Grupa nr 2	Inne reakcje	Zaliczenie
Potencjometryczne pomiary pH
20.10.2011r.	Kijak Magdalena Kaczorek Kamila Moroń Kinga

Tabela I

	c [mol/l]	pH	[H^+]	[OH^-]	αteor.	αobl.
H2O	-	5,35	4,47 · 10^-6	2,24 · 10^-2	0	8,04 · 10^-8
HCl	0,1	1,01	9,78 · 10^-2	1,02 · 10^-6	1	0,97
CH3COOH	0,1	2,41	3,89 · 10^-3	2,57 · 10^-7	1,34 · 10^-2	1,89 · 10^-2
H3PO4	0,1	2,19	6,46 · 10^-3	1,55 · 10^-6	7,84 · 10^-2	6,46 · 10^-2
HCl – 1ml + 40ml wody	2,44 · 10^-3	2,62	2,39 · 10^-3	4,16 · 10^-5	1	0,99
CH3COOH – 1ml + 40ml wody	2,44 · 10^-3	3,13	7,41 · 10^-4	1,34 · 10^-4	8,59 · 10^-2	7,24 · 10^-2

Tabela II

	H2O	NaCl	NH4Cl	NaHCO3
pH	5,35	6,24	5,51	8,92

Tabela III

	H2O	H2O + HCl	Bufor + HCl	Bufor + H2O
pH	4,84	2,23	4,80	4,81

II opracowanie wyników

Ad 1)

1. Obliczenie stężenia HCl i CH₃COOH

1000 cm³ - 0,1 mol

1 cm³ - x

x = 10^-4 mol

c = 10^-4/0,041 [mol/dm³] ∼ 0,0024 mol/dm³

1. Obliczanie stężenia jonów H⁺ w roztworach

pH = - log[H⁺]

[H⁺] = 10^-pH

Do obliczeń wykorzystujemy wartości uprzednio zmierzonego pH

1. Obliczanie stężenia jonów H⁺ w roztworach

Wykorzystujemy, wartość iloczynu jonowego wody

10^-14 = [H⁺] • [OH^-]

[OH^-] = 10^-14 /[H⁺]

1. Teoretyczną wartość stopnia dysocjacji

Korzystając z uproszczonego prawa Ostwalda obliczono stopień dysocjacji roztworów CH₃COOH oraz H₃PO₄

α = $\sqrt{\frac{K}{c}}$

1. Obliczeniowa wartość stopnia dysocjacji

α = [H⁺]/c

Ad 2

1. Zmierzone pH wody destylowanej wynosi 5,35. Woda czysta jest lekko kwaśna a woda destylowana ma pH około 5.8. Wynika to z faktu, że w wodzie destylowanej jest rozpuszczany dwutlenek węgla z powietrza. Jest on rozpuszczany do momentu aż jego stężenie osiągnie równowagę z jego zawartością w powietrzu. Oznacza to, że ilość rozpuszczona równoważy ilość przechodzącą do roztworu. Całkowita zawartość w wodzie zależy od stężenia w powietrzu atmosferycznym. Rozpuszczony dwutlenek węgla reaguje z wodą tworząc kwas węglowy.

2 H₂O + CO₂ ↔ H₂O + H₂CO₃ ↔ (H₃0⁺) + (HCO₃^-)

Jedynie niedawno zdestylowana woda ma wartość pH około 7, ale pod wpływem rozpuszczanego dwutlenku węgla osiąga ona lekko kwaśne pH w przeciągu kilku godzin. Dodatkowo, warto wspomnieć, że pH wody ultra czystej jest trudne do pomiaru. Wynika to z faktu, że woda ta szybko wyłapuje zanieczyszczenia, np. takie jak CO₂, co wpływa na zmianę pH; ale również ma on niską przewodność, co może wpływać na dokładność pomiaru pH. Na przykład, absorpcja tylko kilku ppm dwutlenku węgla może spowodować spadek pH ultra czystej wody do 4.5, chociaż woda ta ma nadal wysoka jakość.

1. NaCl jest solą pochodzącą od mocnego kwasu i mocnej zasady. Tego typu sole dysocjuja na jony, których ilość nie jest ograniczona niskim stopniem dysocjacji, dlatego nie ulegają reakcji hydrolizy i odczyn tych roztworów jest obojętny. W naszym przypadku pH jest równe 6,24.

NaCl ↔ Na⁺ + Cl^-

1. NH₄Cl jest solą słabej zasady i mocnego kwasu.

Chlorek ten w roztworze wodnym zostaje zdecydowanie zdysocjowany na jony

NH₄Cl ↔ NH₄ ⁺ + Cl^-

Nadmiar jonów amonowych z soli wchodzi w reakcję proteolityczną z wodą

NH₄ ⁺ + H₂O ↔ NH₃ + H₃0⁺

W roztworze ustala się stan równowagi : c_H30+ > c_OH- i odczyn roztworu będzie kwaśny ( w naszym przypadku 5,51).

Obecne w roztworze jony H₃0⁺ i Cl^- niełączą się ze sobą ponieważ HCl to mocny elektrolit i równowaga reakcji jest całkowicie przesunięta w prawą stronę.

HCl + H₂O → H₃0⁺ + Cl^-

1. NaHCO₃ jest to wodorosól słabego kwasu i mocnej zasady.

Sól ta ulega hydrolizie w roztworze wodnym na skutek reakcji z jonami HCO₃^- spełniającymi rolę zasady a rozpuszczalnikiem (wodą), która odgrywa rolę kwasu.

HCO₃^- + H₂O ↔ H₂CO₃ + OH^-

Rolę kwasu mogą przejąć też jony HCO₃^-

HCO₃^- + H₂O ↔ H₃0⁺ + CO₃^2-

Powstające w ten sposób H₃0⁺ mogą się wiązać z HCO₃^- na niezdysocjowane cząsteczki kwasu H₂CO₃

Wartość pH wodnego roztworu wodorosoli zależy od stały dla poszczególnych stopni dysocjacji kwasu.

pH = ½ pK₁ + ½ pK₂

Dla naszej wodorosoli:

pH = ½ p(4,5 • 10^-7) + ½ p(4,7 • 10^-11) = ½ (6,35 + 10,33) = 8,34

Tym czasem wynik z pomiarów to 8,92.

Ad 3

Roztwory buforowe to mieszaniny utrzymujące stałe pH mimo dodawania niewielkich ilości kwasów i zasad lub rozcieńczania roztworu wodą.

Bufor octowy składa się z roztworu CH₃COOH i CH₃COONa.

W skutek obecności duzej ilości jonów CH₃COO^- pochodzących praktycznie całkowitej dysocjacji octanu sodu. Równowaga dysocjacji słabego kwasu octowego jest silnie przesunięta w lewo.

CH₃COOH + H₂O ↔ H₃0⁺ + CH₃COO^-

Dodanie do roztworu jony H₃O⁺ są natychmiast wiązane przez aniony octanowe działające jako zasada.

H₃0⁺ + CH₃COO^- ↔ CH₃COOH + H₂O (np. jony hydroniowe mogą pochodzić ze zdysocjowanego HCl)

Natomiast dodanie do roztworu zasady powoduje wiazanie, w reakcji zobojętniania jonów OH^- przez obecny w roztworze kwas octowy

CH₃COOH + OH^- ↔ CH₃COO^- + H₂O

Dwie ostanie reakcje w szczególności zachodzą gdy roztwór buforowy rozcieńczamy woda. Dlatego róznica w pH buforu na początku (4,84) nieznacznie się zmienił po dodaniu wody (4,81). W kontraście do roztworu HCl który z 1,01 (tabela I) po rozcieńczeniu pH wzrosło do 2,23.

Ad 4

Zdolność substancji do dysocjacji zależy od jej polarności oraz polarności rozpuszczalnika. Im silniej jest spolaryzowana cząsteczka tym łatwiej ulega ona rozpadowi na jony w rozpuszczalniku polarnym. Chlorowodór jest cząsteczką bardzo silnie spolaryzowaną. W wodzie praktycznie całkowicie rozpada się na jony i stąd w równaniu dysocjację HCl przedstawiono jako reakcję nieodwracalną, zachodzącą tylko w jednym kierunku, w kierunku tworzenia jonów H₃O⁺ i Cl^- Wysokie steżenie jonów wiąże się z niskim pH, oraz bliskiemu jedności stopniowi dysocjacji. Kwas octowy jest slabo spolaryzowaną cząsteczką, niewielka część cząsteczek rozpada się na jony, dlatego w przeciwieństwie do HCl kwas ten ma wyższe pH, oraz znacznie mniejszy od jedności stopień dysocjacji.

Dysocjacja kwasów wieloprotonowych przebiega stopniowo. Poszczególnym etapom można przypisać cząstkowe stałe równowagi K₁, K₂, K₃.....K_i, każdy kolejny o mniejszej wartości. Stała dysocjacji pierwszego stopnia jest największa. Odłączający sie atom wodoru z dysocjacji I stopnia prawie całkowicie cofa dysocjacje drugiego stopnia. Stała równowagi całkowitej dysocjacji K jest iloczynem cząstkowych stałych równowagi K_i.

Dla mocnych elektrolitów przyjęliśmy α_teor. równe 1 (100%) . Dla tak przyjętego stopnia dysocjacji równowaga reakcji dysocjacji całkowicie jest przesunięta w stronę tworzenia jonów. Różnica między α_teor.(1) i α_obl. (0,98) 0,1 M HCl oznacza, że przy danym stężeniu chlorowodór nie został całkowicie zdysocjowana. Lecz ilość niezdysocjowanego HCl jest nieznaczna.

Przy spadku stężenia roztworu rozcieńczonego α rosnie. α_obl. Co widać w przypadku nie rozcieńczonego (0,99) i stężonego (0,97) HCl.

Ad 4

Roztwory i ich stałość mają duże znaczenie w procesach biochemicznych organizmów żywych, gdyż zachodzące procesy chemiczne wymagają ściśle określonych warunków. Dlatego wszystkie płyny ustroju są odpowiednio zbuforowane. Układami buforującymi w organizmie są układy soli węglanowych, fosforowych oraz ciała białkowe.
Bardzo silnie zbuforowana jest krew, która przeciwstawia się wszelkim zmianom pH przy zwiększeniu w niej zawartości substancji o charakterze kwaśnym.

Normalne pH krwi waha się w wąskich granicach pomiędzy 7,36 a 7,43. Zmiana stężenia jonów wodorowych poza te granice, zwłaszcza w kierunku kwaśnego oddziaływania prowadzi do bardzo ciężkich zaburzeń, nawet zejść śmiertelnych.

Buforujący układ węglanowy H₂CO₃ / NaHCO₃ występujący we krwi przy pH = 7,4, posiada stosunek kwasu węglowego do wodorowęglanów jak 1 : 20.

H₂CO₃ / NaHCO₃ = 1 / 20

Rola buforu węglanowego w utrzymaniu równowagi kwasowo-zasadowej jest ściśle związana z czynnością narządu oddychania, a powstający w wyniku reakcji kwas węglowy jest łatwo wydalany przez płuca w postaci CO₂ i H₂O.

Buforujący układ węglanowy składający się z H₂CO₃ i NaHCO₃ możemy przedstawić następująco;

NaHCO₃ dysocjuje stosunkowo dobrze wg. równania

NaHCO₃ ↔ HCO₃^- + Na⁺

natomiast kwas węglowy H₂CO₃, jako bardzo słaby kwas, dysocjuje nieznacznie, zgodnie z reakcją;

H₂CO₃ ↔ H⁺ + HCO₃^-

Powstający w organizmie w następstwie wysiłku fizycznego kwas mlekowy jest silniejszym kwasem (posiada większy stopień dysocjacji) aniżeli kwas węglowy i dlatego w środowisku zajdzie następująca reakcja:

CH₃CH(OH)COOH + HCO₃^- + Na⁺ ↔ CH₃CH(OH)COONa + H₂CO₃ (H₂O + CO₂)

W reakcji powstaje mleczan sodu.

A to oznacza, że kation wodorowy pochodzący od kwasu mlekowego łączy się z anionem wodorowęglanowym na kwas węglowy, który praktycznie jako słaby kwas nie dysocjuje (rozpada się na H₂O i CO₂).

H₂CO₃ ↔ CO₂ + H₂

Dlatego pH środowiska się zmienia albo ulega nieznacznym zmianom.

Nieznaczne podniesienie pH krwi (zakwaszenie) podrażnia ośrodek oddechowy i w następstwie obserwuje się wzmożenie oddychania. Równocześnie następuje usuwanie powstałego nadmiaru kwasu węglowego z krwi. Bezwzględne wartości kwasu węglowego i wodorowęglanu we krwi zmniejszają się, lecz nie stwierdza się zmiany stosunku tych związków do siebie (1 : 20) i dlatego też nie może zmienić się pH krwi, ponieważ;

pH = pK_HA - lg(C_kw / C_soli)

W przypadku działania substancji zasadowych reakcja zachodzi miedzy jonem wodorotlenowym zasady a jonem wodorowym kwasu, wskutek czego powstaje cząsteczka niedysocującej wody. W tej reakcji zwiększa się bezwzgledna zawartość wodorowęglanu, lecz do równowagi między H₂CO₃ / NaHCO₃ dochodzi po pewnym czasie. Powstawanie z dodawanych jonów wodorotlenowych cząsteczek wody powoduje, że jony zasadowe nie zmieniają pH ośrodka zgodnie z reakcją;

Na⁺ + OH^- + H⁺ + HCO₃^- ↔ NaHCO₃ + H₂O

albo

CO₂ + OH^- ↔ HCO₃^-