Numer ćwiczenia: 18	Temat ćwiczenia: Potencjometryczne pomiary pH i miareczkowanie potencjometryczne. Własności roztworów buforowych	Data wykonania ćwiczenia: 31.03.2014 r.
				Data oddania sprawozdania: 03.04.2014 r.
Grupa: A2	Góralik Monika	Nazwisko sprawdzającego: mgr Ewa Wierzbicka
Uwagi:		Ocena:

1. Cel ćwiczenia.

Ćwiczenie miało na celu poznanie własności roztworów buforowych i wpływu kilku czynników na nie oraz wyznaczenie dokładnego stężenia badanego roztworu kwasu fosforowego (H₃PO₄) za pomocą miareczkowania potencjometrycznego.

2. Wykonanie.

• Sporządzono trzy bufory octanowe poprzez zmieszanie kolejno: 50 cm³ 0,1 M roztworu kwasu octowego i i 50 cm³ 0,1 M octanu sodu (1:1) , 10 cm³ 0,1 M CH₃COOH i 90 cm³ 0,1 CH₃COONa (1:9) oraz przez rozcieńczenie 10 cm³ buforu 1:9 90 cm³ wody oraz zmierzono ich pH za pomocą titratora z funkcją pH-mierza i woltomierza

• Do 3 zlewek na 25 cm³ przeniesiono po 24,5 cm³ każdego z buforów, dodano po 0,5 cm³ 0,1 M HCl i zmierzono pH tych roztworów

• Dokonano pomiaru pH 0,1 M roztworu NaOH

• Zmiareczkowano bufory 1:1 i 1:9 0,1 M roztworem NaOH do momentu zmiany pH roztworów o ok. 1 w stosunku do początkowego pH (dodawano po 0,4 cm³ titranta)

• Do zlewki przeniesiono 5 cm³ 0,1 M roztworu H₃PO₄, rozcieńczono wodą do objętości ok.
  50 cm³ i zmiareczkowano 0,1 M NaOH

3. Wyniki i opracowanie.

Tabela1.: doświadczalne oraz teoretyczne wartości pH badanych roztworów

bufor	pH
		doświadczalne	teoretyczne
1:1	4,76	4,76
1:9	5,71	5,71
1:9 (10x rozcieńczony)	5,79	5,71
1:1 + HCl (49:1)	4,74	4,80
1:9 + HCl (49:1)	5,64	5,82
1:9 (10x rozcieńczony) + HCl (1:49)	5,24	5,14

Teoretyczną wartość pH buforów obliczono ze wzoru:

gdzie:

K_a - stała dysocjacji kwasu (CH₃COOH) (1,75*10^-5)

pK_a=-log(1,75*10^-5)=4,7569≈4,76

c_kw - stężenie kwasu (CH₃COOH) w buforze (0,05 M w buforze 1:1, 0,01 M w buforze 1:9)

c_s - stężenie soli (CH₃COONa) w buforze (0,01 M w buforze 1:1, 0,09 M w buforze 1:9)

pH roztworów po dodaniu 0,5 cm3 0,1 M HCl do buforu opisuje równanie:

gdzie c_H+ to liczba moli jonów H⁺ wprowadzonych do roztworu w postaci HCl

Tabela2.: pojemność buforowa roztworów

bufor	pHpoczątkowe	pHkońcowe	ΔpH	VNaOH [cm^3]	VnaOH/ΔpH [cm^3]	β [mmol]
1:1	4,78	5,80	1,02	20,4	20,000	2,0000
1:9	5,73	6,82	1,09	4,8	4,404	0,4404

Pojemność buforową roztworów obliczono ze wzoru:

gdzie:

Δn - liczba moli dodanej zasady [mmol]

ΔpH - zmiana pH roztworu po dodaniu zasady

Współczynnik aktywności (f) wodorotlenku sodu w 0,1 M roztworze obliczono, korzystając z poniższych wyrażeń przy założeniu, że a_NaOH=a_OH-:

-log(a_OH-)=pOH=14-pH

Teoretyczną wartość współczynnika aktywności obliczono ze wzoru:

gdzie z to ładunek danego jonu, zaś I to moc jonowa roztworu obliczona z równania:

I=0,5*Σz_i²c_i

gdzie z_i i c_i to odpowiednio ładunek oraz stężenie danego jonu w roztworze (-1 dla OH^-, 1 dla Na⁺).

I=0,5*((z_Na+)²*0,1+(z_OH-)²*0,1)=0,5*(0,1+0,1)=0,1

, stąd dla każdego z jonów f=10^-0,1225=0,7542, a dla całego roztworu:

f_teoretyczne=2*0,7542=1,5084

Tabela3.: wyniki miareczkowania kwasu fosforowego

VNaOH [cm^3]	ΔVNaOH [cm^3]	SEM [mV]	ΔSEM [mV]	ΔSEM/ΔVNaOH [mV/cm^3]
0,0	-	239,5	-	-
0,4	0,4	237,3	2,2	5,50
0,8			234,8	2,5	6,25
1,2			231,9	2,9	7,25
1,6			228,7	3,2	8,00
2,0			225,2	3,5	8,75
2,4			221,1	4,1	10,25
2,8			216,4	4,7	11,75
3,2			210,8	5,6	14,00
3,6			203,9	6,9	17,25
4,0			194,9	9,0	22,50
4,1		0,1	191,8	3,1	31,00
4,2			188,7	3,1	31,00
4,3			185,3	3,4	34,00
4,4			181,2	4,1	41,00
4,5			176,2	5,0	50,00
4,6			170,6	5,6	56,00
4,7			163,1	7,5	75,00
4,8			152,7	10,4	104,00
4,9			136,0	16,7	167,00
5,0			103,6	32,4	324,00
5,1			67,0	36,6	366,00
5,2			47,9	19,1	191,00
5,3			36,4	11,5	115,00
5,4			28,2	8,2	82,00
5,5			21,7	6,5	65,00
5,6			16,3	5,4	54,00
5,7			11,7	4,6	46,00
5,8			7,7	4,0	40,00
5,9			4,0	3,7	37,00
6,0			0,8	3,2	32,00
6,4		0,4	-10,2	11,0	27,50
5,8			-19,2	9,0	22,50
7,2			-27,3	8,1	20,25
7,6			-34,9	7,6	19,00
8,0			-42,5	7,6	19,00
8,1		0,1	-44,7	2,2	22,00
8,2			-46,7	2,0	20,00
8,3			-48,6	1,9	19,00
8,4			-50,7	2,1	21,00
8,5			-52,8	2,1	21,00
8,6			-55,0	2,2	22,00
8,7			-57,2	2,2	22,00
8,8			-59,6	2,4	24,00
8,9			-62,1	2,5	25,00
9,0			-64,6	2,5	25,00
9,1			-67,3	2,7	27,00
9,2			-70,2	2,9	29,00
9,3			-73,4	3,2	32,00
9,4			-76,6	3,2	32,00
9,5			-80,4	3,8	38,00
9,6			-84,4	4,0	40,00
9,7			-89,1	4,7	47,00
9,8			-94,7	5,6	56,00
9,9			-101,1	6,4	64,00
10,0			-109,6	8,5	85,00
10,1			-120,9	11,3	113,00
10,2			-138,0	17,1	171,00
10,3			-161,6	23,6	236,00
10,4			-183,6	22,0	220,00
10,5			-200,2	16,6	166,00
10,6			-212,8	12,6	126,00
10,7			-222,8	10,0	100,00
10,8			-230,9	8,1	81,00
10,9			-237,5	6,6	66,00
11,0		-243,1	5,6	56,00
11,4	0,4	-258,7	15,6	39,00
11,8		-268,5	9,8	24,50
12,2		-275,9	7,4	18,50
12,6		-281,6	5,7	14,25
13,0		-286,2	4,6	11,50

Wykres1.: zależność SEM od objętości dodanego NaOH

Wykres2.: zależność ΔSEM/ΔV_NaOH od objętości dodanego NaOH

Na wykresie 2. można zauważyć 2 punkty, które można uznać za punkty końcowe miareczkowania, w których to jeden mol kwasu fosforowego przereagował z - odpowiednio - jednym lub dwoma molami zasady (trzeciego PK nie zauważono ze względu na zbyt małą objętością zastosowanego titranta):

H₃PO₄ + NaOH → NaH₂PO₄ + H₂O

NaH₂PO₄ + NaOH → Na₂HPO₄ + H₂O, równoznaczne z H₃PO₄ + 2 NaOH → Na₂HPO₄ + 2 H₂O

Zawartość miareczkowanego kwasu w badanym roztworze (5 cm³ 0,1 M H₃PO₄ rozcieńczone
10-krotne) obliczono dla pierwszego PK (dla którego V_naOH=5,1 cm³) ze wzoru:

gdzie:

V_titranta - objętość NaOH [cm³]

c_titranta - stężenie NaOH [mol/dm³]

Dokładne stężenie miareczkowanego kwasu wynosi:

gdzie V_kwasu to objętość wyjściowego, nierozcieńczonego roztworu H₃PO₄ [dm³].

4. Wnioski.

Wykonane ćwiczenie pozwoliło zbadać właściwości kilku buforów octanowych. Zauważono, że proporcje roztworu kwasu i soli użytych do sporządzenia roztworu ma znaczny wpływ na pojemność buforową roztworu (roztwór z równymi stężeniami soli i kwasu ma pojemność wyższą niż roztwór,
w którym stężenie soli jest wyższe od stężenia kwasu) oraz jego pH (roztwór z wyższą zawartością soli ma wyższe pH). Stężenie buforu ma nieznaczny wpływ na pH roztworu, za co jest odpowiedzialna zmiana aktywności zawartych w nim jonów, jednak ma wpływ na pojemność buforową - po dodaniu odrobiny kwasu solnego do rozcieńczonego buforu spadek pH był większy niż dla nierozcieńczonego buforu (badano na przykładzie buforu 1:9). Doświadczalne wartości pH buforów nieznacznie się różniły od wartości teoretycznych, co wskazuje na poprawne sporządzenie roztworów oraz dużą dokładność pomiarów dokonywanych przez titrator.

Został wyznaczony także współczynnik aktywności wodorotlenku sodu i wynosi on 1,4454 wobec teoretycznej wartości 1,5084. Różnica może wynikać z niepewności pomiaru pH oraz wpływu warunków zewnętrznych.

Podczas ćwiczenia dokonano również dokładnego wyznaczenia stężenia badanego roztworu kwasu fosforowego poprzez miareczkowanie potencjometryczne - wynosi ono 0,102 M (deklarowane stężenie H₃PO₄: 0,1 M).

---