Wyznaczanie stałej dysocjacji i masy molowej słabego kwasu metodą potencjometryczną

Transkrypt

1 1. Wprowadzenie Wyznaczanie stałej dysocjacji i masy molowej słabego kwasu metodą potencjometryczną W wodzie, kwasy ulegają dysocjacji zgodnie z poniższym (uproszczonym) równaniem: Stałą równowagi tej reakcji zapisać można następującym wzorem: założono przy tym, że aktywność wody jest stała w związku z czym uległa skróceniu we wzorze. Stała dysocjacji kwasu jest miarą jego mocy. Silne kwasy łatwo oddają protony (są dobrymi donorami protonów) i charakteryzują się dużymi wartościami K a. Słabe kwasy niechętnie oddają protony, a ich stałe dysocjacji są małe. Tradycyjnie przyjęło się, że słabe kwasy to takie dla których K a <0,01, czyli mniej niż jedna setna wszystkich cząsteczek kwasu rozpuszczonych w wodzie ulega dysocjacji. Częściej spotykaną miarą mocy kwasu jest charakteryzująca go wartość pk a. pk a analogicznie do ph jest ujemnym logarytmem z K a. Zgodnie z taką definicją, słabe kwasy to te, które odznaczają się wartościami pk a większymi od 2 (bo -log(0,01) = 2), a im większa wartość pk a tym słabszy kwas. Po zlogarytmowaniu wzoru na stałą równowagi reakcji dysocjacji kwasu, otrzymujemy następujący wzór, łączący ph roztworu kwasu z jego wartością pk a : Dla roztworów rozcieńczonych (a z takim będziemy mieli do czynienia w trakcie wykonywania ćwiczenia) można przyjąć, że aktywność substancji równa jest co do wartości, jej stężeniu. Czyli: Z powyższego wzoru wynika, że pk a kwasu równe jest co do wartości ph, wtedy gdy stosunek stężenia wolnego (niezdysocjowanego) kwasu do stężenia anionu powstałego na skutek dysocjacji tego kwasu, równy jest 1 (bo log(1)=0). W przypadku miareczkowania słabego kwasu mocną zasadą, sytuacja taka ma miejsce po dodaniu ilości zasady, równej połowie ilości potrzebnej do całkowitego zobojętnienia kwasu. W trakcie ćwiczenia studenci wyznaczą masy molowe oraz wartości pk a dwóch słabych kwasów organicznych. Ćwiczenie składa się z kilku etapów; kalibracja ph-metrów, nastawienie miana roztworu NaOH metodą miareczkowania konduktometrycznego, 1

2 miareczkowanie potencjometryczne trzech próbek słabego kwasu organicznego (2 różne kwasy), obliczenia mas molowych i wartości pka, porównanie uzyskanych wartości z danymi literaturowymi i wskazanie możliwych źródeł błędów. 2. Przebieg ćwiczenia a) Nastawianie miana NaOH Aparatura: - miernik przewodnictwa 1 szt. - naczynko konduktometryczne zanurzeniowe 1 szt. - mieszadło magnetyczne z mieszadełkiem 1 szt. - pipeta 5 cm 3 1 szt. - zlewka 250 cm 3 2 szt. - tryskawka 1 szt. - zlewka 50 cm 3 1 szt. - titrator lub pipeta automatyczna 1 cm 3 1 szt. Odczynniki: - roztwór NaOH o stężeniu ok. 0,1 mol dm -3 - roztwór HCl o stężeniu ok. 0,1 mol dm -3 (dostępny u prowadzącego zajęcia) Zlewkę 250 cm 3 ustawić na mieszadle. Wrzucić mieszadełko. Naczynko konduktometryczne zamocować w uchwycie tak, aby mieszadełko go nie potrącało. Dolewać wody destylowanej do momentu aż wszystkie elektrody naczynka (czarne paski) będą zanurzone. Uwaga! Podczas energicznego mieszania cieczy, w zlewce tworzy się wir, dlatego należy wlać tyle wody, aby pomimo wspomnianego wiru, elektrody naczynka pomiarowego nie wynurzały się z cieczy. Należy przy tym zadbać aby objętość wody była jak najmniejsza. Mieszanie wyregulować tak aby w naczynku pomiarowym nie było pęcherzy powietrza. Zdjąć zlewkę z mieszadła i za pomocą cylindra miarowego zmierzyć objętość wody destylowanej w zlewce (V w ). Podczas wszystkich miareczkowań do zlewki dodawana będzie taka właśnie objętość wody destylowanej. Do zlewki 250 cm 3 wlać uprzednio zmierzoną ilość wody destylowanej, a następnie dodać dokładnie 5 cm 3 roztworu kwasu solnego (ok. 0,1 M). Zlewkę ustawić na mieszadle, delikatnie wrzucić mieszadełko i zanurzyć w roztworze naczynko konduktometryczne. Włączyć mieszadło i wyregulować jego obroty. Odczekać aż wskazania konduktometru ustabilizują się a następnie zanotować wartość przewodnictwa roztworu (próbki). Wykonać miareczkowanie dodając roztwór titranta (NaOH) porcjami o objętości 1 cm 3, za pomocą titratora lub pipety automatycznej. Po dodaniu każdej porcji titranta należy odczekać aż wskazania konduktometru ustabilizują się, a następnie zanotować wartość przewodnictwa. Do momentu osiągnięcia PK miareczkowania, po dodaniu każdej porcji titranta przewodnictwo roztworu będzie się zmniejszało, następnie zaś zacznie rosnąć. Miareczkowanie należy kontynuować do momentu osiągnięcia przewodnictwa zbliżonego do wartości odczytanej przed dodaniem pierwszej porcji titranta. Po zakończeniu każdego miareczkowania dokładnie opłukać (również wewnątrz) naczynko konduktometryczne wodą destylowaną z tryskawki. Podaną powyżej procedurę powtórzyć jeszcze czterokrotnie. Dane uzyskane w trakcie miareczkowań (pięciu) należy wykorzystać do obliczenia dokładnego stężenia HCl. Należy pamiętać o dokładnym wypłukaniu wszystkich używanych naczyń (zlewek, pipet itd.) przed ponownym użyciem. Po zakończeniu pomiarów opróżnić i opłukać wodą destylowaną wszystkie używane naczynia. Konduktometr wyłączyć i schować do odpowiedniego pudełka. Naczynko konduktometryczne odłączyć, opłukać wodą destylowaną i schować w przeznaczonym do tego celu pudełku. 2

3 b) kalibracja ph-metrów Aparatura: - ph-metr 1 szt. - kombinowana elektroda szklana 1 szt. - mieszadło magnetyczne z mieszadełkiem 1 szt. - zlewka 250 cm 3 1 szt. - tryskawka 1 szt. - ręcznik papierowy 1 szt. Odczynniki: - roztwór buforowy o ph=4,01 - roztwór buforowy o ph=7,00 Zamocować elektrodę szklaną w uchwycie. Dokładnie opłukać elektrodę wodą destylowaną a następnie delikatnie osuszyć ją kawałkiem ręcznika papierowego. Zdjąć niebieski kapturek osłaniający wlot elektrolitu (nie zgubić go!). Fiolkę z roztworem buforowym o ph=4,01 ustawić na mieszadle. Opuścić elektrodę szklaną do roztworu buforowego tak aby klucz elektrolityczny był zanurzony. Włączyć mieszanie (umiarkowana prędkość). Włączyć ph-metr i przełączyć go w tryb pomiaru ph (nacisnąć klawisz ph). Odczekać do momentu ustalenia się wskazań ph-metru. Przejść do trybu kalibracji phmetru przytrzymując naciśnięty klawisz ph, aż do momentu gdy na wyświetlaczu ukaże się migający napis CAL. Nacisnąć klawisz Enter. Przez krótką chwilę na wyświetlaczu będzie widoczny napis P1 oznaczający pierwszy punkt kalibracyjny. Po chwili napis P1 zastąpiony zostanie wartością liczbową. Wartość ta, to ph odpowiadające pierwszemu roztworowi kalibracyjnemu. Za pomocą klawiszy (+) i (-) ustawić ph pierwszego roztworu buforowego (4,01). Nacisnąć klawisz Next. Wyświetlacz zacznie pokazywać SEM ogniwa pomiarowego. Należy odczekać, aż wartość ta ustabilizuje się, po czym zatwierdzić ją naciskając klawisz Enter. Po naciśnięciu tego klawisza ph-metr przejdzie do pomiaru SEM dla drugiego roztworu buforowego. Na wyświetlaczu pojawi się na chwilę napis P2. Po chwili napis P2 zastąpiony zostanie wartością liczbową. Wartość ta, to ph odpowiadające drugiemu roztworowi kalibracyjnemu. Za pomocą klawiszy (+) i (-) ustawić ph drugiego roztworu buforowego (7,00). Zanim dokona się pomiaru dla drugiego roztworu buforowego, należy wyjąć elektrodę z pierwszego roztworu buforowego, dokładnie opłukać ją wodą destylowaną i delikatnie osuszyć kawałkiem ręcznika papierowego po czym umieścić we fiolce z drugim roztworem buforowym. Nacisnąć klawisz Next. Wyświetlacz zacznie pokazywać SEM ogniwa pomiarowego. Należy odczekać, aż wartość ta ustabilizuje się, po czym zatwierdzić ją naciskając klawisz Enter. Po naciśnięciu tego klawisza ph-metr powtarza procedurę kalibracji (tj. przechodzi do pomiaru SEM dla pierwszego roztworu buforowego). Aby przerwać tę pętlę należy nacisnąć klawisz ph. Po zakończeniu kalibracji phmetru wyjąć elektrodę z roztworu buforowego i dokładnie opłukać ją wodą destylowaną. c) miareczkowanie słabego kwasu Aparatura: - ph-metr 1 szt. - kombinowana elektroda szklana 1 szt. - mieszadło magnetyczne z mieszadełkiem 1 szt. - suchy i czysty pojemnik polietylenowy 3 szt. - zlewka 250 cm 3 1 szt. - tryskawka 1 szt. - titrator lub pipeta automatyczna 0,5 cm 3 1 szt. - zlewka ok. 50 cm 3 1 szt. Odczynniki: - roztwór NaOH o znanym mianie (ok. 0,1 mol dm -3 ) 3

4 - monokarboksylowy, słaby kwas organiczny w postaci stałej - roztwór KCl o stężeniu 0,2 mol dm -3 Do trzech pojemników polietylenowych odważyć po około 100 mg kwasu. Zanotować dokładną masę kwasu. Do każdego z pojemników, delikatnie dodać po 25 cm 3 roztworu KCl a następnie taką ilość wody destylowanej aby całkowicie rozpuścić kwas. Użyć łaźni ultradźwiękowej aby przyspieszyć ten proces. Końcowa objętość roztworu powinna wynosić ok. 100 cm 3. Podczas rozpuszczania kwasu należy uważać aby go nie rozpylić w powietrzu np. przez zbyt gwałtowne dodanie wody z tryskawki. Pojemnik z kwasem ustawić na mieszadle magnetycznym, delikatnie umieścić wewnątrz mieszadełko, a następnie zanurzyć elektrodę szklaną (klucz elektrolityczny musi być zanurzony). Włączyć mieszanie, odczekać do ustalenia się wskazań ph-metru, po czym zanotować je. Rozpocząć miareczkowanie próbki porcjami roztworu NaOH o objętości 0,5 cm 3. Po dodaniu każdej porcji titranta odczekać aż wskazania ph-metru ustabilizują się, po czym zanotować wyświetloną wartość ph. Miareczkowanie kontynuować, aż do momentu zaobserwowania gwałtownego skoku ph. Po stwierdzeniu tego faktu dodać jeszcze 4 porcje titranta (notując oczywiście wskazania przyrządu). Miareczkowaniu poddać każdą z trzech próbek, dokładnie myjąc elektrodę i mieszadełko magnetyczne po zakończeniu każdego z miareczkowań. 3. Opracowanie wyników a) Nastawianie miana NaOH Wykonać wykresy zależności κ' = f (Vt) z uwzględnieniem korekty na zmianę objętości roztworu podczas miareczkowania. Wartość κ' obliczyć według poniższego wzoru: gdzie: κ wartość przewodnictwa odczytana z konduktometru, V początkowa objętość roztworu, równa V w +5, V w objętość wody destylowanej, V t objętość titranta (NaOH) ' = V V t V Z wykresów wyznaczyć wartości V PK (Rysunek 1) i obliczyć odpowiadające im stężenia HCl (wyrażone w mol dm -3 ). Na uzyskanym zbiorze wyników przeprowadzić test Q-Dixona, ewentualne wyniki obarczone błędem grubym odrzucić, obliczyć średnie stężenie zasady. Wartości średniego stężenia zasady użyć w dalszych obliczeniach. b) miareczkowanie słabego kwasu Dla każdej z próbek kwasu wyznaczyć objętość titranta odpowiadającą punktowi końcowemu miareczkowania (V PK ) metodą Hahna ( Zamieścić wykresy obrazujące przebieg wszystkich miareczkowań. Na podstawie uzyskanych danych 4

5 Rysunek 1. Poprawny sposób wyznaczania objętości titranta odpowiadającej PK miareczkowania, na podstawie danych konduktometrycznych obliczyć ph odpowiadające odmiareczkowaniu połowy pierwotnej ilości kwasu (najwygodniej zrobić to metodą regresji liniowej, wykorzystując jedynie część wyników leżących w okolicy 1/2 V PK ). Ta wartość ph odpowiadać będzie pk a badanego kwasu (Rysunek 2). Uzyskane wartości uśrednić i wyznaczyć dla nich przedział ufności. Na podstawie objętości odpowiadających V PK kolejnych miareczkowań obliczyć Rysunek 2. Sposób wyznaczania pk a słabego kwasu metodą potencjometryczną. Liczbami w kółkach oznaczono kolejne etapy obliczeń, pozostałe szczegóły w tekście instrukcji. 5

6 masę molową badanego kwasu. Uzyskane wartości uśrednić i wyznaczyć dla nich przedział ufności. We wszystkich obliczeniach przyjąć poziom istotności równy 95%. Obliczone wartości porównać z danymi literaturowymi, obliczyć błędy względne i wskazać ich źródła. Niezbędne jest zamieszczenie przynajmniej po jednych przykładzie kompletnych obliczeń (wzory, wartości, uzyskane wyniki) dla każdego z etapów ćwiczenia (poza, oczywiście, kalibracją ph-metru). Kopia tabelki z arkusza kalkulacyjnego będzie traktowana jako brak obliczeń. Każda grupa przygotuje jedno sprawozdanie, jednak każda z osób należących do danej grupy musi potrafić przeprowadzić komplet obliczeń. Znajomość tego zagadnienia sprawdzona zostanie po oddaniu sprawozdania. 6