Che cos'è la titolazione?

La titolazione è una tecnica analitica che consente la determinazione quantitativa di una sostanza specifica disciolta in un campione mediante l'aggiunta di un reagente con una concentrazione nota. Si basa su una reazione chimica completa tra la sostanza (analita) e un reagente (titolante).

Il titolante viene aggiunto fino al completamento della reazione. Per essere adatta alla determinazione, la fine della reazione di titolazione deve essere facilmente osservabile quando viene monitorata (indicata) con tecniche appropriate, ad esempio la potenziometria (misurazione del potenziale con un sensore) o attraverso un cambiamento di colore.

La misurazione del volume del titolante erogato consente di calcolare il contenuto dell'analita in base alla stechiometria della reazione chimica. Per essere accurata, una reazione di titolazione deve essere veloce, completa, inequivocabile e osservabile.

Mentre la titolazione classica veniva eseguita aggiungendo manualmente il titolante mediante un rubinetto con un cilindro di vetro graduato noto come buretta, la moderna titolazione automatizzata consente un'aggiunta accurata e ripetibile del titolante e un grafico più robusto del potenziale rispetto al volume del titolante. Tuttavia, la titolazione manuale rimane un pilastro in molti laboratori in tutto il mondo (vedere titolazione manuale vs. titolazione automatizzata di seguito). La teoria di base della titolazione manuale e automatizzata è la stessa.

Maggiori informazioni su cosa sia la titolazione sono disponibili nella guida Fondamenti della titolazione.

• Perché la titolazione è importante e come viene utilizzata nelle industrie?
• Quali sono i tipi di titolazione?
• Quali sono i vantaggi della titolazione?
• Quali sono le differenze tra la titolazione manuale e quella automatizzata?
• Che cos'è una curva di titolazione?
• Qual è la differenza tra la titolazione a punto finale e quella a punto di equivalenza?
• Come calcolare la Molarità / Equazione della Molarità / Concentrazione Molare
• Come ottenere risultati di titolazione accurati?
• Terminologia di base nella titolazione

La titolazione è una tecnica analitica rapida, accurata e consolidata, ampiamente applicata nella ricerca, nello sviluppo del prodotto e nel controllo qualità. Rispetto ad altri metodi analitici, è conveniente, altamente precisa e accetta un alto grado di automazione. Questi fattori possono facilitare il miglioramento della produttività del flusso di lavoro, in quanto la titolazione può essere eseguita da operatori senza conoscenze chimiche specifiche. I settori che utilizzano la chimica di titolazione includono l'agricoltura, le biotecnologie, i prodotti chimici, i cosmetici, l'elettronica, gli alimenti e le bevande, le vernici e i pigmenti, la carta e la cellulosa, i prodotti petrolchimici e i prodotti farmaceutici.

• La titolazione è una tecnica analitica consolidata: La titolazione è uno dei metodi analitici quantitativi più antichi e più comunemente utilizzati. Le titolazioni manuali, semi-automatiche e completamente automatizzate sono state ampiamente sviluppate e sono impiegate in un'ampia gamma di settori.
  
  
• Si tratta di una procedura veloce: Nel caso delle titolazioni manuali, gli unici elementi necessari sono una buretta, un titolante e un indicatore di fine corsa adatto. Il titolante viene aggiunto al campione nella buretta finché la reazione non è completa e facilmente osservabile. La misurazione del volume del titolante erogato consente di calcolare il contenuto dell'analita in base alla stechiometria della reazione chimica.
  Le titolazioni automatiche sono ancora più veloci e rappresentano una quantità significativa di tempo risparmiato. L'automazione consente un'elevata produttività con il minimo sforzo da parte dell'operatore e supporta l'utente in termini di qualità e sicurezza dei dati, migliorando la riproducibilità ed evitando errori di trascrizione. L'automazione aumenta la produttività e l'efficienza.
  
  
  
• Tecnica molto accurata e precisa: All'inizio, venivano eseguite solo le titolazioni che mostravano un cambiamento di colore significativo al raggiungimento del punto finale. In seguito, le titolazioni venivano colorate artificialmente con un colorante indicatore. La precisione raggiunta dipendeva principalmente dalle abilità del chimico e, in particolare, dalla sua capacità di percepire i diversi colori. Al giorno d'oggi, la titolazione ha conosciuto un forte sviluppo: le burette a pistone manuali e successivamente motorizzate consentono un'aggiunta di titolante accurata e ripetibile. I sensori elettrochimici sostituiscono gli indicatori di colore, ottenendo così una maggiore precisione e accuratezza dei risultati. Il grafico del potenziale rispetto al volume del titolante e la valutazione matematica della curva di titolazione risultante forniscono una dichiarazione più precisa sulla reazione rispetto al cambiamento di colore nel punto finale. Con i microprocessori, la titolazione può essere controllata e valutata automaticamente, il che rappresenta un passo importante verso l'automazione.
  
  
• Il massimo grado di automazione possibile: Un titolatore è uno strumento che consente l'automazione di tutte le operazioni coinvolte nella titolazione: aggiunta di titolante, monitoraggio della reazione (acquisizione del segnale), riconoscimento del punto finale, archiviazione dei dati, calcolo e archiviazione dei risultati. Tutto ciò che l'operatore deve fare è posizionare i campioni sul rack del titolatore e avviare il metodo.
  -Per saperne di più sulle opportunità e i vantaggi dell'automazione, consulti la nostra Guida all'automazione delle titolazioni.
  
  
  
• Le titolazioni automatizzate possono essere utilizzate da operatori poco qualificati e addestrati: Nel caso delle titolazioni manuali, un tecnico di laboratorio segue una procedura dettagliata e standardizzata (o metodo) e applica le proprie competenze e conoscenze al compito. I risultati vengono poi calcolati e documentati.
  Le titolazioni automatizzate sono facili da eseguire e non richiedono conoscenze chimiche altamente specializzate. I metodi di titolazione vengono programmati una volta e possono essere riutilizzati da qualsiasi utente semplicemente premendo un pulsante. I risultati vengono poi generati automaticamente.
  
  
  
• Buon rapporto prezzo/prestazioni rispetto a tecniche più sofisticate.

La titolazione è una tecnica analitica quantitativa utilizzata per determinare la concentrazione sconosciuta di un analita di interesse (la sostanza da analizzare). Si esegue aggiungendo gradualmente una quantità esattamente nota di una sostanza (il tritolo), che reagisce con il nostro analita in una proporzione definita, al campione che vogliamo analizzare. La misurazione del volume del titolante erogato consente di calcolare il contenuto dell'analita in base alla stechiometria della reazione chimica.

Il titolante viene aggiunto fino a quando la reazione chimica è completa e la fine della reazione di titolazione è facilmente rilevabile con tecniche appropriate (ad esempio, potenziometria o cambiamento di colore di un indicatore adatto). La reazione coinvolta in una titolazione deve quindi essere rapida, completa, inequivocabile e osservabile.

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Le curve di titolazione illustrano il progresso qualitativo di una titolazione. Consentono una valutazione rapida del metodo di titolazione. Si distingue tra curve di titolazione logaritmiche e lineari.

La curva di titolazione ha fondamentalmente due variabili:

• Il volume del titolante come variabile indipendente. Il segnale della soluzione, ad esempio il pH per le titolazioni acido/base come variabile dipendente, che dipende dalla composizione delle due soluzioni.
• Le curve di titolazione possono assumere 4 forme diverse e devono essere analizzate con gli algoritmi di valutazione appropriati. Queste quattro forme sono: la curva simmetrica, la curva asimmetrica, la curva minima/massima e la curva segmentata.

Modalità di titolazione endpoint (EP):

La modalità endpoint rappresenta la procedura di titolazione classica: il titolante viene aggiunto fino a quando non si osserva la fine della reazione, ad esempio, tramite un cambiamento di colore di un indicatore. Con un titolatore automatico, il campione viene titolato fino a quando non viene raggiunto un valore predefinito, ad esempio pH = 8,2.

Modalità di titolazione a punto di equivalenza (EQP):

Il punto di equivalenza è il punto in cui l'analita e il reagente sono presenti esattamente nelle stesse quantità. Nella maggior parte dei casi è praticamente identico al punto di inflessione della curva di titolazione, ad esempio le curve di titolazione ottenute da titolazioni acido/base. Il punto di inflessione della curva è definito dal valore di pH o potenziale (mV) corrispondente e dal consumo di titolante (mL). Il punto di equivalenza viene calcolato dal consumo di titolante di concentrazione nota. Il prodotto della concentrazione di titolante e del consumo di titolante fornisce la quantità di sostanza che ha reagito con il campione. In un autotitolatore, i punti misurati vengono valutati in base a specifiche procedure matematiche che portano a una curva di titolazione valutata. Il punto di equivalenza viene poi calcolato da questa curva valutata.

La concentrazione della quantità di sostanza di una soluzione di un'entità X (simbolo c(X)) è la quantità di sostanza n divisa per il volume V della soluzione.

N è il numero di molecole presenti nel volume V (in litri), il rapporto N/V è la concentrazione numerica C, e N_A è la costante di Avogadro, circa 6,022×10²³ mol⁻¹.

Le unità abituali utilizzate nell'analisi sono mol/L e mmol/L.

Ottenere risultati di titolazione precisi e accurati richiede la comprensione di come minimizzare i fattori che possono influenzare negativamente l'accuratezza, oltre a scegliere il giusto metodo di titolazione.

La riduzione dei fattori che influenzano negativamente l'accuratezza dei risultati richiede la comprensione dei tipi di errori che possono essere presenti in tutte le attività di misurazione: errori sistematici, errori casuali ed errori del flusso di lavoro.

Errori sistematici

Un errore sistematico è un errore che è costante o deriva a causa di un errore costante commesso durante l'analisi. Gli errori sistematici tipici nella titolazione includono:

• Metodo analitico o formula di titolazione errati
• Errori di campionamento o dimensioni sbagliate del campione a causa di un errore di pesatura costante e non riconosciuto.
• Valori del bianco falsi o mancanti, regolazione errata del sensore
• Velocità troppo elevata per la reazione o la risposta dell'elettrodo.

Una volta identificata la fonte di un errore sistematico in un processo di titolazione, di solito è facile da correggere.

Errori casuali

Un errore casuale è una componente dell'errore complessivo che varia in modo imprevedibile e di solito è più difficile da identificare. Le fonti tipiche di errori casuali nella titolazione includono:

• Manipolazione inadeguata del campione
• Apparecchiatura inadeguata (bassa risoluzione della bilancia, grado sbagliato della vetreria, ecc.)
• Parametri del metodo non corretti (incrementi troppo grandi, tempo di attesa insufficiente).
• Bolle nelle provette delle burette o risciacquo inefficace tra un campione e l'altro.
• Mancanza di formazione dell'operatore o condizioni ambientali incoerenti.

Se non è possibile identificare la fonte di un errore casuale, è necessario aumentare il numero di repliche per ottenere un valore medio più affidabile. Questo generalmente comporta uno spreco di campioni, reagenti e tempo.

Errori del flusso di lavoro

Questi tipi di errori sono spesso dispendiosi in termini di tempo e talvolta molto costosi da rintracciare, soprattutto in presenza di pressioni sui tempi o sui costi. Gli errori tipici del flusso di lavoro includono:

• Errori di notazione/trascrizione (ad esempio, copiatura dei dati, etichettatura errata dei campioni).
• Errori di calcolo
• Miscelazione di campioni e/o reagenti
• Dimensioni sbagliate dei campioni
• Errori nell'impostazione del sistema, nel funzionamento dello strumento o nella pulizia (non eliminando le bolle dalle linee, ad esempio).

Una combinazione di formazione degli utenti, adesione alle SOP e misure avanzate per la tracciabilità e l'integrità dei dati ridurrà drasticamente gli errori del flusso di lavoro.

Manipolazione dei campioni

Gli errori di manipolazione del campione sono forse la maggiore fonte di errore in un flusso di lavoro di titolazione. Ne sono un esempio l'omogeneità del campione, i problemi di conservazione, le dimensioni errate del campione e gli errori di pesatura.

In termini di dimensioni, il campione dovrebbe essere abbastanza grande da essere rappresentativo, ma non così grande da rendere necessari ripetuti riempimenti della buretta durante la titolazione. La titolazione ideale dovrebbe fornire un consumo di titolante compreso tra il 30 e l'80% del volume di una singola buretta. Se la disomogeneità richiede che il campione sia più grande, si dovrà utilizzare un titolante più concentrato.

Il campione deve anche essere sufficientemente grande da ridurre al minimo gli errori di misurazione del campione. Questo richiede in genere una bilancia adatta e la garanzia che la dimensione del campione superi i requisiti di peso netto minimo del campione della bilancia. Il peso minimo è di solito un fattore della tolleranza di processo desiderata o data per la pesatura. Ad esempio, USP41 specifica un errore massimo consentito dello 0,1% nei risultati di pesatura. Per garantire una pesatura accurata, le tolleranze di processo individuali dovrebbero essere da 2 a 4 volte inferiori, per assicurare un margine di sicurezza adeguato. Per le industrie non regolamentate da USP, l'1% è una tolleranza di processo tipica.

Ad esempio, quando si standardizza un titolante KF con tartrato disodico disidratato, in genere è necessario un campione di 50 mg a causa di problemi di solubilità del metanolo. Per garantire un'incertezza di pesata inferiore allo 0,1%, è necessaria una bilancia con una leggibilità di almeno 0,01 mg. Tuttavia, se si utilizza acqua pura per standardizzare un reagente KF e garantire un consumo adeguato di titolante, è necessario utilizzare da 7,5 a 20 mg di acqua. In questo caso, una bilancia con una leggibilità di 0,01 mg potrebbe non soddisfare le linee guida USP per una pesatura accurata per i campioni di peso superiore a 14 mg. Nel caso di campioni liquidi, è necessario utilizzare anche la vetreria o l'apparecchio volumetrico di grado appropriato e fare attenzione ad evitare errori di manipolazione. Per aiutare a minimizzare le fonti di errore evitabili durante i metodi di titolazione, scarichi il nostro poster gratuito per imparare a identificare ed evitare gli errori di titolazione.

Le seguenti definizioni di titolazione possono facilitarle l'apprendimento di tutte le informazioni necessarie sulla titolazione.

Analita: Specie chimica specifica in un campione di cui si determina il contenuto o la quantità mediante titolazione.

Fine della titolazione: Il punto finale desiderato o punto di equivalenza in cui la titolazione viene terminata e viene valutato il consumo di titolante. Durante la stessa titolazione può verificarsi più di un punto di equivalenza.

Punto finale: Il punto in cui si osserva la fine della reazione di titolazione (in genere attraverso il cambiamento di colore o un altro indicatore di titolazione). Definire la titolazione insieme al suo punto finale rappresenta la tecnica classica.

Punto di equivalenza: Il punto in cui il numero di entità (equivalenti) del titolante aggiunto è uguale al numero di entità dell'analita del campione.

Indicazione: La procedura per seguire la reazione e rilevare la fine della titolazione. In genere, l'indicazione viene effettuata utilizzando la potenziometria (elettrodi) o indicatori di colore.

Parallasse: la differenza nella posizione apparente di un oggetto in base alla linea di vista dell'osservatore. Nella titolazione, questo fenomeno deve essere considerato quando si osservano visivamente i menischi liquidi in una buretta.

Standard primario: Una sostanza certificata, altamente pura, utilizzata per la determinazione accurata della concentrazione del titolante.

Acquisizione del segnale: L'acquisizione del segnale è il monitoraggio dei fenomeni fisici per ottenere valori digitali o numerici in determinati punti (come il punto finale di un esperimento di titolazione o il punto di equivalenza).

Standardizzazione: L'uso di una sostanza chimica di riferimento altamente pura (standard) per determinare la concentrazione del titolante.

Stechiometria: Le relazioni mole/massa tra i reagenti e i prodotti nella titolazione. I reagenti di titolazione reagiscono secondo relazioni fisse, quindi se la quantità di reagenti separati è nota, è possibile calcolare la quantità del prodotto. Se la quantità di un reagente è nota e la quantità di prodotti può essere determinata, è possibile calcolare anche la quantità di altri reagenti.

Titolante: Una soluzione di un determinato reagente chimico che viene standardizzata in termini di concentrazione, in modo da poter essere utilizzata per una titolazione accurata.

Titolazione: Un'analisi chimica quantitativa in cui una quantità definita di titolante reagisce quantitativamente con il composto campione da analizzare. Dal volume di titolante consumato, si calcola la quantità di composto campione in base alla stechiometria della reazione di analisi. Conosciuta anche come volumetria o titrimetria.

Curva di titolazione: Le curve di titolazione illustrano il progresso qualitativo di una titolazione. La curva generalmente utilizza il volume del titolante come variabile indipendente e la soluzione come variabile dipendente. Una curva permette di valutare rapidamente il metodo di titolazione. Le curve assumono quattro forme: simmetrica, asimmetrica, minima/massima e segmentata.

Ciclo di titolazione: Il ciclo che viene eseguito e ripetuto fino al raggiungimento del punto finale o del punto di equivalenza della reazione di titolazione. Il ciclo di titolazione consiste principalmente in quattro fasi: aggiunta di titolante, reazione di titolazione, acquisizione del segnale e valutazione.

Equazione di titolazione: Una serie di formule di titolazione che consentono di calcolare la molarità di massa dei campioni solidi, la concentrazione delle soluzioni di acido e base, la concentrazione delle soluzioni diluite e il consumo di titolante dopo una titolazione diretta. Per calcolare facilmente i risultati della titolazione, visiti il nostro Calcolatore di Titolazione.

Teoria della titolazione: La teoria della titolazione esplora la determinazione di un prodotto in relazione alla sua concentrazione, osservando una reazione di titolazione con metodi fisici o elettrochimici. Conoscere l'esatta concentrazione di una specie, di un prodotto o di una funzione chimica aiuta a garantire l'efficienza del processo e/o la qualità del prodotto.