การไทเทรต>>>พื้นฐานงานเคมีวิเคราะห์

เป็นการวิเคราะห์เชิงปริมาณที่ใช้งานมานาน และยังคงแพร่หลายเป็นประโยชน์ในการประยุกต์ใช้กับงานอื่นๆ หลายด้าน เช่น อุตสาหกรรมอาหาร การแพทย์และสิ่งแวดล้อม เป็นต้น สามารถปฏิบัติได้ง่าย รวดเร็ว และให้ผลที่ถูกต้องน่าเชื่อถือ วิธีการไทเทรตนั้นจะจัดอุปกรณ์ดังภาพที่ 1 ซึ่งประกอบไปด้วยสารละลายต่างๆ ที่ใช้ในการเกิดปฏิกิริยาดังนี้

ภาพที่ 1 อุปกรณ์เครื่องแก้วสำหรับการไทเทรต (ดัดแปลงมาจาก: http://www.rsc.org/eic/2014/12/mole-titration-quantitative-chemistry)

• สารละลายตัวอย่าง (sample solution) เป็นสารละลายที่มีสารที่เราสนใจที่ต้องการวิเคราะห์ ซึ่งบางครั้งสารตัวอย่างอาจมาในสถานะของแข็งก็ได้แต่จะต้องถูกเตรียมให้เป็นสารละลายก่อนนำมาวิเคราะห์ เมื่อนำมาไทเทรตสารละลายตัวอย่างจะถูกปิเปตใส่ในขวดรูปชมพู่ (erlenmeyer flask) หรือเรียกว่า ไทแทรนด์ (titrand) นอกจากนี้การไทเทรตในบางปฏิกิริยาอาจต้องมีการเติมสารเคมีอื่นผสมร่วม เพื่อให้ปฏิกริยานั้นเกิดได้สมบูรณ์ เช่น การเติมสารละลายบัฟเฟอร์ NH3-NH4Cl ในการไทเทรตแบบสารประกอบเชิงซ้อน การเติมสาระลายไนโตรเบนซีนในการไทเทรตแบบตกตะกอนของโวลฮาร์ด และการเติมสารละลาย Zimmermann-Reinhardt ในการไทเทรตแบบ รีดอกซ์ รวมถึงการเติมสารละลายอินดิเคเตอร์เพื่อให้ทราบถึงจุดยุติในการไทเทรต
• สารละลายมาตรฐาน (standard solution) เป็นสารละลายที่สำคัญจะต้องทราบ ความเข้มข้นที่แน่นอนอย่างถูกต้อง สารละลายมาตรฐานจะถูกบรรจุไว้ในบิวเรต (buret) หรือที่เรียกกันว่า ไทแทรนต์ (titrant) ซึ่งชนิดและวิธีการเตรียมสารละลายมาตรฐานนี้จะกล่าวต่อไป สารละลายมาตรฐานนี้จะเป็นสารเคมีที่เข้าทำปฏิกิริยากับ analyte ที่อยู่ในสารละลายตัวอย่าง
• สารละลายอินดิเคเตอร์ (indicator solution) เป็นสารละลายที่มีความจำเพาะต้องเลือกให้เหมาะสมในแต่ละปฏิกิริยาการไทเทรต ซึ่งคุณสมบัติของสารละลายอินดิเคเตอร์ส่วนใหญ่จะเป็นไปตามชนิดของปฏิกิริยาการไทเทรต เช่น ฟีนอฟทาลีน (phenolphthalein) นำมาใช้ในการไทเทรตกรด-เบสซึ่งจะเปลี่ยนจากสารละลายใสเป็นสีชมพู่อ่อนเมื่อสารละลายนั้นมีความเป็นเบส สารละลายโพแทสเซียมโครเมต (K2CrO4) ที่มีสีเหลืองใช้ในการไทเทรตแบบตกตะกอนของมอห์รเมื่อเกิดปฏิกริยากับ Ag+ จะได้ตะกอนสีแดงอิฐที่เสถียรของซิลเวอร์โครเมต (Ag2CrO4) KMnO4 เป็นตัวออกซิไดส์ (oxidizing agent) ที่ดีในการไทเทรตแบบรีดอกซ์จะเกิดสีม่วงแดงอ่อนเมื่อปฏิกิริยาสิ้นสุด

จากตัวอย่างของสารละลายอินดิเคเตอร์ในแต่ละปฏิกิริยา สังเกตได้ว่าสารละลายอินดิเคเตอร์จะมีการเปลี่ยนสี หรือเกิดตะกอนที่มีสี ซึ่งสามารถสังเกตเห็นได้ด้วยตาเปล่าอย่างชัดเจน เรียกว่า จุดยุติ (end point) หรือกล่าวได้ว่าเป็นจุดที่ analyte ในสารละลายตัวอย่างทำปฏิกิริยาพอดีกับสารละลายมาตรฐาน แต่ถ้าไม่มีการเติมสารละลายอินดิเคเตอร์ในสารละลายตัวอย่าง เมื่อถึงจุดที่ analyte ในสารละลายตัวอย่างทำปฏิกิริยาพอดีกับสารละลายมาตรฐานเราจะไม่สามารถเห็นการเปลี่ยนแปลงด้วยตาเปล่าได้ แต่จะใช้การคำนวณจากสมการเคมีที่เกิดตามทฤษฎีในการพิจารณา เรียกว่า จุดสมมูล (equivalence point)

แม้ว่าสารละลายอินดิเคเตอร์จะมีความสำคัญในทางปฏิบัติ เพื่อให้ง่ายและสะดวกต่อ การสังเกตจุดสิ้นสุดในการไทเทรต โดยที่ปริมาตรของไทแทรนต์ที่ใช้ยังคงต้องมีความน่าเชื่อถือและถูกต้องเช่นกัน หรือกล่าวได้ว่าปริมาตรของไทแทรนต์ที่ใช้เมื่อถึงจุดยุติต้องมีค่าใกล้เคียงกับจุดสมมูลมากที่สุด ซึ่งความแตกต่างระหว่างปริมาตรของไทแทรนต์ที่จุดสมมูลและจุดยุติจะเรียกว่า ความคลาดเคลื่อนของการไทเทรต (titration error) ควรมีค่าความคลาดเคลื่อนในการทดลองไม่เกินร้อยละ 0.1 และเมื่อปฏิกิริยาการไทเทรตมาถึงจุดยุติ ปริมาตรและความเข้มข้นของไทแทรนต์ที่ใช้จะถูกนำมาคำนวณตามปริมาณสารสัมพันธ์ (stoichiometric) เพื่อหาความเข้มข้นของ analyte ในสารละลายตัวอย่างต่อไป ดังนั้นจะเห็นได้ว่าการเกิดปฏิกิริยาระหว่างไทแทรนต์และ analyte ในสารละลายตัวอย่าง ต้องเกิดได้จริงอย่างสมบูรณ์ และรวดเร็วตามสมการเคมีของปฏิกิริยานั้น รวมทั้งต้องพิจารณาองค์ประกอบอื่นๆ ที่ไม่ใช่ analyte (matrix) ในสารละลายตัวอย่างต้องไม่เกิดปฏิกิริยาข้างเคียง (side reaction) รบกวนการไทเทรต ซึ่งถ้าทราบว่ามีสารรบกวน (interfering substance) จะต้องกำจัดออกก่อนเริ่มการไทเทรต

สารละลายมาตรฐาน

ตามที่ทราบแล้วว่าสารละลายมาตรฐาน เป็นสารละลายที่ต้องสามารถระบุความเข้มข้น ที่แน่นอนและถูกต้องได้ บางชนิดต้องสั่งซื้อจากบริษัทส่วนมากเป็นการวิเคราะห์โดยใช้เครื่องมือ แต่ถ้าเป็นการวิเคราะห์โดยการไทเทรตสามารถเตรียมได้เองในห้องปฏิบัติการ ซึ่งวิธีในการเตรียมสารละลายมาตรฐานที่ใช้ในการไทเทรตมี 2 วิธี คือ

1. วิธีตรง (direct method) เตรียมได้โดยการชั่งสารเคมีด้วยเครื่องชั่งน้ำหนักแบบละเอียดทศนิยม 4 ตำแหน่ง ก่อนที่จะนำสารเคมีมาชั่งต้องผ่านการอบให้แห้งเพื่อไล่ความชื้นที่อุณหภูมิ 105 ± 5๐C ทิ้งไว้ให้เย็นในโถดูดความชื้น (desiccator) จากนั้นนำมาละลายด้วยตัวทำละลายส่วนมากใช้น้ำกลั่น และ ปรับปริมาตรสุทธิในขวดปรับปริมาตร (volumetric flask) ดังภาพที่ 2 จากปริมาณสารเคมีที่ชั่งอย่างแน่นอนและปรับปริมาตรสุทธิของสารละลายที่ต้องการ สามารถคำนวณหาความเข้มข้นที่แน่นอนได้อย่างถูกต้อง สารละลายมาตรฐานที่เตรียมด้วยวิธีตรง เรียกว่า สารละลายมาตรฐานปฐมภูมิ (primary standard solution)

ภาพที่ 2 ขั้นตอนการเตรียมสารละลายมาตรฐานโดยวิธีตรง (ดัดแปลมาจาก: http://www.chemistryrules.me.uk/middle/concentration.htm)

นอกจากวิธีและอุปกรณ์ในการเตรียมสารละลายมาตรฐานปฐมภูมิ ที่มีความละเอียดและน่าเชื่อถือ สิ่งหนึ่งที่สำคัญและต้องคำนึงถึงเป็นอันดับแรกคือ สารเคมีที่เป็นของแข็งที่จะนำมาใช้ในการเตรียมต้องเป็นสารปฐมภูมิ (primary standard substance) ซึ่งคุณสมบัติของสารปฐมภูมิ มีดังนี้

• มีความบริสุทธิ์สูงประมาณร้อยละ 99.98–99.99
• สามารถทำให้แห้งได้ง่ายและมีความเสถียรในตู้อบ (oven) ที่อุณหภูมิ 105 ± 5๐C
• ไม่ไวต่อการดูดความชื้น การถูกออกซิไดซ์ หรือเกิดปฏิกิริยาในอากาศที่อุณหภูมิห้อง ละลายได้ง่ายในน้ำหรือตัวทำละลายอื่นๆ
• มวลเชิงโมเลกุลสูงเพื่อลดความคลาดเคลื่อนในการชั่งสารที่มีปริมาณน้อย
• สามารถเกิดปฏิกิริยาได้สมบูรณ์รวดเร็วและแสดงจุดยุติที่ชัดเจนในการไทเทรต

2. วิธีอ้อม (indirect method) สารเคมีบางชนิดไม่มีคุณสมบัติของสารปฐมภูมิ ทำให้ไม่สามารถคำนวณหาความเข้มข้นที่แน่นอนได้ แต่สารเคมีนั้นสามารถเกิดปฏิกิริยาได้อย่างดีกับ analyte ในสารละลายตัวอย่าง ซึ่งมีความต้องการในการไทเทรต เช่น NaOH, HCl, KMnO4, EDTA และ KSCN เป็นต้น ดังนั้นสามารถยืนยันหาความเข้มข้นที่แน่นอนได้โดยวิธีอ้อม โดยการชั่งถ้าเป็นของแข็ง หรือตวงปริมาตรถ้าเป็นของเหลวอย่างหยาบๆ และนำมาปรับปริมาตรตามที่ต้องการ จากนั้นนำสารละลายที่เตรียมได้มาไทเทรตกับสารละลายมาตรฐานปฐมภูมิ เมื่อถึงจุดยุติบันทึกปริมาตรของสารละลายมาตรฐานปฐมภูมิที่ใช้ในการไทเทรต และนำมาคำนวณโดยใช้ปริมาตรสารสัมพันธ์หา ความเข้มข้นที่แน่นอนของสารละลายนั้น ขั้นตอนในการไทเทรตแบบนี้เรียกว่า การเทียบมาตรฐาน (standardization) และสารละลายนี้จะเป็นสารละลายมาตรฐาน เรียกว่า สารละลายมาตรฐาน ทุติยภูมิ (secondary standard solution)

ชนิดของปฏิกิริยาการไทเทรต

การวิเคราะห์เชิงปริมาณด้วยวิธีการไทเทรต สามารถแบ่งตามการเกิดปฏิกิริยาระหว่างสารละลายตัวอย่างและสารละลายมาตรฐานได้ 4 แบบดังนี้

1. การไทเทรตแบบกรด-เบส สารเคมีที่ใช้ในการไทเทรตแบบกรด-เบส (acid-base titration) จะเป็นสารประกอบอินทรีย์หรืออนินทรีย์ที่มีคุณสมบัติทางกรดหรือเบส ซึ่งบางครั้งอาจเป็นเกลือของกรดหรือเกลือของเบสก็ได้ โดยใช้หลักทฤษฎีการเกิดปฏิกิริยาระหว่างกรด-เบสหรือการสะเทิน (neutralization) แสดงว่าต้องสามารถระบุได้ว่าในการไทเทรตสารละลายตัวอย่าง และสารละลายมาตรฐานสารละลายใดทำหน้าที่เป็นกรดหรือเบส และอาจเรียกการไทเทรตแบบกรด-เบสว่า การไทเทรตแบบการสะเทิน (neutralization titration) ก็ได้ เช่น การหาปริมาณแอมโมเนีย (NH3) ในน้ำยาทำความสะอาดด้วยการไทเทรตกับสารละลายมาตรฐานทุติยภูมิ HCl
2. การไทเทรตแบบตกตะกอน เป็นการใช้หลักการการตกตะกอนเพื่อนำมาวิเคราะห์หาปริมาณ analyte ในกลุ่มแอนไอออน เช่น คลอไรด์ (Cl-) โบรไมด์ (Br-) และ ไทโอไซยาเนต (SCN-) เป็นต้น โดยใช้ Ag+ จากเกลือ AgNO3 เป็นสารละลายมาตรฐานซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวตกตะกอน (precipitant) จึงเรียกว่า การไทเทรตแบบตกตะกอน (precipitation titration) สิ่งสำคัญของปฏิกิริยาการไทเทรตรูปแบบนี้จะต้องได้ตะกอนเสถียรตัวสูง คือ ละลายน้ำได้น้อยมาก หรือค่าคงที่สมดุลการละลาย (solubility product constant, Ksp) ของตะกอนต่ำ และปฏิกิริยาการเกิดตะกอนต้องรวดเร็ว ชัดเจน เช่น การหาปริมาณ Cl- ในเกลือแกงโดยวิธีแบบมอห์รด้วยการไทเทรตกับสารละลายมาตรฐาน AgNO3
3. การไทเทรตแบบสารประกอบเชิงซ้อน ไอออนของโลหะ (metal ion) หลายชนิด เช่น Mg2+, Zn2+, Ca2+ และ Ni2+ เป็นต้น สามารถเกิดปฏิกิริยากับลิแกนด์ (ligand) ได้ผลิตภัณฑ์เป็นสารประกอบเชิงซ้อน (complex compound) ที่ดี และมีความจำเพาะเจาะจง ดังนั้นนักเคมีวิเคราะห์จึงใช้หลักการเกิดสารประกอบเชิงซ้อนมาวิเคราะห์หาปริมาณโลหะไอออนในสารละลายตัวอย่าง โดยใช้สารละลายมาตรฐาน EDTA (Y4-) ทำหน้าที่เป็นลิแกนด์ และควบคุมค่าความเป็น กรดเบส (pH) ให้เหมาะสม เรียกการไทเทรตนี้ว่า การไทเทรตแบบการเกิดสารประกอบเชิงซ้อน (complexation titration) และสารประกอบเชิงซ้อนที่เกิดขึ้นต้องมีค่าคงที่สมดุลการเกิดสารประกอบเชิงซ้อน (formation constant, Kf) ที่สูง เช่น การหาปริมาณ Ca2+ ในแหล่งน้ำธรรมชาติซึ่งเป็นการบอกถึงความกระด้างในแหล่งน้ำนั้น โดยการไทเทรตกับสารละลายมาตรฐาน EDTA
4. การไทเทรตแบบรีดอกซ์ รูปแบบการไทเทรตแบบรีดอกซ์ (redox titration) เป็นการใช้ทฤษฎีทางไฟฟ้าเคมีในการเกิดครึ่งปฏิกิริยารีดักชัน (reduction reaction) จะมีสารที่ทำหน้าที่เป็นตัวออกซิไดส์ (oxidizing agent) คือ สารที่รับอิเล็กตรอน และครึ่งปฏิกิริยาออกซิเดชัน (oxidation reaction) จะมีสารที่ทำหน้าที่เป็นตัวรีดิวซ์ (reducing agent) คือ สารที่ให้อิเล็กตรอน หรือกล่าวได้ว่าเมื่อรวมแต่ละ ครึ่งปฏิกิริยาเข้าด้วยกันจะเกิดเป็นปฏิกิริยารีดอกซ์ (redox reaction) ที่สามารถนำมาใช้ไทเทรต หาเชิงปริมาณได้ โดยสารละลายมาตรฐาน และ analyte ในสารละลายตัวอย่างอาจทำหน้าที่เป็น ตัวออกซิไดส์ หรือตัวรีดิวซ์ก็ได้ แต่ต้องทำหน้าที่ตรงกันข้ามในการไทเทรตแต่ละครั้ง กล่าวคือ ถ้าสารละลายมาตรฐานเป็นตัวออกซิไดส์ ดังนั้น analyte ในสารละลายตัวอย่างจะเป็นตัวรีดิวซ์ตัวอย่างของปฏิกิริยาการไทเทรตแบบรีดอกซ์ เช่น การหาปริมาณเฟอร์รัส (Fe2+) ในสารละลายตัวอย่าง โดยการไทเทรตกับสารละลายมาตรฐาน KMnO4 ซึ่ง Fe2+ เป็นตัวรีดิวซ์ และ MnO4- เป็นตัวออกซิไดส์

เนื้อหาการไทเทรตนั้นเหมือนจะดูง่าย และเป็นพื้นฐานงานเคมีวิเคราะห์ ซึ่งหลายคนอาจลืมรายละเอียดบางจุดไป ผู้แต่งและรวบรวมข้อมูลหวังเพียงอยากทบทวนเนื้อหา เพราะการไทเทรตนั้นยังคงใช้งานกันอย่างแพร่หลายในห้องปฏิบัติการและอุตสาหกรรมต่างๆ มากมาย

อ้างอิง

• ชูติมา ศรีวิบูลย์. (2547). เคมีวิเคราะห์พื้นฐาน. พิมพ์ครั้งที่ 2. กรุงเทพมหานคร: มหาวิทยาลัยรามคำแหง.
• พรพรรณ อุดมกาญจนนันท์ และสุชาดา จูอนุวัฒนกุล. (2551). เคมีปริมาณวิเคราะห์: เทคนิคและการทดลอง. กรุงเทพมหานคร: จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย.
• Christian, G.D., Dasgupta, P.K. and Schug, K.A. (2014). Analytical Chemistry. 7th ed. New York: John Wiley & Sons.

>>>ความรู้ดีๆ มีอีกมากมาย หลายศาสตร์หลายกิจกรรม ตามไปที่ลิงค์…

มหาวิทยาลัยราชภัฏบ้านสมเด็จเจ้าพระยา www.bsru.ac.th

>>> หรือสนใจวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ตามไปที่ลิงค์…

คณะวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี | FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY — มหาวิทยาลัยราชภัฏบ้านสมเด็จเจ้าพระยา | BANSOMDEJCHAOPRAYA RAJABHAT UNIVERSITY (bsru.ac.th)

>>> หรือสนใจศาสตร์เคมีผลิตภัณฑ์ ตามไปที่…

เคมี บ้านสมเด็จฯ — เคมีผลิตภัณฑ์ — Home | Facebook