Typical Applications of Neutralization Titrations for Elemental Analysis

Slide1Typical Applications of Neutralization TitrationsElemental Analysis 13920208 1 http:\\asadipour.kmu.ac.ir   24 slides

Slide2Keldahl Nitrogen Analysis1)With  HCl 2)With  H 3 BO 3 13920208 2 http:\\asadipour.kmu.ac.ir   24 slides

Slide3Apparatus used in KjeldahlI .  Digestion apparatus II. Distillation & absorption apparatus    (I)    (II) 13920208 3 http:\\asadipour.kmu.ac.ir   24 slides

Slide413920208  Keldahl Nitrogen Analysis   (1) Step 1: Kjeldahl digestion (decomposing and dissolving) Step 2: Neutralization by adding base Step 3: Distillation NH 3  into excess  HCl standard Step 4: Titrating unreacted HCl with  NaOH standard http:\\asadipour.kmu.ac.ir   24 slides

Slide513920208TMHsiung@2007 5/42 Example:  A typical meat protein contains  16.2% (w/w) nitrogen . A 0.500 mL aliquot of protein solution was digested, and the liberated NH 3  was distilled into  10.00 mL  of  0.02140 M HCl . The unreacted HCl required  3.26 mL  of  0.0198 M NaOH  for complete titration. Find the concentration of protein ( mg protein/ml ) in the original sample. Solution: http:\\asadipour.kmu.ac.ir   24 slides

Slide6催化剂煮沸 1. Digestion   NCOC  + H 2 SO 4                         （ NH 4 ） 2 SO 4  + CO 2  + SO 2  + H 2 O 2. Neutralization &distillation   2NaOH + （ NH 4 ） 2 SO 4                  2NH 3 ↑+Na 2 SO 4  + 2H 2 O 3. Absorption by  boric acid  :      2NH 3  + 4H 3 BO 3                  （ NH 4 ） 2 B 4 O 7  + 5H 2 O 4. Titration by strong acid （ NH 4 ） 2 B 4 O 7  + 5H 2 O + 2HCl                2NH 4 Cl + 4H 3 BO 3 ( *  NCOC, N containing organic compounds ,  N:HCl = 1:1) Keldahl Nitrogen Analysis   (2) 13920208 6 http:\\asadipour.kmu.ac.ir   24 slides

Slide713920208TMHsiung@2007 7/42 Example:  A typical meat protein contains  16.2% (w/w) nitrogen . A 0.500 mL aliquot of protein solution was digested, and the liberated NH 3  was distilled into  100.00 mL  of  0.0200 M H 3 BO 3 . The mixture required  3.26 mL  of  0.0198 M HCl  for complete titration. Find the concentration of protein ( mg protein/ml ) in the original sample. Solution: http:\\asadipour.kmu.ac.ir   24 slides

Slide8The Determination of Inorganic SubstancesAmmonium Salts   are conveniently determined by conversion to ammonia with strong base followed by distillation. Ammonia is collected and titrated as in the Kjedahl method. Nitrates and Nitrites   ions are  first reduced  to ammonium ion by Devarda’s alloy (50% Cu, 45% Al, 5% Zn) or Arnd’s alloy (60% Cu, 40% Mg). Granules of the alloy are introduced into strongly alkaline solution of the sample in Kjedahl flask. The ammonia is distilled after reaction is complete. 13920208 8 http:\\asadipour.kmu.ac.ir   24 slides

Slide99CO 2  & CO 3 2-   chemistry 13920208 http:\\asadipour.kmu.ac.ir   24 slides pK a1 =6.38 pK a2 =10.33

Slide1010CO 2  & CO 3 2-   chemistry 13920208 • Na 2 CO 3   →2Na +   + CO 3 2- • C O 3 2-   HCO 3 -     H2CO3 pK b2 =7.62 pK b1 =3.64 http:\\asadipour.kmu.ac.ir   24 slides

Slide1111Phenolphthalein Titration of Na 2 CO 3  with HCl Step 1: Step 2: Na 2 CO 3  + HCl    NaHCO 3  + NaCl NaHCO 3  + HCl    H 2 CO 3  + NaCl Overall: Na 2 CO 3  + 2HCl    H 2 CO 3  + 2NaCl Equivalents of HCl added pH n=1 V e1 n=2 V e2 BCG 13920208 http:\\asadipour.kmu.ac.ir   24 slides

Slide1212Determination of Carbonate in a Sample A  1.2040-g  sample containing sodium carbonate and inert material was dissolved in water and titrated to the bromcresol green end point, requiring 32.50 mL of 0.1020 M HCl. Calculate the % Na 2 CO 3  in the sample. For the BCG endpoint, the reaction is Na 2 CO 3  + 2HCl    H 2 CO 3  + 2NaCl 13920208 http:\\asadipour.kmu.ac.ir   24 slides BCG

Slide1313Effect of CO 2  Absorption on Phenophthalein Endpoint • Reaction of CO 2  with carbonate solutions CO 2 (g)  + H 2 O (l)  +  CO 3 2  (aq)      2HCO 3  (aq) pH of carbonate solutions may be unstable due to exchange of CO 2  with atmosphere. This effect may be avoided by  excluding air  from the titration system. 13920208 http:\\asadipour.kmu.ac.ir   24 slides

Slide1414Effect of Absorbed CO 2  on Titration of Na 2 CO 3  with HCl CO 2 (g)  + H 2 O (l)  +  CO 3 2  (aq)   2HCO 3  (aq) V e1 V e2 After absorption Before absorption • V e1  decreases • V e2  is not affected • Use V e2  for calculations 13920208 http:\\asadipour.kmu.ac.ir   24 slides

Slide1515Effect of CO 2  Absorption on OH -  concentration   OH -  standard solutions can react with CO 2 13920208 http:\\asadipour.kmu.ac.ir   24 slides In presence of Phenol phetalein-------  Carbonate Error In presence of BCG--------no error CO 2 (g)  + 2 OH -   →  CO 3 2  (aq) This effect may be avoided by  excluding air  from the titration system.

Slide1616Boiling to Enhance Visual Endpoint in Titration of Na 2 CO 3 with HCl Na 2 CO 3  +HCl    HCO 3 - NaHCO 3 + H 2 CO 3 NaHCO 3 Boiling removes H 2 CO 3  as gaseous CO 2 H 2 CO 3 (aq)     CO2 (g)  + H 2 O 13920208 http:\\asadipour.kmu.ac.ir   24 slides HCO 3 -  +HCl    H 2 CO 3

Slide17Titration curves and indicatortransition ranges for the analysis of mixtures containing : 13920208 17 http:\\asadipour.kmu.ac.ir   24 slides OH - CO 3 2- HCO 3 - OH - CO 3 2- CO 3 2- HCO 3 - Winkler method   Mixture of  CO 3 2-  +OH - 1)Titrate the mixture with H + In presence of BCG OH - ≈ 1H +  --CO 3 2- ≈2H + 2)Excess BaCl 2  is added CO 3 2-  + Ba 2+ → BaCO 3  --Titrate the mixture with H + Titrant - ≈ OH - 3)  Titrant1-titrant2  ≈  CO 3 2-

Slide18Titration curves and indicatortransition ranges for the analysis of mixtures containing : 13920208 18 http:\\asadipour.kmu.ac.ir   24 slides OH - CO 3 2- HCO 3 - OH - CO 3 2- CO 3 2- HCO 3 - Winkler method   Mixture of  CO 3 2-  + HCO 3 - 1)Titrate the mixture with H + In presence of BCG HCO 3 - ≈ 1H +  --CO 3 2- ≈2H + 2)Excess BaCl 2  is added CO 3 2-  + Ba 2+ → BaCO 3  --Titrate the mixture with H + Titrant - ≈ HCO 3 - 3)  Titrant1-titrant2  ≈  CO 3 2-

Slide19Titration curves and indicatortransition ranges for the analysis of mixtures containing : 13920208 19 http:\\asadipour.kmu.ac.ir   24 slides OH - CO 3 2- HCO 3 - OH - CO 3 2- CO 3 2- HCO 3 - Mixture of 2 weak acids   Mixture of  CO 3 2-  + HCO 3 - 1)Titrate the mixture with H + In presence of BCG  (A ml) HCO 3 - ≈ 1H +  -- CO 3 2- ≈2H + 2)Titrate the mixture with H + In presence of Phenol phetalein (C ml)  Titrant ≈ CO 3 2- 3)  ( A-2C)=Bml   ≈ H CO 3 -

Slide20Carbonate and Carbonate Mixtures13920208 20 http:\\asadipour.kmu.ac.ir   24 slides

Slide21The Determination of Organic functional GroupsCarboxylic acid group Most CA have between  10  – 4  >  K a  > 10 –6 . CA are not sufficiently soluble in water for direct titration in this medium. the acid can be dissolved in  ethanol  and titrated with aqueous base. Alternatively, the acid can be dissolved in an  excess of standard base  followed by back-titration with standard acid. Sulfonic acid group Sulfonic acids are generally strong acids and readily dissolve in water. Their titration with a base is therefore straightforward. 13920208 21 http:\\asadipour.kmu.ac.ir   24 slides

Slide22Amine groupA)   titrated in aqueous media . 1)  Aliphatic amines   generally have  K b  on the order of 10 –5  and can thus be titrated directly with a solution of a strong acid. 2)  Many  saturated cyclic amines , such as  piperidine,  tend to resemble aliphatic amines in their acid-base behavior and thus can be titrated in  aqueous media . B) titrated in  non-aqueous solvents  Many amines that are  too weak  to be titrated as bases in water are readily titrated in  non-aqueous solvents , such as anhydrous acetic acid, which enhance their basicity. 3)    aromatic amines   such as  aniline  and its derivatives are usually too weak for titration in aqueous medium (K b   10 –10  ). 4)  The same is true for  cyclic amines , such as  pyridine  and its derivatives. 13920208 22 http:\\asadipour.kmu.ac.ir   24 slides

Slide23Ester groupsEsters are commonly determined by  saponification  with a measured quantity of standard base:         R 1 COOR 2  + OH –           R 1 COO  –  + HO R 2 The excess base is then titrated with standard acid. Hydroxyl groups Hydroxyl groups in organic compounds can be determined by  esterification   with various  carboxylic acid anhydrides  or  chlorides ; the two most common reagents are acetic anhydride and phthalic anhydride.          (CH 3 CO) 2 O + ROH     CH 3 COOR + CH 3 COOH The  acetylation  is ordinarily carried out by mixing the sample with a carefully measured volume of acetic anhydride in pyridine. After heating, water is added to hydrolyze the unreacted anhydride :           (CH 3 CO) 2 O + H 2 O     2 CH 3 COOH The acetic acid is then titrated with a standard solution of alcoholic sodium or potassium hydroxide. A blank is carried through the analysis to establish the original amount of anhydride. 13920208 23 http:\\asadipour.kmu.ac.ir   24 slides

Slide24Carbonyl groupsMany  aldehydes  and  ketones  can be determined with a solution of  hydroxylamine hydrochloride . The reaction, which produces an  oxime , is         R 1                                                                         R 1                 C=O  +  NH 2 OH  HCl                C=NOH   +  HCl  + H 2 O        R 2                                                                        R 2 where may be an atom of hydrogen. The liberated HCl is titrated with base. Here, the conditions necessary for quantitative reaction vary. Typically, 30 min suffices for aldhydes. Many ketones require refluxing with the reagents for 1 hr or more. 13920208 24 http:\\asadipour.kmu.ac.ir   24 slides