Katedra Chemii Fizycznej Uniwersytetu Łódzkiego. Wyznaczanie stałej dysocjacji kwasu mlekowego metodą potencjometryczną

Transkrypt

1 Ktedr Chemii Fizycznej Uniwersytetu Łódzkiego Wyzncznie stłej dysocjcji kwsu mlekowego metodą potencjometryczną opiekun ćwiczeni: dr K. Kublczyk ćwiczenie nr 12 Zkres zgdnień obowiązujących do ćwiczeni 1. Definicj kwsów i zsd. 2. Równowgi kwsowo-zsdowe. 3. Rol rozpuszczlnik w procesie dysocjcji. 4. Pomir ph roztworu. 5. Budow i zsd dziłni elektrod odwrclnych względem jonów wodorowych orz elektrod odniesieni. Litertur 1. Prc zbiorow pod red. Woźnickiej J. i Piekrskiego H. Ćwiczeni lbortoryjne z chemii fizycznej, Wydwnictwo UŁ, Łódź Libuś W., Libuś Z., Elektrochemi, PWN, Wrszw Prc zbiorow pod red. Bielńskiego A., Chemi fizyczn, PWN, Wrszw Sobczyk L., Kisz A., Gtner K., Koll A., Eksperymentln chemi fizyczn, PWN, Wrszw Sobczyk L., Kisz A., Chemi fizyczn dl przyrodników, PWN, Wrszw Kisz A., Elektrochemi I, WNT, Wrszw Atkins P. W., Chemi fizyczn, Wydwnictwo Nukowe PWN, Wrszw Minczewski J., Mrczenko Z., Chemi nlityczn, t. 3, PWN, Wrszw Oprcownie ćwiczeni: dr A. Piekrsk

2 Celem ćwiczeni jest wyznczenie stłej dysocjcji kwsu mlekowego metodą potencjometryczną Ukłd pomirowy Do pomiru ph bdnego roztworu stosowny jest pehmetr typu N 5170E, zoptrzony w elektrodę kombinowną typu OSH orz czujnik tempertury. Odczynniki chemiczne i sprzęt lbortoryjny: kws mlekowy (0,01 mol dm -3 ), NOH (0,05 mol dm -3 ), bufor (N 2 HPO 4 C 6 H 8 O 7 H 2 O) o ph = 3,00±0,05, biuret utomtyczn, 2 zlewki (100 cm 3 ) i (150 cm 3 ), mieszdło mgnetyczne, pipet (25 cm 3 ), gruszk gumow, tryskwk z wodą destylowną. Wykonnie ćwiczeni i przedstwienie wyników pomirów 1. Włączyć pehmetr do sieci. 2. Zlewkę o pojemności 100 cm 3 npełnić roztworem buforowym o wrtości ph = Elektrodę pomirową wyjąć ze zlewki z wodą destylowną, osuszyć z pomocą bibuły, nstępnie znurzyć w zlewce z buforem. 4. Uruchomić pehmetr wyłącznikiem znjdującym się n prwej bocznej ścince przyrządu. Ustwić przełącznik zkresu pomirowego n pomir ph Pokrętłem klibrcj ustwić n skli przyrządu wrtość ph odpowidjącą wrtości ph roztworu buforowego, czyli ph = Do zlewki o pojemności 150 cm 3 odmierzyć dokłdnie z pomocą pipety 75 cm 3 roztworu kwsu mlekowego o stężeniu 0,01 mol dm Przenieść elektrodę pomirową do zlewki z roztworem kwsu mlekowego. Mireczkownie wstępne 8. Wykonć mireczkownie wstępne bdnego roztworu. W tym celu roztwór kwsu mlekowego mireczkowć roztworem NOH o stężeniu c = 0,05 mol dm -3, dodjąc kżdorzowo po 1,0 cm 3 zsdy. Po dokłdnym wymieszniu roztworu odczytć wrtość jego ph n skli pehmetru. Mireczkownie zkończyć, gdy ph roztworu osiągnie wrtość 11,5. N podstwie uzysknych dnych lub wykonnego odręcznie wykresu, ocenić zkres ph w pobliżu punktu równowżnikowego. 2

3 Mireczkownie dokłdne 9. Mireczkownie kwsu wykonć ponownie w tki sposób, by uzyskć duże zgęszczenie pomirów n łukch krzywej mireczkowni orz w pobliżu punktu równowżnikowego. W tym celu roztwór NOH nleży początkowo dodwć po 0,5cm 3, w pobliżu punktu końcowego mireczkowni po 0,1cm Po zkończeniu ćwiczeni przemywć elektrodę wodą destylowną ż do osiągnięci wrtości ph = 7, nstępnie umieścić ją w zlewce z wodą destylowną. Tbel wyników V NOH [cm 3 ] 0 0,5 1 1,5 ph ph V [cm 3 ] ph/ V [cm -3 ] Oprcownie i dyskusj wyników pomirów Metod grficzn uzyskni stłej dysocjcji kwsu mlekowego ( p K ) grf 1. Sporządzić wykres zleżności ph = f(v NOH ) krzyw cłkow. 2. Wyznczyć punkt końcowy mireczkowni metodą pierwszej pochodnej, tzn. wykreślić funkcję ph/ V = f(v NOH ) (krzyw różniczkow). Wykres sporządzić w zkresie 9 16 cm 3 dodwnej zsdy. Otrzymne wrtości pochodnych ph/ V odkłd się w funkcji objętości w środku odcink osi V odpowidjącego dodnej porcji odczynnik. 3. Odczytć dokłdną wrtość objętości zsdy NOH, któr odpowid mksimum n krzywej różniczkowej. Mksimum krzywej ph/ V = f(v) rzutowne n oś odciętych wyzncz objętość odczynnik (NOH) odpowidjącą punktowi końcowemu mireczkowni. Obliczyć rzeczywiste stężenie kwsu mlekowego wziętego do mireczkowni (c 0 HA ). 4. Odczytć z wykresu ph = f(v NOH ) wrtość ph roztworu kwsu, gdy zostł on w połowie zmireczkowny ( c HA c ). W tych wrunkch równnie Henderson Hsselblch, w którym A p K ozncz stłą dysocjcji słbego kwsu, cha stężenie kwsu w roztworze po dodniu określonej ilości zsdy, c A stężenie sprzężonej z kwsem zsdy: 3

4 cha p K = ph+ lg (1) c A przyjmuje postć: p K = ph tym smym odczytn przez ns wrtość ph jest równ poszukiwnej wrtości ( p K ) grf. Oblicznie stłej dysocjcji kwsu mlekowego n podstwie krzywej mireczkowni 1. Korzystjąc ze wzoru Henderson Hsselblch (1) obliczyć p K kwsu mlekowego dl poszczególnych pomirów. Do obliczeń nleży brć pod uwgę wrtości ph z początkowego zkresu mireczkowni (obszr prostoliniowy). Wyznczyć wrtość średnią p K. 2. Obliczyć średni błąd kwdrtowy średniej wrtości p K wg wzoru: S p K = n ν i= 1 2 i n( n 1) gdzie: ν = p K i p K, n liczb pomirów. 3. Porównć uzyskne dwiem metodmi wrtości p K kwsu mlekowego ( p K ) grf i ( p K ) num z wrtością literturową ( p K ) lit. Zinterpretowć otrzymne wyniki. 4. Do sprwozdni dołączyć wykresy wykonne n ppierze milimetrowym. Tbel wyników obliczeń Objętość dodnego NOH [cm 3 ] ph Stężenie kwsu c HA [mol dm -3 ] Stężenie zsdy c A - [mol dm -3 ] p K p K ν 2 i ν i S p K 0,5 1 1,5. Zestwienie wrtości stłych kwsowych kwsu mlekowego ( p K ) grf p K ( p K ) lit 4

5 Pomir ph Pomiru wrtości ph (zgodnie z definicją ph = lg + ) dokonuje się poprzez wyznczenie ktywności jonów wodorowych znjdujących się w roztworze. Aktywność H 3 O + możn uzyskć n podstwie pomiru siły elektromotorycznej (SEM) ogniw zbudownego z elektrody odwrclnej względem jonów wodorowych orz elektrody odniesieni. Do elektrod odwrclnych względem jonów wodorowych nleżą nstępujące elektrody: wodorow (H + /H 2,1br,Pt), ntymonow (H + /Sb 2 O 3,Sb) orz chinhydronow (H + /Q,QH 2 /Pt). Potencjł kżdej z nich opisuje tk sm zleżność: E = E 0 + RT F ln H + 3 O Wrtości potencjłów poszczególnych elektrod różnią się jednk między sobą z powodu różnych wrtości potencjłów stndrdowych E 0. Potencjł stndrdowy elektrody wodorowej jest równy zeru, podczs gdy elektrody ntymonowej i chinhydronowej przybierją określone wrtości chrkterystyczne dl kżdej z nich. Jko elektrody odniesieni zwykle używ się elektrody II rodzju odwrclnej względem nionu. Zzwyczj są to elektrody klomelow (Cl - /Hg 2 Cl 2,Hg) lub chlorosrebrow (Cl - /AgCl,Ag), których potencjły w dnych wrunkch ciśnieni i tempertury zleżą wyłącznie od ktywności jonów chlorkowych obecnych w roztworze. W celu uzyskni stłej wrtości potencjłu elektrody odniesieni w dnych wrunkch, niezleżnej od stężeni jonów chlorkowych stosuje się elektrody nsycone, w których stężenie jonów chlorkowych zleży wyłącznie od rozpuszczlności elektrolitu w dnej temperturze. Sił elektromotoryczn ogniw zbudownego z elektrody odwrclnej względem jonów wodorowych i elektrody odniesieni o stłym i znnym potencjle pozwl obliczyć ph roztworu. N przykłd, znjąc SEM ogniw zbudownego z elektrody wodorowej i nsyconej elektrody klomelowej możn obliczyć ph roztworu z równni: 0,2444 ph = E 0,0591 gdzie: 0,2444V wrtość potencjłu nsyconej elektrody klomelowej, 0,0591 wrtość ilorzu 2,303RT/F w temperturze 298K. H 5

6 Kżd z wyżej przedstwionych elektrod odwrclnych względem jonów wodorowych m pewne ogrniczeni. Elektrody wodorowej nie możn używć w roztworch zwierjących substncje dezktywujące powierzchnię pltyny, zś elektrody chinhydronowej w roztworch o ph > 8. W prktyce, zmist wymienionych wyżej elektrod stosuje się elektrodę szklną. Elektrod szkln nie jest elektrodą odwrclną względem jonów wodorowych, chociż doświdczlnie stwierdzono, że zchowuje się tk, jk omówione wyżej elektrody tego typu. Stnowi ją rurk szkln zkończon cienkościenną bnieczką wykonną ze specjlnego szkł o ściśle określonym skłdzie chemicznym. Bnieczk wypełnion jest roztworem o stłej wrtości ph, zwierjącym jony Cl (np. HCl o stężeniu 0,1 mol dm -3 ). W roztworze tym umieszczon jest elektrod chlorosrebrn, któr spełni tutj tylko rolę niepolryzowlnego kontktu elektrycznego. Bnieczk szkln stnowi membrnę, któr oddziel bdny roztwór o nieznnym ph od wewnętrznego roztworu, o stłej wrtości ph. Rekcj elektrody szklnej n zminę ktywności jonów wodorowych jest wynikiem złożonego procesu zchodzącego pomiędzy powierzchnią membrny, roztwormi po obu jej stronch. Potencjł elektrody szklnej zleży od stosunku stężeni jonów wodorowych w roztworze wewnętrznym i zewnętrznym. Jk wcześniej wspomnino, wewnątrz bnieczki utrzymywne jest stłe stężenie jonów wodorowych, ztem potencjł elektrody zleży od ktywności jonów wodorowych znjdujących się w roztworze zewnętrznym, w którym elektrod jest znurzon. Zleżność tę wyzncz się przez klibrcję elektrody w roztworch buforowych o znnej wrtości ph. Przyjmuje się, że potencjł elektrody szklnej jest równy zeru (E = 0), gdy ph roztworu jest równe 7. Często elektrodę szklną łączy się z elektrodą chlorosrebrną jko elektrodą odniesieni w jednej obudowie. Elektrod tk nosi nzwę elektrody kombinownej, chociż fktycznie jest ogniwem pomirowym, przeznczonym do pomirów ph roztworów wodnych. Siłę elektromotoryczną ogniw, którego jedną z elektrod jest elektrod szkln mierzy się przy pomocy mikrowoltomierzy, które ze względu n brdzo duży opór bnieczki szklnej muszą zwierć ukłdy wzmcnijące. Przyrządy tkie nzwne zostły pehmetrmi i dją możliwość odczytu zrówno SEM, jk i ph. Wrtość ph roztworu możn bezpośrednio odczytć ze skli pehmetru po uprzedniej klibrcji elektrody. 6