Dva roztoky mohou obsahovat stejné množství kyseliny na litr a přesto se velmi lišit v tom, jak jsou kyselé. Úpravny vody, výrobci potravin, chovatelé akvárií a klinické laboratoře – ti všichni jsou na tomto rozdílu závislí: etiketa na lahvi uvádí koncentraci, ale to, co koroduje potrubí, sráží bílkovinu nebo zabíjí rybu, je koncentrace oxoniových iontů, které jsou v kapalině skutečně přítomny. Zvolit kyselinu a rozhodnout se, kolik jí použít, proto znamená vědět, zda své protony odevzdává zcela, nebo jen částečně.
Kyselina rozpuštěná ve vodě předává proton molekule vody. Silná kyselina, jako je kyselina chlorovodíková, to provede úplně, takže každý rozpuštěný mol dodá mol oxoniových iontů. Slabá kyselina, jako je kyselina ethnová — kyselina octová, kyselina obsažená v octu — naproti tomu dosahuje rovnováhy: v každém okamžiku uvolnilo svůj proton pouze malé množství jejích molekul a toto množství závisí na tom, jak zředěný je roztok. Stupnice pH, pH = −log[H3O+], umístí oba případy na stejnou osu a pH metr tuto osu přímo snímá měřením potenciálu vzniklého na skleněné elektrodě.
V této laboratoři sestavíte sérii tří roztoků kyseliny octové pomocí ředění v řadě — 1 mol/l, 0,1 mol/l a 0,01 mol/l — přičemž každý z nich bude připraven z předchozího přenesením 5 ml odměrnou pipetou do 50ml odměrného válce a doplněním po rysku destilovanou vodou. Do čtvrté kádinky nalijete kyselinu chlorovodíkovou o koncentraci 0,10 mol/l, což je stejná koncentrace jako u druhého roztoku kyseliny octové. Poté změřit pH všech čtyř pomocí pH metru, přičemž elektrodu mezi kádinkami opláchnete a osušíte. Tři měření kyseliny octové ukazují, co ředění dělá se slabou kyselinou; dvojice při 0,10 mol/l ukazuje, co slova silný a slabý mají ve skutečnosti hodnotu v jednotkách pH.
Vzdělávací cíle
Metoda ředilařské řady
- Proveďte desetinásobné zředění tak, že odměrnou pipetou odeberete alikvotní podíl 5,00 ml, přenesete jej do 50ml odměrného válce a zředíte po rysku destilovanou vodou.
- Vysvětlete, proč musí být každý roztok v řadě připraven z předchozího namísto přímé přípravy ze zásobního roztoku a proč se pipeta a odměrný válec mezi jednotlivými přenosy oplachují.
Použití pH metru
- Změřte pH roztoku skleněnou elektrodou a mezi jednotlivými vzorky elektrodu opláchněte destilovanou vodou a osušte na absorpčním papíře, aby jedno měření nemohlo kontaminovat následující.
- Kriticky odečíst měřidlo: uvědomit si, že zobrazený údaj nese omezený počet desetinných míst a že rozlišení displeje není totéž co přesnost.
Rozlišení koncentrace od kyselosti
- Předpovězte, která ze dvou roztoků o stejné koncentraci bude mít nižší pH, a odůvodněte tuto předpověď na základě rozsahu přenosu protonů, nikoli na základě množství přítomné kyseliny.
- Uveďte koncentraci roztoku a jeho pH jako dvě samostatné informace a popište situaci, ve které je každá z nich tou rozhodující veličinou.
Kvantitativní interpretace měření pH
- Převést pH na koncentraci hydroniových iontů a zpět a vypočítat procento ionizace slabé kyseliny z jejího naměřeného pH.
- Dokažte, že desetinásobné zředění zvýší pH slabé kyseliny přibližně o 0,50 jednotky, avšak u silné kyseliny ho zvýší o 1,00 jednotku, a tento rozdíl vysvětlete.
Bezpečná manipulace a likvidace kyselin
- S kyselými roztoky pracujte v rukavicích a koncentrovanou zásobní látku uchovávejte na stole odděleně od naředěné řady.
- Veškerý roztok použitý při regeneraci zlikvidujte do sběrné nádoby na odpad, nikoliv do výlevky, a sklo před odložením opláchněte.
Protokol
Část 1: Příprava zředěných roztoků
- Najděte čtyři prázdné kádinky označené čísly 1 až 4.
- Pro 1 mol/L roztok kyseliny ethanoové (CH3(COOH) do kádinky 1 a naplňte ji do poloviny.
- Pomocí pipety naberte roztok kyseliny ethanoové o koncentraci 1 mol/L z kádinky 1 a přeneste 5 mL do 50 mL odměrného válce.
Vylijte přebytečnou tekutinu z pipety do sběrné nádoby.
- Přidejte destilovanou vodu do odměrného válce, dokud nedosáhnete konečného objemu 50 ml.
- Nalejte roztok získaný z odměrného válce do kádinky 2 a naplňte ji do poloviny.
Vylijte přebytek z odměrného válce do sběrné nádoby.
- Očistěte pipetu a odměrný válec destilovanou vodou.
- Zopakujte proces ředění tak, že naberete roztok z kádinky 2 pipetou a poté přenesete 5 ml do 50 ml odměrného válce.
Vylijte přebytečnou tekutinu z pipety do sběrné nádoby.
- Poté do odměrného válce přidejte destilovanou vodu až do dosažení konečného objemu 50 ml.
- Nalijte tento nový zředěný roztok do kádinky 3 a naplňte ji do poloviny.
Vylijte přebytek z odměrného válce do sběrné nádoby.
- Kádinku 4 naplňte do poloviny roztokem koncentrované kyseliny chlorovodíkové (HCl) o koncentraci 0,10 mol/l.
Část 2: Měření
- Použijte pH metr k změření pH každého roztoku v kádinkách 1 až 4.
Mezi jednotlivými měřeními opláchněte elektrody pH metru destilovanou vodou a osušte je savým papírem.
- Výsledky měření pH se objeví v tabulce výsledků.
- Použitá rozpouštědla řádně zlikvidujte jejich nalitím do sběrné nádoby určené k tomuto účelu. Nevylévejte je do dřezu.
Předvídané výsledky
Tři ze čtyř kádinek obsahují stejnou kyselinu o třech koncentracích; čtvrtá obsahuje jinou kyselinu o koncentraci již v řadě přítomné. Celý výsledek laboratorní práce je obsažen v porovnání čtyř hodnot pH.
| Kádinka | Obsah | Koncentrace | Kyselina | Očekávaná hodnota pH | [H3O+] (mol/l) | Ionizovaný |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | CE3COOH | 1,0 mol/l | slabý | 2.37 | 4.2 × 10−3 | 0.42 % |
| 2 | CE3COOH | 0,10 mol/l | slabý | 2.87 | 1.3 × 10−3 | 1.3 % |
| 3 | CE3COOH | 0,010 mol/l | slabý | 3.37 | 4.2 × 10−4 | 4.2 % |
| 4 | HCl | 0,10 mol/l | silný | 1.00 | 0.10 | 100 % |
Naředění. Každý převod se řídí C1V1 = C2V2. Smícháním 5,00 ml roztoku o koncentraci 1,0 mol/l a jeho zředěním na 50,0 ml vznikne C2 = (1,0 mol/L × 5,00 mL) / 50,0 mL = 0,10 mol/L a zopakování operace u kádinky 2 dává 0,010 mol/L v kádince 3. Každý krok představuje ředicí faktor přesně deset, takže množství kyseliny na litr klesá v celé sérii desetinásobně.
| Krok | Aliquot | Konečný objem | Faktor ředění | Koncentrace | pH | ΔpH |
|---|---|---|---|---|---|---|
| zásoba → kádinka 1 | — | — | — | 1,0 mol/l | 2.37 | — |
| kahanec 1 → kahanec 2 | 5,00 ml | 50,0 ml | 10 | 0,10 mol/l | 2.87 | +0.50 |
| kahanec 2 → kahanec 3 | 5,00 ml | 50,0 ml | 10 | 0,010 mol/l | 3.37 | +0.50 |
| silná kyselina, pro srovnání | 5,00 ml | 50,0 ml | 10 | jedna desetina | — | +1.00 |
Kádinka 4, silná kyselina. Chlorovodíková kyselina ionizuje ve vodě zcela: HCl + H2O → H3O+ + Cl−. Není zde žádná rovnováha k řešení, takže [H3O+] je jednoduše udaná koncentrace a pH = −log(0,10) = 1,00. Stejnou úvahou bychom dostali pH 2,00 při 0,010 mol/L a pH 3,00 při 0,0010 mol/L — jednu celou jednotku na desetinásobné zředění.
Kádinky 1 až 3, slabá kyselina. Kyselina octová dosahuje rovnováhy: CH3-COOH + H•2O ⇌ CH3Provozní ředitel− + H3O+, s Ka = [CH3Provozní ředitel−][H3O+] / [CH3COOH] = 1,8 × 10−5 při 25 °C, takže pKa = 4.74. Psaní x místo [H3O+] a C pro připravenou koncentraci, rovnovážná podmínka je x2 / (C − x) = Ka. Protože x je mnohem menší než C, jmenovatel lze nahradit C, což dává x = √(KaC). Pro kádinku 2 platí x = √(1,8 × 10−5 × 0,10) = √(1,8 × 10−6) = 1,34 × 10−3 mol/l, takže pH = −log(1,34 × 10−3) = 2.87.
Proč je tento krok půl jednotky?. Pořízení logaritmů x = √(KaC) dává pH = ½pKa − ½log C. Koncentrace vstupuje s koeficientem jedna polovina, takže vydělení C deseti přidá k pH 0,50 namísto 1,00. S pKa = 4,74; vzorec předpovídá hodnoty 2,37, 2,87 a 3,37 pro koncentrace 1,0, 0,10 a 0,010 mol/l, což přesně odpovídá naměřené řadě. Silná kyselina se naopak řídí vztahem pH = −log C s koeficientem jedna, a proto se hodnota pH mění o celou jednotku.
Zředěním se ionizace slabé kyseliny zvyšuje, nikoli snižuje. Míra ionizace je α = x / C = √(Ka/C), která roste s klesající hodnotou C — 0,42 % při 1,0 mol/l, 1,3 % při 0,10 mol/l a 4,2 % při 0,010 mol/l, což představuje faktor √10 = 3,16 v každém kroku. Jedná se o Ostwaldův zákon ředění, Ka = Cα2 / (1 − α), a to je přesně to, co vyžaduje Le Chatelierův princip: ionizace vede k vzniku dvou částic z jedné, takže přidání vody posune rovnováhu směrem k disociované straně. Absolutní koncentrace hydronia při ředění stále klesá – pouze klesá o √10 namísto o 10.
Co stojí silné a slabé v pH. V kádinkách č. 2 a 4 je stejný roztok monoprotické kyseliny o koncentraci 0,10 mol/l, avšak [H3O+] je v jednom roztoku 0,10 mol/l a v druhém 1,34 × 10−3 mol/l v tom druhém — poměr 0,10 / 1,34 × 10−3 = 75, nebo log 75 = 1,87 jednotek pH. Jinými slovy, kyselina chlorovodíková musí být zředěna 75krát, na 1,3 × 10−3 mol/l, přičemž je stejně mírná jako kyselina octová o koncentraci 0,10 mol/l. Právě toto jediné srovnání je důvodem, proč nelze koncentraci uvedenou na štítku považovat za ukazatel nebezpečnosti.
Kyselost není totéž jako neutralizační schopnost. Kakaové boby 2 a 4 by spotřebovaly stejný objem hydroxidu sodného k dosažení neutrality, protože každý obsahuje stejný počet molů ionizovatelného protonu; 1,87 jednotek pH mezi nimi neříká nic o tom, kolik zásady potřebují. Liší se tvar neutralizace: roztok kyseliny ethanové prochází pH = pKa = 4,74, když byla spotřebována přesně polovina kyseliny, a v tomto bodě se hodnota nemění, zatímco roztok kyseliny chlorovodíkové takovou stabilní hodnotu nevykazuje. V laboratorních cvičeních 047 a 052 se tento rozdíl zkoumá pomocí byrety; v laboratorním cvičení 073 se zkoumá pomocí měřiče vodivosti, kde se tyto dva roztoky liší srovnatelným faktorem.
Shrnutí úkolů podle věkové kategorie
9. až 10. ročník
Zaměření slovní zásoba, opatrné přelévání tekutin a správné seřazení čtyř výsledků.
Aktivity: proveďte obě ředění a na každou kádinku napište koncentraci, kterou nyní obsahuje; změřte čtyři hodnoty pH a seřaďte kádinky od nejkyselejší po nejméně kyselou; v jedné větě uveďte, proč je kádinka č. 4 kyselejší než kádinka č. 2, i když byly obě připraveny v koncentraci 0,10 mol/l; určete, které naměřené hodnoty patří ke stejné kyselině a které k jiné; mezi jednotlivými měřeními proveďte opláchnutí a osušení a vysvětlete, čemu tím zabráníte.
11. ročník
Zaměření kvantitativní zpracování ředicích řad a pH stupnice.
Aktivity: ověřit C1V1 = C2V2 pro obě ředění a potvrdit desetinásobný ředicí faktor; převést každé naměřené pH na koncentraci hydroniových iontů; ukázat, že tři hodnoty pro kyselinu octovou rostou o 0,50 jednotky na desetinásobné ředění, zatím co u silné kyseliny by to bylo 1,00, a použít to ke klasifikaci neznámé kyseliny ze dvou měření; vypočítat 75násobný poměr v [H3O+] mezi kádinkami 2 a 4 a vyjádřete jej jako rozdíl v hodnotě pH; vypočítejte procentuální ionizaci každého roztoku kyseliny octové.
12. ročník / Úroveň college
Zaměření odvození, analýza chyb a nezávislá interpretace.
Aktivity: odvoďte pH = ½pKa − ½log C z rovnovážného výrazu a uveďte použité předpoklady; vyřešte kvadratickou rovnici přesně pro kádinku 3 a vyčíslete chybu, kterou aproximace vnáší; odvoďte zpět Ka z každého naměřeného pH pomocí Ostwaldova zřeďovacího zákona a komentujte, zda se tyto tři hodnoty shodují v rámci rozlišení přístroje; vysvětlete, proč jednociferný displej omezuje zjištěnou hodnotu Ka na přibližně jednu platnou číslici; diskutujte o koeficientech aktivity při koncentraci 1 mol/l a odhadněte směr odchylky; odhadněte průběh titrační křivky z kádinky č. 2 ve srovnání s křivkou z kádinky č. 4 a určete pufrovou oblast.
Laboratorní potřeby
Nástroje
- Kádinky (4, očíslované 1 až 4)
- Odměrný válec (50 ml)
- Objemová pipeta (5 ml)
- pH metr se skleněnou elektrodou
- Absorpční papír
- Ochranné rukavice
- Koš
Produkty
- kyselina octová CH3COOH 1,0 mol/l (dodáno v 500ml kádince na lavici s činidly)
- Kyselina chlorovodíková HCl 0,10 mol/l (předložena v 500ml kádince na lavici s činidly)
- Deminerializovaná voda