chemistry for life

تیتراسیون های تشکیل کمپلکس
نویسنده : حسن محمودی - ساعت ٤:٥٩ ‎ب.ظ روز سه‌شنبه ۱۱ امرداد ۱۳٩٠

«مردمان من امانت آسمانند بر این خاک تلخ»  ( کوروش کبیر)
مقدمه:
تیتراسیون های تشکیل کمپلکس:
تیتر کردن از روش‌های تجزیه حجمی است. در تجزیه حجمی ابتدا جسم را حل کرده و حجم معینی از محلول آن را با محلول دیگری که غلظت آن مشخص است که همان محلول استاندارد نامیده می‌شود، می‌سنجند. در تیتراسیون محلول استاندارد به‌طور آهسته از یک بورت به محلول حاوی حجم مشخص یا وزن مشخص از ماده حل شده اضافه می‌شود.
افزایش محلول استاندارد ، آنقدر ادامه می‌یابد تا مقدار آن از نظر اکی‌والان برابر مقدار جسم حل شده شود. نقطه اکی‌والان نقطه ای است که در آن ، مقدار محلول استاندارد افزوده شده از نظر شیمیایی برابر با مقدار حجم مورد نظر در محلول مجهول است. این نقطه را نقطه پایان عمل از نظر تئوری یا نقطه هم ارزی نیز می‌گویند.
در عمل تیتر کردن ، محلول استاندارد را از یک بورت به محلولی که باید غلظت آن اندازه گرفته می‌شود، می‌افزایند و این عمل تا وقتی ادامه دارد تا واکنش شیمیایی بین محلول استاندارد و تیتر شونده کامل شود. سپس با استفاده از حجم و غلظت محلول استاندارد و حجم محلول تیتر شونده ، غلظت محلول تیتر شونده را حساب می‌کنند.
به عنوان مثال ، نقطه اکی‌والان در عمل تیتر کردن NaCl با نقره تیترات وقتی مشخص می‌شود که برای هر وزن فرمولی -Cl در محیط یک وزن فرمول +Ag وارد محیط عمل شده باشد و یا در تیتر کردن ، سولفوریک اسید (H2SO4 ) با سدیم هیدروکسید ( NaOH ) نقطه اکی‌والان وقتی پدید می‌آید که دو وزن فرمولی اسید و دو وزن فرمولی باز وارد محیط عمل شوند.
نقطه اکی‌والان در عمل بوسیله تغییر فیزیکی ( مثلا تغییر رنگ ) شناخته می‌شود. نقطه ای که این تغییر رنگ در آن روی می‌دهد، نقطه پایان تیتر کردن است. در تیتراسیون اسید و باز شناساگرها برای تعیین زمان حصول نقطه اکی‌والان بکار می‌روند. تغییر رنگ معرف ، نشانگر نقطه پایانی تیتراسیون می‌باشد.
اکثر یون های فلزی با زوج الکترون دهنده ها واکنش می دهند تا ترکیبات کئوردینانسیون با یون های کمپلکس تشکیل دهند. لیگاند باید حداقل یک زوج الکترون غیر مشترک مفید برای تشکیل پیوند داشته باشد.آب آمونیاک و یون های هالید لیگاند های معدنی متداول هستند.
تعداد پیوندهای کوالانسی را که یک کاتیون تمایل دارد با الکترون دهنده ها تشکیل دهد عدد کئوردینانسیون آن می نامند. مقادیر نوعی برای اعداد کئوردینانسیون  دو چهار و شش است.گونه های تشکیل دهنده آن در نتیجه ی کئوردینانسیون می توانند از نظر الکتریکی مثبت خنثی و منفی باشند.


«مردمان من امانت آسمانند بر این خاک تلخ»  ( کوروش کبیر)
مقدمه:
تیتراسیون های تشکیل کمپلکس:
تیتر کردن از روش‌های تجزیه حجمی است. در تجزیه حجمی ابتدا جسم را حل کرده و حجم معینی از محلول آن را با محلول دیگری که غلظت آن مشخص است که همان محلول استاندارد نامیده می‌شود، می‌سنجند. در تیتراسیون محلول استاندارد به‌طور آهسته از یک بورت به محلول حاوی حجم مشخص یا وزن مشخص از ماده حل شده اضافه می‌شود.
افزایش محلول استاندارد ، آنقدر ادامه می‌یابد تا مقدار آن از نظر اکی‌والان برابر مقدار جسم حل شده شود. نقطه اکی‌والان نقطه ای است که در آن ، مقدار محلول استاندارد افزوده شده از نظر شیمیایی برابر با مقدار حجم مورد نظر در محلول مجهول است. این نقطه را نقطه پایان عمل از نظر تئوری یا نقطه هم ارزی نیز می‌گویند.
در عمل تیتر کردن ، محلول استاندارد را از یک بورت به محلولی که باید غلظت آن اندازه گرفته می‌شود، می‌افزایند و این عمل تا وقتی ادامه دارد تا واکنش شیمیایی بین محلول استاندارد و تیتر شونده کامل شود. سپس با استفاده از حجم و غلظت محلول استاندارد و حجم محلول تیتر شونده ، غلظت محلول تیتر شونده را حساب می‌کنند.
به عنوان مثال ، نقطه اکی‌والان در عمل تیتر کردن NaCl با نقره تیترات وقتی مشخص می‌شود که برای هر وزن فرمولی -Cl در محیط یک وزن فرمول +Ag وارد محیط عمل شده باشد و یا در تیتر کردن ، سولفوریک اسید (H2SO4 ) با سدیم هیدروکسید ( NaOH ) نقطه اکی‌والان وقتی پدید می‌آید که دو وزن فرمولی اسید و دو وزن فرمولی باز وارد محیط عمل شوند.
نقطه اکی‌والان در عمل بوسیله تغییر فیزیکی ( مثلا تغییر رنگ ) شناخته می‌شود. نقطه ای که این تغییر رنگ در آن روی می‌دهد، نقطه پایان تیتر کردن است. در تیتراسیون اسید و باز شناساگرها برای تعیین زمان حصول نقطه اکی‌والان بکار می‌روند. تغییر رنگ معرف ، نشانگر نقطه پایانی تیتراسیون می‌باشد.
اکثر یون های فلزی با زوج الکترون دهنده ها واکنش می دهند تا ترکیبات کئوردینانسیون با یون های کمپلکس تشکیل دهند. لیگاند باید حداقل یک زوج الکترون غیر مشترک مفید برای تشکیل پیوند داشته باشد.آب آمونیاک و یون های هالید لیگاند های معدنی متداول هستند.
تعداد پیوندهای کوالانسی را که یک کاتیون تمایل دارد با الکترون دهنده ها تشکیل دهد عدد کئوردینانسیون آن می نامند. مقادیر نوعی برای اعداد کئوردینانسیون  دو چهار و شش است.گونه های تشکیل دهنده آن در نتیجه ی کئوردینانسیون می توانند از نظر الکتریکی مثبت خنثی و منفی باشند.
روش های تیتر سنجی مبتنی بر تشکیل کمپلکس که گاهی روش های کمپلکس سنجی نامیده می شوند بیش از یک قرن است که به کار رفته اند و توسعه قابل ملاحظه ی واقعی آنها در استفاده های تجزیه ای از دهه 1940 شروع شد و بر کاربرد دسته ای از ترکیبات کوئور دینانسی خاص به نام کی لیت قرار گرفت.یک کی لیت زمانی حاصل می شود که یک یون فلزی با دو گروه دهنده یا بیشتر از یک لیگاند تک کوئوردینانس می شود تا ناجور حلقه های پنج یا شش عضوی تشکیل دهد.کمپلکس مس با گلیسین مثالی از این نوع است. در اینجا مس هم با اکسیژن گروه کربوکسیلات و هم با نیتروژن گروه آمین پیوند دارد.
لیگاندی که یک گروه دهنده دارد مانند آمونیاک یک دندانه ای خوانده می شود در حالی که گلیسین که دو گروه مفید برای برای تشکیل پیوند کوالانسی دارد دو دندانه ای است .عوامل کی لیت ساز سه دندانه ای چهار دندانه ای پنج دندانه ای و شش دندانه ای نیز شناخته شده اند .
لیگاند ها ی چند دندانه ای  به ویژه آنهایی که چهار یار شش گروه دهنده دارند دو مزیت نسبت به لیگاند ها ی یک دندانه ای به عنوان تیتر کننده دارند. اولا لیگاند های چند دندانه ای واکنش کاملتری با کاتیون ها  می دهند و در نتیجه نقاط پایانی تیز تری به وجود می آورند. ثانیا واکنش آنها با یون های فلزی به طور معمول در یک فرایند یک مرحله ای انجام می شود در حالی که تشکیل کمپلکس با لیگاند های یک دندانه ای معمولا با تشکیل دو یا چند گونه واسط همراه است.
سختی آب:
سختی عبارت است از مجموع املاح کلسیم و منیزیم موجود در آب ، خواه این املاح به صورت سولفات یا کلرور باشد و خواه به صورت کربنات و بی کربنات یا املاح دیگر باشد. درجه سختی آب بر حسب ppm کلسیم کربنات نشان داده می شود.
سختی آب شاخص کلیه عناصر تشکل دهنده املاح محلول در آب نبوده و فقط به برخی از آنیون ها و کاتیون های آب ارتباط دارد، سختی آب در درجه اول ترکیبات کلسیم و منیزیم و به میزان کمتری به سایر یون های فلزی با ظرفیت بالا مانند سرب، استرنسیم، باریم و غیره مربوط است. آب ها را از نظر سختی بر حسب میلی گرم در لیتر کربنات کلسیم به ترتیب زیر طبقه بندی کرده اند.
 
آب های سبک 60-0 میلی گرم در لیتر
آب های با سختی متوسط 120-60 میلی گرم در لیتر
آب های سخت 180-120 میلی گرم در لیتر
آب های خیلی سخت بیشتر از 180 میلی گرم در لیتر
 
ترکیبات کلسیم، عملا به میزان کمی در آب حل می شوند ولی حضور گازکربنیک در آب باعث افزایش حلالیت آنها می شود. علاوه بر مصرف آب، مصرف بیشتر مواد غذایی، باعث ورود مقادیر قابل توجهی عوامل کلسیم و منیزیم به بدن می شود. روزانه تا 1000 میلی گرم کلسیم و 200 تا 400 میلی گرم منیزیم جذب بدن هر انسان بالغ می شود. محصولات لبنی، غنی از کلسیم و منیزیم بوده و مواد گوشتی نیز یکی از  مهم ترین مواد غذایی دارای کلسیم و منیزیم هستند.
سختی آب خود به دو دسته تقسیم می شوند.:
1- سختی موقت  (Temporary Hardner)را سختی کربناتی (Carbonate Hardner) نیز می‌نامند. این سختی ، مولود بی‌کربنات کلسیم و منیزیم است که عمدتا به کمک حرارت و یا ازدیاد PH کاهش می‌یابد.
2- سختی دائم (Permanent Hardner) را سختی غیرکربناتی (Noncarbonate Hardner) نیز می‌نامند. این سختی ، با حرارت دادن قابل حذف نیست.
تغییرات سختی آب:
بر حسب آنکه آب در موقع نفوذ در زمین از قشرهای آهکی و منیزیمی و گچی گذشته و یا نگذشته باشد سختی آب کم یا زیاد می‌شود. آبهای نواحی آهکی سختی زیادتری تا آبهای نواحی گرانیتی و یا شنی دارند. سختی آب در عرض سال هم ممکن است تغییر نماید. معمولاً سختی آبها در فصل باران کم و در فصل خشکی زیاد می‌شود. و بعضی مواقع هم در فصول پر باران و مرطوب مثل غارها ایجاد شود.
مضرات آب سخت:
سختی بیش از حد آب برای بدن انسان مضراتی دارد که مهم‌ترین آن تشدید پدیده تولید سنگ کلیه به دلیل رسوب یونهای معلق در کلیه است. آب سخت برای رختشویی و مصرف در کارخانجات مناسب نیست. آب سخت موجب از دست دادن طعم و مزه خوب چایی و قهوه می‌شود. پخته نشدن حبوبات با آب سخت ، ضرر رساندن به جداره دیگهای بخار و ایجاد قشر آهکی بر روی جداره دیگ ، خوب کف نکردن صابون که موجب افزایش مصرف صابون می شود ، مزاحمت در هنگام شستن ظروف و دستها نیز از مضرات آب سخت است.
آب های نرم و با  pHپایین تر تمایل زیادتری در انحلال املاح و فلزات موجود در شبکه های توزیع آب دارند، به همین دلیل در این گونه آب ها همواره فلزاتی نظیر سرب، کادمیوم، روی و مس دیده می شود که مصرف مداوم آنها هر کدام با اثرات فیزیولوژیک خاصی در مصرف کننده همراه است. تجربه نشان داده است که وجود کلسیم در آب های آشامیدنی در غلظت بالا مانع جذب این فلزات در بدن می شود. جانشین شدن کلسیم موجود در اعضای بدن، به خصوص استخوان ها نیز به وسیله سرب گزارش شده است.
تأمین آب سالم اقدامی اساسی برای تضمین سلامت جامعه است اما در سال 1387 و شاید در حال حاظر هم در شهرستان بجنورد بسیاری از هموطنانمان به علت نامناسب بودن کیفیت آب به استفاده از دستگاه تصفیه آب و خرید آب معدنی روی آورده اند؛ این در حالی است که رئیس دانشگاه علوم پزشکی خراسان شمالی معتقد است آب مصرفی شهروندان هیچ گونه مشکلی ندارد !
آب های استحصالی طی سال های اخیر (تا سال 1387 و احتمالا در حال حاظر) سختی بالایی پیدا کرده و با افزایش بیش از حد گچ محلول در آب صدمات زیادی ناشی از همین مسئله در امور مصرفی حاصل شده است. وقار موسوی یکی از استادان دانشگاه آزاد اسلامی واحد بجنورد با گفتن این مطلب می گوید: در سال های اخیر با افزایش جمعیت، بهره برداری زیادی از منابع آب برای مصارف کشاورزی، شرب و صنعتی انجام می شود. وی می افزاید: می توان منابع آبی مطمئنی مانند آب شیرین دره را سریع تر به داخل دشت بجنورد منتقل کرد و فشار موجود روی منابع آبی غیر آلوده را کاهش داد.
فواید آب سخت:
آب سخت برای انسان در بعضی از مواقع مفید نیز هست و معمولاً شکستگی استخوانهای آنهایی که آب سخت می‌آشامند زودتر بهبودی حاصل می‌کند و بیماری راشیتیسم کمتر در این اشخاص دیده می‌شود. از مهم ترین اثرات مطلوب مصرف آب های با سختی قابل توجه نسب به آب های سبک تر، رابطه سختی و امراض قلبی و عروقی است. مطالعات اخیر نشان داده است که در نقاطی که آب سخت مصرف می شود امراض قلبی کمتر از نقاطی است که ساکنین آنها آب های سبک تر مصرف می کنند.به علاوه بروز سکته های قلبی در نقاط با آب های سخت تر به مراتب کمتر از نقاط با آب های سبک تر است. باید اضافه کرد که منیزیم نیز همانند کلسیم در جلوگیری از مرگ و میرهای ناشی از امراض قلبی و عروقی موثر است. در نقاطی که از آب های نرم تر استفاده می کنند حتی به فشار خون، وجود چربی و کلسترل در خون برخورده اند که هر دوی این عوامل می تواند در مرگ های ناگهانی بسیار مؤثر باشد. در نقاطی از روسیه که از آبهای نسبتا سخت استفاده میکنند به مواردی از پیدایش سنگ در مجاری ادرار برخورده اند، این موضوع تقریبا در آب های با سختی 500 میلی گرم در لیتر کربنات کلسیم به اثبات رسیده است. مضافا آزمایش در بعضی حیوانات که از آب های با سختی بیش از 400 میلی گرم استفاده کرده اند، پیدایش سنگ را در مجاری ادرار مثبت نشان داده است. گرچه در بعضی کشورها امراضی نظیر نارسایی های سیستم اعصاب، Perinatal Anencefhaly, و بعضی انواع سرطان ها را به کلسیم و منیزیم و سختی آب نسبت داده اند ولی هنوز این ارتباط به اثبات نرسیده است و شاید اثر آلودگی هوا و شرایط زیست محیطی در ابتلای به این امراض بیشتر از سختی آب مؤثر باشد.

رفع سختی آب:
 در تجارت تعداد زیادی مواد شیمیایی برای رفع سختی آب به فروش می‌رسد که دارای کربنات سدیم هستند. این مواد را قبل از ورود آب در دیگها سختی آنرا می‌گیرند و یا در دیگ بر اثر افزودن این مواد آهک و گچ را رسوب می‌دهند و دیگر این رسوب محکم به جدار دیگ نمی‌چسبد بطوری که می‌توان آنرا به آسانی پاک نمود.
برای برطرف کردن سختی آب، با جوشاندن کربنات‌های هیدروژنی محلول به کلسیم نامحلول تبدیل شده و تشکیل رسوب می‌دهند. این رسوب در مناطق دارای آب سخت درون کتری‌ها دیده‌می‌شود.
یکی از اجسام گیرنده سختی آب تری ناتریم فسفات Na۳PO می‌باشد که با اسم آلبرت‌تری بکار می‌رود. یون کلسیم موجود در آب بر اثر ناتریم فسفات تبدیل به «تری فسفات کلسیم» می‌گردد و رسوب می‌نماید.
اخیرا به مقدار زیاد از صمغ‌های مصنوعی که قادرند تعویض یون کنند برای رفع سختی آب استفاده می‌کنند. صمغ لواتیت در آلمان و آمبرلیت و دووکس در آمریکا استعمال می‌گردد. در صنعت از ستونهای تبادل یونی برای کاهش سختی استفاده می‌شود (ستونهای رزینی - آنیونی - کاتیونی)
در پیشرفته ترین تکنولوژی از فرآیند اسمز معکوس (Reverse Osmosis)برای کاهش سختی، EC(هدایت الکتریکی یا شوری) و TDS (کل جامدات محلول)آب استفاده می‌شود که فواید بسیاری از جمله مطئن بودن آن و هزینه‌های جاری بسیار پایین دارد. این فرآیند در ایران به دلیل اینکه اولین بار برای کاهش EC (شوری) آب استفاده شد به آب شیرین کن معروف است.


درجه سختی آب:
درجه سختی آب را از روی مقدار کلسیم و منیزیم موجود در آن تعیین می‌کنند. در آلمان اگر آبی ده میلی گرم CaO در یک لیتر داشته باشد می‌گویند درجه سختی آب یک است. در فرانسه اگر آبی در یک لیتر ده میلی گرم کربنات کلسیم یا همسنگ آن کربنات منیزیم داشته باشد می‌گویند که یک درجه سختی دارد. در انگلستان اگر آبی ده میلی گرم کربنات کلسیم و یا همسنگ آن کربنات منیزیم در ۰٫۷ لیتر داشته باشد یک درجه سختی دارد.
برای تعیین سریع سختی آب کارخانه شیمیایی واقع در آلمان قرصهایی ساخته ‌است. در یک لوله آزمایش مخصوص و مدرج آب مورد آزمایش را تا خط نشان لوله پر می‌نمایند و به‌وسیله معرفی که همراه بسته قرصهاست رنگ این آب را قرمز می‌کنند و آنگاه آنقدر از این قرصها در آن می‌اندازند تا رنگ آب سبز گردد. شماره قرصهای ریخته شده در لوله آزمایش برابر درجه سختی آب می‌باشد. دقت این روش تا نیم درجه‌است.
شهرهای با سختی آب بالا در کشور ایران:
قم، زاهدان، گرمسار و سمنان و بسیاری دیگر از شهرهای کویری ایران که خاک قلیایی(خاکی مملو از فلزات قلیایی خاکی)دارند، از جمله شهرهایی هستند که آب آنها از سختی بالایی برخوردار است، به طوری که در استان‌های زاهدان و سمنان، سالانه چندین بار باید پوشالهای کولر را به علت اینکه مقدار فراوانی املاح روی آن رسوب کرده‌است تعویض کرد.

 


راه حل تامین آب شرب در این نوع مناطق:
هم اکنون سامانه‌های تصفیه آب خانگی در این شهرها عرضه می‌گردد که با قیمت ناچیزی می‌توان آن را تهیه کرد که روش کار آن موئینگی معکوس است و خروجی آب این دستگاه‌ها در حد آب آشامیدنی استاندارد می‌باشد.

شرح آزمایش:
تعیین نرمالیته دقیق EDTA:
1- تهیه cc100 محلول نمک EDTA 0.1 نرمال
2- تهیه cc50 محلول کربنات کلسیم EDTA 0.1 نرمال

مقدار مورد نیاز برای نمک EDTE:
?g EDTA=100ml × 0.1 eq / L × 1L / 1000 ml × 1 mol / 2 eq × 272.24 / 1 mol × 100 g / 100 g = 1.8612 g EDTE

EDTA  در بالن ژوژه به حجم رسانده و آن را در درون بورت ریخته تا به عنوان تیتر کننده از آن استفاده کنیم.

مقدار مورد نیاز برای کلسیم کربنات caco¬¬3:
? g caco¬¬3 = 50 ml × 0.1 eq / L × 1 L / 1000 ml × 1 mol / 2 eq × 100.09 g / 1 mol × 100 g / 99.5 g = 0.2515 g caco¬¬3

کلسیم کربنات مورد نیاز را وزن کرده و داخل یک بشر کوچک میریزیم. پس از آن به مقدار 5cc آب مقطر به درون بشر محتوی کلسیم کربنات ریخته و قطره قطره Hcl به آن اضافه می کنیم تا کلسیم کربنات حل و محلول شفاف بدست آید. بشر را حرارت می دهیم تا Co2 آن از بین برود و بعد از آن خنک شود. در ادامه آزمایش بعد از آنکه بشر محتوی کلسیم کربنات خنک شد ، آن را در یک بالن 50cc به حجم رسانده می شود.
15cc  از محلول کلسیم کربنات را که تهیه شده است را در درون ارلن ریخته و آن را توسط EDTA تیتر می کنیم.
در این قسمت از آزمایش برای اینکه Ph محلول به مقدار مناسبی برسد به آن چند cc محلول تامپون با Ph=10 را اضافه می کنیم.
در ادامه آزمایش به 7 تا 10 قطره معرف اریو کروم بلاک تی به محلول تهیه شده اضافه می کنیم که در این زمان تغییر رنگ از قرمز به آبی مشاهده می شود.

تعیین سختی آب توسط تیتراسیون های اکسایش و کاهش:
شرح آزمایش:
1- 25cc  از آب شهر را توسط پیپت حبابدار برداشته و آن را درون ارلن می ریزیم. 50cc  آب مقطر را به اضافه نموده و مقداری به آن حرارت می دهیم تا دمای ان به 50 تا 60 درجه سانتی گراد برسد. در ادامه انجام آزمایش 5cc تامپون با Ph=10 اضافه و به محلول تهیه شده 7 تا 10 قطره اریو کروم بلاک تی را در درون ارلن میریزیم. تیتراسیون را توسط EDTA آغاز میکنیم.
 2- 25cc آب شهر را در درون ارلن میریزیم و چند cc سود 0.3 نرمال به آن اضافه می کنیم. بعد از آنکه حجم محلول را توسط آب مقطر به 70 تا 80 سی سی رساندیم، 7 تا 10 قطره معرف بروکساید را به آن اضافه می کنیم.
تیتراسیون را توسط EDTA آغاز میکنیم و تغییر رنگ از قرمز به بنفش را در پایان آزمایش مشاهده خواهیم نمود.
منابع:
http://www.Wikipedia.com
http://www.Iraniandownloads.iranblog.com
http://www.shimi.irُ
شیمی تجزیه 1، انتشارات دانشگاه پیام نور
آزمایشگاه شیمی تجزیه 1،انتشارات پیام نور

 

 

 

نتایج حاصل از آزمایشات:


comment نظرات ()