Miareczkowanie kwasowo zasadowe

Wstęp teoretyczny:

Miareczkowanie jest jedną z podstawowych czynności laboratoryjnych. Polega ono na dodawaniu porcjami odczynnika o znanym stężeniu do roztworu oznaczanej substancji, aż do osiągnięcia tzw. punktu końcowego miareczkowania. Punkt ten oznacza z reguły, że cały zawarty w roztworze odczynnik o nieznanym stężeniu przereagował całkowicie z dodanym przez nas odczynnikiem (zwanym titrantem). Ponieważ wiemy ile odczynnika dodaliśmy oraz znamy stosunek, w jakim reaguje on z oznaczaną substancją, możemy obliczyć ilość i stężenie składnika miareczkowanego. Jest to jedna z podstawowych metod analizy ilościowej.

Miareczkowanie alkacymetryczne (inaczej: kwasowo-zasadowe) polega na wykorzystaniu reakcji zobojętniania. Reakcja zobojętniania - to reakcja między kwasem a zasadą, która prowadzi do zmiany pH środowiska reakcji w kierunku bardziej obojętnego odczynu.

Całkowitą reakcję zobojętniania można ująć następująco:

H3O+ + A- + B+ + OH- --> 2H2O + B+ + A-

Aparatura:

Biureta Pehametr Pipety Statyw Wykonanie ćwiczenia:

Ćwiczenie zacząłem od wykalibrowania pehametru, do zlewki wlałem roztwór o znanym pH, po czym włączyłem urządzenie pomiarowe. Czekając na odczyt pehametru do birety przy zakręconym kraniku wlałem 25 cm3 0,1 molowego kwasu solnego, którym miareczkował

będę pierwszy roztwór, czyli wodorotlenek sodu. Pehametr został wykalibrowany, wskazanie zgadza się z pH znanego roztworu, przemyłem elektrodę pomiarową wodą destylowaną.

Miareczkowanie NaOH/ HCl

Przykład miareczkowania mocnej zasady mocnym kwasem. Odmierzyłem 10 cm3 0,2

molowego NaOH, po czym rozcieńczyłem do 100cm 3 wodą destylowaną. Zlewkę z zasadą ustawiłem pod biuretą, po czym włożyłem do niej elektrodę pehametru. Przystąpiłem do miareczkowania, wpuszczałem po 1cm3 przygotowany wcześniej kwas, zapisując pH

odczytane z urządzenia pomiarowego po każdej dolanej porcji czekając aż dokładnie się ono ustali, (wyniki w tabelce na końcu). Rekcję zachodzącą w roztworze możemy przedstawić następująco:

HCl + NaOH ---> NaCl + H2O

H+ + Cl- + Na+ + OH----> H2O + Na+ + Cl- widzimy, że po obu stronach równania występuje Na oraz Cl, więc możemy je opuścić i otrzymać następująca postać równania:

H+ + OH- ---> H2O (koncepcja Arrheniusa)

H3O+ + OH- ---> 2H2O (koncepcja Bronsteda)

Krzywą miareczkowania, czyli wykres zależności pH od obojętności dodanego titranta wygląda następująco:

pH

Miareczkowanie NaOH chlorowodorem

13,00

12,00

11,00

10,00

9,00

8,00

7,00

6,00

5,00

4,00

3,00

2,00

1,00

0,00

0

1 2

3

4

5 6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

cm

Analizując wykres możemy stwierdzić, iż zgodnie z przypuszczeniami i teorią stopniowe dolewanie kwasu powoduje spadek stężenia jonów OH- związanego z reakcją zobojętniania.

Można zauważyć, że kolejne zmiana odczynu o jednostkę wymaga dodawania coraz mniejszych ilości kwasu, co tłumaczy pojawienie się „skoku” na wykresie. Punkt równoważnikowy to sytuacja, w której ilość kwasu jest równa ilości zasady. Przekroczenie punktu powoduje, że zmiany, pH są coraz mniejsze gdyż nie następuje już zobojętnianie, lecz wzrost stężenia jonów wodorowych. Po zakończeniu miareczkowania umyłem biuretę oraz elektrodę pomiarową pehametru.

Miareczkowanie CH3COOOH/NaOH

Przykład miareczkowania słabego kwasu mocna zasadą. HA + OH- ---> H2O + A- Do biurety nalałem 25cm3 0,2 molowego wodorotlenku sodu, po czym odmierzyłem pipetą 10 cm3 0,2

molowego kwasu octowego i rozcieńczyłem go do 100 cm3 woda destylowaną, tak jak poprzednio miareczkowałem wpuszczając po jednym centymetrze tym razem wodorotlenek sodu Odczytywałem i notowałem wskazania pehametru po każdej dolanej porcji. Reakcja zachodząca w roztworze wygląda tak:

CH3COOH + NaOH <=> CH3COONa + H2O

Otrzymany roztwór nie jest obojętny, lecz słabo zasadowy. Czyli w tym przypadku nie uzyskaliśmy tego, co ogólnie nazwaliśmy "zobojętnieniem". Dzieje się tak, dlatego, ponieważ w reakcji powstaje sól, która ulega reakcji hydrolizy. Wynikiem tej reakcji jest nadanie roztworowi odczynu zasadowego. Zasadowy odczyn roztworu jest spowodowany powstaniem dodatkowych ilości OH- w reakcjach. Przebieg reakcji chemicznej przedstawia poniższe równanie

CH3COOH + Na+ + OH- <=> CH3COO- + Na+ + H2O

Ponieważ jony sodowe nie uczestniczą realnie w reakcji, więc powyższe równanie możemy zapisać w postaci

CH3COOH + OH- <=> CH3COO- + H2O

kwas I zasada II zasada I kwas II

W napisanej reakcji zgodnie z teorią Bronsteda uczestniczą dwa słabe kwasy (kwas octowy i woda). Po zmieszaniu roztworów zawierających stechiometryczne ilości kwasu CH3COOH i zasady NaOH ustali się stan równowagi, w którym stężenie jonów wodorotlenowych będzie większe niż stężenie jonów wodorowych (pochodzących wyłącznie z dysocjacji cząsteczek wody) - odczyn otrzymanego roztworu w punkcie równoważnikowym będzie słabo zasadowy (pH > 7). Dalsze dodawanie wodorotlenku sodu powoduje wzrost pH.

pH

Miareczkowanie kwasu octowego NaOH

13,00

12,00

11,00

10,00

9,00

8,00

7,00

6,00

5,00

4,00

3,00

2,00

1,00

0,00

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

cm

Przebieg miareczkowanie przedstawia powyższy wykres, wyniki zebrane są w tabeli na końcu. Na wykresie widzimy, iż punkt równowagi odpowiada pH > 7 co potwierdza lekko zasadowe środowisko. Po zakończeniu miareczkowania elektroda została umyta wodą destylowaną.

Miareczkowanie kwasu fosforowego (V)/ NaOH

Biureta została napełniona do 25cm3 0,2 molowym wodorotlenkiem sodu, odmierzyłem 10cm3 0,2 molowego kwasu fosforowego, po czym rozcieńczyłem go do 100cm3 wodą destylowaną. Przystąpiłem do miareczkowania zapisując jak poprzednio odczytane wartości pH (tabela na końcu). Jest to przykład miareczkowania kwasu wieloprotonowego mocną zasadą. Reakcja zachodzi w kilku etapach. Przebieg miareczkowania przedstawia wykres: pH

Miareczkowanie kwasu fosworowego (V) NaOH

13,00

12,00

11,00

10,00

9,00

8,00

7,00

6,00

5,00

4,00

3,00

2,00

1,00

0,00

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27

cm

Na wykresie widzimy wyraźnie dwa skoki, pierwszy skok pH około 2,2 do pH około 6

wnioskuję, iż jest to reakcja zobojętniania kwasu fosforowego do diwodorofosforanu sodu: Drugi skok krzywej miareczkowania od pH około 7,88 do pH około 11 to reakcja zobojętniania diwodorofosforanu sodu do wodorofosforanu disodu:

Prawdopodobnie warunki doświadczenia nie pozwoliły zaobserwować trzeciego skoku pH, lecz w górnej części wykresu występuje już praktycznie sam Na3PO4. Po zakończeniu miareczkowania umyłem ponownie elektrodę pehametru.

Miareczkowanie Coca Coli/ NaOH

Do biurety wlałem ponownie 25 cm3 0,2 molowego NaOH do zlewki wlałem100cm3 Coca Coli, po czym przystąpiłem do miareczkowania podobnie jak poprzednio wlewając po jednym centymetrze wodorotlenek sodu, zapisywałem wartości pH wskazane przez miernik (tabela na końcu). Przebieg miareczkowania przedstawia wykres:

pH

Miareczkowanie coca coli NaOH

13,00

12,00

11,00

10,00

9,00

8,00

7,00

6,00

5,00

4,00

3,00

2,00

1,00

0,00

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 cm

Zauważam, że często, na co dzień pita coca cola ma zbliżony wykres miareczkowania do kwasu fosforowego(V), istotnie w napoju występuje spora dawka tego kwasu, lecz występuje też wiele dodatkowych substancji nie mamy, więc pewności czy kwas nie jest w znacznym stopniu zneutralizowany, z czystej ciekawości wykonałem kilka obliczeń, z których wyznaczyłem średnią zawartość kwasu ortofosforowego w coca coli około 0,008 mol/dm3

przyjmując gęstość coli równą gęstości wody 1g/cm3 jest to roztwór w przybliżeniu 0,07% co w zupełności wystarcza by rozpuścić żyletkę (wykonałem takie doświadczenie).

Zestawienie Wyników:

Centymetr NaOH/HCl

CH3COOOH/NaOH

H3PO4/NaOH

CocaCola/ NaOH

0

12,29

3,35

1,85

2,32

1

12,18

3,88

1,89

2,43

2

12,13

4,10

1,90

2,61

3

12,10

4,43

1,92

4,32

4

12,07

4,51

1,97

4,80

5

12,04

4,63

2,04

5,23

6

12,00

4,86

2,17

5,40

7

11,97

5,02

2,33

5,55

8

11,93

5,20

2,53

5,70

9

11,88

5,52

2,86

5,86

10

11,82

6,19

4,83

5,98

11

11,78

11,01

5,91

6,08

12

11,71

11,39

6,23

6,22

13

11,62

11,60

6,48

6,32

14

11,51

11,71

6,70

6,45

15

11,39

11,85

6,86

6,60

16

11,21

11,92

7,02

6,70

17

10,87

11,96

7,22

6,83

18

9,80

12,02

7,48

7,15

19

7,81

12,06

7,88

7,45

20

3,18

12,09

9,58

7,80

21

2,81

12,12

10,85

8,45

22

2,62

12,15

11,22

8,95

23

2,49

12,18

11,44

9,20

24

2,39

12,21

11,59

9,42

25

2,30

12,72

11,72

9,59

Wnioski:

W każdym z przypadków, w miarę wprowadzania substancji miareczkującej, w roztworze zachodzą zmiany stężenia jonów wodorowych lub wodorotlenowych, następuje, więc zmiana pH roztworu. Na przebieg krzywej miareczkowania znaczny wpływ mają takie właściwości jak: stężenie miareczkowanego roztworu oraz roztworu mianowanego, objętość miareczkowanego roztworu, w przypadku miareczkowania kwasu ilość protonów. Ćwiczenie było pouczające gdyż zapoznałem się dokładnie z tą metoda analizy ilościowej oraz reakcjami zobojętniania, mogłem się przekonać na własne oczy, czym w rzeczywistości jest tak lubiana coca cola.