یدومتری چیست؟ – تیتراسیون به زبان ساده

تیتراسیون یدومتری چیست ؟

اجزای تیتراسیون

روش‌های بسیار متنوعی برای انجام تیتراسیون وجود دارد و هر کدام شامل مواد و اجزای اولیه به‌خصوصی است که برای موارد مشخصی کاربرد دارند. با این‌حال در هر تیتراسیون اجزایی وجود دارند که باید با مورد استفاده آن‌ها آشنا شویم. در ادامه می‌خواهیم این اجزا را مورد بررسی قرار دهیم.

فیلم آموزش شیمی عمومی در فرادرس

کلیک کنید

تیترانت

تیتراند

«تیتراند» (Titrand) که از آن به نام «آنالیت» (Analyte) نیز نام برده می‌شود، محلولی با غلظت نامشخص است و هدف از تیتراسیون نیز، به دست آوردن همین مقدار است. در ابتدای هر تیتراسیونی، حجم مشخصی از نمونه شامل تیتراند در اختیار است.

شناساگر

نقطه هم‌ارزی

فیلم آموزش یدومتری و تیتراسیون غلظت محلول در فرادرس

کلیک کنید

نقطه پایانی

 تیتراسیون اکسایش کاهش چیست ؟

تیتراسیون غیر مستقیم چیست ؟

در مرحله بعد این مقدار باقی‌مانده، خود به کمک تیترانتی دیگر مورد تیتراسیون قرار می‌گیرد. مقدار آنالیت را می‌توان از کم کردن مقدار مازاد از مقدار اولیه تیترانت اول، محاسبه کرد. یدومتری یکی از انواع تیتراسیون‌های غیرمستقیم است.

نحوه انجام تیتراسیون یدومتری

فیلم آموزش شیمی عمومی ۱ و ۲ در فرادرس

کلیک کنید

واکنش‌ های تیتراسیون یدومتری

در تیتراسیون غیرمستقیم یدومتری، به حجم مشخصی از نمونه، مقدار مشخص و مازادی از یون یدید افزوده می‌شود. یدید عاملی اکسنده است و به ید تبدیل می‌شود. سپس ید در محلولی که همچنان حاوی یدید است، حل می‌شود و یون‌های تری‌یدید را با فرمول شیمیایی $$I_3^-$$ تولید می‌کند. این گونه دارای رنگ قهوه‌ای تیره است.

$$I_3^-+ 2 e^− \rightleftharpoons 3 I^− (E^0 = +0.54\; V)$$

همچنین واکنش کاهش تیوسولفات را نیز می‌توان به‌صورت زیر نشان داد.

$$S_4O_6^{2-}+ 2 e^− \rightleftharpoons 2 S_2O_3^{2-}(E^0 = +0.08 \;V)$$

همچنین برایند این دو واکنش را می‌توان به‌صورت زیر آورد.

$$I_3^-+ 2 S_2O_3^{2−}\rightarrow S_4O_6^{2−}+ 3 I^− (E_{reaction} = +0.46 \;V)$$

از بین رفتن رنگ آبی، نشان‌دهنده تخریب ید-نشاسته است و برای یافتن نقطه پایانی تیتراسیون از آن بهره گرفته می‌شود.

محلول ید استاندارد این تیتراسیون از پتاسیم یدات $$(KIO_3)$$ و پتاسیم یدید $$(KI)$$ تهیه می‌شود که هر دو استانداردهای اولیه هستند.

$$IO_3^-+ 8 I^− + 6 H^+ → 3 I_3^-+ 3 H_2O$$

عوامل کاهنده دیگر

در این تیتراسیون، لزوما نباید از تیوسولفات به عنوان عامل کاهنده استفاده شود. در زیر تعدادی از جایگزین‌های تیوسولفات در مقدار $$pH$$ بالای ۸ را مشاهده می‌کنید.

• استانوس کلرید $$(SnCl_2)$$
• نمک سولفیت $$(SO_3^{2-})$$
• نمک سولفید $$(S^{2-})$$
• نمک آرسنیک
• نمک آنتیموان

دلیل تعیین مقدار $$pH$$ به بالای ۸ این است که در مقادیر پایین‌تر،‌ امکان وقوع واکنش زیر با تیوسولفات وجود دارد.

$$S_2O_3^{2−}+ 2 H^+ \rightarrow SO_2 + S + H_2O$$

همچنین برخی واکنش‌ها در حضور ترکیباتی خاص، در مقدار $$pH$$ مشخصی، «برگشت‌پذیر» (Reversible) هستند و از همین رو باید مقدار $$pH$$ را پیش از انجام مراحل تیتراسیون به دقت تنظیم کرد. برای مثال واکنش زیر را در نظر بگیرید. این واکنش در مقدار $$pH$$ کمتر از ۴ به‌صورت برگشت‌پذیر انجام می‌شود.

$$H_3AsO_3 + I_2 + H_2O → H_3AsO_4 + 2 H^+ + 2 I^−$$

کاربرد تیتراسیون یدومتری

در این راستا به واکنش‌های زیر توجه کنید.

• تیتراسیون مس

$$2 Cu^{2+} + 4 I^− → 2 CuI + I_2$$

• تیتراسیون کلرات

$$6 H^+ + ClO^−_3+ 6 I^− → 3 I_2 + Cl^− + 3 H_2O$$

• تیتراسیون هیدروژن پروکسید

$$2 H^+ + H_2O_2 + 2 I^− → I_2 + 2 H_2O$$

• تیتراسیون منگنز

$$2 H_2O + 4 Mn(OH)_2 + O_2 → 4 Mn(OH)_3$$

$$2 Mn^{3+} + 2 I^− → I_2 + 2 Mn^{2+}$$

اندازه‌گیری ترکیبات آرسنیک خلاف استاندارد کردن محلول ید به کمک سدیم آرسنیت $$(NaAsO_2)$$ است. در این مورد مقدار مشخص و مازادی از یدید به نمونه اضافه می‌شود. به واکنش زیر دقت کنید.

$$As_2O_5 + 4 H^+ + 4 I^− \rightleftharpoons As_2O_3 + 2 I_2 + 2 H_2O$$

چند مثال کاربردی از تیتراسیون یدومتری

تا اینجا با نحوه انجام تیتراسیون یدومتری و جزئيات آن آشنا شدیم. در این بخش می‌خواهیم تعدادی تیتراسیون یدومتری را با مثال و مرحله به مرحله مورد بررسی قرار دهیم.

فیلم آموزش شیمی‌ تجزیه ۱ در فرادرس

کلیک کنید

تیتراسیون یدومتری هیدروژن سولفیت‌ و سولفیت

سولفیت‌ها با فرمول شیمیایی $$SO^{2−}_3$$ و هیدروژن سولفیت‌ها با فرمول شیمیایی $$HSO^−_3$$ در محیط اسیدی به راحتی ید را می‌کاهند. بنابراین وقتی مقداری مشخصی از ید استاندارد رقیق به‌صورت مازاد به حجم مشخصی از نمونه حاوی آن‌ها افزوده می‌شود، سولفیت و هیدروژن سولفید باعث کاهش آن می‌شود. این دو واکنش را می‌توانید در زیر مشاهده کنید.

$$SO^{2−}_3+ I_2 + H_2O → SO^{2−}_4+ 2 H^+ + 2 I^−$$

تیتراسیون یدومتری سولفیت

$$HSO^{−}_3+ I_2 + H_2O → SO^{2−}_4+ 3 H^+ + 2 I^−$$

تیتراسیون یدومتری هیدروژن سولفیت

تیتراسیون یدومتری هیدروژن سولفید و سولفید

$$As_2O_3 + 3 H_2S → As_2S_3 + 3 H_2O$$

در مرحله بعد آرسنیک تری‌اکسید مازاد، در مقابل محلول استاندارد ید در حضور شناساگر نشاسته، تیتر می‌شود. توجه داشته باشید که در این تیتراسیون برای داشتن نتایج دقیق‌تر، محلول سولفید باید رقیق باشد و هچنین غلظت آن بیش از ۰٫۰۱ مولار نباشد.

 تیتراسیون یدومتری هگزاسیانو فرات (III)

با افزودن یدید به محلول هگزاسیانو فرات (III)، شاهد تعادل زیر خواهیم بود.

$$2 [Fe(CN)_6]^{3−} + 2 I^− \rightleftharpoons 2 [Fe(CN)_6]^{4−} + I_2$$

برای پیشبرد این واکنش و کامل شدن آن، مقدار مازادی از نمک روی را می‌توان به محیط واکنش حاوی یون‌های پتاسیم، افزود. در این مورد واکنش زیر صورت می‌گیرد و هگزاسیانو فرات (III) تولید رسوب می‌کند.

$$2 [Fe(CN)_6]^{3−} + 2 I^− + 2 K^+ + 2 Zn^{2+} \rightarrow 2 KZn[Fe(CN)_6]^− + I_2$$

این رسوب در محیطی با اسیدیته ملایم به وجود می‌آید و مشکل تخریب یدید و تیوسولفات برطرف خواهد شد. سپس می‌توان هگزاسیانو فرات (III) را به‌صورتی که پیش از این توضیح دادیم، توسط تیتراسیون یدومتری مورد سنجش قرار داد.

اندازه گیری ویتامین ث به روش یدومتری

ویتامین ث یا همون «آسکوربیک اسید» (Ascorbic Acis) از طریق یک عامل اکسنده ملایم مانند ید تبدیل «دهیدرو آسکوربیک اسید» (Dehydroascorbic Acid) می‌شود. نحوه انجام این واکنش را می‌توانید در تصویر زیر مشاهده کنید.

با این حال نباید ارلن حاوی ویتامین ث را خیلی تکان دهیم تا حجم زیادی از هوا و در نتیجه اکسیژن وارد آن نشود. در این تیتراسیون یدومتری از شناساگر نشاسته بهره گرفته می‌شود.

اندازه گیری مس به روش یدومتری

فیلم آموزش شیمی عمومی در فرادرس

کلیک کنید

محلول این تیتراسیون باید عاری از ترکیبات جانبی باشد که می‌تواند یدید را اکسید کنند. از این مورد می‌توان به نیترات‌ها و $$Fe^{3+}$$ اشاره کرد. در این تیتراسیون واکنش‌های زیر به وقوع می‌پیوندند.

$$2Cu^{2+} + 4I^- → 2CuI(s) + I_2$$

در مرحله بعد نیز خواهیم داشت:

$$2S_2O_3^{2-} + I_2 → S_4O_6^{2-} + 2I^-$$

$$2Cu^{2+} + 2S_2O_3^{2-} + 2I^- → 2CuI(s) + S_4O_6^{2-}$$

تفاوت تیتراسیون یدومتری و یدیمتری در چیست ؟

توجه به تفاوت دو تیتراسیون «یدومتری» (Iodometry) و «یدیمتری» (Iodimetry) از اهمیت زیادی برخوردار است. ممکن است در برخی موارد این دو روش به جای یکدیگر گرفته شوند. برای پرهیز از هرگونه اشتباه،‌ در این بخش می‌خواهیم به تفاوت‌های موجود بین این دو روش تیتراسیونی اشاره کنیم.

یدیمتری چیست ؟

تیتراسیون یدیمتری نوعی تیتراسیون مستقیم است که در آن عامل کاهنده، آنالیت است. برای این تیتراسیون باید از محلول استاندارد ید و شناساگری مناسب و قوی استفاده کرد. در این روش ید را به کمک یک عامل کاهنده، تیتر می‌کنند. در طی این تیتراسیون، ید کاهش می‌یابد و یدید را تولید می‌کند. همچنین باعث اکسید شدن گونه دیگر خواهد شد. از آن‌جا که داشتن محلول ید به تنهایی کاری دشوار است، معمولا آن را با پتاسیم یدید و پتاسیم یدات همراه می‌کنند. در نهایت محلول استاندارد یک تیتراسیون یدیمتری به‌صورت زیر به کار می‌رود.

$$KI+I_2 → KI_3$$

در برخی موارد از نشاسته نیز به عنوان شناساگر تیتراسیون یدیمتری استفاده می‌شود. در نهایت واکنش تیتراسیون را می‌توان به این شکل نشان داد.

$$I_2 + reducing\; agent → 2 I$$

تفاوت یدومتری و یدیمتری

در توضیح تفاوت این دو تیتراسیون، به موارد زیر باید توجه داشت.

• یدومتری روش تیتراسیونی است که در آن از عامل کاهنده برای تیتر کردن ید تولید شده در مرحله ابتدایی، واکنش اکسایش-کاهش، استفاده می‌شود اما از یدیمتری تیتراسیونی است که در آن از یک عامل کاهنده برای تیتر کردن محلول ید به‌صورت مستقیم بهره گرفته می‌شود.
• یدیمتری تیتراسیونی مستقیم است در‌حالی که در تیتراسیون یدومتری از روش غیرمستقیم برای انجام فرایند کمک گرفته می‌شود.
• در تیتراسیون یدومتری دو واکنش اکسایشی-کاهشی به وقوع می‌پیوندد اما در تیتراسیون یدیمتری تنها یک واکنش وجود دارد.
• در تیتراسیون یدومتری، ید ابتدا اکسید می‌شود و متعاقبا به وسیله یک عامل کاهنده، کاهش پیدا می‌کند اما در یدیمتری ید فورا کاهش می‌یابد.
• از تیتراسیون یدومتری در آزمایش‌های بسیاری استفاده می‌شود اما تیتراسیون یدیمتری چندان پرکاربرد نیست.
• از تیتراسیون یدومتری برای تعیین ترکیبات اکسنده استفاده می‌شود در حالی که تیتراسیوت یدیمتری برای تعیین ترکیبات کاهنده به کار می‌رود.

در جدول زیر به برخی از مهم‌ترین تفاوت‌ها، به‌صورت تیتروار اشاره کرده‌ایم.

شناساگر نشاسته

در تیتراسیون یدومتری، محلول غلیظ ید با تیترانتی مانند تیوسولفات وارد واکنش می‌شود. در این مرحله بیشتر مقدار ید از محیط حذف و سپس نشاسته افزوده می‌شود. این کار به این دلیل است که کمپلکس نشاسته با تری‌یدید ناملحلول است و می‌تواند جلوی مقادیری از ید را بگیرد تا وارد واکنش نشود. در نزدیکی نقطه پایانی، نشاسته به محیط افزوده می‌شود و فرایند تیتراسیون با در نظر گرفتن مقدار تیوسولفات افزوده شده، از سر گرفته می‌شود.

خطا در تیتراسیون یدومتری

• شناساگر نشاسته‌ای که تازه نباشد، نمی‌تواند به‌خوبی عمل کند. استفاده از این شناساگر در تعیین نقطه پایان تیتراسیون ایجاد خطا می‌کند و محاسبات تعیین غلظت آنالیت نیز نادرست خواهد بود.
• یدید در محیط اسیدی اکسید می‌شود، به همین دلیل در شرایطی که ناگزیر به اسیدی کردن محیط هستیم، باید تیتراسیون را با سرعت بالایی انجام دهیم تا میزان خطا به حداقل برسد.
• ید فرار است و در اثر تبخیر از دست می‌رود و برای جلوگیری از این مورد باید مقدار مازاد مناسبی از آن را در نظر داشته باشیم. همچنین تبخیر ید در محلول‌های سرد کمتر خواهد بود، بنابراین باید تا حد ممکن از داشتن محلول تیتراسیون با دمای بالا خودداری کرد.

مثال و حل تمرین از تیتراسیون یدومتری

حال که با مفهوم تیتراسیون یدومتری آشنا شدیم، می‌خواهیم در ادامه به بررسی تعدادی مثال و تمرین بپردازیم. با دقت به پاسخ‌های تشریحی، می‌توانید توانایی حل مسائل محاسباتی تیتراسیون کمپلکسومتری را کسب کنید.

فیلم آموزش شیمی عمومی ۱ و ۲ در فرادرس

کلیک کنید

مثال از تیتراسیون یدومتری

در ابتدا تعدادی مثال را به همراه پاسخ تشریحی به‌طور کامل بررسی خواهیم کرد.

مثال اول

قصد تیتراسیون نمونه‌ای حاوی آسکوربیک اسید با فرمول شیمیایی $$C_6H_8O_6$$ را داریم. مقدار آسکوربیک اسید در نمونه ۱۰ میلی‌گرم است. چند مول از $$KIO_3$$ برای تکمیل واکنش با نمونه مورد نیاز است؟

پاسخ

این تیتراسیون طی دو واکنش زیر انجام می‌شود.

$$KIO_3 + 5KI + 6H^+ → 3I_2 + 6K^+ + 3H_2O$$

$$C_6H_8O_6 + I_2 → C_6H_6O_6 + 2I^- + 2H^+$$

با توجه به این واکنش‌ها نسبت تعداد مول‌های آسکوربیک اسید به مول‌های پتاسیم یدات ۳:۱ است، یعنی به ازای هر ۳ مول از آسکوربیک اسید، ۱ مول از پتاسیم یدات مصرف می‌شود.

در مرحله بعد باید تعداد مول‌های موجود در نمونه را بیابیم. همان‌طور که در صورت سوال آورده شده است، نمونه اولیه ۱۰ میلی‌گرم است. جرم مولکولی آسکوربیک اسید برابر با ۱۷۶٫۱ گرم بر مول است. می‌توانیم تعداد مول‌ها را به‌صورت زیر محاسبه کنیم.

$$0.010\; g \times 176.1frac{g}{mol} = 5.6786times10^{-5}\;mol_{ascorbic\; acid}$$

با توجه به اینکه نسبت آسکوربیک اسید و پتاسیم یدات ۱ به ۳ است، مقدار مول‌های پتاسیم یدات برابر با $$۱٫۸۹times۱۰^{-۵}$$ خواهد بود.

مثال دوم

با توجه به مثال پیشین، غلظت $$KIO_3$$ را به‌صورتی محاسبه کنید که مقدار مول به دست آمده در آن، در ۲۵ میلی‌لیتر از نمونه موجود باشد.

پاسخ

با توجه به محاسبات مثال قبل می‌دانیم که برای رسیدن به نقطه هم‌ارزی به $$۱٫۸۹times۱۰^{-۵}$$ مول از پتاسیم یدات در تیتراسیون ۱۰ میلی‌گرم نمونه آسکوربیک اسید، نیاز است. می‌توانیم برای رسیدن به پاسخ، به روش زیر عمل کنیم.

$$1.89times10^{-5}\; mol \times 0.025\;L = 7.57times10^{-4}\;M_{KIO_3}$$

مثال سوم

با توجه به دو مثال قبل، به این سوال پاسخ دهید. می‌خواهیم بدانیم برای تهیه محلول استاندارد به چه مقداری از پتاسیم یدات نیاز داریم. در واقع می‌خواهیم محلول آن را از فرم جامدش به دست آوریم. حجم نمونه استاندارد را ۲۵ میلی‌لیتر در نظر بگیرید.

پاسخ

در مرحله اول تعداد مول‌های مورد نیاز برای تهیه این محلول استاندارد را محاسبه می‌کنیم. یعنی باید بدانیم برای داشتن ۲۵۰ میلی‌لیتر محلول استاندارد پتاسیم یدات با مولاریته $$۷٫۵۷times۱۰^{-۴}$$ به چه مقدار مول از آن نیاز داریم. این کار را به روش زیر انجام می‌دهیم.

$$7.57times10^{-4}\; M \times 0.25\;L = 1.89times10^{-4}\;mol_{KIO_3}$$

در مرحله بعد با در دست داشتن تعداد مول‌ها، جرم مورد نیاز از پتاسیم یدات برای تهیه محلول را محاسبه می‌کنیم. با توجه به اینکه جرم مولکولی پتاسیم یدات برابر با ۲۱۴ گرم بر مول است، می‌توانیم اینطور بنویسیم.

$$1.89times10^{-4}\; mol \times 214\;frac{g}{mol} = 0.04\;g_{KIO_3}$$

تمرین از تیتراسیون یدومتری

حال که تعدادی مثال‌ها را به همراه پاسخ تشریحی مورد بررسی قرار دادیم، به سراغ تعدادی تمرین چند‌گزینه‌ای برای عمیق‌تر کردن درک خود از مفهوم تیتراسیون یدومتری می‌رویم.

تمرین اول

تمرین دوم

تمرین سوم

تمرین چهارم

تمرین پنجم

سوالات متدوال

حال که با مفهوم تیتراسیون یدومتری آشنا شده‌ایم، می‌خواهیم به تعدادی از مهم‌ترین و پرتکرارترین سوال‌های پیرامون این مفهوم، بپردازیم.

تفاوت یدومتری و یدیمتری در چیست؟

یدومتری تیتراسیونی غیرمستقیم است که برای تعیین ترکیبات اکسنده به کار می‌رود اما از تیتراسیون مستقیم یدیمتری برای تعیین ترکیب‌های کاهنده استفاده می‌شود.

دلیل استفاده از پتاسیم یدید در تیتراسیون یدومتری چیست ؟

یدید به تنهایی در حضور عامل اکسنده، تبدیل به ید می‌شود، بنابراین می‌توان به جای آن از پتاسیم یدید استفاده کرد.

تفاوت تیتراسیون مستقیم و تیتراسیون برگشتی در چیست؟

در تیتیراسیون برگشتی یا غیرمستقیم به دلایلی مانند کند بودن واکنش یا نبود شناساگر مناسب، مقدار مازادی از تیترانت افزوده می‌شود و خود مورد تیتراسیون قرار می‌گیرد. با در دست داشتن این مقدار مازاد، می‌توان آنالیت اولیه را تعیین کرد.

چرا آزمایش یدومتری باید در تاریکی صورت گیرد؟

بهتر است اجزای واکنش پیش از انجام تیتراسیون در محیطی تاریک باشند زیرا نور باعث سرعت بخشیدن به واکنشی جانبی می‌شود که طی آن یون‌های یدید توسط اکسیژن هوا به ید تبدیل می‌شوند.

جمع بندی

هدف از این مطلب آشنایی با تیتراسیون یدومتری به عنوان عضوی از خانواده تیتراسیون‌های اکسایش کاهش بود. در این تیتراسیون از روش غیرمستقیم برای سنجش آنالیت استفاده می‌شود و مقدار مازادی از تیترانت به محیط اضافه می‌شود و خود مورد تیتراسیون قرار می‌گیرد و از این طریق می‌توان به غلظت مجهول آنالیت دست پیدا کرد. در ادامه روش‌های انجام این تیتراسیون و محاسبات مورد نیاز آن را مورد مطالعه قرار دادیم.