ICT for Innovative Science Teachers Leonardo da Vinci programme PL1- LEO Mocne i słabe kwasy

Transkrypt

1 ICT for Innovtive Siene Tehers Leonrdo d Vini progrmme PL1- LEO Mone i słbe kwsy Oet jest znny i stosowny przez ludzkość od tysięy lt. Obeność śldowyh ilośi tego związku stwierdzono n terenh dzisiejszego Egiptu w urnh pohodząyh z około 3000 roku p.n.e. Stężone kwsy otowy i solny zostły otrzymne przez perskiego lhemik Geber (Dżbir Ibn Hjjn) w VIII wieku. W wyniku destylji otu Geber otrzymł kws otowy, przez destylję mieszniny kwsu sirkowego i zwykłej soli uzyskł kws solny (kws z soli). Obydw kwsy zhowują się w roztworh wodnyh zupełnie różnie, n przykłd: do otrzymni roztworu HCl, o tkiej smej kwsowośi jk oet, potrzeb brdzo młej ilośi hlorowodoru HCl w porównniu do ilośi kwsu otowego zwrtego w oie. CC 011 ICT for IST Publikj powstł w wyniku projektu zrelizownego przy wspriu finnsowym Komisji Europejskiej w rmh progrmu Uzenie się przez łe żyie. Publikj odzwieriedl jedynie stnowisko utor i Komisj Europejsk ni Nrodow Agenj nie ponoszą odpowiedzilnośi z umieszzoną w niej zwrtość merytoryzną orz z sposób wykorzystni zwrtyh w niej informji.

2 PORADNIK NAUCZYCIELSKI I. Wstęp 1. Krótkie wprowdzenie do modułu Treśi związne z rekjmi kwsowo zsdowymi są stłym elementem wielu progrmów nuzni hemii. Ih relizj wymg zintegrownego zrozumieni elementów hemii podstwowej. Wielu uzniów m duże trudnośi w zrozumieniu pojęć i proesów związnyh z tymi zgdnienimi. (uzniowie mją zęsto trudnośi ze zrozumieniem skli ph). W omwinym module zproponowno ćwizeni, w któryh nlizowne są różnie w zhowniu monyh i słbyh kwsów podzs rekji kwsowo zsdowyh. Są to: Pomiry wspomgne komputerowo doświdzeni: Pomiry ph podzs mirezkowni słbego i monego kwsu z pomoą monej zsdy, Wyznznie stężeni kwsu w roztworze (o nieznnym stężeniu). Modelownie: symulje n bzie modeli mtemtyznyh, które opisują stężenie jonów [H 3 O + ] i zminy ph podzs mirezkowni. Symulje pomgją uzyskć odpowiedź n pytni postwione w ćwizenih eksperymentlnyh. Wszystkie ćwizeni uzniowskie zostły przygotowne w progrmie Coh 6, w projekie Strong nd Wek Aids (Mone i słbe kwsy).. Podstwy teoretyzne AUTODYSOCJACJA WODY Wod jest związkiem o budowie polrnej: uleg utodysojji w niewielkim, le zuwżlnym stopniu. Cząstezki wody regują ze sobą: jedne z ząstezek oddją protony H + (zhowują się jk kwsy), inne łązą się z tymi protonmi (zhowują się jk zsdy). H O () + H O () H 3 O + (q) + OH - (q) W zystej wodzie w temperturze 5 o C (98 o K), stężenie jonów H 3 O + jest równe stężeniu jonów OH - (ok mol/dm 3 ). Wyrżenie n stłą równowgi tej rekji jest nstępująe: K- stł równowgi K [ H 3 O ][ OH [ H O] ] Jon hydroniowy ( Mone i słbe kwsy -

3 [H 3 O + ] stężenie równowgowe jonów H 3 O + [OH - ] stężenie równowgowe jonów OH - Poniewż stężenie wody jest stłe (wod jest w ndmirze), możn podzielić obie strony równni przez [H O], otrzymują nową stłą zwną ilozynem jonowym wody i oznzoną symbolem K w : K w = [H 3 O + ] [OH - ] równą K w = w 5 o C. K w przyjmuje wrtość stłą dl wszystkih rozieńzonyh roztworów. Choiż stężenie jonów H 3 O + może zmienić się podzs dodwni różnyh substnji do wody, ilozyn stężeń [H 3 O + ] i [OH - ] pozostje zwsze stły. Oznz to, że jeśli stężenie jonów [H 3 O + ] wynosi 0,1 mol/dm 3, to stężenie jonów [OH - ] jest równe mol/dm 3. SKALA PH Skl ph zostł po rz pierwszy użyt przez duńskiego biohemik Sören Sörensen w 1909 roku. Sörensen hił uzyskć brdziej efektywną notję dl ogromnyh zmin stężeń jonów H 3 O +, które obserwowł w swoih eksperymenth. Zdefiniowł ph jko ujemny logrytm (o podstwie 10) stężeni jonów wodorowyh i w ten sposób uprośił niewygodną postć stężeni np. 3, do posti 4,4. ph = -log[h 3 O + ] (zmist log 10 piszemy log) Stężenie [H 3 O + ] możn wyrzić w posti potęgi lizby 10: [H 3 O + ] = 10 -ph Źródło: Mone i słbe kwsy - 3

4 W roztworze obojętnym (zyst wod w 5 o C): [H 3 O + ] = [OH - ] = 10-7 mol/dm 3 ph = poh =7 W roztworze kwśnym: [H 3 O + ] > [OH - ] ph < 7 W roztworze zsdowym: [H 3 O + ] < [OH - ] ph > 7 W podobny sposób zostł zdefiniown skl poh, gdzie: poh = -log[oh - ] W temperturze 5 o C K w = pk w = ph + poh MOCNE I SŁABE KWASY Kwsy możn podzielić n mone i słbe w zleżnośi od stopni ih dysojji n jony w wodzie. Mony kws, tki jk kws hlorowodorowy HCl, dysojują łkowiie w roztworh wodnyh (nie m ząstezek HCl w kwsie): HCl (q) + H O () Cl - (q) + H 3 O + (q) W 0,1 molowym kwsie solnym stężenie jonów H 3 O + (q) jest tkie smo jk lizb moli HCl użyt do przygotowni 1 dm 3 roztworu - [H 3 O + ] = 0,1 mol/dm 3. ph roztworu kwsu solnego o stężeniu 0,1 mol/dm 3 wynosi ph = -log[h 3 O + ] = -log(0,1) = 1. Rozumownie to jest słuszne jedynie w przypdku niezbyt rozieńzonyh roztworów. N przykłd, roztwór o stężeniu 10-8 mol/dm 3 nie może mieć ph = 8: ph musi być mniejsze niż 7, poniewż jest to ndl roztwór kwsu. Słby kws, jk np. kws otowy CH 3 COOH (dl uproszzeni oznzny jko HA) dysojuje w niewielkim stopniu w roztworze wodnym. Ustl się nstępują równowg: HA (q) + H O () Aˉ (q) + H 3 O + (q) W stnie równowgi obene są w roztworze zrówno ząstezki HA jk i jony Aˉ i orz jony H 3 O +. Wyrżenie n stłą równowgi jest nstępująe: Mone i słbe kwsy - 4

5 K [A ][H3O ] [HA] Dl kwsu otowego w temperturze 5 o C jest w przybliżeniu równe 1, mol/dm 3. Aby oblizyć ph, nleży njpierw znleźć stężenie jonów hydroniowyh (wodorowyh). Możn złożyć, że stężenie jonów hydroniowyh jest równe stężeniu oddysojownyh nionów np. [H 3 O + ] = [Aˉ], orz że stężenie HA jest równe stężeniu pozątkowemu minus stężenie jonów hydroniowyh, np. [HA] = - [H 3 O + ]. Pomijją utodysojję wody, otrzymujemy: K [H O ] [H3O ] Stężenie [H 3 O + ] możemy oblizyć rozwiązują nstępująe równnie kwdrtowe: [H O ] K [H O ] K Dodtni pierwistek tego równni jest równy: + [H3O ] K K 4K Dl słbyh kwsów możn złożyć, że [H 3 O + ] <<. Otrzymujemy wówzs nstępująą zleżność: + [H O ] orz K 3 + [H3O ] K. Ten sposób oblizni stężeni jonów [H 3 O + ] jest stosowny w prktye. Prześledźmy n przykłdzie, jk funkjonuje przedstwione przybliżenie. Np. dl 0,1 molowego HA otrzymujemy: [H 3 O + ] = 6 3 1, ,37 10 mol/dm 3 ph= -log( ).877. Z rozwiązni nieuproszzonego równni kwdrtowego otrzymujemy: [H 3 O + ] 1, mol/dm 3 ph= -log( ).874. Różni wrtośi ph jest prktyznie bez znzeni, zyli wrunek [H 3 O + ] << może być stosowny. Jk zobzymy w punkie 1.5, dokłdne wyrżenie n stężenie jonów hydroniowyh w kwsie monym lub słbym, silnie rozieńzonym bądź nie, buforownym przez dodtek monej zsdy bądź nie, może być również wyprowdzone. Będzie ono wykorzystywne w komputerowym modelu krzywej Mone i słbe kwsy - 5

6 mirezkowni. Przybliżenie będzie jedynie utrzymne w entrlnym obszrze krzywej mirezkowni. REAKCJA MOCNEGO KWASU Z MOCNĄ ZASADĄ Podzs dodwni monej zsdy do monego kwsu zhodzi rekj zobojętnieni. Kws reguje z zsdą z wytworzeniem soli i wody. Weźmy dl przykłdu dodwnie roztworu wodorotlenku sodu do roztworu kwsu solnego (HCl): + HCl NCl + H O, HCl i NCl są monymi elektrolitmi, łkowiie zdysojownymi w wodzie n jony: N + (q) + OHˉ (q ) + H 3 O + (q) + Clˉ (q) H O + N + (q) + Clˉ (q) Jony N + i Clˉ występują w roztworze i nie biorą udziłu w rekji. Jony te możn wyeliminowć z równni rekji uprszzją je do posti: OHˉ(q) + H 3 O + (q) H O () W istoie t rekj hemizn jest rekją zobojętnieni. Podzs dodwni roztworu monej zsdy do roztworu monego kwsu (zynność tką nzywmy mirezkowniem) stężenie jonów H 3 O + mleje wrz z dodwniem kolejnyh porji OHˉ. Rozwżmy kolejne etpy: Roztwór zsdy nie zostł jeszze dodny. W przypdku, gdy roztwór kwsu nie jest z brdzo rozieńzony (o jest prwdą w normlnyh okoliznośih), ph roztworu kwsu może być oblizone n podstwie pozątkowego stężeni kwsu: ph= -log( HCl ). Njłtwiejszym sposobem upewnieni się, że ph jest mniejsze niż 7, nwet w silnie rozieńzonym roztworze, jest modyfikj wzoru do posti: ph = -log( HCl + K ) w Dl dużyh stężeń kwsu solnego, wyrżenie K w możn pominąć w wyniku zego otrzymmy poprzedni wzór. Dl młyh stężeń, wzór możn przybliżyć do posti 1 ph pkw HCl K w. Azkolwiek dokłdny wzór nie jest wiele trudniejszy: ph log HCl HCl 4K w Nleży zuwżyć, że efekt utodysojji możn zignorowć, np. wówzs, gdy K w przybliżymy do 0, wtedy wzór uprszz się do posti: ph= -log( HCl ) Dokłdny wzór możn wyprowdzić n podstwie trzeh wrunków: Mone i słbe kwsy - 6

7 Bilns łdunku: [H 3 O + ] = [OHˉ] + [Clˉ] Bilns msy: [Clˉ] = HCl (o oznz łkowitą dysojję HCl). Równowg w roztworze: [H 3 O + ] [OHˉ] = K w Podstwiją drugie i trzeie równnie do pierwszego otrzymujemy: + K w 3 + HCl [H3O ] [H O ] Równnie to możn przeksztłić do posti: [H O ] [H O ] K 0, HCl 3 którego dodtni pierwistek jest równy: + [H3O ] w HCl HCl 4K w Mniej dodnego niż pozątkow ilość HCl, zyli [H 3 O + ] > [OHˉ]. Roztwór m odzyn kwśny i ph < 7. Pozątkow ilość kwsu HCl i dodn ilość (w molh) jest dn przez: nhcl HCl V HCl i n V, gdzie n = lizb moli kwsu lub zsdy, = pozątkowe stężenie kwsu lub zsdy, V = objętość kwsu lub zsdy. Stężenie jonów H3O + w kżdym punkie tego zkresu jest w przybliżeniu równe (przy złożeniu, że roztwór nie jest zndto rozieńzony) [H O ] 3 V V V V HCl HCl HCl Jk w poprzednim punkie, dokłdne wyrżenie możn otrzymć n podstwie trzeh równń: Bilns łdunku: [H 3 O + ] + [N + ] = [OHˉ] + [Clˉ] Bilns msy: [Cl ] HCl V HCl VHCl V [N ] Równowg w roztworze: (łkowit dysojj HCl) V V HCl V Mone i słbe kwsy - 7

8 [Cl ][H3O ] [HCl] K [H3O + ] [OHˉ] = Kw. Podstwiją drugie i trzeie równnie do pierwszego, tk żeby otrzymć stężenie nionów, otrzymujemy: [H O ] K V V + w HCl HCl 3 + [H3O ] VHCl V Równnie to może być przeksztłone w równnie kwdrtowe: V V [H O ] [H O ] K 0 + HCl HCl VHCl V którego dodtnie rozwiąznie jest równe: gdzie + [H3O ] HCl HCl HCl 4K w V V V V HCl HCl HCl Nleży zuwżyć, że otrzymliśmy tki sm wzór jk w etpie 0, jeśli złożymy, że rozptrywne HCl jest równe ktulnemu stężeniu kwsu solnego po rekji z moną zsdą i uwzględnieniu ktulnej objętośi roztworu.,. w, Ilość dodnego jest równ ilośi pozątkowej HCl, zyli [H 3 O + ] = [OHˉ]. W tkim roztworze wszystkie jony H 3 O + pohodząe z kwsu są zobojętnione przez jony OHˉ pohodząe z zsdy, zyli ły kws solny jest zobojętniony przez dokłdnie tką smą ilość zsdy. W tym punkie, zwnym punktem równowżnikowym, wytworzony zostł hlorek sodu. Jony N + i jony Clˉ nie mją hrkteru kwsowego lub zsdowego, dltego w punkie tym n wrtość ph m wpływ równowg utodysojji wody: H O () + H O () H 3 O + (q) + OH - (q) W punkie równowżnikowym: K w = [H 3 O + ] [OH - ] = orz [H 3 O + ] = [OHˉ] = 10-7 mol/dm 3, ztem ph = 7. Ilość dodnej zsdy jest większ niż ilość kwsu obenego pozątkowo w roztworze, zyli [H 3 O+] < [OHˉ]. Poz punktem równowżnikowym, stężenie jonów OHˉ możn oblizyć biorą pod uwgę ilość zsdy dodnej w ndmirze. Mone i słbe kwsy - 8

9 [OH ] V V V V HCl HCl HCl Wrtość ph oblizmy korzystją z równni K w = [H 3 O + ] [OH - ]: [H O ] 3 Kw Kw ( VHCl V ) [OH ] V V HCl HCl Odzyn roztworu jest zsdowy, jego ph > 7. W powyższym rozumowniu złożyliśmy, że roztwór nie jest z brdzo rozieńzony. W przeiwnym przypdku powinniśmy korzystć z nstępująej zleżnośi: gdzie [OH ] 4K w, V V V V HCl HCl HCl. REAKCJA SŁABEGO KWASU Z MOCNĄ ZASADĄ Podzs dodwni monej zsdy do słbego kwsu, zsd będzie regowć ze słbym kwsem. W roztworze będzie obeny słby kws i sprzężon z nim zsd, ż do hwili gdy nie zostnie usunięty ły kws. Różni w stosunku do przypdku mony kws mon zsd poleg n pojwieniu się nowej równowgi. Typowym przykłdem jest rekj zsdy sodowej () z kwsem otowym (CH 3 COOH, dl uproszzeni oznznym HA): HA (q) + H O () Aˉ (q) + H 3 O + (q) Rozwżją ten przypdek zstosujemy systemtyzne podejśie i pokżemy jk wyglądją przybliżone zleżnośi mtemtyzne. Dokłdny wzór pozwljąy oblizyć stężenie jonów hydroniowyh H 3 O + podzs mirezkowni możn wyprowdzić z nstępująyh trzeh zleżnośi: Bilns łdunku: Bilns msy: [HA] [A ] [N ] V + + [H3O ] [N ] [OH ] [A ] HA V HA V V HA V HA V (zęśiow dysojj słbego kwsu). (łkowit dysojj monej zsdy). Równowgi w roztworze: K [A ][H3O ] [HA] [H 3 O + ] [OH - ] = K w Mone i słbe kwsy - 9

10 Aby uzyskć lepszą zytelność otrzymnyh wzorów wygodnie jest wprowdzić wielkość zwną ktywnośią lub stężeniem pozornym kwsu i zsdy: orz HA HA V HA V V V HA HA V V W pierwszej kolejnośi wyrzimy stężenie nionów [Aˉ] w zleżnośi od stłej równowgi K i stężeni jonów hydroniowyh poprzez eliminję [HA] z pierwszego równni bilnsu msy i pierwszego równni równowg w roztworze. Uzyskujemy nstępująe zleżnośi: [A ] gdzie A oznz: A A K [H3O ] HA K K w Podstwiją wzór n [Aˉ], [OH ] + [H O ] bilns łdunku otrzymujemy: [H O ] K 3 w 3 HA [H3O ] [H3O ] K, orz [N ] do równni n K Równnie to może być przeksztłone w równnie trzeiego stopni: 3 [H O ] + K [H O ] K K [H O ] K K HA w 3 w Zkłdmy, że utojonizj wody może być zniedbn, ż do punktu równowżnikowego mirezkowni, zyli przyjmujemy K w = 0, o sprwi, że powyższy wzór przeksztł się w równnie kwdrtowe: [H O ] + K [H O ] K HA Dodtni pierwistek tego równni jest nstępująy: K K 4K HA [H3O ] Jeśli złożymy, że mony kws jest spejlnym przypdkiem słbego kwsu, dl którego stł dysojji K przyjmuje brdzo dużą wrtość, równnie sześienne redukuje się do posti: z dodtnim rozwiązniem: [H O ] [H O ] K 0 3 HA 3 w Mone i słbe kwsy - 10

11 [H O ] 3 HA HA 4K w. Jest to wzór, który wyprowdziliśmy w poprzednim opisie, dotyząym rekji monyh kwsów monyh zsd. Przystąpimy terz do kontynuji oblizni teoretyznej krzywej mirezkowni słbego kwsu moną zsdą. Możemy wyróżnić nstępująe etpy: Roztwór zsdy nie zostł jeszze dodny Możemy skorzystć z powyższyh wzorów. Zkłdją, że = 0 i HA = HA uzyskujemy wzór n ph słbego kwsu, który już wyprowdziliśmy w Podstwh teoretyznyh: [H O ] 3 K K 4K HA Przed punktem równowżnikowym Równowg jest iągle zburzn przez dodtek jonów OH -, które regują z jonmi H 3 O +. HA + OHˉ Aˉ + H O lub HA + NA + H O Równowg jest przywrn przez dysojję odpowiedniej ilośi kwsu HA. Po dodniu jonów OH -, stężenie kwsu otowego [HA] prwie liniowo mleje. Stężenie jonów H 3 O + zmieni się nieznznie (jony H 3 O + iągle są uzupełnine przez dysojję kwsu HA). W tym smym zsie powstje zsd Aˉ sprzężon z kwsem HA (teori Brønsted Lowryego). Stężenie jonów hydroniowyh może być oblizone ze wzoru: Jeśli [H O ] 3 K K 4K HA K K, wzór ten może być uproszzony do: HA [H O ] 3 K HA K. Innymi słowy, kiedy K jest młe w porównniu ilośią dodwnej zsdy: ph pk log HA Mone i słbe kwsy - 11

12 Równnie to nzywne jest równniem Henderson Hsselblh i zwykle zpisywne w posti: [ kws] ph pk log, [ zsd ] w którym skłdnik logrytmizny zwier ilorz stężeń kwsy i zsdy. Gdy kws zostnie zobojętniony w połowie, stężeni zsdy i kwsu są tkie sme i ph jest równe pk. Jk wspomnino wześniej, ph roztworu słbego kwsu i sprzężonej z nim zsdy zmieni się tylko nieznznie po wprowdzeniu innyh jonów (wówzs stężenie kwsu i zsdy zmieni się, le ih ilorz zmieni się tylko nieznznie). Tki roztwór nzywmy roztworem buforowym. Roztwór buforowy hrkteryzuje się tym, że może zbsorbowć umirkowne ilośi kwsu lub zsdy bez zuwżlnej zminy ph. Roztwór buforowy jest zwykle roztworem słbego kwsu i sprzężonej z nim zsdy lub roztworem słbej zsdy i sprzężonego z nią kwsu. Dziłnie buforów m wiele wżnyh zstosowń w hemii i fizjologii. Krew ludzk jest nturlnym buforem, tkże wiele innyh płynów w orgnizmh zwierzęyh i roślinnyh stnowi mieszniny słbyh kwsów i sprzężonyh z nimi zsd. W punkie równowżnikowym Punkt równowżnikowy zwny jest tkże punktem stehiometryznym, poniewż w tym punkie ilość dodnej zsdy jest równ pozątkowej ilośi kwsu. V V Z zleżnośi tej wynik, że HA HA [N ] W punkie tym w roztworze obeny jest otn sodu. Jony N + nie wpływją n ph roztworu, le jony Aˉ tk. Stnowią one słbą zsdę Aˉ. Aby oblizyć ph, po pierwsze nleży oblizyć stężenie jonów OHˉ, które powstją w rekji jonów Aˉ z wodą. Aˉ + H O HA + OHˉ Stł równowgi tej rekji jest nstępują: K b K K w K b HA HA [HA] [OH ] [A ], ztem dl kwsu otowego otrzymujemy K b Stosują podobne rozumownie jk dl roztworów słbyh kwsów otrzymujemy: [OH ] K b, [OH ] gdzie jest pozątkowym stężeniem zsdy w roztworze. W przypdku nszej krzywej mirezkowni stężenie jest równe stężeniu jonów [N + ]. Ztem: [OH ] K K 4K b b b Mone i słbe kwsy - 1

13 gdzie Stężenie jonów H 3 O + wynosi: [H O ] 3 [N ] K HA HA K K 4K w. b b b Zkłdją, że dl słbej zsdy [OHˉ] << otrzymujemy [OH ] Ztem przybliżone wzory pozwljąe oblizyć poh i ph w punkie równowżnikowym są nstępująe: poh pkb log orz ph pkw pk log Wrtość ph zleży od pozątkowego stężeni kwsu i stężeni dodnej zsdy. N przykłd, gdy 10 ml roztworu o stężeniu 0,1 mol/dm 3 dodmy do 10 ml roztworu HA o stężeniu 0,1 mol/dm 3 : 14 Kw 10 [H3O ] K K 4K b b b Ztem ph = 8.73 Poniższe oblizeni pokzują, że wzór przybliżony dził również łkiem dobrze: ph pkw pk log log Wrtość ph roztworu jest większ niż 7, roztwór zwier ndmir jonów OHˉ i jest zsdowy. Rekj jonów z wodą jest określn minem hydrolizy. Wod zwsze reguje z jonmi, które dją w wyniku tej rekji słbe elektrolity. Sole powstłe ze słbyh kwsów i monyh zsd hydrolizują w wodzie ndją jej odzyn zsdowy, ntomist sole powstłe z monyh kwsów i słbyh zsd np. NH 4 Cl hydrolizują w wodzie z wytworzeniem odzynu kwśnego. Kb Po punkie równowżnikowym Po punkie równowżnikowym ph roztworu jest rezulttem dodni ndmiru zsdy. W roztworze jest iągle oben zsd Aˉ, której stł dysojji jest dużo mniejsz niż stł dysojji obenej w roztworze monej zsdy, wię jej wpływ n wrtość ph może być pominięty. Stężenie jonów H 3 O + może być oblizone w sposób podobny do omówionego w przypdku mirezkowni monyh kwsów moną zsdą. gdzie [OH ] 4K w, V V V V HCl HCl HCl. Mone i słbe kwsy - 13

14 MIARECZKOWANIE Mirezkownie jest tehniką nlityzną, w której roztwór stndrdowy o znnym stężeniu jest użyty do wyznzeni stężeni innego roztworu. Podzs mirezkowni roztwór stndrdowy (zwny titrntem) jest powoli dodwny do roztworu o nieznnym stężeniu z pomoą urządzeni zwnego biuretą. Punkt końowy rekji może być obserwowny poprzez zminę koloru, w przypdku gdy stosujemy wskźnik (np. fenoloftleinę) lub wyznzony z pomoą pomirów ph. W punkie końowym związek hemizny obeny w roztworze stndrdowym łkowiie przeregowł ze związkiem obenym w roztworze mirezkownym. Lizb moli związku w roztworze stndrdowym może być oblizon jko ilozyn objętośi i stężeni molowego. n roztwór stndrdowy = V roztwór stndrdowy roztwór stndrdowy Lizbę moli związku, którego stężenie wyznzmy możemy oblizyć biorą pod uwgę współzynniki stehiometryzne w równniu rekji hemiznej. Nstępnie dzielimy tę lizbę moli przez objętość mirezkownego roztworu i otrzymujemy w ten sposób stężenie roztworu mirezkownego (o było nszym elem): roztwór mirezkowny = n roztwór mirezkowny / V roztwór mirezkowny 3. Wymgn wiedz wstępn Oblizeni hemizne z zstosowniem pojęi mol Równowg hemizn Teori kwsów i zsd Brønsted Lowryego Równowg kws zsd (stłe równowg K, K b i K w ) Definij ph i skli ph 4. Wprowdzne lub rozwijne pojęi ph i stężenie jonów H 3 O + będąe rezulttem dysojji monyh i słbyh kwsów w wodzie Rekje kwsowo zsdowe Zobojętninie roztworów kwśnyh Równowg hemizn Roztwory buforowe Mone i słbe kwsy - 14

15 5. Inne użytezne informje Pomo w rozumieniu hemii Drehsler M. nd Shmidt H.J., (005), Textbooks nd tehers understnding of id-bse models used in hemistry tehing., Chemistry Edution Reserh nd Prtie, 6 (1), Furió-Ms C., Cltyud M.L., Guissol J. nd Furió-Gómez C., (005), How re the Conepts nd Theories of Aid-Bse Retions Presented? Chemistry in Textbooks nd s Presented by Tehers., Interntionl Journl of Siene Edution, 7 (11), Mry B. Nkhleh, Joseph S. Krjik, (1994). Influene of levels of informtion s presented by different tehnologies on students' understnding of id, bse, nd ph onepts, Journl of Reserh in Siene Tehing, 31 (10), Jun Quílez-Prdo nd Jon Josep Solz-Portolés, (1995). Students' nd tehers' mispplition of le htelier's priniple: Implitions for the tehing of hemil equilibrium, Journl of Reserh in Siene Tehing, 3 (9), II. Podejśie dydktyzne 1. Kontekst pedgogizny Proponowny moduł może być zstosowny jko moduł utrwljąy wiedzę. Pojęi występująe w module zostły już wprowdzone wześniej, terz uzniowie stosują je w nowej sytuji (w tehnie mirezkowni). Celem proponownego podejśi jest skłonienie uzniów do uogólnieni poznnyh pojęć i włązenie w strukturę posidnej wiedzy. Zstosownie podstwowyh pojęć w prktye prowdzi do rozumieni teorii i modeli w dlszej nue.. Trudnośi uzni Uzniowie mją trudnośi w: zrozumieniu różni w definiowniu kwsów i zsd w teorih Arrhenius i Brønsted Lowryego [1] klsyfikowniu wody jko kwsu lub zsdy [1] jkośiowym rozumieniu pojęi ph (problemy ze zrozumieniem odwrotnej i logrytmiznej ntury skli ph) [4] rozumieniu różniy między moą stężeniem [5] Mone i słbe kwsy - 15

16 rozumieniu tego o się dzieje z wrtośią ph podzs mirezkowni [4] rozumieniu pojęi zobojętninie; zobojętninie nie oznz, że roztwór jest obojętny i m ph = 7; [][3] 3. Ewluj wykorzystni TI Korzyśi z zstosowni tehnologii informyjnej (TI) w nuzniu. POMIARY WSPOMAGANE KOMPUTEROWO W ćwizenih dotyząyh mirezkowni monyh i słbyh kwsów pomir wrtośi ph prowdzony jest w zsie rzezywistym z zstosowniem zujnik ph. Dodwnie titrnt odbyw się z pomoą szklnej biurety (wówzs otrzymujemy krzywą ph w funkji zsu) lub z pomoą utomtyznej biurety krokowej CMA (otrzymujmy krzywą mirezkowni w funkji objętośi). Zstosownie tehniki pomirów komputerowyh umożliwi ntyhmistowe otrzymnie krzywej obrzująej zminy ph w funkji objętośi. Krzyw t może być nlizown od rzu po zkońzonej rekji. Wykonnie różnizkowni krzywej ułtwi znlezienie punktu równowżnikowego mirezkowni. Eksperymenty mogą być powtrzne wielokrotnie, zrówno z zstosowniem monyh i słbyh kwsów jk i monyh i słbyh zsd. Otrzymne krzywe hrkteryzują się speyfiznym ksztłtem, który możn nlizowć i porównywć dl różnyh przypdków. Ćwizenie 0. Klibrj biurety CMA sterownej krokowo Biuret sterown krokowo jest tnim, dokłdnym urządzeniem dozująym roztwór titrnt w eksperymenth wykorzystująyh tehnikę mirezkowni. Biuret jest wyposżon w 4 zteromilimetrowe wtyzki, które dołąz się do gnizd sterowni interfejsu CohLb II. Znim biuret zostnie użyt do mirezkowni nleży ją sklibrowć poprzez wyznzenie tzw. współzynnik klibrji. Współzynnik ten jest równy lizbie obrotów silnik przypdjąyh n 1 ml dodnego roztworu. Współzynnik klibrji jest używny w progrmie kontrolnym do oblizni objętośi roztworu dozownego przez biuretę. Ćwizenie to uświdmi uzniom, że dobrze sklibrown prtur jest niezbędn do uzyskni rzetelnyh wyników. Zstosownie komputer nie stnowi wyjątku. Ćwizenie to jest również użytezne dl zrozumieni funkjonowni biurety krokowej i sprwdzeni jej dziłni. Ćwizenie 1A. Zobojętninie monyh i słbyh kwsów Ćwizenie 1B. Zobojętninie monyh i słbyh kwsów (z zstosowniem biurety krokowej) Mone i słbe kwsy - 16

17 W trkie wykonywni tyh ćwizeń uzniowie rejestrują wyniki mirezkowń. Anlizują zminy ph, oblizją i wykonują wykres zmin stężeni jonów H 3 O +. Obserwują i interpretują ksztłt krzywyh mirezkowni podzs rekji monego i słbego kwsu z moną zsdą. W ćwizeniu 1A roztwór kwsu (titrnt) kpie z biurety do roztworu zsdy ze stłą szybkośią. N podstwie szybkośi kpni roztworu możn oblizyć objętość dodwnego kwsu (objętość (ml) = zs (s) * szybkość kpni (ml/s)) i wykonć wykres zmin ph w funkji objętośi. W ćwizeniu 1B titrnt dodwny jest utomtyznie z pomoą biurety krokowej. Progrm kontrolny Coh kontroluje ruh silnik krokowego biurety. Możn od rzu rozróżnić prwidłowo wykonne mirezkownie od wykonnego błędnie, np. efekt mieszni jest widozny ntyhmist. Wżne jest również dobre sklibrownie kżdego zestwu użytego do pomiru ph (wzmniz ph i elektrod ph). Dw punkty klibrji są wystrzjąe. Mogłoby być wrtośiowe przedyskutownie z uznimi efektu zsu rekji elektrody ph (zsu potrzebnego do uzyskni stbilnej wrtośi ph). W pobliżu punktu równowżnikowego, krzyw mirezkowni może nie być tk strom jk uzyskn podzs prwdziwego (nie obrzonego błędmi) mirezkowni. Może być to rezulttem zsu rekji ok n zminę brwy wskźnik. Ćwizenie. Mirezkownie kwsowo zsdowe W ćwizeniu tym uzniowie wyznzją nieznne stężenie roztworu kwsu. MODELOWANIE W ćwizenih dotyząyh modelowni uzniowie mją możliwość budowni modeli numeryznyh iągle zmienijąyh się systemów. W modelh tyh dynmizne zminy systemu są relizowne krok po kroku. Modelownie pozwl stworzyć model skomplikownyh zjwisk i rozwiązć rzezywiste problemy, które trudno jest rozwiązć nlityznie n szkolnym poziomie. Zbudownie tkih numeryznyh modeli jest niezbyt skomplikowne pojęiowo i łtwe do zrozumieni. Modele mogą być użyte jko symulje, w któryh model jest widozny i może być zmieniny. Przez zminę prmetrów modelu możn bdć rożne sytuje. Rezultty dziłni modelu mogą być porównne z dnymi eksperymentlnymi (z pomirów komputerowyh lub pomirów video). Model możn łtwo modyfikowć lub zmienić jego prmetry. W ten sposób uzniowie mogą bdć swoje hipotezy i budowć powiązni między rzezywistym eksperymentem modelem teoretyznym. Ćwizenie 3A. Krzyw mirezkowni monyh kwsów Ćwizenie 3B. Krzyw mirezkowni słbyh kwsów Celem modelowni grfiznego jest oblizenie stężeni jonów [H 3 O + ], [OHˉ] orz zmin ph podzs mirezkowni. Gotowe modele są dostępne w ćwizenih i mogą być użyte jko symulje przez uzniów. Poprzez użyie opji Symulj dostępnej w menu Nrzędzi w oknie Modelu uzniowie mją możliwość eksperymentowni: zminy różnyh prmetrów i bdni różnyh wrunków. Mone i słbe kwsy - 17

18 Modelownie komputerowe mirezkowni monego kwsu moną zsdą. Model opisuje proes dodwni roztworu (monej zsdy) do roztworu HCl (monego kwsu). Kws solny dysojuje łkowiie, o oznz, że nie m ząstezek HCl w roztworze; lizb moli jonów H + jest równ lizbie moli HCl wprowdzonej n pozątku do roztworu. Pozątkow objętość w zlewe jest równ pozątkowej objętośi roztworu HCl, wzrost objętośi podzs mirezkowni jest równy wzrstjąej objętośi (V = 0,001 dm 3, o jest objętośią dodwną n jednostkę zsu). Volume(t) = Volume(t-dt) + (inrese_volume)*dt inrese_volume = V (inrese_volume wzrost objętośi) Pozątkow ilość kwsu jest HCl *V HCl moli i t ilość mleje, poniewż kws reguje ntyhmist i łkowiie z dodwną zsdą z utworzeniem soli NCl: nhcl(t) = nhcl(t-dt) + (-removl_speed_hcl)*dt removl_speed_hcl = removl_speed_ (removl_speed szybkość usuwni) Pozątkow ilość wynosi 0 moli. Cłkowit ilość jest równ różniy lizby moli dodnego i lizby moli, które przeregowły z kwsem. n(t) = n(t-dt) + (ddition_speed_-removl_speed_)*dt ddition_speed_ = *V (ddition_speed_ szybkość dodwni ) Lizb moli, któr przeregowł jest równ lizbie dodnej zsdy tk długo, jk długo lizb moli kwsu HCl oben w roztworze jest większ niż lizb moli dodnej zsdy. Odkąd ilość kwsu HCl jest mniejsz niż ilość dodnej zsdy, roztwór pozostje zsdowy szybkość znikni zsdy (removl_speed_) stje się 0 w kżdym dlszym kroku zsowym. If nhcl >= ddition_speed_*dt Then removl_speed_ = ddition_speed_ Else removl_speed_ = nhcl/dt EndIf Stężenie jonów H 3 O + jest oblizne z nstępująego wzoru: [H3O+] = (nhcl/volume+sqrt((nhcl/volume)^+4*10^(-pkw)))/ Stężenie jonów OHˉ jest oblizne z zleżnośi: [OH-] = (n/volume+sqrt((n/volume)^+4*10^(-pkw)))/ Wrtość ph jest oblizn w nstępująy sposób: If nhcl >0 Mone i słbe kwsy - 18

19 Then ph = -Log([H3O+]) Else ph = 14+log([OH-]) EndIf Jko teoretyzną podbudowę powyższyh wzorów polemy rozwżni zwrte w Podstwh teoretyznyh. Rysunek 1. Komputerowy model mirezkowni monego kwsu moną zsdą (Coh 6) Komputerowy model mirezkowni monego kwsu moną zsdą (Insight) Model komputerowy mirezkowni słbego kwsu moną zsdą Model opisuje proes dodwni roztworu (monej zsdy) do roztworu HA (słbego kwsu). Rekj kwsu otowego (HA) z wodą nie jest łkowit: kws otowy jest obeny w znznym stężeniu, równoześnie z jonmi Aˉ i jonmi H 3 O +. Jest to spowodowne jego niełkowitą dysojją. Pozątkow objętość roztworu w zlewe jest równ pozątkowej objętośi roztworu kwsu otowego, wzrost objętośi podzs mirezkowni jest Mone i słbe kwsy - 19

20 równy wzrstjąej objętośi (V = 0,001 dm 3, o jest objętośią dodwną n jednostkę zsu). Volume(t) = Volume(t-dt) + (inrese_volume)*dt inrese_volume = V W modelu komputerowym, stężenie jonów H 3 O + w stnie równowgi jest w kżdym kroku symulji oblizne n podstwie ktywnośi ( stężeń pozornyh ) kwsu i zsdy: dwóh substnji, które regują ze sobą, o prowdzi do ustleni się nowego stnu równowgi. Złożono, że rekj zobojętnieni wytwrz jeden jon Aˉ n kżdy jeden dodny jon OHˉ. Innymi słowy, zmienn namin w modelu komputerowym może być użyt w dowolnym momenie do wyznzeni pozątkowej ktywnośi (stężeni pozornego) zsdy. To tłumzy jej użyie w oblizenih, któryh wynikiem jest stężenie jonów H 3 O +. Pozorn pozątkow ilość roztworu kwsu (nha) jest równ HA*VHA moli i ilość t mleje z powodu rekji z zsdą: nha(t) = nha(t-dt) + (-removl_speed_ha)*dt removl_speed_ha = removl_speed_ Pozątkow ilość zsdy jest równ 0 moli. Wypdkow ilość wynik z lizby moli dodnej minus lizb moli zsdy, któr przeregowł. n(t) = n(t-dt) + (ddition_speed_-removl_speed_)*dt ddition_speed_ = *V Pozątkow lizb moli jonów Aˉ wynosi 0 i lizb t wzrst n skutek rekji zobojętnieni kwsu zsdą. namin(t) = namin(t-dt) + (removl_speed_ha)*dt Lizb moli, które przeregowły jest równ lizbie moli, które zostły dodne tk długo jk długo jest więej kwsu HA obenego w roztworze niż dodnej do roztworu zsdy. Odkąd pozątkow ktywność HA jest mniejsz niż ilość dodnego, roztwór nbier odzynu zsdowego i szybkość znikni stje się zero w kżdym nstępnym kroku symulji. If nha >= ddition_speed_*dt Then removl_speed_ = ddition_speed_ Else removl_speed_ = nha/dt EndIf Stężenie jonów H 3 O + jest oblizne z: If nha>10^(-1) Then [H3O+]= (-(K+nAmin/Volume) + sqrt((k+namin/volume)^ + 4*K*nHA/Volume))/ Else [H3O+] = *Kw/(-Kb + sqrt(kb^ + 4*Kb*nAmin/Volume)) EndIf Stężenie jonów OHˉ jest oblizne n podstwie nstępująej zleżnośi: [OH - ] = (n/volume + sqrt((n/volume)^ + 4*Kw))/ (mol/l) Mone i słbe kwsy - 0

21 ph jest oblizne w nstępująy sposób: If n=0 Then ph = -Log([H3O + ]) Else ph = 14+log([OH - ]) EndIf Jko teoretyzną podbudowę powyższyh wzorów polemy rozwżni zwrte w Podstwh teoretyznyh. Komputerowy model mirezkowni słbego kwsu moną zsdą (Coh 6) Komputerowy model mirezkowni słbego kwsu moną zsdą (Insight) Mone i słbe kwsy - 1

22 4. Podejśie dydktyzne Wyżej opisne ztery ćwizeni są hrkterystyzne dl przedstwionego temtu i wzjemnie się uzupełniją. Pierwsze ćwizeni (1A orz 1B) konentrują się n wykonniu i obserwowniu mirezkowń, rejestrowniu krzywyh ph i interpretowniu zmin ph (lub stężeni jonów H 3 O + ) podzs rekji. Drugie ćwizenie poleg n zstosowniu metody mirezkowni, w sposób podobny do stosownego w lbortorih hemiznyh, do wyznzni nieznnego stężeni roztworu kwsu. Dlsze ćwizeni zwierją modele opisywnyh proesów mirezkowń. Proponujemy wykorzystnie tyh modeli jko symulji. Z punktu widzeni efektywnośi nuzni, wygodnie jest rozwżć dw typy umiejętnośi: Umiejętnośi informtyzne, które dotyzą posługiwni się zestwem komputerowym (hrdwrem) i znjomośi hrkterystyznyh eh dnego oprogrmowni. Umiejętnośi metodyzne, które konentrują się n sposobh zstosowni oprogrmowni w kontekśie lekji w elu osiągnięi korzyśi w nuzniu. Njwżniejszym spektem tyh umiejętnośi jest ih stosownie w podejśiu problemowym do nlizy i interpretji dnyh, w elu tworzeni powiązń z już posidną wiedzą (strukturlizj wiedzy). Umiejętnośi te są wżne w odpowiednim przygotowniu uzniów do wykonywni ćwizeń. Dl nuzyieli istotne są również umiejętnośi pedgogizne, które zwiększją efektywność przedstwionyh ćwizeń: Jsne przedstwienie elów kżdego ćwizeni. Rozumienie spejlnej wrtośi metod z zstosowniem TI i wykorzystnie w sensowny sposób ih potenjłu. Przeprowdznie ćwizeń w sposób promująy włśiwe wykorzystnie TI (kosztem bezkrytyznego). Integrownie wiedzy uzysknej we wszystkih ćwizenih w elu lepszego zrozumieni temtu przez uzniów. Ksztłtownie osttniej z przedstwionyh umiejętnośi jest szzególnym elem Projektu IT for US, ćwizeni zostły tk dobrne, by zilustrowć sposób osiągni wspomninej integrji. Porównywnie obserwji i wyników kżdego ćwizeni odgryw entrlną rolę w proesie integrji wiedzy. N przykłd: Zstosownie wyników uzysknyh podzs mirezkowni monego kwsu moną zsdą i modelu (ćwizenie 3 A) do wywołni dyskusji o rekjh monyh kwsów z monymi zsdmi. Mone i słbe kwsy -

23 Zstosownie wyników uzysknyh podzs mirezkowni słbego kwsu moną zsdą i modelu (ćwizenie 3 B) do wywołni dyskusji o rekjh słbyh kwsów z monymi zsdmi. W wymienionyh ćwizenih głównym nrzędziem, ułtwijąym porównnie i interpretję wyników jest wykres, umiejętnośi ogólne dotyząe wykresów stnowią wspólny wątek w ćwizenih wykorzystywnyh w Projekie IT for US. Odpowiednie wyposżenie prowni m wżny wpływ n pomyślną integrję ćwizeń. W przypdku ogrnizonego dostępu do sprzętu komputerowego nuzyiele prwdopodobnie wykonją doświdzeni w formie pokzu. W tym podejśiu nuzyiel może dostrzyć uzniom wielu podpowiedzi dotyząyh porównni ćwizeń. Alterntywą jest wykonnie ćwizeń w młyh 3 4 osobowyh gruph, o pozwl wykorzystć różne formy ktywnośi. Kżd grup może przygotowć prezentję swoih rezulttów dl łej klsy. W ten sposób w rmh kżdej grupy dohodzi do integrji zdobytej wiedzy. Prezentje te mogą posłużyć nuzyielowi do wywołni dyskusji n temt wżnyh wniosków przedstwionyh przez kżdą z grup. Wrto podkreślić, że zprezentowne ćwizeni mogą zostć użyte w różnyh konteksth nuzni. Choiż zostły one zprojektowne, tk by się wzjemnie uzupełniły, nie jest istotne, by wykonć wszystkie. W szzególnym przypdku możn wykonć dw lub trzy zgodnie z potrzebmi nuzyieli i uzniów. W związku z różnimi w relizji progrmu nuzni między szkołmi orz różnimi w obrębie dnej szkoły, możliwość zstosowni ćwizeń jest różnorodn. N przykłd, interfejsy pomirowe mogą nie być dostępne w odpowiednim zsie, niektórzy uzniowie będą wymgć indywidulnego powtórzeni lub rozszerzeni widomośi, wię wzbogenie ćwizeń może być wymgne w zsie wolnym. Istnieje również możliwość skróeni ćwizeni w przypdku brku wystrzjąej ilośi zsu. Wspólne ehy ćwizeń, tkie jk np. grfizny sposób prezentji wyników, sprwiją, że mogą być do pewnego stopni zstąpione jedne drugimi, le już ih ehy wyróżnijąe pozwlją użyć ih jko wzjemne uzupełnienie. Tbel poniżej podsumowuje korzyśi płynąe z zstosowni poszzególnyh form ćwizeń i jest użytezną pomoą, pozwljąą określić wrtość dodną użyi TI. Ćwizeni Pomiry wspomgne komputerowo Modelownie Korzyśi płynąe ze stosowni TI Wykres zmin ph w funkji objętośi jest tworzony podzs wykonywni eksperymentu. Nrzędzi do nlizy wykresu ułtwiją szzegółowe bdnie dnyh. Nrzędzi do przetwrzni dnyh pozwlją oblizyć stężenie jonów H 3 O +. W modelh oblizne są stężeni: [H 3 O + ], [OHˉ] i zminy ph. Modele są stosowne jko symulje. Dne uzyskne w modelh mogą być porównne z dnymi eksperymentlnymi. LITERATURA: Mone i słbe kwsy - 3

24 1. Drehsler M. nd Shmidt H.J., (005), Textbooks nd tehers understnding of id-bse models used in hemistry tehing., Chemistry Edution Reserh nd Prtie, 6 (1), Kousthn M., Demerouti M. nd Tsprlis G., (005), Instrutionl Misoneptions in Aid-Bse Equilibri: An nlysis from history nd philosophy of Siene perspetive, Siene nd Edution, 14, Shmidt H.J., (000), Should Chemistry lessons be more intelletully hllenging?, Chemistry Edution: Reserh nd Prtie in Europe, 1 (1), Shepprd K., High shool students understnding of titrtions nd relted id-bse phenomen, Chemistry Edution Reserh nd Prtie, 006, 7 (1), Vness Kind, Beyond Appernes: Students misoneptions bout bsi hemil ides vilble vi Mone i słbe kwsy - 4

25 5. Zestw środków dydktyznyh do ćwizeń uzniowskih OPROGRAMOWANIE - COACH 6 Rodzj ćwizeni 0. Kontrolne (opjonlnie) 1. Pomiry wspomgne komputerowo Nzw progrmu Coh 6 Coh 6 Dostępne pliki 1. Klibrj biurety CMA sterownej krokowo (plik ćwizeniowy) 0. Clibrtion of CMA stepmotorburette.m 1A. Zobojętninie monyh i słbyh kwsów (plik ćwizeniowy) 1B. Zobojętninie monyh i słbyh kwsów z zstosowniem biurety krokowej (plik ćwizeniowy) 1A. Neutrliztion of strong nd wek ids.m 1B. Neutrliztion of strong nd wek ids with the step-motor burette.m. Pomiry wspomgne komputerowo Coh 6 A. Mirezkownie kwsowo zsdowe (plik ćwizeniowy) B. Mirezkownie kwsowo zsdowe z zstosowniem biurety krokowej (plik ćwizeniowy) A. Aid-bse titrtion.m B. Aid-bse titrtion with the stepmotor burette.m 3. Modelownie Coh 6 3A. Krzyw mirezkowni monyh kwsów 3B. Krzyw mirezkowni słbyh kwsów 3A. Titrtion urve of strong id.m 3B. Titrtion urve of wek id.m Mone i słbe kwsy - 5

26 OPROGRAMOWANIE - INSIGHT Rodzj ćwizeni Nzw progrmu Dostępne pliki 0. Sterownie Insight ilog 0. Step-motor burette librtion 1. Pomiry wspomgne komputerowo. Pomiry wspomgne komputerowo Insight ilog Insight ilog 3. Modelownie Simultion Insight 1A. Aid-bse titrtion set-up A. Aid-bse titrtion 3A. Titrtion urve of strong id 3B. Titrtion urve of wek id WYPOSAŻENIE I MATERIAŁY DO ĆWICZENIA 1 (POMIARY WSPOMAGANE KOMPUTEROWO): Komputer i oprogrmownie ptrz tbel powyżej Interfejsy (CohLb II/II+) Czujnik ph Biuret o pojemnośi 5 m 3 (metod A) lub biuret krokow CMA (metod B) Kilk zlewek o pojemnośi 100 m 3, mieszdło mgnetyzne, wod destylown DO ĆWICZENIA 1 Roztwór wodorotlenku sodu o stężeniu 0,1 mol/dm 3 (mon zsd) Roztwór kwsu solnego HCl o stężeniu 0,1 mol/dm 3 (mony kws) Roztwór kwsu otowego CH 3 COOH (w skróie HA) o stężeniu 0,1 mol/dm 3 (słby kws) DO ĆWICZENIA Kws solny o nieznnym stężeniu Mone i słbe kwsy - 6

27 III. ĆWICZENIA UCZNIOWSKIE ĆWICZENIE 0. KALIBRACJA BIURETY Z SILNIKIEM KROKOWYM Cele nuzni: Wykorzystnie prostego ukłdu mehniznego jko urządzeni pomirowego podłązonego do komputer Klibrj biurety z silnikiem krokowym Umiejętnośi w zkresie posługiwni się TI: Przyłąznie interfejsu i ktutorów Uruhomienie i ztrzymnie progrmu sterująego Klibrj biurety z silnikiem krokowym Umiejętnośi związne ze stosowniem progrmu: Aktywn obserwj podzs doświdzeni Anliz dnyh przy użyiu tbeli Odzytnie wrtośi Mteriły: Interfejs CohLb II/II+ Biuret CMA z silnikiem krokowym (rt. nr 061) zwierją strzykwkę, plstikową rurkę i mikropipetę 100-ml zlewk i wod Zstosown TI: pomiry wspomgne komputerowo Poziom nuzni: 17 lt Zleny sposób prowdzeni ćwizeń: ćwizeni uzniowskie lub pokz przeprowdzony przez nuzyiel Mone i słbe kwsy - 7

28 Przebieg ćwizeni: 1. Podłąz biuretę krokową do wyjść A1, A, B1, B CohLb II/II+. Poprwne podłązenie biurety jest opisne n spodzie biurety.. Przetestuj podłązenie silnik przez uruhomienie zielonego przyisku Strt. Biuret powinn przesuwć się do przodu i popyhć strzykwkę. W przypdku niepoprwnego podłązeni zmień kolejność przewodów. 3. Ustw silnik w odpowiedniej pozyji pozątkowej poprzez ręzne obróenie śruby. 4. Npełnij strzykwkę wodą. Usuń pęherzyki powietrz. 5. Umieść strzykwkę npełnioną wodą i obróć śrubę tk, by kloek dotykł tłok strzykwki. 6. Zwż pustą zlewkę (100-ml) i umieść w niej pipetę. 7. Uruhom biuretę z silnikiem krokowym przez niśnięie przyisku Strt. Silnik biurety będzie uruhomiony ż do niśnięi przyisku <Es>. 8. Ztrzymj biuretę po wykonniu 6500 kroków. 9. Wyznz msę wody w nzyniu, nstępnie określ objętość wody (V). 10. Odzytj dokłdną lizbę kroków (S) z tbeli. 11. Wyznz współzynnik klibrji S/V (kroki/ml). Obliz i zpisz tę wrtość. 1. Powtórz klibrję kilk rzy i wyznz średni współzynnik klibrji. Typow wrtość dl dołązonej strzykwki wynosi 660 [±] kroków/ml. Ćwizenie Coh 6: 0. Clibrtion of CMA step-motor burette Mone i słbe kwsy - 8

29 ĆWICZENIE 1. REAKCJA ZOBOJĘTNIENIA MOCNYCH I SŁABYCH KWASÓW Cele nuzni: Interpretj krzywyh ph i proesów, które wpływją n jej ksztłt Interpretj ksztłtu krzywej mirezkowni dl monyh i słbyh kwsów Zrozumienie rekji zobojętnieni Umiejętnośi w zkresie posługiwni się TI: Zstosown TI: pomiry wspomgne komputerowo Poziom nuzni: 17 lt Zleny sposób prowdzeni ćwizeń: ćwizeni uzniowskie lub pokz przeprowdzony przez nuzyiel Przyłąznie interfejsu i ktutorów Wyzyszzenie i przygotownie zestwu do mirezkowni Uruhomienie i ztrzymnie pomiru Posługiwnie się wzormi Umiejętnośi związne ze stosowniem progrmu: Aktywn obserwj w zsie doświdzeni Ewluj jkośi pomirów Anliz dnyh przy użyiu wykresów Przetwrznie dnyh Mteriły: Interfejs CohLb II/II+ Czujnik ph (domyślnie wybrno zujnik ph CMA 030i) 5-ml biuret (sposób A) lub biuret CMA z silnikiem krokowym (rt. nr 061) (sposób B) Roztwór 0,1 mol/dm3 (M) zsdy sodowej (mon zsd) Roztwór 0,1 mol/dm3 (M) kwsu solnego HCl (mony kws) Roztwór 0,1 mol/dm3 (M) kwsu otowego HC H 3 O (nzywnego też HA) (słby kws) Kilk 100-ml zlewek Mieszdło mgnetyzne + dipol (mgnes ztopiony w teflonie) Wod destylown Mone i słbe kwsy - 9

30 Przebieg ćwizeni: A. Przebieg ćwizeni bez biurety z silnikiem krokowym 1. Przygotownie doświdzeni. UWAGA: Unikć kontktu substnji hemiznyh z ozmi i skórą. Wypłuz włśiwe zęśi zestwu doświdzlnego odpowiednim roztworem. Npełnij biuretę roztworem zsdy sodowej o stężeniu 0,1 mol/dm 3 i umieść biuretę nd zlewką rekyjną. Dodj porjmi do zlewki kws solny HCl o stężeniu 0,1 mol/dm 3. Ustw zlewkę n mieszdle mgnetyznym i włóż do niej dipol. Jeśli nie msz tkiego mieszdł możesz użyć zwykłego mieszdł (lub bgietki). Podłąz zujnik ph do wejśi 1 interfejsu CohLb II/II +. Umouj zujnik ph i umieść jego elektrodę w zlewe tk, by nie mił kontktu z dipolem mieszdł. Roztwór musi być mieszny podzs mirezkowni. W zsie mirezkowni mostek solny zujnik ph musi być znurzony w roztworze.. Rozpoznij pomir przez niśnięie zielonego przyisku Strt. Zznij ostrożnie mieszć z otwrtym zworem biurety by zpewnić śieknie w tempie 1 kropli n sekundę. Tki pomir umożliwi oblizenie objętośi dodnego kwsu w kżdym momenie mirezkowni. 3. Powtórz doświdzenie używją ponownie roztworu zsdy sodowej o stężeniu 0,1 mol/dm 3 jko titrnt i roztworu kwsu otowego HC H 3 O o stężeniu 0,1 mol/dm 3 (słby kws). Pmiętj o umyiu wodą destylowną zlewki rekyjnej i elektrody ph przed powtórzeniem doświdzeni. B. Przebieg ćwizeni z biuretą z silnikiem krokowym 1. Przed rozpozęiem mirezkowni z biuretą krokową CMA musisz określić współzynnik mirezkowni w ćwizeniu kontrolnym. Współzynnik klibrji jest lizbą kroków (obrotów) silnizk biurety, które musi wykonć by dodć 1 ml titrnt. Współzynnik klibrji zostł określony w Ćwizeniu 0. Klibrj biurety z silnikiem krokowym.. Kliknij przyisk Okno Progrmu by otworzyć Okno progrmu. W tym oknie przygotowny jest przykłdowy progrm do sterowni. Wpisz do progrmu współzynnik klibrji uzyskny w zsie Ćwizeni 0. Wypróbuj progrm przez niśnięie zielonego przyisku Strt. Jeśli niezbędne jest wyzyszzenie progrmu i stworzenie nowego, wybierz odpowiednie poleenie z listy poleeń. Dostępne są poniższe poleeni: [steps/ml] = współzynnik klibrji Titrte(;b) gdzie = ilość ml i b = szybkość (duż, średni, woln, brdzo woln) MotorBk() gdzie = lizb ml Uwg: W związku z większą prędkośią mirezkowni (szybkość = duż) silnik dostrz mniejszą siłę. Wtedy kroki mogą być opuszzone. Mone i słbe kwsy - 30

31 Używj tej prędkośi tylko wtedy, gdy silnik nie musi jednoześnie popyhć strzykwki. Prędkość łkowit (ml/s) zleży od typu komputer. 3. Przygotownie doświdzeni. UWAGA: Unikć kontktu substnji hemiznyh z ozmi i skórą. Wypłuz włśiwe zęśi zestwu doświdzlnego odpowiednim roztworem. Npełnij strzykwkę roztworem zsdy sodowej o stężeniu 0,1 mol/dm 3 i umieść ją w biureie. Dodj porjmi do zlewki kws solny HCl o stężeniu 0,1 mol/dm 3. Ustw zlewkę n mieszdle mgnetyznym i włóż do niej dipol. Jeśli nie msz tkiego mieszdł możesz użyć zwykłego mieszdł (lub bgietki). Podłąz zujnik ph do wejśi 1 interfejsu CohLb II/II+. Podłąz biuretę krokową do wyjść A1, A, B1, B CohLb II/II+. Poprwne podłązenie biurety jest opisne n spodzie biurety. Umouj zujnik ph i umieść jego elektrodę w zlewe tk, by nie mił kontktu z dipolem mieszdł. Roztwór musi być mieszny podzs mirezkowni. W zsie mirezkowni mostek solny zujnik ph musi być znurzony w roztworze. 4. Rozpoznij pomir przez niśnięie zielonego przyisku Strt. Zznij mieszć, nstępnie rozpoznij dodwnie roztworu o stężeniu 0,1 mol/dm3. 5. Powtórz doświdzenie używją ponownie roztworu zsdy sodowej o stężeniu 0,1 mol/dm 3 jko titrnt i roztworu kwsu otowego HC H 3 O o stężeniu 0,1 mol/dm 3 (słby kws). Pmiętj o umyiu wodą destylowną zlewki rekyjnej i elektrody ph przed powtórzeniem doświdzeni. Problemy i pytni dotyząe mirezkowni HCl (mony kws) z (mon zsd): 1. Wyznz pozątkową wrtość ph. roztworu kwsu solnego.. Wyznz zminę ph po dodniu 5,0 ml roztworu. 3. Podzs ostrego skoku krzywej mirezkowni kws zostje zobojętniony. Wyjśnij, o to znzy zobojętnić roztwór kwsu. 4. Wyjśnij ngły skok krzywej mirezkowni. 5. Nszkiuj wykres zmin stężeni jonów H 3 O + podzs mirezkowni (pomiń zminy objętośi roztworu podzs mirezkowni). Nszkiuj zminy stężeni jonów OH - n tym smym wykresie. 6. Dlzego wzrost ph ngle się zmniejsz po przekrozeniu punktu równowżnikowego? 7. Nszkiuj wykres zmin stężeni jonów H 3 O + podzs mirezkowni (pomiń zminy objętośi roztworu podzs mirezkowni). Aby sprwdzić swoje przewidywni dodj wykres [H 3 O + ] do wyników pomiru: Niśnij strzłką żółty przyisk Wykres i wybierz Dodj nowy. Nzwij nowy wykres H 3 O + podzs mirezkowni. Dl kolumny C1 wybierz zmienną Objętość. Zznz Oś: poziomą, wpisz włśiwą jednostkę i zkres zmin objętośi. Mone i słbe kwsy - 31

32 Dl kolumny C wybierz Anlogowe We 1:Czujnik ph. Zznz Oś: niewidozn. Dl kolumny C3 wybierz Wzór. Wpisz wzór n obliznie H 3 O + lub utwórz go używją Kretor Wzoru. Wpisz włśiwą jednostkę i zkres. Niśnij OK i umieść wykres w oknie poniżej krzywej mirezkowni. 8. Powtórz poleeni z punktu 7, by utworzyć wykres zmin stężeni jonów OH W punkie równowżnikowym dodno dokłdnie tką ilość zsdy do kwsu, by otrzymć roztwór soli. Jkie jony są obene w przewdze w roztworze w punkie równowżnikowym? 10. Opisz metodę otrzymywni tkie smego roztworu, jk w punkie równowżnikowym zkłdją, że msz do dyspozyji sól w posti stłej i wodę. 11. Czy jony obene w soli wpływją n wrtość ph otrzymnego roztworu? Odpowiedź uzsdnij. 1. Roztwór w punkie równowżnikowym m śiśle określoną wrtość ph. To oznz obeność jonów H 3 O + i jonów OH -. Wyjśnij obeność tyh jonów korzystją z pojęi równowgi hemiznej. 13. Czy stężenie jonów H 3 O + obenyh w punkie równowżnikowym jest źródłem powżnego błędu w wyznzeniu stężeni kwsu metodą mirezkowni? Wyjśnij swoją odpowiedź. Problemy i pytni dotyząe mirezkowni HA (słby kws) z (mon zsd): 1. Wyznz wrtość pozątkową ph roztworu kwsu otowego.. Objętość kropli 0,10 M wynosi ok. 0,05 ml. Wykż wykonują oblizeni, że jedn kropl tkiego roztworu jest w stnie usunąć wszystkie jony H 3 O + z 10 ml roztworu kwsu otowego, przy złożeniu, że równowg nie ustlił się ponownie. 3. Npisz równnie rekji, której równowg determinuje stężenie jonów H 3 O +. Podj wrunek równowgi i znjdź wrtość K. 4. Obliz stopień dysojji kwsu otowego w punkie pozątkowym. 5. Podzs łego mirezkowni dodtek kżdej kropli roztworu powinien mieć o wiele większy efekt niż obserwowny w doświdzeniu. Wyjśnij jk to się m do stężeni jonów otnowyh. Obliz stężenie jonów otnowyh po dodniu 6,00 ml roztworu. Obliz objętość roztworu potrzebną do osiągnięi ph = pk. 6. W punkie równowżnikowym dodno wystrzjąo dużo roztworu do zobojętnieni kwsu. Ponownie stworzyłeś roztwór soli. Jkie jony są obene w przewdze w roztworze? 7. Pewne jony obene w roztworze w punkie równowżnikowym deydują o wrtośi ph > 7. Podj równnie rekji, której równowg odpowid z wrtość ph>7 w punkie równowżnikowym. 8. W roztworh wodnyh zwsze jest oben jeszze jedn równowg kwsowo-zsdow. Wyjśnij dlzego jej obeność może być pominięt. Mone i słbe kwsy - 3

33 9. Wyjśnij, dlzego mirezkownie mogłoby być zstosowne do wyznzeni stężeni kwsu otowego. 10. Opisz różnie między wykresem mirezkowni uzysknego dl monego kwsu wykresem mirezkowni uzysknego dl słbego kwsu. Wyjśnij te różnie powołują się n odpowiednie równowgi hemizne. 11. W drugim mirezkowniu wykres [HA] opd nieml liniowo podzs mirezkowni. Wytłumz dlzego. Anliz wyników: Uzniowie nlizują krzywe mirezkowni i zminy ph podzs dodwni roztworu zsdy do roztworów kwsu. Określją korelję między stężeniem jonów H 3 O + i ph. Wyznzją punkt równowżnikowy w njbrdziej stromym i njbrdziej płskim frgmenie wykresu stosują opję Różnizkownie. Przykłdowe dne: zobojętninie monego kwsu moną zsdą Ćwizenie Coh 6: 1A. Neutrliztion of strong nd wek ids 1B. Neutrliztion of strong nd wek ids with the step-motor burette Mone i słbe kwsy - 33

34 ĆWICZENIE. MIARECZKOWANIE KWAS - ZASADA Cele nuzni: Wyznzenie nieznnego stężeni roztworu kwsu przy użyiu metody mirezkowni Zrozumienie metody mirezkowni Umiejętnośi w zkresie posługiwni się TI: Przyłąznie interfejsu i ktutorów Wyzyszzenie i przygotownie zestwu do mirezkowni Uruhomienie i ztrzymnie pomiru Posługiwnie się wzormi Zstosown TI: pomiry wspomgne komputerowo Poziom nuzni: 17 lt Zleny sposób prowdzeni ćwizeń: ćwizeni uzniowskie lub pokz przeprowdzony przez nuzyiel Umiejętnośi związne ze stosowniem progrmu: Aktywn obserwj w zsie doświdzeni Ewluj jkośi pomirów Anliz dnyh przy użyiu wykresów Przetwrznie dnyh Mteriły: Interfejs CohLb II/II+ Czujnik ph (domyślnie wybrno zujnik ph CMA 030i) Biuret CMA z silnikiem krokowym (rt. nr 061) używn w metodzie B Roztwór 0,1 mol/dm 3 (M) zsdy sodowej (siln zsd) Kws solny HCl o nieznnym stężeniu Kilk 100-ml zlewek Mieszdło mgnetyzne + dipol (mgnes ztopiony w teflonie) Wod destylown Mone i słbe kwsy - 34

35 Przebieg ćwizeni: 1. Przed rozpozęiem mirezkowni z biuretą krokową CMA nleży określić współzynnik klibrji w ćwizeniu kontrolnym. Współzynnik klibrji jest lizbą kroków silnizk biurety, które musi wykonć by dodć 1 ml titrnt. Współzynnik klibrji zostł określony w Ćwizeniu 0. Klibrj biurety z silnikiem krokowym.. Przygotownie doświdzeni. UWAGA: Unikć kontktu substnji hemiznyh z ozmi i skórą. Wypłuz włśiwe zęśi zestwu doświdzlnego odpowiednim roztworem. Metod A: Npełnij biuretę roztworem zsdy sodowej o stężeniu 0,1 mol/dm 3 i umieść biuretę nd zlewką rekyjną. Metod B: Npełnij strzykwkę roztworem zsdy sodowej o stężeniu 0,1 mol/dm 3 i umieść w biureie CMA. Z pomoą pipety odmierz śiśle określoną objętość kwsu o nieznnym stężeniu do zlewki. Ustw zlewkę n mieszdle mgnetyznym i włóż do niej dipol. Jeśli nie msz tkiego mieszdł możesz użyć zwykłego mieszdł (lub bgietki). Podłąz zujnik ph do wejśi 1 interfejsu CohLb II/II+. Podłązyć biuretę krokową do wyjść A1, A, B1, B CohLb II/II+. Poprwne podłązenie biurety jest opisne n spodzie biurety. Umouj zujnik ph i umieść jego elektrodę w zlewe tk, by nie mił kontktu z dipolem mieszdł. Roztwór musi być mieszny podzs mirezkowni. W zsie mirezkowni mostek solny zujnik ph musi być znurzony w roztworze. 3. Rozpoznij pomir przez niśnięie zielonego przyisku Strt. Zznij mieszć, nstępnie rozpoznij dodwnie roztworu. Problemy i pytni: Określ objętość roztworu dodnego w punkie równowżnikowym. Obliz ilość moli użytej zsdy sodowej. Zpisz równnie rekji zobojętnini i określ lizbę moli użytego kwsu. Znją pozątkową objętość roztworu kwsu w zlewe obliz stężenie kwsu. Anliz wyników: Przykłdowe oblizeni: Stężenie ( ) = 0,1 mol/dm 3 Objętość dodn przed njwiększym wzrostem ph = 10,10 ml Objętość dodn po njwiększym wzrośie ph = 10,15 ml Mone i słbe kwsy - 35