebo nevyhovující podmínky prostředí

Pokud nelze identifikovat zdroj náhodné chyby, je třeba zvýšit počet opakování, aby se získala důvěryhodnější střední hodnota. To obvykle vede k plýtvání vzorky, činidly a časem.

Chyby pracovního postupu

Tyto typy chyb jsou často časově náročné a jejich vysledování je občas velmi nákladné, zvláště pokud se jedná o časový nebo nákladový tlak. Mezi typické chyby pracovního postupu patří např:

• Chyby zápisu/přepisu (např. kopírování dat, chybné označení vzorků).
• chyby ve výpočtech
• záměna vzorků a/nebo činidel
• Chybná velikost vzorku
• Chyby v nastavení systému, obsluze přístroje nebo čištění (například neodstranění bublinek z linek).

Kombinace školení uživatelů, dodržování SOP a pokročilých opatření pro sledovatelnost a integritu dat výrazně sníží počet chyb v pracovním postupu.

Manipulace se vzorky

Chyby při manipulaci se vzorky jsou pravděpodobně největším zdrojem chyb v titračním pracovním postupu. Příkladem je homogenita vzorku, problémy se skladováním, nesprávná velikost vzorku a chyby při vážení.

Pokud jde o velikost, vzorek by měl být dostatečně velký, aby byl reprezentativní, avšak ne tak velký, aby bylo nutné opakované plnění byrety během titrace. Při ideální titraci by měla spotřeba titrantu činit 30 až 80 % objemu jedné byrety. Pokud nehomogenita vyžaduje větší vzorek, měl by se použít koncentrovanější titrant.

Vzorek by měl být také dostatečně velký, aby se minimalizovaly chyby měření vzorku. To obvykle vyžaduje vhodné váhy a zajištění toho, aby velikost vzorku přesahovala požadavky váhy na minimální čistou hmotnost vzorku. Minimální hmotnost je obvykle faktorem požadované nebo dané tolerance procesu vážení. Například USP41 stanovuje maximální přípustnou chybu 0,1 % ve výsledcích vážení. Pro zajištění přesného vážení by vaše individuální procesní tolerance měla být 2 až 4krát menší, aby byla zajištěna dostatečná bezpečnostní rezerva. Pro průmyslová odvětví neregulovaná USP je typickou procesní tolerancí 1 %.

Například při standardizaci titrantu KF s dehydrátem vinanu disodného se obvykle vyžaduje vzorek o hmotnosti 50 mg kvůli problémům s rozpustností v methanolu. K zajištění nejistoty vážení menší než 0,1 % je zapotřebí váha s čitelností alespoň 0,01 mg. Pokud se však ke standardizaci KF činidla a zajištění dostatečné spotřeby titrantu používá čistá voda, je třeba použít 7,5 až 20 mg vody. V tomto případě váha s čitelností 0,01 mg nemusí splňovat pokyny USP pro přesné vážení vzorků o hmotnosti nad 14 mg. V případě kapalných vzorků se musí rovněž použít příslušná třída skleněného nádobí nebo odměrná aparatura a je třeba dbát na to, aby nedošlo k chybám při manipulaci. Chcete-li minimalizovat zdroje chyb, kterým se lze vyhnout při titračních metodách, stáhněte si náš bezplatný plakát, kde se dozvíte, jak identifikovat chyby při titraci a jak jim předcházet.

Následující definice titrace vám mohou usnadnit získání všech potřebných informací o titraci.

Analyt: Analyt: Specifický chemický druh ve vzorku, jehož obsah nebo množství se určuje titrací.

Konec titrace: Požadovaný koncový bod nebo bod ekvivalence, při kterém je titrace ukončena a vyhodnocena spotřeba titrantu. Během jedné titrace může nastat více než jeden bod ekvivalence.

Koncový bod: Bod, ve kterém se pozoruje konec titrační reakce (obvykle podle změny barvy nebo jiného titračního indikátoru). Definice titrace spolu s jejím koncovým bodem představuje klasickou techniku.

Bod ekvivalence: Bod titrace: Bod, ve kterém je počet jednotek (ekvivalentů) přidaného titrantu stejný jako počet jednotek analytu vzorku.

Indikace: Postup, kterým se sleduje reakce a zjišťuje konec titrace. Obecně se indikace provádí pomocí potenciometrie (elektrody) nebo barevných indikátorů.

Paralaxa: Rozdíl ve zdánlivé poloze objektu na základě zorného pole pozorovatele. Při titraci je třeba tento jev zohlednit při vizuálním pozorování kapalných menisků v byretě.

Primární standard: Certifikovaná, vysoce čistá látka používaná k přesnému stanovení koncentrace titrantu.

Získávání signálu: Získávání signálu je sledování fyzikálních jevů za účelem získání digitálních nebo číselných hodnot v určitých bodech (například v koncovém bodě titračního experimentu nebo v bodě ekvivalence).

Standardizace: Použití vysoce čisté referenční chemické látky (standardu) ke stanovení koncentrace titrantu.

Stechiometrie: Při titraci se jedná o vztahy mol/hmotnost mezi činidly a produkty. Titrační činidla reagují podle pevně stanovených vztahů, takže pokud je známo množství jednotlivých reaktantů, lze vypočítat množství produktu. Pokud je známo množství jednoho reaktantu a lze určit množství produktů, lze vypočítat i množství ostatních reaktantů.

Titrant: Roztok určitého chemického činidla, který je standardizován z hlediska koncentrace, aby mohl být použit k přesné titraci.

Titrace: Titrace: kvantitativní chemická analýza, při níž definované množství titrantu kvantitativně reaguje s analyzovanou sloučeninou vzorku. Z objemu spotřebovaného titrantu se vypočítá množství sloučeniny vzorku na základě stechiometrie analytické reakce. Známá také jako volumetrie nebo titrace.

Titrační křivka: Titrační křivky znázorňují kvalitativní průběh titrace. Křivka obvykle používá objem titrantu jako nezávislou proměnnou a roztok jako závislou proměnnou. Křivka umožňuje rychlé vyhodnocení titrační metody. Křivky mají čtyři podoby: symetrickou, asymetrickou, minimální/maximální a segmentovou.

Titrační cyklus: Titrační cyklus: cyklus, který se provádí a opakuje, dokud není dosaženo koncového bodu nebo bodu ekvivalence titrační reakce. Titrační cyklus se skládá především ze čtyř kroků: přidání titrantu, titrační reakce, získání signálu a vyhodnocení.

Titrační rovnice: Titrační rovnice: Řada titračních vzorců, které umožňují výpočet hmotnostní molarity pevných vzorků, koncentrace roztoků kyselin a zásad, koncentrace zředěných roztoků a spotřeby titrantu po přímé titraci. Pro snadný výpočet výsledků titrace navštivte naši titrační kalkulačku.

Teorie titrace: Teorie titrace zkoumá stanovení produktu v závislosti na jeho koncentraci pozorováním titrační reakce pomocí fyzikálních nebo elektrochemických metod. Znalost přesné koncentrace druhu, produktu nebo chemické funkce pomáhá zajistit účinnost procesu a/nebo kvalitu produktu.