Chemia fizyczna

Technologia chemiczna, rok II

Ćwiczenie 5

Pomiar pH metodą potencjometryczną

Joanna Kudyba

Karol Marcula

Adrian Lech

Nr grupy: 04

Zespół: H

Data wykonania ćwiczenia: 04.06.2012r

1. Cel ćwiczenia

a) zapoznanie się z metodą potencjometrycznego pomiaru pH

b)sporządzenie krzywych miareczkowania kwasu mocną zasadą i słąbego kwasu mocną zasadą

c) wyznaczenie punktu równoważnikowego

d) obliczenie wartości pH w trakcie miareczkowania mocnego kwasu mocną zasadą

2. Przyrządy:

- pH-metr z elektrodą kombinowaną

- bagietka szklana

- zlewki na 100 cm³

- pipety + pompka do pipet

- biureta

- kolby miarowe na 50 cm³

3. Odczynniki:

- 0,1 i 1,0 M CH₃COOH

- 0,1 i 1,0 M HCl

- 0,1 i 1,0 M NaOH

- 0,1 i 1,0 M CH₃COONa

- roztwór nasycony KCl

- woda destylowana

4.Wykonanie ćwiczenia:

a) Pomiar pH roztworów buforowych:

- sporządzić po 50 cm³ roztworów, których składy przedstawiono w Tabeli 1.

W tym celu obliczyć ilość CH₃COOH i CH₃COONa potrzebnego do sporządzenia roztworów:

n₁₌n₂

c₁V₁=c₂V₂

(1)

Gdzie:

V₁- objętość końcowa roztworu

V₂- objętość odczynnika potrzebna do sporządzenia roztworu

c₁- stężenie końcowe odczynnika

c₂- stężenie początkowe odczynnika

Skład roztworów buforowych

Stężenie CH3COOH c M	Stężenie CH3COONa c0 M	Stężenie HCl M	Stężenie NaOH M
0.1	0.1
0.3	0.1
0.5	0.1
0.1	0.1	0.03
0.1	0.1		0.03

- wymieszać dokładnie każdy roztwór

- umieścić elektrodę kombinowaną w roztworze w taki sposób, aby wyprowadzenie elektrody chlorosrebrowej było w nim na pewno zanurzone

- odczytać i zanotować wartość pH roztworu

b) Wyznaczenie krzywej miareczkowania:

- do zlewki na 100cm³ pobrać 40 cm³ HCl przy pomocy pipety

- napełnić biuretę 0.1 M roztworem NaOH

- zanurzyć elektrodę do roztworu kwasu, odczytać i zapisać wartość pH roztworu

- dodać z biurety 5 cm³ roztworu NaOH, zamieszać, odczytać pH itd., aż do osiągnięcia wartości pH równej 7 lub większej

-zanotować ilość zużytych mililitrów zasady, podnieść elektrodę, opłukać ja wodą destylowaną i osuszyć

- pobrać drugą porcję 40 cm³ kwasu do zlewki na 100 cm³

- zanurzyć elektrodę, odczytać i zapisać wartość pH

- dodać 5 cm³ mniej zasady od tej jaka jest niezbędna do miareczkowania kwasu, zamieszać, odczytać i zapisać wartość pH

- dodać następne 3 cm³ zasady, zamieszać, odczytać i zapisać wartość pH

- dodać 0.2 cm³ wodorotlenku, zamieszać, odczytać i zapisać wartość pH

- dodać następne 0.2 cm³ itd., aż do osiągnięcia wartości pH około 11

- podnieść elektrodę ponad górny brzeg zlewki, opłukać ją wodą destylowaną i osuszyć

Postępując analogicznie wykonać miareczkowanie CH₃COOH przy pomocy NaOH.

5. Opracowanie wyników:

- obliczyć wartości pH badanych roztworów buforowych korzystając z wzoru:

(2)

Gdzie:

pK= - log(1,75∙10^-5)

c - stężenie kwasu octowego

c₀ - stężenie octanu sodowego

Tabela 1. Wyniki pomiarów i obliczeń dla roztworów buforowych.

Stężenie CH3COOH c M	Stężenie CH3COONa c0 M	Stężenie HCl M	Stężenie NaOH M	pH obliczone	pH zmierzone
0.1	0.1			4.757	4.96
0.3	0.1			4.280	4.46
0.5	0.1			4.058	4.23
0.1	0.1	0.03		4.488	4.90
0.1	0.1		0.03	5.0258	4.96

Wyniki miareczkowania potencjometrycznego roztworów HCl i CH₃COOH 0,1 M roztworem NaOH zostały zestawione w poniższej tabeli:

Tabela 2. Wyniki miareczkowania kwasu solnego i octowego przy pomocy 0.1 M NaOH.

HCl			CH3COOH
L.p.	VNaOH cm^3	pH	L.p.	VNaOH cm^3	pH
1	0	1,61	1	0	3,38
2	5	1,62	2	5	4,66
3	10	1,67	3	10	4,88
4	15	1,75	4	15	4,97
5	20	1,92	5	20	5,28
6	25	2,06	6	25	5,65
7	30	2,25	7	26	5,71
8	35	2,60	8	27	5,88
9	40	4,00	9	27,5	5,93
10	40,5	7,42	10	28	6,05
11	40,7	9,50	11	28,5	6,13
12	40,9	10,05	12	29	6,31
13	41,1	10,46	13	29,5	6,50
			14	30	6,96
			15	30,1	7,03
			16	30,3	9,21
			17	30,4	9,62
			18	30,5	9,94
			19	30,6	10,20
			20	30,7	10,31

- krzywe miareczkowania potencjometrycznego roztworów HCl i CH₃COOH

Wykres nr 1. Krzywa miareczkowania w układzie HCl- NaOH.

Wykres nr 2. Krzywa miareczkowania w układzie CH₃COOH- NaOH.

- wyznaczenie punktu równoważnikowego przy pomocy pierwszej pochodnej

Tabela 3. Dane dla kwasu octowego

∆V [cm^3]	∆pH	∆pH/ ∆V
-	-	-
5	3,38	0,676
5	1,28	0,256
5	0,22	0,044
5	0,11	0,022
5	0,31	0,062
5	0,37	0,074
1	0,06	0,06
1	0,17	0,17
0,5	0,05	0,1
0,5	0,12	0,24
0,5	0,08	0,16
0,5	0,18	0,36
0,5	0,19	0,38
0,5	0,46	0,92
0,1	0,07	0,7
0,2	2,18	10,86
0,1	0,41	4,1
0,1	0,31	3,1
0,1	0,26	2,6
0,1	0,11	1,1

Na podstawie danego wykresu punkt równoważnikowy w punkcie gdzie
delta pH/ delta V= 10,86 ; V NaOH = 30,3 cm³ ; pH = 9,21

Tabela 4. Dane dla kwasu solnego

∆V [cm^3]	∆pH	∆pH/ ∆V
-	-	-
5	0,01	0,002
5	0,05	0,01
5	0,08	0,016
5	0,17	0,034
5	0,14	0,028
5	0,19	0,038
5	0,35	0,07
5	1,40	0,28
0,5	3,42	6,84
0,2	2,08	10,4
0,2	0,55	2,75
0,2	0,41	2,05

Na podstawie danego wykresu punkt równoważnikowy w punkcie gdzie
delta pH/ delta V= 10,4 ; V NaOH = 40,7 cm³ ; pH = 9,50

- porównanie wyznaczonej wartości pH z wartością tablicową

Błąd względny = [(pH_obliczone-pH_zmierzone)/pH_obliczone] * 100%

Tabela 5.

Nazwa substancji	Wyznaczona wartość pH	Wartość tablicowa pH	Błąd względny [%]
CH3COOH-NaOH	9,21	9	2,33%
HCl-NaOH	9,50	7	35,71%

- obliczenie wartości pH dla teoretycznej krzywej miareczkowania 0.1 M HCl przy pomocy

0.1 M NaOH

Do punktu równoważności:

n₀=c₀V₀

n_z=c_zV_z

(3)

Gdzie:

c₀- stężenie kwasu solnego

c_z- stężenie zasady sodowej

V₀- objętość kwasu solnego

V_z- objętość zasady sodowej

[H⁺] - stężenie jonów wodorowych

W punkcie równoważności:

(4)

Gdzie:

[H⁺] - stężenie jonów wodorowych

- iloczyn jonowy wody

Po przekroczeniu punktu równoważności:

(5)

Gdzie:

[H⁺] - stężenie jonów wodorowych

c₀- stężenie kwasu solnego

c_z- stężenie zasady sodowej

V₀- objętość kwasu solnego

V_z- objętość zasady sodowej

- iloczyn jonowy wody

(6)

Gdzie:

[H⁺] - stężenie jonów wodorowych

Tabela 6. Wyniki obliczeń do sporządzenia teoretycznej krzywej miareczkowania mocnego kwasu mocną zasadą.

VNaOH	Stężenie H^+ mol/dm^3	pH
0	0,1	1,0
10	0,06	1,2
15	0,045455	1,3
20	0,033333	1,5
25	0,023077	1,6
30	0,014286	1,8
35	0,006667	2,2
36	0,005263	2,3
36,5	0,004575	2,3
37	0,003896	2,4
37,5	0,003226	2,5
37,7	0,00296	2,5
37,9	0,002696	2,6
38,1	0,002433	2,6
38,3	0,002171	2,7
38,5	0,001911	2,7
38,7	0,001652	2,8
38,9	0,001394	2,9
39,1	0,001138	2,9
39,3	0,000883	3,1
39,5	0,000629	3,2
39,7	0,000376	3,4
39,9	0,000125	3,9
39,95		4,2
40,05		9,8
40,1		10,1
40,3		10,6
40,5		10,8
40,7		10,9
40,9		11,0
41,1		11,1
41,3		11,2

Teoretyczny wykres miareczkowania mocnego kwasu mocna zasadą.

- obliczyć wartości pH dla teoretycznej krzywej miareczkowania 0.1 M CH₃COOH przy pomocy 0.1 M NaOH

(7)

Gdzie:

c_k- stężenie kwasu octowego

c₀- początkowe stężenie kwasu octowego

c_z- stężenie zasady sodowej

V₀- objętość kwasu octowego

V_z- objętość zasady sodowej

K_d- stała dysocjacji kwasu octowego równa 1,75∙10^-5

[H⁺] - stężenie jonów wodorowych

W punkcie równoważności:

(8)

Gdzie:

[H⁺] - stężenie jonów wodorowych

- iloczyn jonowy wody

Po przekroczeniu punktu równoważności:

(9)

Gdzie:

[H⁺] - stężenie jonów wodorowych

c₀- stężenie kwasu solnego

c_z- stężenie zasady sodowej

V₀- objętość kwasu solnego

V_z- objętość zasady sodowej

- iloczyn jonowy wody

(10)

Gdzie:

[H⁺] - stężenie jonów wodorowych

Tabela 7. Wyniki obliczeń do sporządzenia teoretycznej krzywej miareczkowania słabego kwasu mocną zasadą.

VNaOH	Stężenie H^+ mol/dm^3	pH
0	0,001323	2,9
10	0,001025	3,0
15	0,000892	3,0
20	0,000764	3,1
25	0,000635	3,2
26	0,000609	3,2
27	0,000583	3,2
28	0,000556	3,3
29	0,000528	3,3
30	0,0005	3,3
31	0,000471	3,3
32	0,000441	3,4
33	0,00041	3,4
34	0,000377	3,4
35	0,000342	3,5
36	0,000303	3,5
37	0,000261	3,6
38	0,000212	3,7
38,2	0,000201	3,7
38,4	0,000189	3,7
38,6	0,000177	3,8
38,8	0,000163	3,8
39	0,000149	3,8
39,2	0,000133	3,9
39,4	0,000115	3,9
39,6		4,0
39,8		4,2
40,2		10,4
40,4		10,7
40,6		10,9
40,8		11,0
41		11,1
41,2		11,2
41,6		11,3
42		11,4

Teoretyczny wykres miareczkowania słabego kwasu mocną zasadą.

Wnioski i uwagi:

Analizując otrzymane wyniki pomiarów i porównując je do wyników obliczeń można dojść do wniosku, że pierwsza część ćwiczenia (pomiar pH dla HCl) została przeprowadzona ze zbyt małą dokładnością, ponieważ punkt równoważnikowy wynikający z naszych pomiarów i analizy wykresu krzywej miareczkowania wyszedł dużo powyżej (pH=9,5) punktu równoważnikowego wynikającego z obliczeń (pH=7), co narzuca 35,71% błędu w pomiarach.

Część druga ćwiczenia, tj. wyznaczanie pH dla kwasu octowego, była przeprowadzona z dużo większą dokładnością: punkt równoważnikowy wynikający z pomiarów (pH=9,21) wyszedł w podobnym zakresie co punkt wyznaczony przez obliczenia (pH=9), a błąd pomiaru to tylko 2,33%.

Przyczyny rozbieżności wynikają z następujących czynników:

-niedokładności odmierzanych objętości roztworów

-wieku elektrody kombinowanej

-skończonej dokładności pomiaru pH-metru

Błędy pomiarowe:

Pipety : 5 cm³ ± 0,05 cm³

10 cm³ ± 0,04 cm³

20 cm³ ± 0,06 cm³

25 cm³ ± 0,1 cm³

Biureta: ± 0,1 cm³

pH-metr ± 0,5

---