048 – pH-ul acizilor tari și slabi

Două soluții pot conține aceeași cantitate de acid pe litru și totuși să fie foarte diferite ca grad de aciditate. Uzinele de tratare a apei, producătorii de alimente, proprietarii de acvarii și laboratoarele clinice depind cu toții de această distincție: eticheta unei sticle indică o concentrație, însă ceea ce corodează o țevă, coagulează o proteină sau ucide un pește este concentrația de ioni de hidroniu prezentă efectiv în lichid. Prin urmare, alegerea unui acid și stabilirea cantității care trebuie folosită înseamnă să știi dacă acesta își cedează protonii complet sau doar parțial.

Un acid dizolvat în apă transferă un proton unei molecule de apă. Un acid puternic, cum ar fi acidul clorhidric, face acest lucru până la capăt, astfel încât fiecare mol dizolvat eliberează un mol de ion hidroniu. Un acid slab, cum ar fi acidul etanoic — acidul acetic, acidul din oțet — ajunge în schimb la un echilibru: în orice moment doar o mică fracțiune din moleculele sale și-au eliberat protonul, iar acea fracțiune depinde de cât de diluată este soluția. Scala pH-ului, pH = −log[H₃O⁺], plasează ambele cazuri pe aceeași axă, iar un pH-metru citește direct acea axă măsurând potențialul dezvoltat pe un electrod de sticlă.

În acest laborator, veți construi o serie de trei soluții de acid etanoic prin diluție seriată — 1 mol/L, 0,1 mol/L și 0,01 mol/L — fiecare fiind preparată din cea anterioară prin transferarea a 5 mL cu o pipetă cotată într-un cilindru gradat de 50 mL și completarea până la semn cu apă distilată. Un al patrulea pahar de laborator primește acid clorhidric de 0,10 mol/L, aceeași concentrație ca a doua soluție de acid etanoic. Veți măsura apoi pH-ul tuturor celor patru cu un pH-metru, clătind și uscând electrodul între pahare. Cele trei citiri pentru acidul etanoic arată ce face diluția unui acid slab; perechea la 0,10 mol/L arată ce înseamnă cuvintele puternic și slab sunt de fapt în unități de pH.

Obiective educaționale

Tehnica diluțiilor seriale

• Efectuați o diluție de zece ori prin prelevarea unei alcote de 5,00 mL cu o pipetă volumetrică, transferarea acesteia într-un cilindru gradat de 50 mL și diluarea până la semn cu apă distilată.
• Explicați de ce fiecare soluție din serie trebuie preparată din cea anterioară și nu direct din soluția mamă, și de ce pipeta și cilindrul sunt clătite între transferuri.

Utilizarea pH-metrului

• Măsurați pH-ul unei soluții cu un electrod de sticlă și clătiți electrodul cu apă distilată și uscați-l pe hârtie absorbentă între probe, astfel încât o citire să nu o contamineze pe următoarea.
• Citește un aparat de măsură în mod critic: recunoaște că cifra afișată are un număr limitat de zecimale și că rezoluția afișajului nu este același lucru cu acuratețea.

Distingerea concentrației de aciditate

• Preziceți care dintre două soluții de concentrație egală va avea pH-ul mai mic și justificați predicția prin gradul de transfer de protoni, mai degrabă decât prin cantitatea de acid prezentă.
• Specificați concentrația unei soluții și pH-ul acesteia ca două informații separate și descrieți o situație în care fiecare dintre ele este valoarea care contează.

Interpretarea cantitativă a unei citiri a pH-ului

• Convertește un pH într-o concentrație de hidroniu și invers, și calculează procentul de ionizare al unui acid slab din pH-ul său măsurat.
• Arătați că o diluție de zece ori crește pH-ul unui acid slab cu aproximativ 0,50 unități, dar îl crește pe cel al unui acid puternic cu 1,00 unitate și explicați această diferență.

Manipularea și eliminarea în siguranță a acizilor

• Manipulați soluțiile acide purtând mănuși și păstrați stocul concentrat separat de seria diluată pe bancul de lucru.
• Eliminați toate soluțiile folosite în coșul de recuperare în loc de chiuvetă și clătiți sticlăria înainte de a o așeza.

Protocol

Partea 1: Prepararea soluțiilor diluate

1. Localizează cele patru pahare goale, numerotate de la 1 la 4.
2. Pentru o soluție de acid etanoic 1 mol/L (CH₃(COOH) în vasul 1 și îl umpleți pe jumătate.
3. Folosind pipeta, prelevați soluția de acid etanoic de 1 mol/L din vasul 1 și transferați 5 mL într-un cilindru gradat de 50 mL.

Goliți excesul din pipetă în recipientul de recuperare.

4. Adăugați apă distilată în cilindrul gradat până la atingerea volumului final de 50 mL.
5. Toarnă soluția obținută din cilindrul gradat în baloane 2 și umple-l pe jumătate.

Goliți excesul din cilindrul gradat în recipientul de recuperare.

6. Curățați pipeta și cilindrul gradat cu apă distilată.
7. Repetați procesul de diluare luând soluția din eprubeta 2 cu pipeta, apoi transferați 5 mL în cilindrul gradat de 50 mL.

Goliți excesul din pipetă în recipientul de recuperare.

8. Apoi adăugați apă distilată în cilindrul gradat până la atingerea volumului final de 50 mL.
9. Toarnă această nouă soluție diluată în eprubeta 3 și umple-o pe jumătate.

Goliți excesul din cilindrul gradat în recipientul de recuperare.

10. Umpleți paharul de laborator 4 pe jumătate cu o soluție concentrată de acid clorhidric (HCl) de 0,10 mol/L.

Partea 2: Măsurători

11. Folosiți un pH-metru pentru a măsura pH-ul fiecărei soluții conținute în eprubetele de la 1 la 4.

Între fiecare măsurătoare, clătiți electrozii pH-metrului cu apă distilată și uscați-i cu hârtie absorbantă.

12. Măsurătorile pH vor apărea în tabelul de rezultate.
13. Aruncați soluțiile utilizate în mod corespunzător, turnându-le în recipientul de colectare destinat acestui scop. Evitați să le aruncați la chiuvetă.

Rezultate anticipate

Trei dintre cele patru pahare conțin același acid în trei concentrații; al patrulea conține un acid diferit, la o concentrație deja prezentă în serie. Întregul rezultat al laboratorului este conținut în comparația celor patru citiri ale pH-ului.

Diluțiile. Fiecare transfer este guvernat de C₁V₁ = C₂V₂. Luând 5,00 mL din soluția de 1,0 mol/L și diluând-o la 50,0 mL se obține C₂ = (1,0 mol/L × 5,00 mL) / 50,0 mL = 0,10 mol/L, iar repetarea operației pentru paharul 2 dă 0,010 mol/L în paharul 3. Fiecare pas reprezintă un factor de diluție de exact zece, astfel încât cantitatea de acid per litru scade cu un factor de 100 de-a lungul seriei.

Paharul Berzelius 4, acidul puternic. Acidul clorhidric ionizează complet în apă: HCl + H₂O → H₃O⁺ + Cl⁻. Nu există niciun echilibru de rezolvat, deci [H₃O⁺] este pur și simplu concentrația declarată și pH = −log(0,10) = 1,00. Același raționament ar da pH 2,00 la 0,010 mol/L și pH 3,00 la 0,0010 mol/L — o unitate întreagă pentru fiecare diluție de zece ori.

Paharele de la 1 la 3, acidul slab. Acidul etanoic stabilește un echilibru: CH₃COOH + H₂O ⇌ CH₃COO⁻ + H₃O⁺, cu K_a = [CH₃COO⁻][H₃O⁺] / [CH₃COOH] = 1.8 × 10⁻⁵ la 25 °C, deci pK_a = 4.74. Scriind x pentru [H₃O⁺] și C pentru concentrația preparată, condiția de echilibru este x² / (C − x) = K_a. Deoarece x este mult mai mic decât C, numitorul poate fi înlocuit cu C, ceea ce dă x = √(K_aC). Pentru paharul de laborator 2, x = √(1,8 × 10⁻⁵ × 0,10) = √(1,8 × 10⁻⁶) = 1,34 × 10⁻³ mol/L, deci pH = −log(1,34 × 10⁻³) = 2.87.

De ce pasul este de o jumătate de unitate. Calcularea logaritmilor pentru x = √(K_aC) dă pH = ½pK_a − ½log C. Concentrația se introduce cu un coeficient de jumătate, astfel încât împărțirea lui C la zece determină o creștere a pH-ului cu 0,50, nu cu 1,00. Cu pK_a = 4,74; expresia prezice valorile 2,37, 2,87 și 3,37 pentru 1,0, 0,10 și 0,010 mol/L, ceea ce corespunde exact cu seria observată. Acidul puternic respectă în schimb relația pH = −log C, cu un coeficient egal cu unu, și astfel valoarea pH-ului crește cu o unitate întreagă.

Diluația face ca un acid slab să se ionizeze mai mult, nu mai puțin. Fracția ionizată este α = x / C = √(K_a/C), care crește pe măsură ce C scade — 0,42 % la 1,0 mol/L, 1,3 % la 0,10 mol/L și 4,2 % la 0,010 mol/L, un factor de √10 = 3,16 la fiecare etapă. Aceasta este legea diluției lui Ostwald, K_a = Cα² / (1 − α), și este ceea ce cere principiul lui Le Chatelier: ionizarea produce două particule din una, așa că adăugarea de apă deplasează echilibrul spre partea disociată. Concentrația absolută de hidroniu scade totuși la diluare — pur și simplu scade cu √10 în loc de 10.

Care sunt efectele pozitive și negative ale pH-ului asupra costurilor?. Paharele de laborator 2 și 4 conțin aceeași cantitate de 0,10 mol/L dintr-un acid monoprotic, însă [H₃O⁺] este de 0,10 mol/L într-una și de 1,34 × 10⁻³ mol/L în celălalt — un raport de 0,10 / 1,34 × 10⁻³ = 75, sau log 75 = 1,87 unități pH. Altfel spus, acidul clorhidric trebuie diluat de 75 de ori, până la 1,3 × 10⁻³ mol/L, înainte de a ajunge la o concentrație la fel de scăzută ca cea a acidului etanoic de 0,10 mol/L. Această simplă comparație explică de ce concentrația indicată pe etichetă nu poate fi interpretată ca un indicator al gradului de pericol.

Aciditatea nu este același lucru cu capacitatea de neutralizare. Paharele 2 și 4 ar consuma volume identice de hidroxid de sodiu pentru a ajunge la neutralitate, deoarece fiecare conține același număr de moli de protoni ionizabili; diferența de 1,87 unități de pH dintre ele nu spune nimic despre cantitatea de bază de care au nevoie. Ceea ce diferă este modul în care se produce neutralizarea: soluția de acid etanoic trece prin pH = pK_a = 4,74 atunci când exact jumătate din acidul său a fost consumat și nu prezintă variații în jurul acestui punct, în timp ce soluția de acid clorhidric nu prezintă un astfel de platou. Experimentele 047 și 052 analizează această diferență cu ajutorul unei biurete; experimentul 073 o analizează cu ajutorul unui conductometru, unde cele două soluții diferă cu un factor comparabil.

Rezumatul temei pe intervale de note

Clasele a IX-a și a X-a

Concentrare: vocabularul, transferul cu atenție al lichidelor și ordonarea corectă a celor patru rezultate.

Activități: efectuați cele două diluții și etichetați fiecare pahar de laborator cu concentrația pe care o conține în prezent; măsurați cele patru valori ale pH-ului și ordonați paharele de laborator de la cel mai acid la cel mai puțin acid; explicați într-o singură propoziție de ce paharul 4 este mai acid decât paharul 2, chiar dacă ambele au fost preparate la 0,10 mol/L; identificați care dintre valorile măsurate aparțin aceluiași acid și care altuia; respectați etapa de clătire și uscare între măsurători și explicați ce previne aceasta.

Clasa a XI-a

Concentrare: tratarea cantitativă a seriei de diluții și a scalei de pH.

Activități: verifică C₁V₁ = C₂V₂ atât pentru transferuri, cât și pentru confirmarea factorului de diluare de zece; să se convertească fiecare valoare măsurată a pH-ului în concentrație de hidroniu; să se demonstreze că cele trei valori ale acidului etanoic cresc cu 0,50 unități la fiecare diluare de zece ori, în timp ce un acid puternic ar crește cu 1,00, și să se utilizeze această informație pentru a clasifica un acid necunoscut pe baza a două valori măsurate; să se calculeze raportul de 75 de ori pentru [H₃O⁺] între paharele de laborator 2 și 4 și exprimați-o ca diferență de pH; calculați procentul de ionizare al fiecărei soluții de acid etanoic.

Clasa a XII-a / Nivel universitar

Concentrare: derivare, analiză a erorilor și interpretare independentă.

Activități: deduceți pH = ½pK_a − Calculați valoarea ½log C din expresia de echilibru și precizați ipotezele utilizate; rezolvați exact ecuația de gradul al doilea pentru paharul de laborator nr. 3 și cuantificați eroarea introdusă de aproximare; determinați valoarea lui K_a din fiecare valoare a pH-ului măsurată, aplicând legea diluției lui Ostwald, și precizați dacă cele trei valori sunt în concordanță în limitele rezoluției aparatului de măsură; explicați de ce afișarea cu o singură zecimală limitează valoarea K obținută_a la aproximativ o cifră semnificativă; discutați despre coeficienții de activitate la 1 mol/L și preziceți direcția erorii; preziceți curba de titrare a paharului 2 față de cea a paharului 4 și identificați regiunea tampon.

Esențiale de laborator

Instrumente

• Pahare de laborator (4, numerotate de la 1 la 4)
• Cilindru gradat (50 mL)
• Pipetă volumetrică (5 ml)
• pH-metru cu electrod de sticlă
• Hârtie absorbantă
• Mănuși de protecție
• Coșul de reciclare

Produse

• Acid etanoic CH₃COOH 1,0 mol/L (furnizat într-un pahar de laborator de 500 mL pe masa de reactivi)
• Acid clorhidric HCl 0,10 mol/L (furnizat într-un pahar de laborator de 500 mL pe masa de reactivi)
• Apă distilată