Chemia fizyczna

Technologia chemiczna, rok II

Katarzyna Łysak

Beata Król

Gr. 4, zespół A

Ćwiczenie 5

Pomiar pH metodą potencjometryczną

Data wykonania ćwiczenia: 22.05.2012r

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	4.90
0.3	0.1			4.280	4.40
0.5	0.1			4.058	4.15
0.1	0.1	0.03		4.488	4.56
0.1	0.1		0.03	5.0258	5.12

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	1,4	1	0	2,89
2	5	1,42	2	5	4,23
3	10	1,57	3	10	4,46
4	15	1,73	4	15	4,77
5	20	1,78	5	20	5,08
6	25	2,00	6	25	5,41
7	30	2,53	7	30	5,82
8	35	4,66	8	30,5	5,90
9	36	8,86	9	31	6,00
10	36,2	9,85	10	31,5	6,12
			11	32	6,28
			12	32,5	6,55
			13	33	6,83
			14	33,5	9,38
			15	33,7	10,24
			16	34	10,64
			17	34,2	10,81
			18	34,5	10,98
			19	34,7	11,09

- 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	1,34	0,268
5	0,23	0,046
5	0,31	0,062
5	0,31	0,062
5	0,33	0,066
5	0,41	0,082
0,5	0,08	0,16
0,5	0,1	0,2
0,5	0,12	0,24
0,5	0,16	0,32
0,5	0,27	0,54
0,5	0,28	0,56
0,5	2,55	5,1
0,2	0,86	4,3
0,3	0,4	1,333333
0,2	0,17	0,85
0,3	0,17	0,566667

Na podstawie danego wykresu punkt równoważnikowy w punkcie gdzie
delta pH/ delta V= 5,1 ; V NaOH = 33,5 cm³ ; pH = 9,38

Tabela 4. Dane dla kwasu solnego

∆V [cm^3]	∆pH	∆pH/ ∆V
-	-	-
5	0	0
5	0,15	0,03
5	0,16	0,032
5	0,05	0,01
5	0,22	0,044
5	0,53	0,106
5	2,13	0,426
1	4,2	4,2
0,2	0,99	4,95

Na podstawie danego wykresu punkt równoważnikowy w punkcie gdzie
delta pH/ delta V= 4,95 ; V NaOH = 36,2 cm³ ; pH = 9,85

- 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	9,36	9	3,85%
HCl-NaOH	9,85	7	28,93%

- 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:

Podczas przeprowadzania przez nas doświadczenia można zauważyć, że przy miareczkowaniu mocnego kwasu (HCl) mocną zasadą (NaOH) o stężeniach 0,1 mol/dm³ w miarę dodawania NaOH stężenie jonów wodorowych maleje na wskutek łączenia się jonów H⁺ oraz OH^- w cząsteczki wody. Wynikiem tego jest wzrost pH roztworu . Na początku zwiększenie wartości pH jest bardzo powolne, jednak przy dalszym wprowadzaniu zasady do roztworu zmiana pH jest coraz szybsza, aż do osiągnięcia punktu równoważnikowego, w którym następuje całkowite zobojętnienie roztworu. Teoretyczna wartość pH dla zobojętnienia wynosi 7, z otrzymanych wyników doświadczalnych na podstawie pierwszej pochodnej punkt równoważnikowy przypadł na wartość pH≈9,85

Końcowym etapem ćwiczenia było porównanie wartości teoretycznych i doświadczalnych dla miareczkowania mocnego kwasu mocną zasadą. Wartości te są sobie bliskie, co widać w tabeli 5. Świadczy to o zgodności przeprowadzonych pomiarów, należy jednak dodać, że pH-metr którym się posługiwano w ćwiczeniu był obarczony błędem pomiarowym.

Podczas miareczkowania słabego kwasu(CH₃COOH) mocną zasadą (NaOH) powstaje sprzężona z nim słaba zasada według reakcji:

CH_3­COOH + OH^- = H₂O + CH₃COO^-

Słaba zasada, która powstała w reakcji reaguje z wodą:

CH₃COO^- + H­₂O = CH₃COOH + OH­^-

Wynika z tego ,że odczyn roztworu w punkcie równoważnikowym jest zasadowy. Zmniejszenie stężenia jonów wodorowych podczas miareczkowania jest spowodowane nie tylko zobojętnianiem tych jonów jonami OH^- , lecz także cofaniem się dysocjacji kwasu octowego, w miarę zwiększania się stężenia anionów CH₃COO^-. Do mierzenia wartości pH przy takim miareczkowaniu najlepszymi wskaźnikami są:

- fenoloftaleina o zakresie pH 8,1-10

- błękit tymolowy o zakresie pH 8-9,6

a więc prawie dokładnie w obrębie skoku krzywej miareczkowania. Z wykresu wynika, że punkt równoważnikowy doświadczalny przypada na wartość pH≈9,38

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

---