052 – Tytaracja kwasowo-zasadowa 2

Miareczkowanie to standardowy sposób na uzyskanie odpowiedzi na pytanie, na które nie da się odpowiedzieć za pomocą wzroku: ile rozpuszczonej substancji znajduje się w roztworze. Roztwór o znanym stężeniu dodaje się do odmierzonej objętości roztworu o stężeniu nieznanym, w małych, kontrolowanych ilościach, dopóki nie zostanie dodany w ilości dokładnie wystarczającej do przereagowania. Potrzebną objętość odczytuje się z biurety, a ponieważ zrównoważone równanie reakcji określa stosunek, w jakim obie substancje reagują, objętość ta bezpośrednio wskazuje nieznane stężenie. Stacje uzdatniania wody, mleczarnie, winiarnie, zarządcy basenów i laboratoria kliniczne przeprowadzają miareczkowania codziennie, a technika ta pozostaje metodą odniesienia, względem której kalibruje się szybsze analizy instrumentalne.

Leżąca u podstaw chemia to zobojętnianie. Kwas solny i wodorotlenek sodu reagują w stosunku jeden mol do jednego mola, HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H₂O(l), tak więc w momencie, gdy kwas zostaje dokładnie przereagowany, ilość dodanej zasady równa się ilości kwasu, która tam była. Ten moment to punkt równoważnikowy, a ponieważ chlorek sodu jest solą mocnego kwasu i mocnej zasady, żaden z jego jonów nie reaguje z wodą i roztwór w punkcie równoważnikowym jest dokładnie obojętny, o pH 7,00. Problem polega na tym, aby to zobaczyć. Dodaje się wskaźnik — w tym przypadku błękit bromotymolowy, który jest żółty poniżej pH 6,0 i niebieski powyżej pH 7,6 — tak aby roztwór zmienił kolor w momencie przekraczania punktu równoważnikowego.

W tej laboratorium przymocujesz biuretę o pojemności 50 ml do statywu, napełnisz ją wodorotlenkiem sodu o stężeniu 2,0 mol/l z meniskiem ustawionym na zero i bez pęcherzyków powietrza w kraniku, za pomocą pipety odmierzysz 10 mL kwasu solnego o nieznanym stężeniu do kolby stożkowej i dodasz trzy krople błękitu bromotymolowego. Następnie będziesz wpuszczać zasadę po jednej kropli, mieszając po każdej z nich, aż żółty roztwór zmieni barwę. Policzenie kropel daje objętość zużytej zasady, a z tej objętości stężenie kwasu wynika z dwóch linijek arytmetyki. Jest to pierwsza prawdziwa miareczkowanie w zbiorze: laboratorium 047, pomimo swojego tytułu, jest kolorymetrycznym oznaczaniem pH bez biurety i bez punktu równoważnikowego.

Cele edukacyjne

Zasada analizy objętościowej

• Określ, co mierzy miareczkowanie i dlaczego objętość może zastąpić ilość substancji.
• Rozróżnij punkt równoważnikowy, który jest wyznaczony przez chemię, od punktu końcowego, który pokazuje wskaźnik.

Stechiometria neutralizacji

• HCl + NaOH → NaCl + H₂O₂O i zauważ relację molową 1:1, którą narzuca.
• Zastosuj C_aV_a = C_bV_b aby otrzymać nieznane stężenie, i wyjaśnić, dlaczego ta zależność zachodzi tylko dla reakcji 1:1.
• Doceniaj, że neutralność oznacza równe ilości H₃O⁺ i O⁻, nierówne objętości obu roztworów.

Wybór i odczyt wskaźnika

• Uzasadnieniem dla zastosowania błękitu bromotymolowego przy miareczkowaniu mocnego kwasu mocną zasadą jest fakt, że jego zakres przejścia barwy (pH od 6,0 do 7,6) obejmuje pH punktu równoważnikowego wynoszące 7,00.
• Rozpoznaj pierwszą trwałą zieleń jako punkt końcowy, a ustabilizowany niebieski lub turkusowy jako dowód na to, że punkt końcowy został minięty.

Technika użycia szkła miarowego

• Zamocuj biuretę: przymocuj ją pionowo, usuń pęcherzyk powietrza z kranika i doprowadź menisk do zera, odczytując skalę biurety, która biegnie w dół.
• Dodaj określoną porcję za pomocą pipety miarowej i wymieszaj kolbę po każdym dodaniu.
• Zbliżaj się do mety krok po kroku i pamiętaj, dlaczego to właśnie ostatni krok ma największe znaczenie.

Przetwarzanie danych i precyzja

• Przelicz liczbę kropel na objętość, a następnie na liczbę moli, śledząc jednostki na każdym etapie.
• Podaj wynik z uwzględnieniem liczby cyfr znaczących, na jaką pozwala dany pomiar.
• Wyjaśnij, dlaczego wyniki powtórzonych doświadczeń są uśredniane.

Bezpieczeństwo przy pracy ze stężonymi substancjami żrącymi

• Pracuj z 2 mol/L wodorotlenkiem sodu, który jest bardziej szkodliwy dla oczu niż kwas, który neutralizuje, przy użyciu odpowiedniego sprzętu ochronnego.
• Usuń zneutralizowane odpady do tacy odzysku i przepłucz szkło laboratoryjne wodą destylowaną.

Protokół

Chcemy określić stężenie roztworu kwasu solnego (HCl).

Konfiguracja

1. Dopasuj uniwersalny zacisk do statywu.
2. Przytwierdź biuretę o pojemności 50 ml do statywu.
3. Odmierzyć pipetą 10 ml wodnego roztworu kwasu solnego o nieznanym stężeniu.
4. Opróżnij pipetę zawierającą kwas solny do kolby stożkowej.
5. Dodaj 3 krople bromotymolowego niebieskiego do kolby stożkowej, używając zakraplacza.
6. Przemieszaj roztwór za pomocą bagietki szklanej. Zwróć uwagę na kolor i oszacuj pH, posługując się skalą kolorymetryczną.
7. Przepłucz szklany pręt wodą destylowaną.
8. Napełnij biuretę do połowy roztworem neutralizującym NaOH 2M.
9. Umieść 50 ml zlewkę pod kranikiem biurety.
10. Uwaga, w kraniku nie powinno być żadnych pęcherzyków powietrza. Aby je usunąć, przepuść odrobinę 2M NaOH z biurety do zlewki o pojemności 50 ml, dotykając małego czerwonego zaworu kranika.
11. Opróżnij zlewkę o pojemności 50 ml do tacki zlewowej i umieść ją ponownie pod biuretą.
12. Dopełnij biuretę roztworem zobojętniającym NaOH 2M do momentu, gdy menisk cieczy w biurecie znajdzie się na poziomie zera. Uwaga, biureta jest wyskalowana w kierunku przeciwnym do cylindra miarowego.
13. Wymień 50 ml zlewkę znajdującą się pod biuretą objętościową na kolbę stożkową 100 ml zawierającą kwas solny.

Titracja roztworu

1. Pozwól, aby 1 kropla (około 0,05 ml) roztworu neutralizującego (NaOH 2M) spłynęła, dotykając małego czerwonego zaworu kranika biurety (zawór otwiera się na krótko i zamyka automatycznie po spłynięciu kropli).
2. Po każdej kropli mieszaj roztwór szklaną bagietką.
3. Powtarzaj kroki 1 i 2, aż barwa roztworu zmieni się z żółtej na pierwszą trwałą zieleń, co dla błękitu bromotymolowego odpowiada obojętnemu pH (7). Wyraźnie niebieski lub turkusowy roztwór oznacza przekroczenie punktu końcowego.
4. Gdy roztwór osiągnie neutralne pH, przepłucz szklaną bagietkę wodą destylowaną.
5. Objętość dodanego roztworu zobojętniającego (NaOH 2M) jest zapisana w tabeli wyników.
6. Zaleca się powtórzenie eksperymentu 2 razy, aby uśrednić uzyskane wyniki.
7. Oblicz ilość NaOH 2M potrzebną do zobojętnienia takiej samej ilości HCl. Uzyskana ilość, przeliczona na 1 L roztworu, będzie molarowością roztworu HCl.

Uwaga: 1 kropla = 0,05 mL, NaOH 2 mole/1000 mL = NaOH 0,0001 mola / 0,05 mL, a 1 mol NaOH neutralizuje 1 mol HCl. Liczba moli NaOH użyta do zobojętnienia 10 mL kwasu solnego wskaże liczbę moli HCl znajdujących się w 10 mL roztworu. Aby ekstrapolować molarowość roztworu HCl, należy pomnożyć przez 100 (zatem 10 mL * 100 = 1000 mL).

Przewidywane wyniki

Reakcja i co oznacza punkt końcowy. Reakcja miareczkowania to HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H₂O(l), lub w ujęciu jonowym po prostu H₃O⁺ + OCH⁻ → 2 H₂O, ponieważ sód i chlorek są jonami obserwatorami przez cały czas. Stosunek wynosi jeden do jednego, więc w punkcie równoważnikowym n(dodanego NaOH) = n(obecnego HCl). Chlorek sodu nie ulega hydrolizie — chlorek jest sprzężoną zasadą mocnego kwasu, a sód nie wykazuje charakteru kwasowego — więc roztwór w punkcie równoważnikowym jest dokładnie obojętny, a pH w punkcie równoważnikowym wynosi 7,00. To nietypowe i wygodne: dla słabego kwasu pH byłoby powyżej 7, a błękit bromotymolowy byłby wtedy niewłaściwym wskaźnikiem.

Pomiar. Kropla jest jednostką objętości w tym laboratorium. Jedna kropla wynosi 0,05 ml, więc każda kropla 2,0 mol/l wodorotlenku sodu dostarcza

n = C × V = 2,0 mol/L × 0,05 × 10⁻³ L = 1,0 × 10⁻⁴ mole NaOH na kroplę

Punkt końcowy osiąga się po 15 kroplach. To 15 × 0,05 = 0,75 ml, przenoszące 15 × 1,0 × 10⁻⁴ = 1,5 × 10⁻³ mol zasady, która zgodnie ze stosunkiem 1:1 musiała zneutralizować 1,5 × 10⁻³ mola kwasu. Kwas zajmował objętość 10,00 mL, więc

C(HCl) = n / V = 1.5 × 10⁻³ mol / 0,0100 l = 0,15 mol/l

Ta sama odpowiedź następuje w jednej linii z języka C_aV_a = C_bV_b: C_a = (2,0 mol/L × 0,75 mL) / 10,0 mL = 0,15 mol/L. Sposób postępowania opisany w protokole – pomnożenie ilości znalezionej w 10 mL przez 100, aby uzyskać jeden litr – to ta sama arytmetyka zapisana w inny sposób.

Co robi kolba, kropla po kropli. Kolor roztworu zależy od jego pH, a pH zależy od tego, który z dwóch odczynników znajduje się w nadmiarze. Przed punktem końcowym pozostaje nadmiar kwasu; po nim pozostaje nadmiar zasady; zmiana jest gwałtowna, ponieważ mocny kwas i mocna zasada nie pozostawiają niczego do buforowania roztworu. Poniższa tabela przedstawia całe podejście, wykorzystując ilość nadmiaru podzieloną przez całkowitą objętość na każdym etapie.

Odczytywanie wskazania biurety. Biureta jest skalowana w dół, z zerem u góry, ponieważ istotna jest ilość, która z niej wypłynęła, a nie to, co w niej pozostało. Z tego powodu miano (objętość miareczkowa) to odczyt końcowy minus odczyt początkowy, a ustawienie menisku na zero przed rozpoczęciem jest raczej ułatwieniem niż wymogiem. Pęcherzyk w kranku ma znaczenie z tego samego powodu: pęcherzyk usunięty podczas miareczkowania jest liczony jako objętość dostarczona, mimo że nigdy nie dotarł do kolby, co powoduje, że wynik mianowania jest zawyżony, a wraz z nim obliczone stężenie.

Dlaczego błękit bromotymolowy, a nie inny wskaźnik?. Wskaźnik sam w sobie jest słabym kwasem, którego dwie formy różnią się barwą, i zmienia barwę w zakresie około dwóch jednostek pH ze środkiem w punkcie pK_W. Błękit bromotymolowy ma pK_W ≈ 7,1, dlatego jego zakres obejmuje obojętność; laboratorium 049 analizuje arytmetykę stojącą za tą szerokością dwóch jednostek. W przypadku tej konkretnej miareczkowania wybór jest raczej elastyczny niż krytyczny: ponieważ pH zmienia się od około 4 do około 10 w ciągu ułamka kropli w standardowo zaprojektowanym miareczkowaniu mocnego kwasu z mocną zasadą, czerwień metylowa lub fenoloftaleina dałyby ten sam wynik miareczkowania. Wybór staje się kluczowy, gdy tylko kwas jest słaby. Miareczkowanie kwasu etanowego, będącego przedmiotem laboratorium 048, pozostawia etanian w roztworze w punkcie równoważności, pH wynosi tam około 8,7, a błękit bromotymolowy zasygnalizowałby punkt końcowy zbyt wcześnie, podczas gdy fenoloftaleina byłaby właściwa.

Gdzie to się wpisuje pośród innych laboratoriów pH. Laboratorium 046 wyjaśnia, czym jest pH i jak się je mierzy. 048 oddziela stężenie od mocy poprzez porównanie kwasu etanowego z kwasem solnym o tym samym stężeniu. 049 obejmuje równowagi wskaźnikowe i szerokość pasma przejścia. 050 pokazuje, że dla mocnego kwasu pH jest po prostu logarytmem z czynnika rozcieńczenia. To laboratorium jest miejscem, w którym te idee stają się metodą analityczną: po raz pierwszy pH nie jest odpowiedzią, lecz sygnałem, a odpowiedź to stężenie odczytane z biurety.

Podsumowanie zadania według zakresu ocen

Klasy 9–10

Skup się. Obserwacja, słownictwo i staranna procedura. Obliczenia są podane, a uczeń wpisuje liczby.

• Skonfiguruj poprawnie aparat: biureta pionowa i zamocowana w uchwycie, brak pęcherzyków powietrza w kranie, menisk na poziomie zera.
• Policz krople do zmiany koloru i przelicz wynik na objętość, przyjmując 1 kropla = 0,05 ml.
• Opisz sekwencję kolorów i nazwij wskaźnik; podaj znaczenie koloru żółtego, zielonego i niebieskiego.
• Uzupełnij dostarczone obliczenie, aby osiągnąć 0,15 mol/L.
• Słownictwo do poprawnego wykorzystania do końca: miareczkowanie, mianownik, biureta, alikwota, wskaźnik, punkt końcowy, neutralizacja.

Klasa 11

Skup się. Pełne obliczenie bez pomocy oraz znaczenie punktu równoważnikowego.

• Wyprowadź stężenie z zasad ogólnych: ilość na kroplę, dostarczona ilość, ilość kwasu, stężenie — bez podanej drogi podania.
• Uzyskaj tę samą odpowiedź w drugi sposób, używając języka C_aV_a = C_bV_b, i wyjaśnij, dlaczego to uproszczenie jest ważne tylko dla reakcji 1:1.
• Oblicz pH kwasu przed miareczkowaniem i potwierdź 0,82, oraz pH miareczkujacego i potwierdź 14,3.
• Wyjaśnij, dlaczego pH w punkcie równoważności wynosi dokładnie 7,00 dla tej pary odczynników, i uzasadnij na tej podstawie wybór błękitu bromotymolowego.
• Oblicz pH po 14 i po 16 kroplach oraz wyjaśnij, dlaczego zmiana jest tak gwałtowna.
• Zaokrąglij wynik do dokładności, jaką reprezentuje jedna kropla.

Klasa 12 / Poziom akademicki

Skup się. Projektowanie metod, analiza błędów i ograniczenia techniki. Od studentów oczekuje się krytyki procedury, a nie jej wykonania.

• Skonstruuj pełną krzywą miareczkowania, pH w funkcji objętości titranta, i zidentyfikuj punkt przegięcia; porównaj jej stromość z szerokością zakresu wskaźnika.
• Wykazać ilościowo, że mianownik (tytrant) o stężeniu 2,0 mol/L ogranicza wynik do dwóch cyfr znaczących, i obliczyć poprawę, jaką dałby mianownik o stężeniu 0,10 mol/L.
• Przeprojektuj miareczkowanie tak, aby osiągnąć punkt końcowy w zakresie od 20 do 40 mL, oraz określ stężenie titranta i objętość pobranej próbki, które to umożliwią.
• Przewidź, jak zmieniłyby się krzywa miareczkowania oraz pH w punkcie równoważnikowym, gdyby analitem był kwas etanowy zamiast kwasu solnego, i wybierz odpowiedni wskaźnik dla tego przypadku.
• Omów różnicę między punktem równoważności a punktem końcowym jako źródłem błędu systematycznego, a nie przypadkowego, i oszacuj jego wielkość w tym przypadku.
• Powiąż tę metodę z jej zastosowaniami przemysłowymi i klinicznymi – zasadowością wody uzdatnionej, kwasowością miareczkową w winie i mleku oraz analizą kwasu żołądkowego – i wyjaśnij, co sprawia, że miareczkowanie jest metodą odniesienia do kalibracji szybszych technik instrumentalnych.

Podstawowe wyposażenie laboratorium

Instrumenty

• Biureta (50 ml) z kranikiem
• Uniwersalny zacisk i stojak
• Pipeta miarowa jednomiarowa (10 mL)
• Kolba Erlenmeyera (100 ml)
• Zlewka (50 mL), używana do przepłukania kranu
• Spuszczacz
• Szklany pręt
• skala kolorów pH (tabela wzorcowa)
• Taca ociekowa

Produkty

• Kwas solny HCl, stężenie nieznane (próbka 10 ml; oznaczono 0,15 mol/L)
• Wodorotlenek sodu NaOH 2,0 mol/L (tytrant)
• Wskaźnik błękit bromotymolowy (3 krople)
• Woda destylowana (płukanie)