Miareczkowanie potencjometryczne

Transkrypt

1 Miareczkowanie potencjometryczne Miareczkowanie potencjometryczne polega na mierzeniu za pomocą pehametru zmian ph zachodzących w badanym roztworze pod wpływem dodawania do niego mol ściśle odmierzonych objętości titranta o dokładnie znanym stężeniu (±0,000 ). dm Metody potencjometryczne stosuje się w analizie ilościowej mocnych i słabych kwasów do ich miareczkowania roztworem zasadowym (oznaczenia alkalimetryczne), jak też mocnych i słabych zasad do miareczkowania ich roztworem kwasu (oznaczenia acydymetryczne). Główną zaletą miareczkowania potencjometrycznego jest to, że może być wykorzystane do analizy roztworów mętnych, fluoryzujących, opalizujących i zabarwionych, kiedy nie jest możliwe użycie klasycznych, barwnych wskaźników kwasowo-zasadowych. Ponadto metoda ta pozwala na znacznie dokładniejsze, w porównaniu z metodami klasycznymi, wyznaczenie punktu końcowego miareczkowania, a więc daje dokładniejsze wyniki oznaczenia. Wykonanie oznaczenia Miareczkowanie potencjometryczne wykonuje się w zestawie przedstawionym na zdjęciu. Przed rozpoczęciem pomiarów pehametr należy wykalibrować (zgodnie z instrukcją obsługi przyrządu podaną przez prowadzącego ćwiczenia), zanurzając jego ogniwo pomiarowe w roztworach buforowych o danych wartościach ph. Ogniwo pomiarowe pehametru, przechowywane w nasyconym roztworze KCl, należy przed pomiarem wyjąć z tego roztworu i starannie opłukać wodą destylowaną, tak, aby jego górna część pozostała sucha (w razie potrzeby można tę część wytrzeć bibułą filtracyjną). Zlewkę z analizowanym roztworem, zawierającą mieszalnik magnetyczny (mały magnes), umieszcza się na płycie mieszadła magnetycznego. W roztworze zanurza się umieszczone w łapie statywu ogniwo pomiarowe (zespoloną elektrodę pomiarową) podłączone do pehametru. Jeżeli pomiar wymaga kontrolowania temperatury (tzw. pomiar z kompensacją temperatury), to w zlewce umieszcza się również

2 podłączony do pehametru termometr kontaktowy. Nad zlewką mocuje się biuretę z roztworem miareczkującym, tak aby wypływające z niej krople titranta trafiały do roztworu, a nie rozlewały się po ściankach zlewki.

3 Po uruchomieniu mieszadła dokonuje się pierwszego odczytu ph odpowiadającego początkowej objętości titranta V titranta 0,00 cm. Następnie dodaje się ściśle określone porcje titranta (początkowo najczęściej po,00 cm ), po każdej porcji roztwór należy dobrze wymieszać, aż ustali się ph, które odczytuje się na pehametrze. W miarę zbliżania się do punktu równoważności stechiometrycznej reakcji (zmiany ph pomiędzy dwoma pomiarami są większe niż 0,5 jednostki ph) należy zmniejszyć objętość dodawanych porcji titranta do 0,50 cm. Gdy zmiany ph dla tej objętości staną się większe niż 0,5 jednostki ph należy ponownie zmniejszyć objętość dodawanego titranta do 0,20 cm, a następnie do 0,0 cm. Po przekroczeniu punktu równoważności stechiometrycznej zmiany ph stają się coraz mniejsze. Gdy wyniosą 0,2 jednostki ph lub mniej, zwiększa się objętość titranta, początkowo do 0,20 cm, a następnie w miarę malejących zmian ph do 0,50 cm i wreszcie do,00 cm. Po zwiększeniu dodawanych porcji do,00 cm dokonuje się jeszcze 5 pomiarów i kończy miareczkowanie. Wyniki otrzymane w trakcie miareczkowania wpisuje się do tabeli (patrz tab. * ), w której podaje się: kolumna : numer kolejnego pomiaru (n), kolumna 2: objętość titranta (V titrant ), kolumna : zmierzone wartości ph dla danej objętości titranta. * Tabela zawiera wyniki przykładowe, wpisane na potrzeby sporządzenia przykładowych wykresów (rys. i 2).

4 Tabela. Przykładowe wyniki miareczkowania potencjometrycznego L.p. (n) V titrant [cm ] ph V ph V ph V V 0,0,0 2,0,8 2,0,26,0,5 5,0,5 6 5,0,58 7 6,0,72 8 6,5,80 9 7,0,9 0 7,5,06 8,0,6 2 8,2,58 8,,92 8,6 5,5 5 8,7 5,92 6 8,8 6, 7 8,9 7,05 8 9,0 7,76 9 9, 8,9 20 9,2 8,89 2 9, 9, , 9,5 2 9,6 9,89 2 9,8 0,6 25 0,0 0,7 26 0,2 0,52,0 0,08 0,5 0,08,0 0,08,5 0,08,0 0,09 2,5 0,09,0 0,0,5 0,0,0 0,,5 0,,0 0, 5,5 0, 0,5 0,08 6,25 0,6 0,5 0, 6,75 0,22 0,5 0, 7,25 0,28 0,5 0,0 7,75 0,60 0,2 0,22 8,0,0 0,2 0, 8,0,70 0,2 0,59 8,50 2,95 0, 0, 8,65,0 0, 0,5 8,75 5,0 0, 0,62 8,85 6,20 0, 0,7 8,95 7,0 0, 0,6 9,05 6,0 0, 0,50 9,5 5,00 0, 0,0 9,25,00 0, 0,25 9,5 2,50 0,2 0,5 9,50,75 0,2 0,27 9,70,5 0,2 0,2 9,90,05 0,2 0,5 0,0 0,75

5 Opracowanie wyników Objętość titranta zużytą do osiągnięcia punktu równoważności stechiometrycznej reakcji znajduje się graficznie na podstawie wykresu funkcji ph f(v) (zależność ph roztworu od objętości dodanego titranta) oraz wykresu ph pierwszej pochodnej tej funkcji, czyli: V f ( V ) V. Wykres ph f(v) w punkcie równoważności stechiometrycznej reakcji przechodzi przez punkt przegięcia (patrz rys. ** ). 2 Wykres zależności ph roztworu od objętości dodanego titranta 0 9 ph V titrant [cm ] ph Natomiast wykres pierwszej pochodnej tej funkcji f ( V ) V przy objętości titranta dla punktu końcowego reakcji wykazuje maksimum (patrz rys. 2). Wykres zależności I pochodnej od objętości V ph/ V V [cm ] ** Wykresy rys. i rys.2 sporządzono na podstawie przykładowych wartości podanych w Tabeli.

6 Pozostałe wartości konieczne do narysowania wykresów, które należy wpisać do tabeli, oblicza się w sposób następujący: kolumna tabeli: V (zmiana objętości) gdzie: n kolejny numer pomiaru V V n + V n kolumna 5: ph (zmiana ph dla kolejnych pomiarów) ph ph n + ph n kolumna 6: V (objętość, dla której liczona jest wartość pierwszej pochodnej) V V n+ + V 2 n kolumna 7: ph V V wartość pierwszej pochodnej dla objętości V równa ph ph ph n + ph V V V V V n+ n n Wyznaczoną z wykresów objętość titranta zużytą do uzyskania punktu końcowego reakcji wykorzystuje się do obliczenia ilości kwasu lub zasady w roztworze miareczkowanym w sposób analogiczny jak w przypadku miareczkowania z użyciem wskaźników kwasowo-zasadowych.

7 Miareczkowanie potencjometryczne w układzie kwas zasada Odczynniki Roztwory buforowe do kalibracji pehametru (wskazane przez asystenta), mianowany roztwór titranta: roztwór wodorotlenku mol sodu o stężeniu 0,000, dm próbka roztworu do analizy wskazana przez asystenta (napoje typu cola, soki owocowe). Szkło i sprzęt laboratoryjny Pehametr, mieszadło magnetyczne, mieszalnik (magnes), zespolona elektroda pomiarowa, dwa statywy laboratoryjne z łącznikami i łapami, biureta, zlewka (250 cm ), tryskawka z wodą destylowaną Wykonanie Próbkę analizowanego roztworu przenieść ilościowo do zlewki, rozcieńczyć wodą destylowaną do około 00 cm, do zlewki włożyć mieszalnik magnetyczny. Zlewkę umieścić na płycie mieszadła magnetycznego. Elektrodę zespoloną (ogniwo pomiarowe) podłączoną do pehametru zamocować w łapie statywu, przemyć wodą destylowaną i zanurzyć do roztworu w zlewce. Biuretę zamocowaną w drugim statywie napełnić do kreski zerowej mianowanym roztworem titranta i umieścić nad zlewką z analizowanym roztworem (wylot biurety powinien znajdować się nad powierzchnią cieczy). Po uruchomieniu mieszadła magnetycznego (upewnić się, że mieszalnik nie uderza w elektrodę lub ścianki zlewki), zmierzyć ph początkowe roztworu i zapisać w tabeli wyników (tab. ). Do roztworu w zlewce dodawać z biurety po cm roztworu titranta i po wymieszaniu każdej porcji oraz ustabilizowaniu się wartości ph na wyświetlaczu pehametru, zapisać wyniki w tabeli. W miarę zbliżania się do punktu równoważnikowego reakcji (dużo większe zmiany ph na jednostkę objętości) zmniejszyć objętość dodawanego roztworu titranta do 0,5 cm, następnie do 0,2 cm i wreszcie do 0, cm, odczytując każdorazowo wartość ph z wyświetlacza pehametru

8 i zapisując w tabeli. Wyniki opracować według podanego niżej schematu postępowania. Środki ostrożności Elektroda szklana ma delikatne zakończenie i bardzo łatwo ulega stłuczeniu dla uniknięcia uszkodzenia należy jej używać zgodnie ze wskazówkami podanymi przez asystenta. Postępowanie z odpadami Roztwory ze zlewek pomiarowych można wylać do zlewu. Uważać, by mieszalnik magnetyczny nie wpadł przy tym do kanalizacji! Opracowanie wyników Objętość titranta zużytego w miareczkowaniu do osiągnięcia punktu równoważności stechiometrycznej reakcji miareczkowania mocnego kwasu (HCl) mocną zasadą (NaOH) wyznacza się graficznie, rysując (na papierze milimetrowym) na podstawie otrzymanych wyników dwa wykresy:. wartości ph w funkcji objętości dodawanego titranta (V): ph f(v) (jak przykładowy wykres na rys. ) oraz 2. wartości pierwszej pochodnej w funkcji objętości V : ph V f ( V ) (jak przykładowy wykres na rys. 2). Wyznaczenie punktu równoważnikowego zachodzącej reakcji Z pierwszego wykresu objętość roztworu titranta zużytą na zmiareczkowanie próbki roztworu należy wyznaczyć graficzną metodą stycznych. W tym celu kreśli się styczne do dolnej i górnej części wykresu (S i S 2 ) (rys. ). Następnie rysuje się trzecią oś (S ) równoległą do osi S i S 2 i leżącą dokładnie w połowie odległości między nimi. Rzut punktu przecięcia tej linii z krzywą funkcji ph f(v) wyznacza objętość titranta użytego do osiągnięcia punktu równoważnikowego reakcji (w przykładzie V 8,9 cm ).

9 2 Wykres zależności ph roztworu od objętości dodanego titranta S ph 8 7 S 6 5 S V titrant [cm ] Objętość titranta (V ) dla punktu końcowego z wykresu pierwszej pochodnej ph V f ( V ) V, odpowiada odciętej punktu maksimum na wykresie (rys. ), która w tym przypadku wynosi 8,95 cm. Wykres zależności I pochodnej od objętości V ph/ V V [cm ]

10 Znając objętość titranta dla punktu końcowego miareczkowania (średnia z obu wyznaczonych graficznie objętości) i jego dokładne stężenie oblicza się masę oznaczanej substancji w roztworze analogicznie jak w alkacymetrii wg poniższego przykładu. W przypadku, gdy jest znana początkowa objętość badanego roztworu, z uzyskanych wyników można także wyznaczyć stężenie roztworu miareczkowanego. Przykładowe obliczenia dla alkalimetrycznego oznaczania kwasu ortofosforowego(v) Temat: obliczyć ilość gramów H PO zawartych w badanej próbce, jeśli jako wynik miareczkowania potencjometrycznego uzyskano wartość (dla I punktu przegięcia wykresu funkcji ph f(v)) 8,9 cm roztworu wodorotlenku sodu o stężeniu 0,055 mol dm.. W 000 cm roztworu NaOH o stężeniu 0,055 mol dm wodorotlenku, zatem w 8,9 cm powinno się go znaleźć: 000 cm 8,9 cm 0,055 mola x x 8,9 0,055 0,0009 9, znajduje się 0,055 mola czystego chemicznie cm mol mol cm 2. Zgodnie z równaniem reakcji: NaOH + H PO NaH 2PO + H 2O (I stała dysocjacji kwasu 2 ortofosforowego(v) odpowiadająca I punktowi przegięcia funkcji ph f(v)), mol NaOH reaguje z molem H PO, zatem 9, 0 mola zasady reaguje z 9, 0 mola kwasu: mol H PO x mola H PO 9, 0 mol NaOH mola NaOH x 2 9, 0 9, 0 mol mol mol HPO mol. mol H PO ma masę 97,99 g, zatem 9, 0 mola odpowiada: 9, 0 mol H PO mola H PO 97,99 g x x 9, 0 97,99 mol g 0,092 g 92, mg HPO mol W próbce znajdowało się 0,092 g kwasu ortofosforowego(v). Jeśli dodatkowo należy wyznaczyć stężenie H PO w próbce, można to zrobić gdy znana jest objętość próbki. Zakładając że ta objętość wynosiła 50 cm, stężenie obliczamy biorąc do obliczeń wartość x 2 z etapu 2 podanego powyżej. Skoro w 50 cm roztworu znajdowało się 9, 0 mola kwasu, to w 000 cm znajdzie się: 9, 0 mola H PO x 50 cm roztworu 000 cm roztworu 9, mol cm x 0, cm mol HPO Ponieważ 000 cm to dm stężenie molowe kwasu ortofosforowego(v) w badanej próbce wynosi 0,089 mol/dm.