Laboratorium z przedmiotu chemia
Reakcje kwasów i zasad. Miareczkowanie kwasowo-zasadowe
Ćwiczenie laboratoryjne nr 1
Miareczkowanie kwasowo-zasadowe
I. CZŚĆ TEORETYCZNA
1. Definicja pH
Idealnie czysta woda (np. woda destylowana) charakteryzuje się bardzo słabym
przewodnictwem elektrycznym. Popularnie mówimy, że zle przewodzi prąd elektryczny.
Woda jest zatem bardzo słabym elektrolitem, który w bardzo małym stopniu ulega dysocjacji.
H2O Dð H+ + OH-
Proces dysocjacji wody polega, na oddziaływaniu ujemnym biegunem jednej cząsteczki wody
na drugÄ… co powoduje jej rozpad. Proton zostaje zwiÄ…zany przez wolne elektrony tlenu i
w ten sposób powstaje jon hydroniowy H3O+.
-ð
H+ + H O H Šð [H3O]+
-ð
Dysocjację wody (autodysocjacja) lepiej opisuje równanie reakcji dwóch cząsteczek wody:
H2O + H2O Dð H3O+ + OH-
Równowagę między jonami H3O+ i OH-, a niezdysocjowaną cząsteczką wody można wyrazić
za pomocą stężeniowej stałej równowagi chemicznej, nazywanej tez stałą dysocjacji wody:
-ð
[H3O+ð][OH ]
K =ð
[H2O]2 ,
gdzie: symbole [H3O+], [OH-] i [H2O] oznaczają stężenia molowe odpowiednio: jonów
hydroniowych, jonów wodorotlenowych i wody.
W równaniu na stała dysocjacji stężenie wody może być uznane za wartość stałą,
ponieważ liczba cząsteczek zdysocjowanych jest niewielka w stosunku do ogólnej liczby
czÄ…steczek wody. Zatem iloczyn K ×ð [H2O]2 = Kw jest wielkoÅ›ciÄ… staÅ‚Ä… i zwany jest iloczynem
jonowym wody.
Kw = K ×ð [H2O]2 = [H3O+] [OH-]
W temperaturze 25°ðC (298K) dla idealnie czystej wody stężenie jonów hydroniowych jest
równe stężeniu jonów wodorotlenowych i wynosi
[H3O+] = [OH-] = 1×ð 10-7 mol/dm3.
StÄ…d:
Kw = [H3O+] [OH-] = 1×ð 10-14 mol/dm3
Wydział Nowych Technologii i Chemii, Instytut Chemii 1
Click here to get your free novaPDF Lite registration key
Laboratorium z przedmiotu chemia
Reakcje kwasów i zasad. Miareczkowanie kwasowo-zasadowe
Miarą kwasowości roztworu wodnego jest stężenie jonów wodorowych. Dla
wszystkich roztworów obojętnych [H3O+] = 10-7 mol/dm3, kwaśnych [H3O+] > 10-7 mol/dm3,
a zasadowych [H3O+] < 10-7 mol/dm3.
Rysunek ilustrujący wartości pH, [H3O+], OH- i pOH.dla roztworów wodnych.
Dodanie jakiegokolwiek kwasu doprowadza do zwiększenia stężenia jonów
wodorowych, a równocześnie ulega zmniejszeniu stężenie jonów wodorotlenowych, których
część łączy się z jonami H+ w niezdysocjowane cząsteczki wody.
Analogicznie dodanie zasady zwiększa stężenie jonów OH- i zmniejsza stężenie jonów
wodorowych. Wartość iloczynu jonowego wody pozostaje w obu przypadkach nie zmieniona
(przy założeniu stałości temperatury).
Posługiwanie się tak małymi stężeniami jest niewygodne. W 1909 r. zaproponowano
posługiwanie się tzw. wykładnikiem stężenia jonów wodorowych, zwanym pH. Jest to
+
ujemny logarytm dziesiętny ze stężenia [H+]: (a dokładniej aktywności a ) jonów
H
wodorowych
pH = - log [H+] lub pH = - log [H3O+]
analogicznie
pOH = - log [OH-]
LogarytmujÄ…c obie strony iloczynu jonowego wody
Kw = [H3O+] [OH-]
i podstawiając w miejsce stężeń jonów wodorowych i wodorotlenowych wartości pH i pOH
otrzymujemy zależność w postaci:
Wydział Nowych Technologii i Chemii, Instytut Chemii 2
Click here to get your free novaPDF Lite registration key
Laboratorium z przedmiotu chemia
Reakcje kwasów i zasad. Miareczkowanie kwasowo-zasadowe
pH + pOH = 14
Skala pH roztworów wodnych obejmuje zakres od pH = 0 ([H+] = 1 mol/dm3) do roztworów
zasadowych o pH = 14 ([H+] = 10-14 mol/dm3):
pH < 7 roztwory kwaśne
pH = 7 roztwory obojętne
pH > 7 roztwory zasadowe.
Dla stężonych roztworów mocnych kwasów i zasad skala pH może sięgać poza podane
granice 0 i 14.
2. Pomiar pH roztworów
Wartość pH badanego roztworu można oznaczać kolorymetrycznie za pomocą
wskazników barwnych (nazwanych również indykatorami), metodą potencjometryczną
(pomiar zmiany potencjału roztworu miareczkowanego) - dokładniej pomiar za pomocą
przyrządu nazwanego pehametrem, w którym funkcję czujnika pełni elektroda szklana.
Wskazniki pH
Wskaznikami pH sÄ… substancje ulegajÄ…ce przemianom lub modyfikacjom
strukturalnym w pewnym obszarze stężenia jonów wodorowych. Wskaznikami takimi są
najczęściej związki organiczne (słabe kwasy lub zasady), które w roztworach wodnych
ulegają dysocjacji kwasowej lub zasadowej (tworzą układy sprzężone kwas zasada). Są one
słabymi elektrolitami. Z tymi przemianami najczęściej związana jest zmiana barwy
wskaznika.
Wskazniki można podzielić na dwa podstawowe rodzaje:
- wskazniki dwubarwne obydwa składniki układu kwas zasada mają
charakterystyczną barwę (np. oranż metylowy),
- wskazniki jednobarwne tylko jeden składnik układu kwas zasada ma
charakterystycznÄ… barwÄ™, natomiast drugi jest bezbarwny (np. fenoloftaleina).
Wskazniki, jednobarwne i dwubarwne, stosuje siÄ™ oddzielnie lub w mieszaninie
z obojętnym barwnikiem, na tle którego zmiana barwy właściwego wskaznika jest łatwiej
zauważalna są to wskazniki mieszane. Stosuje się też mieszaniny wskazników, które
zmieniajÄ… barwÄ™ stopniowo w szerokim zakresie pH. SÄ… to wskazniki uniwersalne,
pozwalające szybko ale niestety tylko w sposób przybliżony ocenić wartość pH roztworu.
Zaopatrzone są one w skalę barw odpowiadającą określonym wartościom pH.
Wydział Nowych Technologii i Chemii, Instytut Chemii 3
Click here to get your free novaPDF Lite registration key
Laboratorium z przedmiotu chemia
Reakcje kwasów i zasad. Miareczkowanie kwasowo-zasadowe
Wskazniki stosuje się w celu wizualnego (kolorymetrycznego) określenia punktu
końcowego reakcji zobojętnienia. Wskazniki stosuje się w postaci wodnych lub etanolowych
roztworów oraz w postaci papierków wskaznikowych (wąskie paski bibuły nasycone
roztworem wskaznika a następnie wysuszone). Do wskazników dołączona jest skala barw,
jakie przybiera papierek w zależności od pH roztworu. Po zanurzeniu papierka do badanego
roztworu lub zwilżeniu kroplą roztworu badanego, papierek zabarwia się na
charakterystyczny kolor odpowiadajÄ…cy pH tego roztworu.
Aby dana substancja mogła być dobrym wskaznikiem, musi spełniać następujące
warunki:
- zmieniona barwa musi kontrastować z barwą pierwotną,
- zmiana barwy musi następować w wąskim zakresie pH, przy czym zakres ten
musi obejmować stan stechiometrycznego (całkowitego) zobojętnienia
reagujÄ…cych substancji.
Znając zakres pH, przy którym wskaznik zmienia barwę można dobrać odpowiedni
wskaznik dla odpowiedniego układu kwas zasada.
W tabeli podano kilka najczęściej stosowanych wskazników kwasowo-zasadowych.
Tabela. Zależności barwy wskaznika kwasowo-zasadowego od pH roztworu
Roztwór wskaznika Barwa w roztworze
Obszar zmiany Zawartość
Wskaznik
barwy pH wskaznika rozpuszczalnik kwaśnym zasadowym
w %
Błękit tymolowy 1.2 2.8 0.1 woda czerwona żółta
Oranż metylowy 3.1 4.4 0.1 woda czerwona żółta
B
Zieleń 4.0 5.6 0.1 woda żółta niebieska
bromokrezolowa
Błękit 6.2 7.6 0.1 woda żółta niebieska
bromotymolowy
Czerwień 7.2 8.8 0.1 woda żółta czerwona
krezolowa A
Fenoloftaleina 8.0 10.0 0.1 70% alkohol bezbarwna czerwona
etylowy
Błękit Nilu 10.1 11.1 0.1 woda niebieska czerwona
Tropeolina OA 11.1 12.7 0.1 woda żółta brązowo-
pomarańcz
owa
Wydział Nowych Technologii i Chemii, Instytut Chemii 4
Click here to get your free novaPDF Lite registration key
Laboratorium z przedmiotu chemia
Reakcje kwasów i zasad. Miareczkowanie kwasowo-zasadowe
Rysunek ilustrujący najbardziej popularne wskazniki kwasowo-zasadowe i zakresy wartości
pH, w których te wskazniki zmieniają barwę.
Pomiar pH
KroplÄ™ badanego roztworu nanosi siÄ™ na papierek wskaznikowy nasycony jednym z
barwnych wskazników lub ich mieszaniną. Po zaobserwowaniu zmiany zabarwienia
porównuje się otrzymaną barwę ze skalą barw podaną w jednostkach pH.
Dokładniejszą metodą oznaczania kwasowości roztworów jest metoda
potencjometryczna, oparta na pomiarze siły elektromotorycznej (SEM) ogniwa Eogn
utworzonego z elektrody pomiarowej (odwracalna względem jonów wodorowych) i elektrody
porównawczej.
Najczęściej, jako elektrody pomiarowe, stosowane są: elektroda szklana i nasycona
elektroda wodorowa; rzadziej elektroda chinhydronowa oraz elektrody tlenkowe (np.
antymonowa).
Elektrodę porównawczą stanowi najczęściej nasycona elektroda kalomelowa (NEK).
Elektroda szklana utworzona jest z rurki szklanej, zakończonej u dołu cienkościenną
banieczkÄ…. WewnÄ…trz elektrody znajduje siÄ™ elektroda chlorosrebrowa zanurzona w roztworze
chlorku(I) potasu(I) lub w kwasie chlorowodorowym o określonym stężeniu. Pomiar polega
na zanurzeniu elektrody w badanym roztworze wraz z odpowiednią elektrodą porównawczą,
np. z kalomelową według schematu:
Ag(s), AgCl(s), ½ðKClaq ½ðszkÅ‚o½ð½ðroztwór badany lub wzorcowy½ð½ð KClaq, Hg2Cl2(s), Hg(s)
Elektroda szklana Elektroda kalomelowa
W ściance szklanej, po obu jej stronach, powstają warstwy hydratowane. Jeżeli
stężenie jonów wodorowych w roztworach po obu stronach bańki szklanej są różne, to ustala
się odpowiedni gradient potencjału. Zmienia się on w zależności od zmian stężenia jonów H+
Wydział Nowych Technologii i Chemii, Instytut Chemii 5
Click here to get your free novaPDF Lite registration key
Laboratorium z przedmiotu chemia
Reakcje kwasów i zasad. Miareczkowanie kwasowo-zasadowe
w jednym z roztworów. Działanie elektrody szklanej tłumaczy się tendencją jonów
wodorowych do zastępowania niektórych jonów zdeformowanej siatki krystalicznej szkła
i obsadzania wolnych miejsc tej siatki. Nie ma jednak przechodzenia jonów z jednej strony
ścianki szklanej na drugą.
Potencjał elektrody zależy od ustalającej się równowagi pomiędzy jonami wodoru
znajdującymi się w siatce szkła i jonami wodorowymi H+ w roztworze. Zmieniając roztwór, w
którym zanurzona jest elektroda szklana, zmienia się tylko potencjał na granicy faz szkło
roztwór badany. Dla jonów wodorowych spełnione jest równanie:
RT
o o +ð
Ew =ð EH +ð ×ð ln cH =ð EH +ð 0.0591×ð log[H ] dla temperatury 25°ðC.
+ð
F
o
EH
Dla elektrody wodorowej przyjęto, że = 0 i wiadomo, że log [H+] = pH równanie można
zapisać następująco:
Ew =ð -ð0.0591×ð pH
Elektroda szklana nadaje siÄ™ do pomiaru pH w granicach od 0 do 8,5 lub nawet od 0
do 11, w zależności od rodzaju szkła. Do pomiaru pH służą elektroniczne przyrządy zwane
pehametrami.
Zestaw pomiarowy pehametru z elektroda szklaną w czasie pomiaru wartości pH
Coca-Coli Diet.
Potencjometryczny pomiar pH polega na zestawieniu układu zgodnie ze schematem
podanym wyżej, przy czym najpierw dobiera się roztwór wzorcowy o wartości pH zbliżonej
do spodziewanej wartości pH badanego roztworu i mierzy się SEM takiego układu Eogn wz
dla temperatury 25°ðC (298K)
Eognwz =ð Epor -ð Ew =ð Epor +ð 0,0591×ð pHwz (1)
gdzie: Eogn wz SEM badanego ogniwa zawierającego roztwór wzorcowy o znanym pH,
Ew potencjał elektrody wskaznikowej (szklanej),
Epor potencjał elektrody porównawczej (np. kalomelowej),
Wydział Nowych Technologii i Chemii, Instytut Chemii 6
Click here to get your free novaPDF Lite registration key
Laboratorium z przedmiotu chemia
Reakcje kwasów i zasad. Miareczkowanie kwasowo-zasadowe
pHwz wartość pH roztworu wzorcowego.
Następnie buduje się drugie ogniwo, w którym na miejscu roztworu wzorcowego
o znanej wartości pH wprowadza się roztwór badany i wyznacza SEM tego ogniwa:
Eogbad =ð Eodn -ð Ew =ð Eodn +ð 0,0591×ð pHbad (2)
Po odjęciu stronami równania drugiego od pierwszego
Eognwz -ð Eognbad =ð 0,0591×ð pHwz -ð 0,0591×ð pHbad
a po przekształceniach otrzymujemy:
Eognbad -ð Eognwz
pHbad =ð pHwz
0,0591
3. Analiza chemiczna.
Analizę chemiczną dzieli się na analizę jakościową i analizę ilościową. Celem analizy
jakościowej jest określenie jakościowego składu badanej substancji, tj. ustalenie z jakich
pierwiastków, grup funkcyjnych lub związków chemicznych składa się dana substancja.
Analiza ilościowa określa w jakich proporcjach ilościowych poszczególne składniki
(pierwiastki i zwiÄ…zki chemiczne) znajdujÄ… siÄ™ w badanej substancji.
Z technicznego punktu widzenia metody analizy ilościowej dzieli się na chemiczne
i instrumentalne. Metody chemiczne, jako starsze zwane klasycznymi, obejmujÄ… metody
wagowe i metody miareczkowe. Istota metod chemicznych polega przeprowadzeniu
charakterystycznych reakcji chemicznych, których wynik jest podstawą do uzyskania
informacji o jakościowym i/lub ilościowym składzie analizowanej próbki. Metody
instrumentalne to takie, w których do uzyskania informacji o analizowanej próbce
wykorzystuje się zaawansowane przyrządy i urządzenia pomiarowe. W ślad za powyższym
podziałem, metody spektrofotometryczne można zaliczyć do metod mieszanych chemiczno-
instrumentalnych, ze względu na to, że proces analizy polega przede wszystkim na
przeprowadzeniu odpowiednich reakcji chemicznych, w wyniku których obserwuje się
pojawienie siÄ™ charakterystycznych widm absorpcji promieniowania elektromagnetycznego
(światła) przez analizowane substancje. Widma absorpcyjne mierzy się metodami
spektrofotometrycznymi.
Wydział Nowych Technologii i Chemii, Instytut Chemii 7
Click here to get your free novaPDF Lite registration key
Laboratorium z przedmiotu chemia
Reakcje kwasów i zasad. Miareczkowanie kwasowo-zasadowe
Metody wagowe polegają na ilościowym oznaczaniu zawartości danego składnika w
próbce na podstawie pomiaru masy trudno rozpuszczalnego związku tego składnika,
strąconego z roztworu i odpowiednio wysuszonego lub wyprażonego w wysokiej
temperaturze. W metodach miareczkowych (objętościowych) zawartość oznaczanego
składnika wyznacza się na podstawie objętości (najczęściej mierzonej w mililitrach cm3)
titranta (titrantem nazywamy roztwór o znanym stężeniu tzw. roztwór mianowany, którym
miareczkuje się roztwór badany o nieznanym składzie), dodanego z biurety do analizowanego
roztworu do osiągnięcia punktu równoważnikowego. W punkcie równoważnikowym
oznaczany składnik przereagowuje ilościowo (stechiometrycznie) z aktywnymi składnikami
roztworu titranta.
Metody analizy miareczkowej są dokładne i umożliwiają przeprowadzenie analizy
ilościowej z dokładnością do 0,1%. Nie wymagają skomplikowanej aparatury, a analizę
można wykonać dość szybko. W analizie miareczkowej istnieje możliwość zastosowania
reakcji różnych typów, które jednak muszą spełniać następujące warunki:
b) reakcja odczynnika obecnego w roztworze mianowanym (titrantem) z badanÄ…
substancją powinna przebiegać stechiometrycznie (ilościowo),
c) szybkość reakcji powinna być duża (sekundy lub co najwyżej minuty do osiągnięcia
stanu równowagi),
d) w pobliżu punktu równoważnikowego (PR) powinna w sposób widoczny zmieniać się
co najmniej jedna, możliwa do zmierzenia, właściwość miareczkowanego roztworu
(barwa, potencjał utlenienia/redukcji, przewodnictwo).
Metody miareczkowe opierajÄ… siÄ™ na czterech podstawowych typach reakcji chemicznych:
a) reakcje kwasowo-zasadowe - alkacymetryczne (alkalimetria i acydymetria),
b) reakcje tworzenia związków kompleksowych - kompleksometryczne,
c) reakcje utlenienia i redukcji - redoksymetryczne (oksydymetria i reduktometria),
d) reakcje tworzenia soli trudno rozpuszczalnych - analiza strÄ…ceniowa do oznaczania
substancji trudno rozpuszczalnych.
Analizę miareczkową stosuje się przede wszystkim do oznaczeń w środowiskach wodnych
Ostatnio coraz częściej stosuje się metody miareczkowe również do analiz w roztworach
niewodnych (alkohole, ketony, aminy) lub mieszanych (wodno-organicznych).
W celu oznaczenia danej substancji w roztworze trzeba znalezć odpowiedni
odczynnik reagujący z nią w sposób stechiometryczny (ilościowo, bez reakcji ubocznych)
i dostatecznie szybko. Punkt miareczkowania, w którym oznaczany składnik przereagował
ilościowo (stechiometrycznie) z dodawanym z biurety roztworem mianowanym (titrantem),
Wydział Nowych Technologii i Chemii, Instytut Chemii 8
Click here to get your free novaPDF Lite registration key
Laboratorium z przedmiotu chemia
Reakcje kwasów i zasad. Miareczkowanie kwasowo-zasadowe
nazywa się punktem równoważnikowym (PR) miareczkowania. Istnieją różne metody
pozwalające dokładnie ustalić ten punkt. Wyznaczony doświadczalnie punkt
równoważnikowy nazywa się punktem końcowym (PK) miareczkowania. Punkt końcowy
miareczkowania określa się wizualnie, korzystając z barwnych wskazników lub metodami
instrumentalnymi. W celu zminimalizowania błędu popełnianego w czasie analizy należy tak
dobrać metodę wyznaczania PK aby był on możliwie blisko PR.
4. Miareczkowanie kwasowo-zasadowe. Alkacymetria.
Alkacymetria obejmuje alkalimetrię, tj. oznaczanie zawartości kwasów w roztworze
za pomocÄ… miareczkowania mianowanym roztworem zasady, oraz acydymetriÄ™, tj. oznaczanie
zasad zawartych w badanym roztworze za pomocÄ… miareczkowania mianowanym roztworem
kwasu. Metody alkalimetryczne i acydymetryczne nazywa się również metodami
zobojętniania. W wyniku reakcji mocnego kwasu z mocną zasadą powstaje sól i woda.
Metody alkacymetryczne stosuje się powszechnie do oznaczania stężenia kwasów i zasad
nieorganicznych oraz organicznych. Przeprowadzanie miareczkowania alkacymetrycznego
w środowiskach niewodnych umożliwiło ilościowa analizę kwasów i zasad organicznych. Są
one na ogół lepiej rozpuszczalne w rozpuszczalnikach organicznych, a poprzez dobór
odpowiedniego rozpuszczalnika można uzyskać większą względną kwasowość lub
zasadowość słabych kwasów lub zasad organicznych.
W praktyce w alkacymetrii wyróżnia się trzy typy miareczkowania:
- miareczkowanie mocnych kwasów i mocnych zasad,
- miareczkowanie słabych kwasów i słabych zasad,
- miareczkowanie kwasów i zasad o różnej mocy.
W wyżej wymienionych typach miareczkowania odczynnikiem miareczkującym (titrantem)
jest zawsze mianowany roztwór mocnej zasady albo mocnego kwasu (w analizie
miareczkowej nie stosuje się miareczkowania roztworami słabych kwasów lub zasad).
Miareczkowanie mocnego kwasu mocnÄ… zasadÄ… lub mocnej zasady mocnym kwasem
Mocne kwasy są całkowicie zdysocjowane, a więc w przypadku kwasu
chlorowodorowego stężenie jonów H+ (dokładniej jonów hydroniowych H3O+) jest równe
stężeniu kwasu. Przykładowo omówiono miareczkowanie roztworu kwasu
chlorowodorowego (HClaq) o stężeniu 0,1 mol/dm3 roztworem wodorotlenku sodu(I)
(NaOHaq) o takim samym stężeniu.
Wydział Nowych Technologii i Chemii, Instytut Chemii 9
Click here to get your free novaPDF Lite registration key
Laboratorium z przedmiotu chemia
Reakcje kwasów i zasad. Miareczkowanie kwasowo-zasadowe
Jeżeli do roztworu kwasu będziemy dodawać roztwór wodorotlenku sodu, to pH
początkowo zmienia się nieznacznie, ponieważ dodawane do roztworu jony OH- łączą się z
jonami H+ tworząc niezdysocjowane cząsteczki wody. W chwili gdy ilość dodawanej zasady
jest równa ilości kwasu wówczas pH roztworu jest bliskie 7, a po dodaniu kolejnej kropli
zasady gwałtownie rośnie. Spowodowane jest to zmniejszeniem stężenia wolnych jonów H+,
które mogą utworzyć cząsteczki wody z jonami OH-, jednocześnie pojawia się większe
stężenie wolnych jonów wodorotlenowych. Dodanie każdej następnej kropli roztworu zasady
powoduje coraz większy wzrost pH roztworu. Zmiana wartości pH po dodaniu jednej kropli
roztworu titranta, następująca w pobliżu punktu równoważnikowego (PR) reakcji
zobojętniania jest nazywana skokiem miareczkowania. Wielkość tego skoku zależy od
stężenia substancji reagujących jest on większy, gdy miareczkuje się roztwory o wyższych
stężeniach np. jednomolowy roztwór kwasu chlorowodorowego, jednomolowym roztworem
zasady niż w przypadku roztworów bardziej rozcieńczonych.
Zmiany pH można przedstawić graficznie za pomocą wykresu: na osi odciętych (x)
oznacza się ilość zużytego do miareczkowania roztworu mianowanego w ml, na osi rzednych
(y) - pH. Otrzymany wykres nazywa się krzywą miareczkowania, którą przedstawiono na
rysunku 1. Na krzywej tej występuje punkt przegięcia (PR) o stycznej równoległej do osi pH.
Dla uchwycenia punktu równoważnikowego stosuje się zarówno oranż metylowy jak
i fenoloftaleinÄ™.
Rys. 1 Krzywa miareczkowania mocnego kwasu mocnÄ…
zasadą. Wartość pH w punkcie równoważnikowym wynosi 7.
Krzywa miareczkowania mocnej zasady mocnym kwasem jest podobna do krzywej na
rysunku 1, ale rozpoczyna siÄ™ od pH w ok. 12, punkt PR znajduje siÄ™ przy pH 7, a krzywa
miareczkowania kończy w okolicy pH 2.
Wydział Nowych Technologii i Chemii, Instytut Chemii 10
Click here to get your free novaPDF Lite registration key
Laboratorium z przedmiotu chemia
Reakcje kwasów i zasad. Miareczkowanie kwasowo-zasadowe
Miareczkowanie słabego kwasu mocną zasadą
Do miareczkowania (zobojętnienia) roztworu słabego kwasu mocną zasadą krzywa
miareczkowania będzie miała przebieg jak na rysunku 2. Wartość początkowa pH jest wyższa
niż w przypadku miareczkowania mocnego kwasu mocną zasadą.
Punkt K, któremu odpowiada połowiczne zobojętnienie miareczkowanego kwasu, jest
punktem przegięcia krzywej. Styczna do niej w tym punkcie ma najmniejsze nachylenie.
Całkowitemu zobojętnieniu odpowiada punkt przegięcia krzywej (PR) o stycznej
równoległej do osi pH. Krzywa odchyla się znacznie szybciej od stycznej w punkcie
przegięcia, czyli skok wartości pH w pobliżu punktu równoważnikowego jest stosunkowo
niewielki. Punkt przegięcia odpowiada pH>7. Właściwym wskaznikiem barwnym dla tego
typu miareczkowania jest fenoloftaleina.
Rys. 2. Krzywa miareczkowania słabego kwasu mocną zasadą. Wartość pH w punkcie
równoważnikowym jest większa od 7 i wynosi 8,72.
Miareczkowanie słabej zasady mocnym kwasem
Ten typ miareczkowania polega na dodawaniu roztworu mocnego kwasu do roztworu słabej
zasady. W punkcie K, odpowiadającym połowicznemu zobojętnieniu mamy punkt przegięcia
o rzędnej równej 14 pKz. Całkowitemu zobojętnieniu odpowiada punkt przegięcia PR dla
pH<7. Strona: 11
Właściwym wskaznikiem dla tego typu miareczkowania jest czerwień metylowa.
Wydział Nowych Technologii i Chemii, Instytut Chemii 11
Click here to get your free novaPDF Lite registration key
Laboratorium z przedmiotu chemia
Reakcje kwasów i zasad. Miareczkowanie kwasowo-zasadowe
Rys. 3. Krzywa miareczkowania słabej zasady
mocnym kwasem. Wartość pH w punkcie
równoważnikowym jest mniejsza od 7 i wynosi 5,30.
Miareczkowanie słabego kwasu słabą zasadą
Gdy moc kwasu jest porównywalna z mocą zasady, to zobojętnienie zachodzi przy pH
bliskim 7. W takich przypadkach krzywa odchyla się od swej stycznej w punkcie przegięcia,
nachylonej względem osi pH. Należy dobrać wskaznik, który zmienia barwę w pobliżu
pH= 7. W praktyce nie prowadzi się analiz miareczkowania słabego kwasu słaba zasadą
Rys. 4. Krzywa miareczkowania słabego kwasu mocną zasadą.
5. Roztwory buforowe
Roztworami buforowymi nazywamy roztwory wykazujące stałe stężenie jonów
wodorowych (pH), praktycznie niezależne od rozcieńczania roztworu oraz dodawania
Wydział Nowych Technologii i Chemii, Instytut Chemii 12
Click here to get your free novaPDF Lite registration key
Laboratorium z przedmiotu chemia
Reakcje kwasów i zasad. Miareczkowanie kwasowo-zasadowe
niewielkich ilości kwasów lub zasad. Najczęściej są to mieszaniny słabych kwasów i ich soli
z mocną zasadą lub słabych zasad i ich soli z mocnym kwasem.
Przykładowym roztworem buforowym jest bufor octanowy, składający się z wodnego
roztworu kwasu octowego i octanu sodu (I). Octan sodowy jest mocnym elektrolitem, więc
jest całkowicie zdysocjowany na jony sodu (Na+) i octanowy (CH3COO-). Kwas octowy
jest słabym elektrolitem a więc jego cząsteczki w roztworze wodnym są w niewielkim stopniu
zdysocjowane.
Jeżeli stężenie molowe kwasu oznaczymy jako [kwas], a stężenie molowe soli [sól].
Kwas dysocjuje zgodnie z równaniem:
CH3COOH ®ð H+ + CH3COO-
stała równowagi wynosi wówczas
+ð
[H ]×ð[CH3COO-ð]
Kc =ð
[CH3COOH]
po przekształceniu otrzymujemy
[CH3COOH ]
+ð
[H ] =ð Kc ×ð
[CH3COO-ð]
Kwas octowy jest zdysocjowany w małym stopniu, wobec tego można przyjąć, że
stężenie części niezdysocjowanej równa się całkowitemu stężeniu kwasu [CH3COOH] =
[kwas]. Podobnie można przyjąć, że jony octanowe pochodzą tylko z dysocjacji octanu
sodowego, czyli ich stężenie jest równe stężeniu soli [CH3COO-] = [sól].
Wobec tego równanie przyjmie postać:
[kwas]
+ð
[H ] =ð Kc ×ð
[sól]
Z równania wynika, że stężenie jonów wodorowych zależy od stosunku stężeń kwasu i
soli, a nie zależy od rozcieńczania roztworu. Dodatek niewielkiej ilości mocnego kwasu lub
zasady do roztworu buforowego niewiele zmienia wartość pH tego roztworu. Jeżeli do 1 dm3
buforu octanowego o stężeniu 1 mol/dm3 dodamy 0.01 mola HCl, to z tym kwasem
przereaguje tylko 0.01 mola soli zawartej w tym roztworze zgodnie z równaniem:
CH3COONa + HCl ®ð CH3COOH + NaCl
Po reakcji stężenie kwasu octowego wyniesie [kwas] = 1.01 mola a stężenie octanu
sodu (I) [sól] = 0.99 mola. Zatem
Wydział Nowych Technologii i Chemii, Instytut Chemii 13
Click here to get your free novaPDF Lite registration key
Laboratorium z przedmiotu chemia
Reakcje kwasów i zasad. Miareczkowanie kwasowo-zasadowe
1.01
+ð
[H ] =ð Kc ×ð czyli stężenie jonów H+ zmieni siÄ™ tylko o 2.2%.
0.99
Jeżeli tę samą ilość HCl dodamy do czystej wody o pH = 7, to stężenie jonów
wodorowych wyniesie 10-2 czyli pH = 2, co oznacza, że zmiana nastąpiła o pięć rzędów
wielkości.
6. Hydroliza soli
Większość wodnych roztworów soli wykazuje właściwości mocnych elektrolitów, co
oznacza, że są one całkowicie zdysocjowane na jony. Roztwory soli otrzymane w wyniku
zobojętniania mocnych kwasów mocnymi zasadami mają odczyn obojętny. Doświadczalnie
stwierdzono, że roztwory niektórych soli wykazują odczyn kwaśny lub zasadowy. Kwaśny
odczyn wykazują roztwory soli powstałe z mocnych kwasów i słabych zasad, odczyn
zasadowy roztwory soli mocnych zasad i słabych kwasów. Odczyn słabo zasadowy lub
słabo kwaśny roztwory soli słabych kwasów i zasad. Zjawisko to nazywamy hydrolizą soli.
Hydroliza jest reakcją odwracalną i odwrotną do reakcji zobojętnienia.
CH3COONa + H2O Dð CH3COOH + NaOH
W prawo przebiega reakcja hydrolizy, a w lewo reakcja zobojętnienia.
Hydroliza soli mocnych kwasów i słabych zasad
Przykładem tej grupy soli może być chlorek (I) amonu NH4Cl
NH4Cl + H2O Dð NH4OH + HCl
Chlorek amonu ulega całkowitej dysocjacji, gdyż jest mocnym elektrolitem.
UwalniajÄ…ce siÄ™ podczas dysocjacji jony amonowe Å‚Ä…czÄ… siÄ™ z jonami wodorotlenowymi,
pochodzÄ…cymi z autodysocjacji wody.
NH4+ + Cl- + H+ + OH- Dð NH4OH + H+ +Cl-
Powstanie słabego elektrolitu NH4OH przesuwa stan równowagi dysocjacji wody w
prawo, w wyniku suwania produktu reakcji. Powoduje to dysocjacjÄ™ dalszych czÄ…steczek
wody i łączenie się jonów amonowych (NH4+) z jonami OH-. Uwalniane jony wodorowe (H+)
nie wchodzą w reakcję z jonami chlorkowymi, ponieważ HCl jest mocnym elektrolitem.
Nagromadzone w nadmiarze jony wodorowe powodują jego kwaśny odczyn. Właściwą
reakcjÄ™ przebiegajÄ…cÄ… w roztworze jest:
NH4+ + H2O Dð NH4OH + H+
Wydział Nowych Technologii i Chemii, Instytut Chemii 14
Click here to get your free novaPDF Lite registration key
Laboratorium z przedmiotu chemia
Reakcje kwasów i zasad. Miareczkowanie kwasowo-zasadowe
Zestaw pomiarowy pehametru z elektrodą szklaną w czasie pomiaru wartości pH
roztworu siarczanu miedzi o stężeniu 0,1 mol/dm3. Ze wskaznika można odczytać pH=4,33 a
więc roztwór jest kwaśny. Siarczan miedzi jest solą mocnego kwasu -siarkowego i słabej
zasady wodorotlenku miedzi.
Hydroliza soli słabych kwasów i mocnych zasad
Hydrolizę tę przedstawia równanie:
NaNO2 + H2O Dð HNO2 + NaOH
a jonowo
Na+ + NO2- + H+ + OH- Dð HNO2 + Na+ + OH-
Jony Na+ i OH- nie łączą się ze sobą, ponieważ NaOH jest mocnym elektrolitem.
Reakcja łączenia się jonów azotanowych (III) z jonami wodorowymi z powstaniem kwasu
azotowego (III) powoduje usuwanie jonów H+ z roztworu. Wywołuje to dysocjację
cząsteczek wody, a jony wodorowe łączą się z jonami NO2-. Jony wodorotlenowe wywołują
zasadowy odczyn roztworu. Reakcję hydrolizy można zapisać:
NO2- + H2O Dð HNO2 + OH-
Hydroliza soli słabych zasad i słabych kwasów
W tym przypadku zarówno kation jak i anion soli reaguje z jonami powstałymi na
skutek dysocjacji wody
NH4+ + H2O Dð NH4OH + H+
CH3COO- + H2O Dð CH3COOH + OH-
sumujÄ…c: NH4+ + CH3COO- + H2O Dð CH3COOH + NH4OH
Odczyn roztworu tego typu soli zależy od względnej mocy kwasu i zasady. Jeżeli
zasada jest słabsza od kwasu, to stężenie jonów H+ jest nieco większe od stężenia jonów OH-,
a odczyn słabo kwaśny. W przypadku odwrotnym tzn. gdy zasada jest mocniejsza od
kwasu, odczyn jest słabo zasadowy. Gdy kwas i zasada są tej samej mocy np. octan amonu, to
wówczas odczyn jest obojętny.
II. Część praktyczna - Miareczkowanie kwasowo-zasadowe
Ćwiczenie 1. 1 Miareczkowanie mocnego kwasu mocną zasadą (lub odwrotne).
Celem ćwiczenia jest określenie stężenia roztworu kwasu lub zasady otrzymanej do
miareczkowania.
Sprzęt i odczynniki:
- biureta szklana o objętości 50 ml,
Wydział Nowych Technologii i Chemii, Instytut Chemii 15
Click here to get your free novaPDF Lite registration key
Laboratorium z przedmiotu chemia
Reakcje kwasów i zasad. Miareczkowanie kwasowo-zasadowe
- kolba miarowa o objętości 100 ml,
- pipeta szklana o objętości 20 ml,
- 3 kolby stożkowe o objętości 200 ml,
- cylinder miarowy o objętości 100 ml,
- zlewka,
- lejek,
- statyw z Å‚Ä…cznikiem,
- tryskawka,
- roztwór mianowany kwasu chlorowodorowego (HCl) lub wodorotlenku sodu
(NaOH) o stężeniu 0,1 mol/dm3,
- roztwór wskaznika (fenoloftaleina lub oranż metylowy).
Opis ćwiczenia:
Otrzymany w kolbie miarowej roztwór kwasu (lub zasady), którego stężenie jest
przedmiotem oznaczenia należy uzupełnić wodą destylowaną do kreski za pomocą tryskawki
do tzw. menisku wklęsłego. Roztwór należy dokładnie wymieszać przez delikatne
wstrząsanie kolbką, celem wyrównania stężenia badanego roztworu w całej objętości. Z kolby
pobiera się 3 próbki za pomocą pipety o objętości 20 ml i przenosi się je kolejno do kolb
stożkowych. Do każdej kolby dodaje się po 3 krople wskaznika W przypadku oznaczania
kwasu należy dodać fenoloftaleiny, która z bezbarwnej w środowisku kwaśnym zmieni
zabarwienie roztworu na fioletowo-karminowe w środowisku zasadowym.
Sposób miareczkowania roztworu mocnego kwasu za pomocą mianowanego roztworu
wodorotlenku sodu w obecności fenoloftaleiny, jako wskaznika końca miareczkowania.
W przypadku oznaczania zasady należy dodać oranżu metylowego, który zmieni zabarwienie
roztworu z żółtego w środowisku zasadowym na pomarańczowe w środowisku obojętnym.
Wydział Nowych Technologii i Chemii, Instytut Chemii 16
Click here to get your free novaPDF Lite registration key
Laboratorium z przedmiotu chemia
Reakcje kwasów i zasad. Miareczkowanie kwasowo-zasadowe
Sposób miareczkowania roztworu mocnej zasady za pomocą mianowanego roztworu
mocnego kwasu w obecności oranżu metylowego, jako wskaznika końca miareczkowania.
Następnie należy przygotować biuretę do miareczkowania. W tym celu do cylindra
miarowego nalewamy do biurety za pomocÄ… lejka mianowanego roztworu titranta.
Odkręcamy kranik i całą objętość wylewamy do zlewki w celu przepłukania biurety z
zanieczyszczeń. Ponownie nalewamy roztwór titranta do biurety powyżej punktu 0 .
Zdejmujemy lejek, aby zebrany na nim roztwór nie skapywał do badanej próbki, fałszując
wynik. Nadmiar titranta wylewamy aż do uzyskania poziomu menisku wklęsłego na poziomie
kresce 0 . Zdejmujemy kroplę wiszącą na końcu biurety zlewką i podstawiamy kolbę
stożkową z badaną próbą. Spuszczając roztwór z biurety małymi porcjami miareczkujemy do
zmiany zabarwienia wskaznika w roztworze badanym. Przy pierwszej zmianie zabarwienia
dodajemy po kropli roztworu mianowanego, w celu uzyskania barwy w całej objętości próbki.
Ze skali na biurecie odczytujemy objętość zużytego roztworu mianowanego.
Ponownie napełniamy biuretę, ustawiamy 0 i miareczkujemy dwie pozostałe próbki.
Otrzymane wyniki nie powinny różnić się między sobą więcej niż 0,2 ml. W przypadku
dużych rozbieżności miareczkuje się jeszcze jedną próbkę.
Obliczenie stężenia badanego roztworu ze wzoru:
V2
Cx =ð C2 ×ð
V1
gdzie: Cx stężenie roztworu badanego,
C2 stężenie roztworu mianowanego,
V1 średnia objętość wyliczona z trzech miareczkowań,
V2 objętość roztworu pobrana z kolby miarowej.
Ćwiczenie 2 Hydroliza soli i pomiar pH
Celem ćwiczenia jest określenie odczynu wodnego roztworu soli oraz wyjaśnienie za
pomocą schematów reakcji hydrolizy elektrolitycznej wartości pH wyznaczone za pomocą
pehametru i papierków wskaznikowych.
Sprzęt i odczynniki:
- 6 zlewek o objętości 50 ml,
- 3 roztwory buforowe o różnym pH,
- 3 roztwory soli (chlorek (I) sodu (I), siarczan (VI) glinu (III), węglan (IV) sodu
(I)),
- tryskawka,
Wydział Nowych Technologii i Chemii, Instytut Chemii 17
Click here to get your free novaPDF Lite registration key
Laboratorium z przedmiotu chemia
Reakcje kwasów i zasad. Miareczkowanie kwasowo-zasadowe
- pehametr z elektrodÄ… szklanÄ…,
- papierki wskaznikowe,
- bibuła.
Opis ćwiczenia:
Do 3 zlewek nalać roztwory buforowe, w celu przeprowadzenia skalowania
pehametru. Wykonać skalowanie zgodnie z instrukcją obsługi przyrządu. Następnie wlać do 3
zlewek roztwory różnych soli i zmierzyć pH roztworów za pomocą papierka wskaznikowego
a następnie pehametru. Porównać ze sobą otrzymane wyniki. Zastanowić się nad reakcjami
przebiegającymi w roztworach soli. Napisać równania opisujące przebieg obserwowanych
reakcji chemicznych.
Wydział Nowych Technologii i Chemii, Instytut Chemii 18
Click here to get your free novaPDF Lite registration key
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Lab ME SPS instrukcja 10 11Normy Og Bud 10 LIPIECWGGIS IS 1rok Ch Lab Cw 4 InstrukcjaKorozja i jej zapobieganie 10 SNWGGIS IS 1rok Ch Lab Cw 2 wzor sprawozdaniaTM Lab oceny AiR N1 10Ch 10 summaryLab 10 SOCH 10 EN5 3 1 10 Lab Użycie IOS CLI do badania tablicy adresów MAC przełącznikacw 10 S E Chplan sn! 10PTSiS LAB AiR wiecz sem4 lato 09 10Unix lab 10Lab ME SPS pytania kontrolne 10 11Biuletyn SN, Okręg Dolnośląski nr 10Harmonogram 10 11 Lab MWNEwięcej podobnych podstron