pracovní list studenta

Transkript

1 Výstup RVP: líčoá sloa: praoní list studenta Aidobaziké ronoáhy Stupeň disoiae Martin rejčí experiment umožňuje žákům pohopit problematiku disoiae kyselin a zásad e odnýh roztoíh, žái si oěří poznatky z teoretiké ýuky, kde se dozídají informae o rozdíleh disoiační shopnosti mezi protolyty, kde se snaží pohopit termíny silný, slabý protolyt (míra disoiae kyselin a zásad záisí jednak na konstantě aidity respektie baziity příslušného protolytu, dále šak i na míře zředění příslušné kyseliny či zásady); žái se naučí posoudit hoání kyselin či zásad e odnýh roztoíh, důležitým přínosem je shopnost praoat s eličinou stupeň disoiae, která přímo yjadřuje míru disoiae slabýh protolytů; zajímaou možností je zjištění průběhu záislosti změny stupně disoiae na molární konentrai ƒ( ), resp. ƒ( ), případně na změnáh hodnot ph ƒ(ph) odnýh roztoků kyselin či zásad. slabá kyselina, stupeň disoiae, konstanta aidity inta Laboratorní práe Doba na příprau: 15 min Doba na realizai: 0 5 min Doba na zpra. dat: 0 5 min Obtížnost: střední Studium změny stupně disoiae slabýh protolytů záislosti na změně molární konentrae Úkol Cíl Pomůky ph-metriky oěřte míru elektrolytiké disoiae slabýh kyselin či zásad záislosti na míře zředění. Pomoí ph-metriké měříí tehniky sledoat změnu disoiační shopnosti zoleného slabého protolytu. Variujíí hodnoty ph přepočítat na ronoážné konentrae oxonioého kationtu a z nih následně dopočítat hodnoty stupně disoiae zoleného protolytu pro dané molární konentrae. Z naměřenýh měnííh se hodnot ph respektie (kyselin či zásad) sestrojit graf záislosti a ƒ(ph) nebo a ƒ(). Umět použíat ztah pro ýpočet a a jeho souislost s konstantami aidity respektie baziity slabýh protolytů. Přístrojoé ybaení: datalogger LAQUEST, počítač s nainstaloaným programem Logger Pro, senzor ph Vernier, magnetiká míhačka + magnetiké míhadlo Laboratorní tehnika: laboratorní stojan, držák na byrety, byreta (V 50 ml), odměrná pipeta (V 50 ml), titrační baňka (V 50 ml), odměrná baňka (V 0 ml), držák ph-metriké elektrody (není podmínkou), střička, pipetoaí balonek Chemikálie: roztok kyseliny otoé CH 1 mol L -1, destiloaná H O Informae o nebezpečnosti použitýh hemikálií CH COOH: H-ěty H14 Způsobuje těžké poleptání kůže a poškození očí. H6 Hořlaá kapalina a páry. R-ěty R Hořlaý. R5 Způsobuje těžké poleptání. S-ěty S1/ Uhoáejte uzamčené a mimo dosah dětí. S Nedehujte plyny/dýmy/páry/aerosoly (příslušný ýraz speifikuje ýrobe). S6 Při zasažení očí okamžitě důkladně ypláhněte odou a yhledejte lékařskou pomo. S45 V případě nehody nebo neítíte-li se dobře, okamžitě yhledejte lékařskou pomo (je-li možno, ukažte toto označení). 89

2 praoní list studenta Sledoání hydrolýzy u odnýh roztoků různýh solí P-ěty P60 Nedehujte páry. P80 Použíejte ohranné rukaie/ohranný odě/ohranné brýle/obličejoý štít. P05+P51+P8 Při zasažení očí: několik minut opatrně yplahujte odou. Vyjměte kontaktní čočky, jsou-li nasazeny a pokud je lze yjmout snadno. Pokračujte e yplahoání. P01+P0+P1 Při požití: Vypláhněte ústa. Neyoláejte zraení. P Okamžitě olejte toxikologiké informační středisko nebo lékaře. Teoretiký úod yseliny či zásady mají shopnost e odném roztoku disoioat. Při elektrolytiké disoiai se do roztoku uolňují ionty, které oliňují ph danýh roztoků. Je zřejmé, že disoiační shopnost nebude u šeh stejná. Dokone lze s jistotou trdit, že neexistují ani da protolyty, které by se roztoíh hoaly stejným způsobem. Veličina, která nám alespoň částečně naznačuje disoiační shopnost, se nazýá konstanta aidity pro kyseliny, respektie konstanta baziity platná pro zásady. Z jejih hodnot jsme shopni ysloit jednoznačný záěr, zda se jedná o silný či slabý protolyt. Obtížnější už je ysloit záěr o míře reálné disoiae námi zoleného protolytu. O nezbytnosti znalosti této míry sědčí už samotný definiční ztah pro ýpočet ph odnýh roztoků kyselin či zásad ph log[(h O) + ]. Je jasně patrné, že mnoha případeh je nezbytností zjistit přesnou ronoážnou konentrai oxonioýh kationtů roztoku, která nebude žádném případě rona počáteční analytiké konentrai kyseliny či zásady. Abyhom mohli spolehliě ynést záěr o hodnotě ronoážné konentrae oxonioého kationtu, musíme přesně ědět, jaké množstí molekul kyseliny či zásady podlehlo elektrolytiké disoiai neboli kolik molekul se reálně podílí na ýsledné hodnotě ph našeho roztoku. Veličina, která nám tuto skutečnost jednoznačně prozrazuje, se nazýá stupeň disoiae. Značí se a pro názornost se uádí %. Jedná se o poměr látkoého množstí disoioanýh molekul ku elkoému množstí molekul kyseliny či zásady loženému na počátku. n n + A H 0[ %] 0[ %] 0 0 n n Problém nastáá e híli, kdy si uědomíme, že hodnota čitatele e ýše uedenýh ztazíh je práě námi hledaná disoiační shopnost kyselin a zásad! Je tedy nezbytné najít jinou estu pro odhalení reálné disoiační shopnosti. Vyjdeme z klasikýh disoiačníh ronoáh kyselin a zásad e odném prostředí. (aq) + H O (l) (aq) + H O (l) A (aq) + (H O)+ (aq) H + (aq) + (OH) (aq) Pro každou z nih lze zapsat příslušnou konstantu aidity či baziity. [ A ] [ ( H O ) ] [ ] + [( H ) + ] [ ( OH ) ] [ ] Nyní se můžeme podíat na disoiae podrobněji a pokusit se zahytit da stěžejní časoé úseky probíhajííh disoiaí. líže se podíáme na počátek disoiae a na okamžik dosažení ronoážného stau při disoiai kyseliny i zásady. 90

3 kyselina: zásada: praoní list studenta Sledoání hydrolýzy u odnýh roztoků různýh solí t0s (aq) + H O (l) A (aq) + (H O)+ (aq) 0 0 t ronoáha. (H O ) +. ( 1- ) A. t0s (aq) + H O (l) H + (aq) + (OH) (aq) 0 0 t ronoáha. ( 1- ) H +. (OH). Nyní si lze, za ronoážné konentrae, dosadit ýše uedené ýrazy do příslušnýh konstant aidity či baziity. ( 1 ) ( 1 ) ( 1 ) ( 1 ) ( 1 ) ( 1 ) Finální tar roni yjadřujííh souislost konstant aidity či baziity se stupněm disoiae je následujíí: Řešením kadratikýh roni získáme dojii kořenů, z nihž jeden má hodnotu pozitiní a jeden má hodnotu negatiní. Logiky ten s negatiní hodnotou nedáá smysl, poněadž negatiní disoiae je samozřejmě nesmysl. Pro další prái yužijeme pozitiní hodnotu stupně disoiae a, která přesně kantifikuje míru disoiae kyseliny či zásady. Lze se ještě zamyslet nad ýrazem (1 a) e jmenoateli ýrazů po dosazení ronoážnýh konentraí s použitím stupně disoiae do konstant aidit respektie baziit. Pro slabé protolyty, při běžně použíanýh konentraíh, platí, že míra disoiae je elie nízká, a proto lze ýraz (1 a) poažoat za jednotkoý. Tím se ýraz zásadně zjednoduší na tar kyselina: zásada: rom základního ztahu mezi stupněm disoiae a konstantami aidit či baziit stojí za to si pošimnout ztahu mezi stupněm disoiae a a ph respektie ronoážnou konentraí oxonioého kationtu [(H O) + ]. Pro ph obené roině platí ph log + log[ ( HO ) ] ( H O ) + [( H O) ] + 91

4 praoní list studenta Sledoání hydrolýzy u odnýh roztoků různýh solí ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Spojením obou ýrazů získáme následujíí ronii, kde jsou e zájemném ztahu šehny tři klíčoé eličiny pro ýpočet ph slabýh, málo disoiujííh kyselin: + [( H O) ] + [( H O) ] Postup práe Pro slabé zásady by platila následujíí arianta + [( HO ) ] [( OH ) ] [( OH ) ] [( OH ) ] 1 Do čisté titrační baňky (50 ml) odpipetujeme (obr. 1) odměrnou pipetou 0 ml destiloané ody. Sestaíme aparaturu pro titrai (obr. a ). Přes náleku naplníme byretu studoaným roztokem CH 1 mol L -1. Před lastním plněním byretu pečliě propláhneme destiloanou odou a následně zbytek ody spláhneme malým množstím připraeného roztoku kyseliny otoé. Důodem je minimalizae hyby stanoení způsobené pozměněním počáteční konentrae 0 (CH COOH) roztoku destiloanou odou poházejíí z počátečního ýplahu byrety. 4 Meniskus, ytořený hladinou roztoku kyseliny, nastaíme na nuloou hodnotu odpuštěním přebytečného množstí bokem do kádinky (obr. 4). 5 Do titrační baňky s destiloanou odou ložíme magnetiké míhadlo. 6 Následně do titrační baňky s destiloanou odou ponoříme senzor ph Vernier. Otáčky magnetiké míhačky nastaíme tak, aby míhadlo nenaráželo do měříí části ph elektrody. 7 ph elektrodu je nezbytné před experimentem kalibroat. alibrai proádíme doubodoě za pomoi pufračníh roztoků s definoanou hodnotou ph. Použíáme roztoky ph 4 a ph 7. Pro kalibrai hodnoty zdálenější od ph neutrality lze použít i pufr o ph. Při ětší tolerani odhylky měření lze yužít i kalibrai přednastaenou dataloggeru. obr. 8 Nyní nastaíme režim měření pro sběr dat. Nastaení lze proést jak dataloggeru LAQUEST, tak i programu LoggerPro. Na obrázíh níže (obr. 5, 6, 7) je naznačeno nastaení programu Logger Pro. V rozbaloaím seznamu Experiment zolíme nabídku Sběr dat. Objeí se dialogoé okno pro nastaení. Zde nahradíme nabídku Časoá záislost režimem Události se stupy. Následně doplníme informae o názu sloupe, znače a jednote manuálně zadáané eličiny. V našem případě bude manuálně zadáanou eličinou objem studoaného roztoku kyseliny otoé. Po zadání šeh požadoanýh hodnot potrdíme olbu tlačítkem Hotoo. Tím je základní obr. odměrná pipeta obr. 1 obr. 4 9

5 praoní list studenta Sledoání hydrolýzy u odnýh roztoků různýh solí obr. 5 obr. 6 nastaení režimu měření ukončeno a můžeme přistoupit k lastní realizai měření. 9 Ještě před měřením lze nastait parametry grafu, není to šak nezbytné, úpray grafu lze proádět i po ukončení měření. Nyní začneme lastní titrai. likem na ikonu Sběr dat (zelená šipka na monitoru počítače) zahájíme měření. Současně se zahájením sběru dat se edle zelené šipky objeí symbol modrého kroužku, příkaz Zahoat, který se yužíá k manuálnímu zadáání přidaného obr. 7 objemu roztoku kyseliny otoé. ěhem měření olíme objem kyseliny přidáané z byrety o nejmenší. Ideální by bylo po 1 ml nebo ml. Při nízkýh konentraíh, kterýh tak malými přídaky dosáhneme, získáme i elmi zásadní, nebýale ysoké hodnoty stupně disoiae. To přesně koresponduje se záislostí stupně disoiae na molární konentrai slabýh protolytů (iz teoretiký úod). Tak nízké objemy přídaku je dobré držet hlaně počátku měření, postupně lze přídaky zyšoat až na 5 ml či 1 ml. Po každém přídaku je nutné počkat, až se noá hodnota změněného ph ustálí. likem na příkaz Zahoat naměřenou hodnotu uložíme a zároeň získáme možnost zadat objem přídaku. Zadanou hodnotu potrdíme tlačítkem O. Celou operai opakujeme tak dlouho, až získáme dostatek hodnot pro ykreslení elého grafu a ƒ(ph) respektie a ƒ( ). 11 Po naměření dostatečného počtu hodnot ukončíme sběr dat klikem na tlačítko Ukončit. Tím je experimentální část měření hotoa. Následuje analytiká část, e které je třeba zpraoat naměřená data. Zpraoání dat 1 Na následujíí straně je zobrazen graf a ƒ( ) jako ýsledek sběru dat pomoí dataloggeru LAQUEST e spoluprái se programem Logger Pro. Dále je zde zobrazena tabulka hodnot získanýh experimentálně průběhu měření. Je patrná měníí se disoiační shopnost kyseliny otoé záislosti na molární konentrai kyseliny. Stupeň disoiae a, který její míru přesně kantifikuje, strmě klesá s narůstajíí molární konentraí kyseliny. 9

6 informae pro učitele Sledoání hydrolýzy u odnýh roztoků různýh solí V [ml] ph [mol.dm - ] /[%] 0,40 1, ,95 40,1, ,9 60,0 5, ,41 80,7 7,97.- 6,77 1,00,5 9, ,68 1,0,4 1, ,85 1,40,1 1,81.- 4,47 1,60,0 1, ,01 1,80,18 1,768.-,74,00,17 1,961.-,45,0,16,15.-,1,40,15,44.-,0,60,14,54.-,86,80,1,74.-,79,00,1,91.-,61,0,11,1.-,50,40,,88.-,4,60,,475.-,9,80,09,661.-, 4,00,08,846.-,16 5,00,05 4,76.- 1,87 6,00,0 5, ,65 7,00,01 6,54.- 1,49 8,00,99 7, ,8 9,00,97 8,57.- 1,0,00,95 9, , 11,00,9 9,9.- 1,19 1,00,91 1, ,15 1,00,89 1,151.,1 1,1 15,00,87 1, ,0 19,00,8 1, ,00,78 1, ,00,75, ΔfΔ(CHCOOH) 0 15 Stupeň disoiae (%) 5 Proložení přímky pro: Měření 1 I Stupeň disoiae 94 0 (9,4E+00 1,68) 1,961.-, ,04.-1 Molární konentrae (mol.dm - )

7 informae pro učitele Sledoání hydrolýzy u odnýh roztoků různýh solí Na následujíím grafu spolu s tabulkou hodnot je možno proést sronání s teoretiky spočítanými hodnotami stupně disoiae. Je přiložena i tabulka hodnot. Jak je idět, experimentálně zjištěná data přesně odpoídají teoretikému očekáání. /[mol.l -1 ] % [H O + ] ph ,000E % 1,71791E-05,468E-05 4, ,000E % 1,71791E-05,707E-05 4, ,000E % 1,71791E-05,9E-05 4, ,000E-04 0% 1,71791E-05 4,145E-05 4,8 908,000E-04 00% 1,71791E-05 5,86E-05 4, 90,000E-04 00% 1,71791E-05 7,179E-05 4, ,000E % 1,71791E-05 9,68E-05 4, ,000E % 1,71791E-05 1,097E-04, ,996E-0 00% 1,71791E-05 1,85E-04, ,984E-0 98% 1,71791E-05,616E-04, ,964E-0 596% 1,71791E-05,01E-04, ,97E-0 794% 1,71791E-05,69E-04, ,901E-0 990% 1,71791E-05 4,14E-04, ,186E-0 1,186% 1,71791E-05 4,514E-04, ,81E-0 1,81% 1,71791E-05 4,871E-04,1 00 1,575E-0 1,575% 1,71791E-05 5,0E-04, ,768E-0 1,768% 1,71791E-05 5,511E-04, ,961E-0 1,961% 1,71791E-05 5,804E-04,4 085,15E-0,15% 1,71791E-05 6,08E-04, 0707,44E-0,44% 1,71791E-05 6,46E-04,0 0604,54E-0,54% 1,71791E-05 6,598E-04, ,74E-0,74% 1,71791E-05 6,841E-04,16 048,91E-0,91% 1,71791E-05 7,074E-04,15 054,1E-0,1% 1,71791E-05 7,99E-04,14 086,88E-0,88% 1,71791E-05 7,516E-04,1 0,475E-0,475% 1,71791E-05 7,76E-04, ,661E-0,661% 1,71791E-05 7,90E-04, 011,846E-0,846% 1,71791E-05 8,18E-04, ,76E-0 4,76% 1,71791E-05 9,045E-04, ,660E-0 5,660% 1,71791E-05 9,861E-04, ,54E-0 6,54% 1,71791E-05 1,060E-0, ,407E-0 7,407% 1,71791E-05 1,18E-0, ,57E-0 8,57% 1,71791E-05 1,191E-0, ,091E-0 9,091% 1,71791E-05 1,50E-0, ,9E-0 9,9% 1,71791E-05 1,05E-0, ,07E-01,70% 1,71791E-05 1,57E-0, ,151E-01 11,5% 1,71791E-05 1,406E-0, ,04E-01 1,040% 1,71791E-05 1,497E-0,8 07 1,597E-01 15,970% 1,71791E-05 1,656E-0, ,870E-01 18,700% 1,71791E-05 1,79E-0, ,16E-01 1,60% 1,71791E-05 1,911E-0,7 95

8 informae pro učitele Sledoání hydrolýzy u odnýh roztoků různýh solí 5 0 Stupeň disoiae (%) ()(mol.dm - ) Výpočty Přípraa roztoků pro realizai experimentu Výpočet V(CH COOH), který je třeba odpipetoat pro příprau roztoku o přibližné konentrai 1 mol L -1 a objemu 0 ml Po dosazení: V ( CH COOH ) V 99% w CHCOOH V CHCOOH ρ M CHCOOH ( CHCOOH) 99 % ( CHCOOH) 99 % ,07 ( HC COOH) 5,67 ml 5,7 ml 99% Výpočty stupňů disoiae pro různé konentrae CH COOH uedené žáky do protokolu o měření Pro názornost měníí se míry disoiae a upenění ztahu pro ýpočet stupně disoiae lze žáky nehat ypočítat a pro různé konentrae CH COOH. Jako dobrá se jeí škála konentraí s narůstajíím stupněm zředění kyseliny. Volíme tedy následujíí molární konentrae: 1M CH , , 19. O, 4% 5M CH ,. 5, , 9. O, 59% 1M CH , ,. 1, 4. 1, 4%

9 01M CH informae pro učitele Sledoání hydrolýzy u odnýh roztoků různýh solí , ,. 4, , 188% 001M CH , ,. 1, 4. 1, 4% 0001M CH , ,. 4, , 88% Záěr V laboratorním ičení si žái oěřili znalosti o hoání slabýh kyselin e odnýh roztoíh. Jednak z naměřené záislosti a jednak z ýpočtu je jednoznačně patrný růst elektrolytiké disoiae slabýh kyselin záislosti na stupni zředění. Teoretiky lze ysloit záěr, že při ysokém stupni zředění by se i slabá kyselina hoala jako silná, tedy 0% disoiujíí. Stejná záislost by samozřejmě platila i pro slabé zásady. I tu by bylo možné stejným způsobem oěřit. Jako ideální pro tuto modifikai laboratorní práe se jeí snadno dostupný amoniak NH (aq), který patří mezi slabé zásady. 97