pracovní list studenta Acidobazické rovnováhy Odměrná analýza acidobazická titrace

Transkript

1 praovní list studenta Aidobaziké rovnováhy Výstup RVP: Klíčová slova: Martin Krejčí experiment umožňuje žákům pohopit hování víesytnýh protolytů ve vodnýh roztoíh; žák se detailněji seznámí s ph-metrikou detekí bodu ekvivalene jako jednou se základníh instrumentálníh analytikýh tehnik; během výpočtové části se žái naučí základním vztahům výpočtů ph víesytnýh protolytů, osvojí si termíny víestupňovýh rovnováh, dílčíh konstant aidit a baziit, ústojné roztoky apod., seznámí se s tvarem titrační křivky pro víesytné protolyty, seznámí se s aparaturou pro titrai a prinipem titrační tehniky jako základní metody kvantitativní odměrné analýzy Alkalimetrie, víesytná kyselina, konstanta aidity, silná zásada, ph, bod ekvivalene, titrační křivka Kvinta Laboratorní práe Doba na přípravu: min Doba na realizai: 5 min Doba na zpra. dat: 5 min Obtížnost: střední úloha Alkalimetriká titrae víesytné kyseliny (H ) silnou zásadou (NaOH) s ph-metrikou detekí bodu ekvivalene Ůkol Cíl Teoretiký úvod Pomůky ph-metriké stanovení kyseliny trihydrogenfosforečné H odměrným roztokem hydroxidu sodného NaOH. Pomoí přesné odměrné analytiké metody s instrumentální detekí bodu ekvivalene stanovit přesnou molární konentrai vodného roztoku kyseliny trihydrogenfosforečné H. Z naměřenýh hodnot ph, měnííh se v důsledku přidaného objemu odměrného roztoku silné zásady (NaOH) v průběhu stanovení, sestavit titrační křivku zobrazujíí průběh titrae. Povšimnout si tvaru a interpretovat titrační křivku. Grafiké zpraování a analýza titrační křivky (deteke bodů ekvivalene). Využití první a druhé derivae ph podle objemu V (OH) - při znázornění a deteki bodů ekvivalene. Výpočet přesné molární konentrae kyseliny trihydrogenfosforečné H na základě objemu odměrného roztoku NaOH zjištěného při titrai. Použití směsnýh aidobazikýh indikátorů jako způsobu pro vizuální deteki bodů ekvivalene při titrai víesytnýh protolytů. Funkční oblasti indikátorů (oblasti barevnýh přehodů jednotlivýh strukturníh forem indikátorů jako funke změny ph vodnýh roztoků kyselin a zásad). Seznámit se s aparaturou pro provádění odměrné analýzy titrační tehnikou. (viz: aidobaziké rovnováhy) Přístrojové vybavení: datalogger LABQUEST, počítač s nainstalovaným programem Logger Pro, ph-elektroda Vernier, magnetiká míhačka + magnetiké míhadlo Laboratorní tehnika: laboratorní stojan, držák na byrety, byreta (V 5 ml), odměrná pipeta (V ml, ml, 5 ml), titrační baňka (V 5 ml), odměrná baňka (V ml,v 5 ml), držák ph elektrody (není podmínkou), střička, pipetovaí balonek Chemikálie: roztok kyseliny trihydrogenfosforečné H (aq), mol L -, odměrný roztok hydroxidu sodného NaOH (aq), mol L - pozn.: Pro dosažení vyšší přesnosti stanovení je nezbytností standardizae odměrného roztoku NaOH. 47

2 úloha praovní list studenta Informae o nebezpečnosti použitýh hemikálií H : NaOH: H-věty H4 Způsobuje těžké poleptání kůže a poškození očí. R-věty R4 Způsobuje poleptání. S-věty S/ Uhovávejte uzamčené a mimo dosah dětí. S Při zasažení očí okamžitě důkladně vypláhněte vodou a vyhledejte lékařskou pomo. S45 V případě nehody nebo neítíte-li se dobře, okamžitě vyhledejte lékařskou pomo (je-li možno, ukažte toto označení). H-věty H4 Způsobuje těžké poleptání kůže a poškození očí. R-věty R5 Způsobuje těžké poleptání. S-věty S/ Uhovávejte uzamčené a mimo dosah dětí. S Při zasažení očí okamžitě důkladně vypláhněte vodou a vyhledejte lékařskou pomo. S7/9 Používejte vhodné ohranné rukavie a ohranné brýle nebo obličejový štít. S45 V případě nehody nebo neítíte-li se dobře, okamžitě vyhledejte lékařskou pomo (je-li možno, ukažte toto označení). 48 Postup práe Do čisté titrační baňky (5 ml) odpipetujeme odměrnou pipetou ml roztoku kyseliny trihydrogenfosforečné (H (aq) ) o přibližné konentrai, mol L -, následně přidáme 5 ml destilované vody. (měříí část ph-elektrody musí být zela ponořena do stanovovaného roztoku)! K roztoku H lze přidat kapky zvoleného směsného aidobazikého indikátoru. Sestavte aparaturu pro titrai (obr. a ). Přes nálevku naplňte byretu odměrným roztokem NaOH (aq), mol L - Před vlastním plněním je třeba byretu pečlivě propláhnout destilovanou vodou a následně zbytek vody spláhnout malým množstvím připraveného odměrného roztoku (íl minimalizae hyby stanovení způsobené pozměněním konentrae odměrného roztoku destilovanou vodou poházejíí z počátečního výplahu byrety). 4 Meniskus, vytvořený hladinou odměrného roztoku, obr. nastavit na nulovou hodnotu odpuštěním přebytečného množství odměrného roztoku (obr. ). 5 Do titrační baňky s analyzovaným roztokem kyseliny hlorovodíkové vložíme magnetiké míhadlo. Do držáku na elektrodu (není podmínkou) upneme ph senzor, elektroda může být umístěna i volně, poté dbáme na to, aby míhadlo zbytečně nenaráželo do měříí části ph elektrody. 7 ph metrikou elektrodu je nezbytné před experimentem kalibrovat. Kalibrai provádíme dvoubodově za pomoi roztoků o definovaném ph (při dvoubodové kalibrai používáme roztoky o ph 4 obr. obr. a o ph 7. (místo ústojného roztoku o ph 4 lze použít i roztok o ph ). 8 Nyní je nezbytné nastavit režim měření v programu LoggerPro pro sběr dat. V rozbalovaím seznamu Experiment zvolíme nabídku Sběr dat, po které se objeví dialogové okno pro nastavení (obr. 4). Zde nastavíme variantu Události se vstupy (obr. 5). Následně doplníme informae o názvu sloupe, znače a jednote manuálně zadávané veličiny (obr. ). Potvrzením Hotovo máme základní nastavení režimu měření a můžeme přistoupit k vlastní realizai měření. Lze překontrolovat nastavení grafu, hlavně měřítko os nebo formát zobrazovanýh bodů apod. Není to však nezbytné, poněvadž s tímto nastavením lze praovat i po sběru dat, ve fázi zpraování naměřenýh hodnot. (viz kapitola zpraování dat)

3 praovní list studenta úloha Zpraování dat obr. 4 obr. 5 9 S takto připravenou aparaturou a nastaveným režimem měření můžeme začít vlastní titrai. ph-elektrodu ponoříme do analyzovaného roztoku. Otáčky magnetiké míhačky nastavíme v rozumné míře tak, aby se analyzovaný vzorek nerozstřikoval po stěnáh titrační baňky. Měření zahájíme příkazem Sběr dat (zelená šipka na monitoru v horní části). Současně se zahájením sběru dat se nám vedle zelené šipky objeví symbol modrého kroužku využívaný k zahování naměřené hodnoty a následnému obr. manuálnímu zadání objemu přidaného odměrného roztoku. Během titrae volíme objem odměrného roztoku dle potřeby tak, abyhom získali dostatečné množství hodnot pro vykreslení titrační křivky. Jako ideální se jeví objemy v intervalu ml (používané objemy závisí na konentrovanosti roztoků). Po každém přídavku je nezbytné počkat, až se na měříím přístroji nová hodnota změněného ph ustálí. Následně za pomoi tlačítka Zahování hodnot zadáme přidaný objem odměrného roztoku a potvrdíme tlačítkem OK. Celou operai opakujeme tak, abyhom získali dostatek hodnot, a to jak před bodem ekvivalene, tak i za ním, aby výsledná titrační křivka byla úplná, s dobře patrnými body zlomu v elém svém průběhu. Po naměření dostatečného počtu hodnot uzavřeme sběr dat tlačítkem Ukončit, a tím je experimentální část hotova. Následuje analytiká část, v které je třeba zpraovat naměřená data. Na následujíím obrázku je zobrazen výsledek sběru dat. Z takto naměřenýh hodnot lze zjistit V (OH) - v bodě ekvivalene. Nejprve klikneme na tlačítko Odečet hodnot na základní liště a v rozbalovaím seznamu Analýza zatrhneme nabídku Interpolae, která nám zajistí dopočítávání hodnot i mimo hodnot naměřenýh. 49

4 úloha informae pro učitele ph (5,9,,5) Objem (OH) (ml) Identifikae bodu ekvivalene metodou oskulačníh kružni Pro vlastní identifikai bodu ekvivalene potom můžeme volit jednu z výše uvedenýh tehnik, metodu tečen, případně metodu oskulačníh kružni. V programu LoggerPro je možno identifikovat bod ekvivalene metodou. derivae, případně metodou. derivae. Realizae je nutná následujíím postupem: nejprve v nabíde Data navolíme možnost Nový dopočítávaný sloupe. Objeví se dialogové okno pro nový dopočítávaný sloupe (obr. 7). Vyplníme okno Název, Značka obr. 7 Identifikae bodu ekvivalene metodou tečen 5 obr. 8 obr. 9

5 informae pro učitele a na závěr navolíme Funki, kde volíme v nabíde alulus (matematiké funke) a v nih derivae, případně druhá derivae (obr. 8). Následně v nabíde proměnné zvolíme ph. V tabule se objeví nové sloupe s hodnotami. či. derivae. úloha Nyní lze vykreslit grafy zobrazujíí průběh funkí první či druhé derivae a v nih identifikovat body ekvivalene. dph Na následujííh obrázíh lze vidět výsledné grafy derivaí s vyznačenými body dv ( OH ) ekvivalene pro graf první i druhé derivae ph podle objemu V (OH) -. Objem:,8997 ml. derivae:,784. derivae:,. derivae:,5. derivae: 7,975E+5 Bod ekvivalene č. V ekv č,8 ml. derivae Poslední měření I. derivae Poslední měření I. derivae Poslední měření I. derivae 4 Objem (ml) Poslední měření I. derivae Objem:,88 ml. derivae:,49e+. derivae:,5. derivae:,8788. derivae:,89 Bod ekvivalene č. V ekv č, ml. derivae Poslední měření I. derivae Poslední měření I. derivae Poslední měření I. derivae 4 Objem (ml) Poslední měření I. derivae 5

6 úloha informae pro učitele Objem:,94598 ml. derivae:,9. derivae: -,78. derivae: -,877. derivae:,894e+5. derivae: -,4. derivae:,7 Bod ekvivalene č. V ekv č,7 ml. derivae - Proložení přímky pro: Proložení přímky pro: 4 Objem (ml) Objem:,9958 ml. derivae:,45e+5. derivae:,49. derivae:,998. derivae: -,99. derivae: -4,55. derivae:,74 Bod ekvivalene č. V ekv č,9 ml. derivae - Proložení přímky pro: Proložení přímky pro: 4 Objem (ml) Výpočty. Přesná konentrae H (aq) Z níže uvedenýh hemikýh rovni je zřejmé, elektrolytiká disoiae kyseliny trihydrogenfosforečné probíhá ve třeh stupníh, a lze pro tento děj zapsat tři dílčí disoiační rovnováhy. H (aq) + (OH) - (aq) (H ) - + (aq) (OH)- (aq) (H ) - (aq) + (OH)- (aq) (H ) - + H O (aq) (H ) - + H O (aq) ( ) - (aq) + H O 5

7 informae pro učitele Trojsytnost kyseliny se promítá do jednotlivýh dílčíh hemikýh rovnováh, kdy každá z nih je harakterizována příslušnou rovnovážnou konstantou. K K K I II III H H H PO ) PO4 4 [ ( ] OH [ HPO4 ] 4 [ ( OH PO4 [ ( OH PO HPO 4 úloha Stehiometrie každé dílčí rovnováhy je jednotková. Znamená to, že v prvním pozorovatelném bodu ekvivalene se rovná látkové množství H s látkovým množstvím odměrného roztoku NaOH (aq). V druhém, či třetím bodu ekvivalene, tedy při titrai (H ) - respektive (H ) - odpovídají poměry n NaOH a n H poměru stehimetrikýh koefiientů. Pro první bod ekvivalene platí tedy následujíí relae V n H n ( O + ) ( OH ) OH + H O H + ( OH ) ( ) ( ) ( O ) V Při znalosti V(H ), který byl titrován, a při známýh harakteristikáh odměrného roztoku NaOH (molární konentrae, mol L - a objem V (OH) odečtený z grafů v bodě ekvivalene) lze snadno určit přesnou konentrai kyseliny trihydrogenfosforečné. Dosazením jednotlivýh objemů odměrného roztoku v. či. bodu ekvivalene lze určit konentrai oxoniového kationtu v bodu ekvivalene. Získaná data z grafu. derivae Získaná data z grafu. derivae + ( H O ) V ( OH ) ( OH ) V + ( dph dv ( OH ) d ph dv ( OH ) H O ) : Vekv.,8 ml, V ekv., ml ph : V ekv.,7 ml, V ekv.,97 ml Pro vlastní výpočet molární konentrae H použijeme střední hodnoty objemu spotřeby odměrného roztoku NaOH, a to v prvním i druhém bodu ekvivalene. V.ekv,5 ml, V.ekv,4 ml. 4,5. -.,. -,. - mol. L -,4. -.,.. -,5. - mol. L - ( H PO ) 4 ( H PO ). Příprava roztoků pro realizai experimentu Výpočet navážky NaOH (s) pro přípravu odměrného roztoku NaOH (aq) o konentrai, mol L - a objemu 5 ml. m NaOH NaOH. V NaOH. M NaOH 5

8 úloha informae pro učitele Po dosazení: m NaOH,.,5. 4 g (pozn: Vzhledem k nežádouím reakím NaOH se vzdušným CO je doporučeno před stanovením standardizovat odměrný roztok.) Výpočet V (H, který je třeba odpipetovat pro přípravu roztoku o přibližné konentrai, mol L - a objemu ) ml. V M ρ ( V ( )85 H PO ) ( 4 H ) PO ( 4 H ) H % w( H ) ( H ) 85% 85% Po dosazení V,, 97, 99, 85, 85 ( ), ml, 5 ml H 85% Interpretae titrační křivky Titrační křivka titrae víesytné kyseliny (H ) silnou zásadou má harakteristiký tvar. Výrazné jsou dva výrazné body zlomu odpovídajíí. a. bodu ekvivalene. Typikým znakem je absene posledního bodu ekvivalene, který se běžnými titračními tehnikami doiluje jen velie obtížně. Lze velmi pěkně odečíst hodnoty ph. i. bodu ekvivalene. Lze ověřit příslušné vztahy pro přibližnou hodnotu ph bodu ekvivalene víesytnýh kyselin při aidobazikýh titraíh. pt : ph v. bodě ekvivalene lze spočítat za pomoi pk HAI a pk HAII. pt ( pk HA pk ) ( 7 ) 4 5 I + HA, +, II ( ) ( ), pt : ph v. bodě ekvivalene lze spočítat za pomoi pk HAII a pk HAIII. pt ( pk + pk ) ( 7, +, ) 9 75 HA II HA, III Srovnáním s námi získanou titrační křivkou a hodnotami ph v. a. bodě ekvivalene vidíme, že teoretiké hodnoty přesně korespondují s body zlomu v titrační křive, kterou jsme získali při sběru dat. Jednotlivé body ekvivalene nám umožňují jejih vizualizai použitím aidobazikýh indikátorů s funkčními oblastmi při ph přibližně jako pt či pt. Můžeme samostatně vizualizovat každý bod ekvivalene odpovídajíím aidobazikým indikátorem, nebo lze praovat i s připraveným směsným indikátorem, při jehož použití lze vedle sebe identifikovat oba body ekvivalene. V neposlední řadě je velmi prospěšné srovnat průběh námi provedené titrae s titraemi jinýh víesytnýh kyselin a povšimnout si rozdílů a shod, následně podat vysvětlení rozdílů v průběhu křivek. Zajímavé bude srovnání s titraemi (COOH) kyseliny šťavelové, a pro zajímavost, H SO 4 kyseliny sírové. 54