การไทเทรต กรด-เบสเป็นวิธีการวิเคราะห์เชิงปริมาณเพื่อกำหนดความเข้มข้นของกรดหรือเบส Brønsted-Lowry (ไทเทรต) โดยการทำให้เป็นกลางโดยใช้สารละลายที่มีความเข้มข้นที่ทราบ (ไทเทรนต์) ^{[ 1 ]}ตัวบ่งชี้ pHใช้เพื่อตรวจสอบความคืบหน้าของปฏิกิริยากรด-เบสและสามารถสร้างเส้นโค้งไทเทรต ได้ ^{[ 1 ]}

วิธีนี้แตกต่างจากวิธีการไทเทรตสมัยใหม่แบบอื่น เช่นการไทเทรตออกซิเดชัน-รีดักชันการไทเทรตตกตะกอน และ การ ไทเทรตเชิงซ้อน^{[ 2 ]}แม้ว่าการไทเทรตประเภทเหล่านี้จะใช้ในการหาปริมาณสารที่ไม่ทราบค่าเช่นกัน แต่สารเหล่านี้มีตั้งแต่ไอออนไปจนถึงโลหะ^{[ 2 ]}

การไทเทรตกรด-เบสมีการประยุกต์ใช้อย่างกว้างขวางในสาขาวิทยาศาสตร์ต่างๆ เช่น เภสัชกรรม การตรวจสอบสิ่งแวดล้อม และการควบคุมคุณภาพในอุตสาหกรรม^{[ 3 ]}ความแม่นยำและความเรียบง่ายของวิธีนี้ทำให้เป็นเครื่องมือสำคัญในการวิเคราะห์ทางเคมีเชิงปริมาณ ซึ่งมีส่วนสำคัญต่อความเข้าใจทั่วไปเกี่ยวกับเคมีของสารละลาย^{[ 4 ​​]}

ประวัติความเป็นมาของการไทเทรตกรด-เบสย้อนกลับไปในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 เมื่อความก้าวหน้าในเคมีวิเคราะห์ส่งเสริมการพัฒนาเทคนิคที่เป็นระบบสำหรับการวิเคราะห์เชิงปริมาณ^{[ 5 ]}ต้นกำเนิดของวิธีการไทเทรตสามารถเชื่อมโยงกับผลงานของนักเคมีเช่นKarl Friedrich Mohrในช่วงกลางทศวรรษที่ 1800 ^{[ 5 ]}ผลงานของเขาวางรากฐานสำหรับการทำความเข้าใจการไทเทรตที่เกี่ยวข้องกับกรดและเบส

ความก้าวหน้าทางทฤษฎีเกิดขึ้นจากการวิจัยของนักเคมีชาวสวีเดนSvante Arrheniusซึ่งในปลายศตวรรษที่ 19 ได้นำเสนอทฤษฎี Arrhenius ซึ่งเป็นกรอบทฤษฎีสำหรับปฏิกิริยาของกรด-เบส^{[ 6 ]}พื้นฐานทางทฤษฎีนี้ พร้อมกับการปรับปรุงการทดลองอย่างต่อเนื่อง มีส่วนทำให้การไทเทรตกรด-เบสพัฒนาไปเป็นวิธีการวิเคราะห์ที่แม่นยำและใช้งานได้อย่างกว้างขวาง^{[ 6 ]}

เมื่อเวลาผ่านไป วิธีการนี้ได้รับการปรับปรุงและดัดแปลงเพิ่มเติม จนกลายเป็นเครื่องมือสำคัญในห้องปฏิบัติการในสาขาวิทยาศาสตร์ต่างๆ

การวัดความเป็นด่างและการวัดความเป็นกรดเป็นประเภทของการวิเคราะห์ปริมาตรซึ่งปฏิกิริยาพื้นฐานคือ ปฏิกิริยา การสะเทียรโดยเกี่ยวข้องกับการเติมกรดหรือเบส (ไทเทรนต์) ที่มีความเข้มข้นที่ทราบลงในสารละลายที่มีความเข้มข้นที่ไม่ทราบ (ไทเทรต) อย่างควบคุม จนกระทั่งปฏิกิริยาถึงจุดสมดุลทางเคมี ณ จุดนี้ จำนวนโมลของกรดและเบสจะเท่ากัน ส่งผลให้สารละลายเป็นกลาง: ^{[ 7 ]}

กรด + เบส → เกลือ + น้ำ

ตัวอย่างเช่น:

HCl + NaOH → NaCl +

การวัดความเป็นกรดเป็นการใช้การไทเทรตกรด-เบสในการวิเคราะห์เฉพาะทางเพื่อกำหนดความเข้มข้นของสารเบส (ด่าง) โดยใช้กรดมาตรฐาน วิธีนี้สามารถใช้ได้กับเบสอ่อนและเบสแรง^{[ 8 ]}ตัวอย่างของการไทเทรตแบบวัดความเป็นกรดที่เกี่ยวข้องกับเบสแรงมีดังนี้:

Ba(OH) + 2 H ⁺ → Ba ²⁺ + 2 H O

ในกรณีนี้ เบสแก่ (Ba(OH) ) จะถูกทำให้เป็นกลางโดยกรดจนกระทั่งเบสทั้งหมดทำปฏิกิริยาหมดไป ซึ่งทำให้ผู้ชมสามารถคำนวณความเข้มข้นของเบสได้จากปริมาตรของกรดมาตรฐานที่ใช้

การวัดความเป็นด่างใช้แนวคิดเดียวกันกับการไทเทรตกรด-เบสเชิงวิเคราะห์เฉพาะทาง แต่เพื่อกำหนดความเข้มข้นของสารที่เป็นกรดโดยใช้เบสมาตรฐาน^{[ 8 ]}ตัวอย่างของการไทเทรตความเป็นด่างที่เกี่ยวข้องกับกรดแก่มีดังนี้:

H₂SO₄ + OH⁻ ^→ SO₄²⁻ + ² ​

ในกรณีนี้ กรดแก่ ( ) จะถูกทำให้เป็นกลางโดยเบสจนกระทั่งกรดทั้งหมดทำปฏิกิริยาหมดไป ซึ่งทำให้ผู้ชมสามารถคำนวณความเข้มข้นของกรดได้จากปริมาตรของเบสมาตรฐาน ที่

สารละลายมาตรฐาน (ไทเทรนต์) จะถูกเก็บไว้ในบิวเรตต์ในขณะที่สารละลายที่มีความเข้มข้นไม่ทราบค่า (สารวิเคราะห์/ไทเทรต) จะถูกวางไว้ในขวด Erlenmeyerด้านล่างพร้อมกับอินดิเคเตอร์^{[ 9 ]}

ต้องเลือกตัวบ่งชี้ pH ที่เหมาะสมเพื่อตรวจจับจุดสิ้นสุดของการไทเทรต^{[ 10 ]}การเปลี่ยนแปลงสีหรือผลกระทบอื่นๆ ควรเกิดขึ้นใกล้กับจุดสมดุลของปฏิกิริยา เพื่อให้นักทดลองสามารถระบุได้อย่างแม่นยำว่าถึงจุดนั้นเมื่อใด ค่า pH ของจุดสมดุลสามารถประมาณได้โดยใช้กฎต่อไปนี้:

• กรดแก่จะทำปฏิกิริยากับเบสแก่เพื่อสร้างสารละลายที่เป็นกลาง (pH = 7)
• กรดแก่จะทำปฏิกิริยากับเบสอ่อนเพื่อสร้างสารละลายที่เป็นกรด (pH < 7)
• กรดอ่อนจะทำปฏิกิริยากับเบสแก่เพื่อสร้างสารละลายเบส (pH > 7)

ตัวบ่งชี้เหล่านี้เป็นเครื่องมือสำคัญในวิชาเคมีและชีววิทยา ช่วยในการกำหนดความเป็นกรดหรือด่างของสารละลายโดยการสังเกตการเปลี่ยนแปลงสี^{[ 10 ]}ตารางด้านล่างนี้ทำหน้าที่เป็นคู่มืออ้างอิงสำหรับตัวเลือกตัวบ่งชี้เหล่านี้ โดยให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับช่วง pH และการเปลี่ยนแปลงสีที่เกี่ยวข้องกับตัวบ่งชี้เฉพาะ:

ฟีนอลฟทาลีนได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางว่าเป็นหนึ่งในตัวบ่งชี้กรด-เบสที่ใช้กันทั่วไปในวิชาเคมี^{[ 12 ]}ความนิยมของมันเกิดจากประสิทธิภาพในช่วง pH ที่กว้างและการเปลี่ยนสีที่ชัดเจน^{[ 12 ]}การเปลี่ยนแปลงสีที่คมชัดและตรวจจับได้ง่ายทำให้ฟีนอลฟทาลีนเป็นเครื่องมือที่มีค่าสำหรับการกำหนดจุดสิ้นสุดของการไทเทรตกรด-เบส เนื่องจากการเปลี่ยนแปลง pH ที่แม่นยำบ่งบอกถึงการเสร็จสิ้นของปฏิกิริยา

เมื่อกรดอ่อนทำปฏิกิริยากับเบสอ่อน สารละลายจุดสมดุลจะเป็นเบสหากเบสมีความแรงมากกว่า และจะเป็นกรดหากกรดมีความแรงมากกว่า หากทั้งสองมีความแรงเท่ากัน ค่า pH จุดสมดุลจะเป็นกลาง^{[ 13 ]}อย่างไรก็ตาม กรดอ่อนมักไม่ค่อยถูกไทเทรตกับเบสอ่อน เนื่องจากสีที่เปลี่ยนไปที่แสดงด้วยอินดิเคเตอร์มักจะเร็วมาก ทำให้ผู้สังเกตมองเห็นการเปลี่ยนแปลงสีได้ยากมาก

จุดที่ตัวบ่งชี้เปลี่ยนสีเรียกว่าจุดสิ้นสุด^{[ 10 ]} ควรเลือกตัวบ่งชี้ที่เหมาะสม โดยควรเลือกตัวบ่งชี้ที่จะเปลี่ยนสี (จุดสิ้นสุด) ใกล้กับจุดสมดุลของปฏิกิริยา

นอกจากสารละลายอินดิเคเตอร์หลากหลายชนิดแล้ว กระดาษ pH ที่ทำจากกระดาษหรือพลาสติกผสมอินดิเคเตอร์เหล่านี้ยังเป็นทางเลือกที่ใช้งานได้จริงอีกด้วย^{[ 13 ]}สามารถประมาณค่า pH ของสารละลายได้โดยการจุ่มแถบกระดาษ pH ลงในสารละลายและเปรียบเทียบสีที่สังเกตได้กับมาตรฐานอ้างอิงที่ให้ไว้บนภาชนะ^{[ 13 ]}

การไทเทรตเกินปริมาณที่กำหนดเป็นปรากฏการณ์ที่พบได้ทั่วไป และหมายถึงสถานการณ์ที่ปริมาณไทเทรตที่เติมระหว่างการไทเทรตทางเคมีเกินปริมาณที่จำเป็นเพื่อให้ถึงจุดสมดุล^{[ 14 ]}ไทเทรตส่วนเกินนี้ส่งผลให้สารละลายมีความเป็นด่างมากขึ้นเล็กน้อยหรือมีความเป็นกรดมากเกินไป^{[ 14 ]}

การเกินจุดสมดุลอาจเกิดขึ้นได้เนื่องจากปัจจัยต่างๆ เช่น ข้อผิดพลาดในการอ่านบิวเรตต์ สัดส่วนปฏิกิริยาที่ไม่สมบูรณ์ หรือปัญหาเกี่ยวกับการตรวจจับจุดสิ้นสุด^{[ 14 ]}ผลที่ตามมาของการไทเทรตเกินจุดสมดุลอาจส่งผลต่อความแม่นยำของผลการวิเคราะห์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการวิเคราะห์เชิงปริมาณ^{[ 14 ]}

นักวิจัยและนักวิเคราะห์มักใช้มาตรการแก้ไข เช่น การไทเทรตย้อนกลับ^{[ 15 ]}และใช้เทคนิคการไทเทรตที่แม่นยำยิ่งขึ้น เพื่อลดผลกระทบของการไทเทรตเกินและเพื่อให้ได้การวัดที่เชื่อถือได้และแม่นยำ การทำความเข้าใจสาเหตุ ผลที่ตามมา และวิธีแก้ปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการไทเทรตเกินมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการบรรลุผลลัพธ์ที่ถูกต้องและทำซ้ำได้ในสาขาเคมี

สำหรับการคำนวณความเข้มข้นสามารถ ใช้ตาราง ICE ได้ ^{[ 16 ] [ 1 ]} ICE ย่อมาจากค่าเริ่มต้นการเปลี่ยนแปลงและสมดุล

ค่า pH ของ สารละลาย กรดอ่อนที่ถูกไทเทรตด้วยสารละลายเบสเข้มข้นสามารถพบได้ที่จุดต่างๆ ตลอดกระบวนการ จุดเหล่านี้จัดอยู่ในประเภทใดประเภทหนึ่งจากสี่ประเภท: ^{[ 17 ]}

1. ค่า pH เริ่มต้น
2. ค่า pH ก่อนจุดสมดุล
3. ค่า pH ณ จุดสมดุล
4. ค่า pH หลังจุดสมดุล

1. ค่า pH เริ่มต้นโดยประมาณสำหรับสารละลายกรดอ่อนในน้ำโดยใช้สมการ: ^{[ 1 ]}

${\displaystyle {\ce {pH}}=-\log[{\ce {H3O+}}]_{0}}$ความเข้มข้นเริ่มต้นของไอออนไฮโดรเนียมคือ เท่าใด${\displaystyle {\ce {[H3O+]0}}}$

2. ค่า pH ก่อนจุดสมดุลขึ้นอยู่กับปริมาณกรดอ่อนที่เหลืออยู่และปริมาณเบสคู่ควบที่เกิดขึ้น ค่า pH สามารถคำนวณได้โดยประมาณจากสมการ Henderson–Hasselbalch : ^{[ 1 ]} โดยที่ K คือ ค่า คง ที่การแตกตัวของกรด${\displaystyle {\ce {pH}}=-\log K_{a}+\log {\frac {\text{[Conjugate Base]}}{\text{[Weak Acid]}}}}$

3. ค่า pH ณ จุดสมดุลขึ้นอยู่กับปริมาณกรดอ่อนที่ถูกใช้ไปเพื่อเปลี่ยนเป็นเบสคู่ควบ โปรดทราบว่าเมื่อกรดทำปฏิกิริยากับเบส ค่า pH อาจเป็นหรือไม่เป็นกลางก็ได้ (pH = 7) ค่า pH ขึ้นอยู่กับความแรงของกรดและเบส ในกรณีของการไทเทรตกรดอ่อนกับเบสแรง ค่า pH จะมากกว่า 7 ณ จุดสมดุล ดังนั้น ค่า pH สามารถคำนวณได้โดยใช้สูตรต่อไปนี้: ^{[ 1 ]}

${\displaystyle {\ce {pH}}_{eq}=-\log[{\ce {H3O+}}]_{eq}=14+\log[{\ce {OH-}}]_{eq}}$ ความเข้มข้นของไอออนไฮดรอกไซด์ อยู่ที่ใดความเข้มข้นของไอออนไฮดรอกไซด์คำนวณได้จากความเข้มข้นของไอออนไฮโดรเนียมโดยใช้ความสัมพันธ์ต่อไปนี้: ${\displaystyle {\ce {[OH^{-}]}}}$

${\displaystyle K_{a}K_{b}=K_{w}=10^{-14}}$ โดยที่คือค่าคงที่การแตกตัวของเบสและ Kw คือค่าคงที่การแตกตัวของ

4. ค่า pH หลังจุดสมดุลขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของเบสคู่ควบของกรดอ่อนและเบสแก่ของไทเทรนต์ อย่างไรก็ตาม เบสของไทเทรนต์จะแรงกว่าเบสคู่ควบของกรด ดังนั้น ค่า pH ในบริเวณนี้จึงถูกควบคุมโดยเบสแก่ ดังนั้นจึงสามารถหาค่า pH ได้โดยใช้สูตรต่อไปนี้: ^{[ 1 ]}

${\displaystyle {\ce {pH}}=14+\log[{\ce {OH^-}}]=14+\log {\frac {(C_{b}V_{b})-(C_{a}V_{a})}{V_{a}+V_{b}}}}$โดยที่คือความเข้มข้นของเบสแก่ที่เติมเข้าไปคือปริมาตรของเบสที่เติมจนถึงสภาวะสมดุลคือความเข้มข้นของกรดแก่ที่เติมเข้าไป และคือปริมาตรเริ่มต้นของกรด ${\displaystyle C_{b}}$${\displaystyle V_{b}}$${\displaystyle C_{a}}$${\displaystyle V_{a}}$

กล่าว โดยละเอียด สูตรเดียว^{[ 18 ]}ที่อธิบายการไทเทรตกรดอ่อนด้วยเบสแรงตั้งแต่ต้นจนจบมีดังต่อไปนี้:

${\displaystyle \phi ={\frac {C_{b}V_{b}}{C_{a}V_{a}}}}$

โดยที่ "φ = สัดส่วนของการไทเทรตที่เสร็จสมบูรณ์ (φ < 1 ​​คือก่อนถึงจุดสมดุล, φ = 1 คือจุดสมดุล, และ φ > 1 คือหลังจากจุดสมดุล)

${\displaystyle C_{a},C_{b}}$= ความเข้มข้นของกรดและเบสตามลำดับ

${\displaystyle V_{a},V_{b}}$= ปริมาตรของกรดและเบสตามลำดับ

การระบุค่า pH ที่เกี่ยวข้องกับขั้นตอนใดๆ ในกระบวนการไทเทรตนั้นค่อนข้างง่ายสำหรับกรดและเบสโมโนโปรติก กรดโมโนโปรติกคือกรดที่ให้โปรตอนหนึ่งตัว เบสโมโนโปรติกคือเบสที่รับโปรตอนหนึ่งตัว กรดหรือเบสโมโนโปรติกจะมีจุดสมดุลเพียงจุดเดียวบนเส้นโค้งไทเทรต^{[ 13 ] [ 9 ]}

กรดไดโปรติกจะให้โปรตอนสองตัว และเบสไดโปรติกจะรับโปรตอนสองตัว เส้นโค้งการไทเทรตสำหรับสารละลายไดโปรติกมีจุดสมดุลสองจุด^{[ 13 ] [ 9 ]}

สารโพลีโปรติกมีจุดสมดุลหลายจุด^{[ 9 ]}

ปฏิกิริยาไทเทรตทั้งหมดมีบริเวณบัฟเฟอร์ขนาดเล็กที่ปรากฏเป็นแนวนอนบนกราฟ บริเวณเหล่านี้มีความเข้มข้นของกรดและเบสที่เทียบเท่ากัน ป้องกันการเปลี่ยนแปลง pH อย่างกะทันหันเมื่อเติมกรดหรือเบสเพิ่มเติม^{[ 19 ] [ 9 ]}

ในอุตสาหกรรมยา การไทเทรตกรด-เบสถือเป็นเทคนิคการวิเคราะห์พื้นฐานที่มีการใช้งานหลากหลาย การใช้งานหลักประการหนึ่งคือการกำหนดความเข้มข้นของสารออกฤทธิ์ทางเภสัชกรรม (APIs) ในสูตรยา เพื่อให้มั่นใจในคุณภาพของผลิตภัณฑ์และการปฏิบัติตามมาตรฐานข้อบังคับ^{[ 20 ]}

การไทเทรตกรด-เบสมีประโยชน์อย่างยิ่งในการหาปริมาณหมู่ฟังก์ชันที่เป็นกรดหรือเบสในสารประกอบทางเภสัชกรรม นอกจากนี้ วิธีนี้ยังใช้ในการวิเคราะห์สารเติมแต่งหรือส่วนผสม ทำให้ง่ายต่อการปรับและควบคุมวิธีการผลิตผลิตภัณฑ์^{[ 21 ]}ห้องปฏิบัติการควบคุมคุณภาพใช้การไทเทรตกรด-เบสเพื่อประเมินความบริสุทธิ์ของวัตถุดิบและเพื่อตรวจสอบขั้นตอนต่างๆ ของกระบวนการผลิตยา^{[ 21 ]}

ความน่าเชื่อถือและความเรียบง่ายของเทคนิคนี้ ทำให้มันเป็นเครื่องมือสำคัญในการวิจัยและพัฒนายา ซึ่งมีส่วนช่วยในการผลิตยาที่ปลอดภัยและมีประสิทธิภาพ

การไทเทรตกรด-เบสมีบทบาทสำคัญในการตรวจสอบสิ่งแวดล้อมโดยให้วิธีการวิเคราะห์เชิงปริมาณสำหรับการประเมินความเป็นกรดหรือด่างของตัวอย่างน้ำ^{[ 22 ]}การวัดพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น pH ความเป็นด่างรวม และความเป็นกรด เป็นสิ่งจำเป็นในการประเมินผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมจากการปล่อยของเสียจากอุตสาหกรรม น้ำเสียจากการเกษตรและแหล่งปนเปื้อนน้ำ อื่น ๆ^{[ 22 ]}

การไทเทรตกรด-เบสช่วยให้สามารถกำหนดความสามารถในการบัฟเฟอร์ของระบบน้ำธรรมชาติ ซึ่งช่วยในการประเมินความสามารถในการต้านทานการเปลี่ยนแปลงของ pH ^{[ 23 ]} การตรวจสอบระดับ pH มีความสำคัญต่อการรักษาระบบนิเวศทางน้ำและการรับรองการปฏิบัติตามกฎระเบียบด้านสิ่งแวดล้อม^{[ 23 ]}

• สมการเฮนเดอร์สัน–ฮัสเซลบาลช์
• ตัวบ่งชี้ค่า pH

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับการไทเทรตกรด-เบส

• วิธีการทางกราฟิกในการแก้ปัญหาเกี่ยวกับกรด-เบส รวมถึงการไทเทรต
• โปรแกรมแก้ปัญหาความสัมพันธ์ระหว่างกรดและเบสทั่วไป ทั้งแบบกราฟิกและเชิงตัวเลข - ซอฟต์แวร์สำหรับโทรศัพท์และแท็บเล็ต
• Khan, ASA (2014). "สูตรวิเคราะห์อย่างง่ายสำหรับการไทเทรตกรดโพลีโปรติก" The Nucleus 51 ( 4): 448– 454. doi : 10.71330/thenucleus.2014.675 . ISSN  2306-6539 .