Inżynieria Materiałowa Grupa I

2002/2003: 2 grudnia 2002

ZESPÓŁ I

A) ĆWICZENIE NR 13:

STAŁA I STOPIEŃ DYSOCJACJI KWASÓW I ZASAD

STAŁA I STOPIEŃ HYDROLIZY SOLI

B) ĆWICZENIE NR 14:

INDYKATORY, ROZTWORY
BUFOROWE, KOLORYMETRYCZNE OZNACZANIE pH

Konrad Wilk

I. WSTĘP

a) ĆWICZENIE 13:

Dysocjację jednozasadowego kwasu
można opisać następującym równaniem stechiometrycznym:
.

Stałą dysocjacji
(w stałej temperaturze jest niezależna od całkowitego stężenia kwasu) zgodnie z prawem działania mas, określa się wzorem:
;
- stężenia produktów dysocjacji
,
- stężenie cząsteczek kwasu, które nie uległy dysocjacji.

Stopień dysocjacji
określa się wzorem:
i jest to stosunek stężenia części elektrolitu, która uległa dysocjacji, do ilości elektrolitu przed dysocjacją.

Przez hydrolizę soli rozumiemy rozkład danej soli przy pomocy wody na kwas oraz zasadę, przy czym warunkiem zajścia procesu jest, aby przynajmniej jeden z produktów był elektrolitem słabym; w przeciwnym razie hydroliza nie zachodzi.

Stała hydrolizy:
. Jest to stosunek stężenia produktów do stężenia substratów. Stopień hydrolizy:
lub
.

b) ĆWICZENIE 14:

Iloczyn jonowy wody jest to iloczyn stężeń jonów wodorowych i wodorotlenowych; w temperaturze pokojowej wynosi:
. Stężenia wyrażone są w
.

Ponieważ stężenie jonów wodorowych w roztworach wodnych są często o szereg rzędów wielkości mniejsze od 1, dla ułatwienia stosuje się ujemny logarytm ich stężenia, wyrażając jako pH tego roztworu:
.

Indykatory są to substancje, których barwa lub jej odcień zależy od pH środowiska. Tabela z zależnościami stopnia pH od barwy indykatorów w roztworach znajdują się poniżej:

Nazwa indykatora	Barwa indykatora w roztworze
		w pH		w pH
Tropeolina OO	czerwona	1,4	żółta	2,6
Czerwień Kongo	niebieska	3,0	czerwona	5,2
Metyloranż	czerwona	3,1	żółta	4,4
Zieleń bromokrezolowa	żółta	3,8	niebieska	5,4
Purpura bromokrezolowa	żółta	5,2	fioletowa	6,8
Błękit bromokrezolowy	żółta	6,0	niebieska	7,6
Czerwień fenolowa	żółta	6,8	czerwona	8,4
Fenoloftaleina	bezbarwna	8,3	czerwona	10,0
Tymoloftaleina	bezbarwna	9,2	niebieska	10,5

Roztwory buforowe są to mieszaniny słabego kwasu i soli tego kwasu z mocną zasadą lub słabej zasady i soli tej z mocnym kwasem. Mieszaniny te charakteryzują się tym, że nie zmieniają znacząco wartości pH, podczas rozcieńczania, zagęszczania, zmian temperatury tegoż roztworu.

II. CEL ĆWICZENIA

a) ĆWICZENIE 13:

Należy wyliczyć stałą dysocjacji kwasu octowego, mierząc pH roztworów kwasu octowego o różnych stężeniach oraz stwierdzić czy stała dysocjacji tego kwasu może być uważana za wielkość stałą.

Ponadto należy wyliczyć stałą hydrolizy oraz stopień hydrolizy octanu sodowego w roztworach o różnych stężeniach.

b) ĆWICZENIE 14:

Należy kolorymetrycznie wyznaczyć wartość pH otrzymanych do zbadania substancji (zadany roztwór oraz woda wodociągowa i woda destylowana) z dokładnością co do 0,2.

Ponadto trzeba sprawdzić stosowalność wzorów:

w oparciu o dane tablicowe.

III. METODA POMIARU

a) ĆWICZENIE 13:

Aby wyznaczyć stałą i stopień dysocjacji roztworów kwasu octowego
należy wyznaczyć stężenie jonów wodorowych; na tej podstawie posługując się poniższymi wzorami wyliczamy potrzebne wartości:

Natomiast pomiar stężenia jonów wodorowych sprowadza się do wyznaczenia pH danego roztworu, ponieważ
oraz pH są powiązane wzorem
.

Wyznaczenie pH polega na znalezieniu jego przybliżonej wartości za pomocą badania barw indykatorów, a następnie sporządzeniu szczegółowej skali pH (roztwory buforowe) w przybliżonym jego zakresie i kolorymetrycznym dopasowaniu próbek.

Do wyliczenia stałej hydrolizy oraz stopnia hydrolizy octanu sodowego i pH tych roztworów posługujemy się znalezioną w poprzedniej części ćwiczenia wielkością stałej dysocjacji kwasu octowego. Stosujemy następujące równania:

b) ĆWICZENIE 14:

Najpierw posługując się metodą kolorymetryczną, przy pomocy indykatorów, określamy w przybliżeniu wartość pH naszych substancji (zadany roztwór oraz woda wodociągowa i woda destylowana), a następnie przy użyciu skali buforowej (sporządzonej w tym przybliżonym zakresie) określić dokładnie pH.

W celu sprawdzenia stosowalności równań:

należy wykreślić zależności:
lub
.

IV. OBLICZENIA I WYNIKI POMIAROWE

a) ĆWICZENIE 13:

Wyniki pomiarów pH roztworów kwasu octowego w różnych stężeniach:

Stężenie analityczne kwasu	pH (z oznaczenia doświadczalnego)	pH (z oznaczenia pH-metrem)	Stężenie jonów wodorowych	Stała dysocjacji	Błąd względny	Stopień dysocjacji
0,02000	3,4	3,16	0,000692	0,000025	-0,275395	0,034592
0,00400	3,8	3,48	0,000331	0,000030	-0,126405	0,082783
0,00080	4,2	3,77	0,000170	0,000046	0,337767	0,212280
0,00016	po za skalą	4,22	0,000060	0,000036	0,064033	0,376600

Wyliczenie wartości średniej stałej dysocjacji:
, służy do wyliczenia błędu względnego:
.

Stałą hydrolizy octanu sodowego:

Stopień hydrolizy:

dla małych wartości
możemy przyjąć, że
, więc:

- (normalność roztworu
)

- (normalność roztworu
)

b) ĆWICZENIE 14:

Pierwszą czynnością było zapoznanie się z barwami poszczególnych indykatorów w skrajnych środowiskach: silnie kwaśnym i silnie alkalicznym. W tym celu do dwóch rzędów równoległych probówek wlewamy się 0,1n
(do jednego rzędu) oraz 0,1n
(do drugiego), po czym do każdej pary dodajemy po kilka kropel danego indykatora. Tak przygotowanym materiałem posługujemy się do dalszego określenia przybliżonego określenia pH badanych przez nas substancji. Wyniki zostały zapisane w tabeli poniżej:

Substancja	Indykator	Zabarwienie indykatora	pH
zadana próbka	błękit bromotymolowy purpura bromokrezolowa fenoloftaleina	delikatnie zielonkawe mocno błękitne brak zabarwienia	Wniosek: 6,8-7,6
woda wodociągowa	błękit bromotymolowy purpura bromokrezolowa fenoloftaleina	delikatnie zielonkawe błękitne brak zabarwienia	Wniosek: 6,8-7,6
woda destylowana	zieleń bromokrezolowa purpura bromokrezolowa metylooranż	zielonkawe żółtawe pomarańczowe	Wniosek: 4,4-5,2

Następną rzeczą jest sporządzenie skali pH, w oparciu o tabelę załączoną w skrypcie, mniej więcej w takim zakresie w jakim wywnioskowaliśmy pH podczas badania indykatorami. Wynikiem kolorymetrycznego określania pH są dokładne jego wartości: nasza próbka - 6,8, woda wodociągowa - 7,4, woda destylowana - mniej niż 6 (niedokładność wynika z powodu zanieczyszczenia badanej substancji np.
).

Sprawdzenie stosowalności równań:

c1/c2	log(c1/c2)	pH 1	pH 2	pH 3	pH 4	pH 5
0,0625	-1,2041	4,2	5,0	5,9	8,0	10,7
0,25	-0,6021	3,6	4,4	5,3	7,3	10,1
1	0,0000	3,0	3,8	4,7	6,7	9,5
4	0,6021	2,4	3,2	4,1	6,1	8,9
16	1,2041	1,7	2,6	3,5	5,5	8,3

Wyznaczone z poniższego wykresu stałe dysocjacji:

	pH 1	pH 2	pH 3	pH 4	pH 5
					3

V. WNIOSKI

a) ĆWICZENIE 13:

W oparciu o uzyskane wyniki pomiarów oraz uwzględniając błąd pomiarowy można stwierdzić, że stała dysocjacji kwasu octowego, w badanym zakresie stężeń, jest wielkością stałą.

Wartości pH wyznaczone doświadczalnie odbiegają nieco od tych wyznaczonych przy pomocy pH-metru, co jest prawdopodobnie spowodowane złym stanem buforów. Do obliczeń wzięliśmy więc wartości z pH-metru (co daje większą dokładność).

b) ĆWICZENIE 14:

Wyznaczanie wartości pH metodą kolorymetryczną, najpierw przy pomocy indykatorów, potem używając buforów dało nam dokładną wartość pH badanych substancji (zadany roztwór oraz woda wodociągowa i woda destylowana). Wartości pH dla wody destylowanej nieco odbiegają od właściwych, ponieważ substancja ta jako niemal idealnie czysta chemicznie pobiera wszystkie zanieczyszczenia z powietrza, co zmienia znacząco jej niektóre właściwości. Dla wody wodociągowej pH również nie wyszło idealnie, co jest spowodowane dodawaniem do niej różnych substancji.

Następnym krokiem było sprawdzenia stosowalności wzorów:

Po wykreśleniu wykresu można stwierdzić, że opisują one zadowalająco wymienionych w tabeli (załączonej w skrypcie) układów buforowych.

6

---