ΕΚΦΕ Β’ ΑΝΑΤΟΛΙΚΗΣ ΑΤΤΙΚΗΣ Επιµέλεια: Φρίντα Εγγλεζάκη (Χηµικός) Θύµιος Παπαευσταθίου (Χηµικός)

1

ΣΤΟΧΟΙ Στο τέλος της εργαστηριακής άσκησης οι µαθητές θα πρέπει να µπορούν: • Να παρασκευάζουν ρυθµιστικά διαλύµατα µε ορισµένη τιµή pΗ.

• Να αναγνωρίζουν την κυριότερη ιδιότητα των ρυθµιστικών διαλυµάτων, η οποία είναι να

διατηρούν περίπου σταθερή την τιµή του pH αυτών, όταν προστίθενται σε αυτά µικρές

ποσότητες ισχυρών οξέων ή βάσεων.

ΘΕΩΡΗΤΙΚΕΣ ΕΠΙΣΗΜΑΝΣΕΙΣ

Ρυθµιστικά διαλύµατα ονοµάζονται τα υδατικά διαλύµατα που διατηρούν το pH τους σταθερό, όταν προστεθεί µικρή αλλά υπολογίσιµη ποσότητα ακόµη και ισχυρού οξέος ή βάσης, ή όταν υποστούν συµπύκνωση ή αραίωση µέσα σε κάποια όρια. ∆ηλαδή τα ρυθµιστικά διαλύµατα αντιστέκονται στην µεταβολή του pH τους. Βρίσκουν εφαρµογή στην αναλυτική χηµεία, τη βιολογία, την ιατρική, τη φαρµακευτική, τη βιοµηχανία κ.λ.π. Για να µπορούν τα ρυθµιστικά διαλύµατα να δεσµεύουν τις ποσότητες οξέων ή βάσεων που προστίθενται σε αυτά, θα πρέπει να περιέχουν µία βάση και ένα οξύ σε ισορροπία.

Ένα ρυθµιστικό διάλυµα περιέχει: Ασθενές οξύ µε τη συζυγή του βάση, προερχόµενη συνήθως από το άλας αυτού π.χ. CH3COOH - CH3COONa Ασθενή βάση µε το συζυγές της οξύ προερχόµενο από το άλας αυτής π.χ. ΝΗ3 - ΝΗ4Cl Η τιµή του pH ενός ρυθµιστικού διαλύµατος που περιέχει ένα ασθενές οξύ µε τη συζυγή του βάση υπολογίζεται µε βάση την εξίσωση των ρυθµιστικών διαλυµάτων ή εξίσωση των Henderson-Hasselbach:

pH = pKa + a

s

CC

log

όπου Ka = σταθερά ιοντισµού του οξέος Cs = η συγκέντρωση του άλατος (mol L-1) Ca = η συγκέντρωση του οξέος (mol L-1)

Όταν Cs = Ca τότε a

s

CC

log = log 1 = 0, οπότε pH = pKa

Έτσι η τιµή του pH ενός ρυθµιστικού διαλύµατος καθορίζεται από την τιµή της pKa του ασθενούς οξέος και βρίσκεται στην περιοχή pH = pKa ± 1 Αυτό µας επιτρέπει να παρασκευάσουµε ρυθµιστικά διαλύµατα µε ορισµένο pH, αρκεί να επιλέξουµε το κατάλληλο οξύ µε βάση την τιµή της σταθεράς ιοντισµού Κa του οξέος. Ανάλογα ισχύουν και για τα ρυθµιστικά διαλύµατα τα οποία περιέχουν ασθενή βάση και το άλας αυτής µε ισχυρό οξύ.

2

ΑΠΑΡΑΙΤΗΤΑ ΟΡΓΑΝΑ ΑΠΑΡΑΙΤΗΤΑ ΑΝΤΙ∆ΡΑΣΤΗΡΙΑ Ποτήρι ζέσης 100mL Ογκοµετρικός κύλινδρος 100mL Σιφώνια δύο των 10mL (2) Πουάρ Γυάλινη ράβδος ανάδευσης Στήριγµα δοκιµαστικών σωλήνων ∆οκιµαστικοί σωλήνες (4) Σταγονόµετρα (3) Υδροβολέας

Πεχαµετρικό χαρτί ή πεχάµετρο

Οξικό οξύ CH3COOH 1M Οξικό νάτριο CH3COONa 1M Ρυθµιστικό διάλυµα CH3COOH/ CH3COONa (παρασκευάζεται στην 1η εργαστηριακή άσκηση) Υδροχλωρικό οξύ HCl 0,1M Υδροξείδιο του νατρίου NaOH 0,1M Απιονισµένο νερό ∆είκτης ερυθρό του µεθυλίου (0,1g στερεό ερυθρό του µεθυλίου σε 100 ml αλκοόλης 950)

Εργαστηριακή Άσκηση 1

1. Παρασκευή ρυθµιστικού διαλύµατος οξικού οξέος - οξικού νατρίου 2. Μέτρηση της τιµής του pH αυτού (~5.8)

Πεχαµετρικό χαρτί Πεχάµετρο

ΠΠΠΠΠΠPPΠε

ΘΕΩΡΗΤΙΚΕΣ ΕΠΙΣΗΜΑΝΣΕΙΣ Η επιλογή των αντιδραστηρίων για την παρασκευή ρυθµιστικού διαλύµατος ορισµένου pH βασίζεται στις τιµές pKa των οξέων ή pKb των βάσεων, που δίνονται σε πίνακες. Έστω για παράδειγµα ότι θέλουµε να παρασκευάσουµε 100mL ρυθµιστικού διαλύµατος οξικού οξέος και οξικού νατρίου (CH3COOH - CH3COONa) µε pH = 5.8. Από τους πίνακες έχουµε Κa = 1,7 . 10-5 στους 25 0C, άρα pKa = 4,8 οπότε είναι κατάλληλο για την παρασκευή του συγκεκριµένου ρυθµιστικού διαλύµατος.

Υπολογίζουµε τον λόγο [ ]

][ COOHCHCOONaCH

3

3

Από την εξίσωση έχουµε:

5,8 = 4,8 + log [ ]

][ COOHCHCOONaCH

3

3 = 1 [ ]

][ COOHCHCOONaCH

3

3 = 10

Υπολογίζουµε τους όγκους των διαλυµάτων CH3COOH 1Μ και CH3COONa 1Μ για την παρασκευή 100mL ρυθµιστικού διαλύµατος ως εξής : Αν x mL είναι ο όγκος του οξικού οξέος (CH3COOH 1Μ) τότε ο όγκος του οξικού νατρίου (CH3COONa 1Μ) θα είναι 100 – x mL.

3

Η συγκέντρωση στο ρυθµιστικό διάλυµα 100mL (µετά την προσθήκη x mL

διαλύµατος CH

[ COOHCH 3 ]

3COOH ) σύµφωνα µε τον νόµο της αραίωσης, θα είναι 100

x , ενώ η

συγκέντρωση [ ] θα είναι COONaCH 3 100x100 −

Άρα [ ]

][ COOHCHCOONaCH

3

3 =

100x

100x100 −

= x

x100 − = 10

Πειραµατική διαδικασία • Με τον ογκοµετρικό κύλινδρο των 100mL µετράµε 91mL διαλύµατ

(CH3COONa) 1M. • Με το σιφώνιο χρησιµοποιώντας το πουάρ µετράµε 9mL από το διά

οξέος (CH3COOΗ) 1Μ. • Αναµιγνύουµε τα δύο διαλύµατα στο ποτήρι ζέσης των 100mL, χρη

ράβδο ανάδευσης. • Τέλος µε την ράβδο ανάδευσης βρέχουµε µε το ρυθµιστικό διάλυµα

παρασκευάσαµε, ένα κοµµάτι πεχαµετρικό χαρτί και προσδιορίζουµδιαλύµατος κατά προσέγγιση, συγκρίνοντας το χρώµα που παίρνει τµε τα χρώµατα της πεχαµετρικής κλίµακας.

Σηµείωση • Το pH του διαλύµατος πρέπει να είναι περίπου 6 και µπορεί να προσδ µεγαλύτερη ακρίβεια µε το ηλεκτρονικό πεχάµετρο του εργαστηρίου. • Αν αναµίξουµε 50mL διαλύµατος NH3 2M και 25mL διαλύµατος HCl αραιώσουµε στα 100mL παρασκευάζουµε ρυθµιστικό διάλυµα. µε pH Η µελέτη αυτού του ρυθµιστικού διαλύµατος γίνεται όπως παραπάνω• Αν χρησιµοποιήσουµε ρυθµιστικό διάλυµα NH3 –NH4Cl κατάλληλος φαινολοφθαλεΐνη η οποία αλλάζει χρώµα από άχρωµη σε φούξια στη και 10.

4

x = 9

ος οξικού νατρίου

λυµα του οξικού

σιµοποιώντας τη

που ε το pH του ο πεχαµετρικό χαρτί

ιοριστεί µε 2Μ και =9,26. . δείκτης είναι η ν περοχή pH 8,2

Εργαστηριακή Άσκηση 2 Ιδιότητες του ρυθµιστικού διαλύµατος οξικού οξέος - οξικού νατρίου 1. προσθήκη µικρών ποσοτήτων ισχυρού οξέος (HCl aq) 2. προσθήκη µικρών ποσοτήτων ισχυρής βάσης (NaOH aq)

Πειραµατική διαδικασία • Τοποθετούµε τους 4 δοκιµαστικούς σωλήνες στο στατώ και τους αριθµούµε από το 1 έως

το 4. • Ρίχνουµε από 10mL απιονισµένο νερό στον 1ο και στον 2ο δοκιµαστικό σωλήνα, ενώ

στον 3ο και στον 4ο από 10mL ρυθµιστικό διάλυµα. • Προσθέτουµε και στους 4 σωλήνες 2-3 σταγόνες δείκτη ερυθρό του µεθυλίου και

παρατηρούµε τα χρώµατα των διαλυµάτων. • Συµπληρώνουµε τα χρώµατα στην αντίστοιχη στήλη του πίνακα 1 στο φύλλο εργασίας. • Στη συνέχεια προσθέτουµε στον 1ο και στον 3ο σωλήνα µε το σταγονόµετρο 5-10

σταγόνες υδροχλωρικού οξέος (HCl 0,1Μ), ενώ στον 2ο και 4ο σωλήνα 5-10 σταγόνες καυστικού νατρίου (NaOH 0,1Μ).

• Τέλος καταγράφουµε την αλλαγή του χρώµατος των διαλυµάτων στην αντίστοιχη στήλη του πίνακα 1 του φύλλου εργασίας και σηµειώνουµε τις παρατηρήσεις µας.

Σηµείωση Χρησιµοποιούµε ως κατάλληλο δείκτη το ερυθρό του µεθυλίου το οποίο αλλάζει χρώµα

από κόκκινο σε κίτρινο στην περοχή pH 4,8 και 6,0.

Βιβλιογραφία • Χηµεία Γ΄Λυκείου Θετικής Κατεύθυνσης (Σ. Λιοδάκης, ∆. Γάκης, ∆.Θεοδωρόπουλος, Π. Θεοδωρόπουλος) (Ο.Ε.∆.Β.). • Εργαστηριακός Οδηγός Χηµείας Γ΄Λυκείου Θετικής Κατεύθυνσης (Σ. Λιοδάκης, ∆. Γάκης). • Εργαστηριακός οδηγός Χηµείας Γ΄Λυκείου Θετικής Κατεύθυνσης (Κ.Τσίπης, Α. Βάρβογλης, Κ. Γιούρη -Τσοχατζή, ∆. ∆ερπάνης, Π. Παλαµιτζόγλου, Γ. Παπαγεωργίου) (Ο.Ε.∆.Β.).

5

ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΚΑΙ Ι∆ΙΟΤΗΤΕΣ ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΩΝ ∆ΙΑΛΥΜΑΤΩΝ

Ονοµατεπώνυµο: ..............................................

Φύλλο εργασίας Τµήµα: ................. Ηµεροµηνία: ....................

Να παρατηρήσετε τις αλλαγές στο χρώµα των διαλυµάτων στους 4 δοκιµαστικούς σωλήνες µετά την προσθήκη υδροχλωρικού οξέος (HCl aq) και υδροξειδίου του νατρίου (NaOH aq) και να τις καταγράψετε στον πίνακα 1.

ΠΙΝΑΚΑΣ 1

∆οκιµαστικός Σωλήνας

Αντιδραστήριο που προστίθεται

Αρχικό χρώµα διαλύµατος

Τελικό χρώµα διαλύµατος

1

2

3

4

ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ - ΑΙΤΙΟΛΟΓΗΣΗ 1. Να αιτιολογήσετε την αλλαγή του χρώµατος στους 4 δοκιµαστικούς σωλήνες: ∆οκιµαστικός σωλήνας 1 ...................................................................................................................................................................................................................................................................................................... ∆οκιµαστικός σωλήνας 2 ...................................................................................................................................................................................................................................................................................................... ∆οκιµαστικός σωλήνας 3 ...................................................................................................................................................................................................................................................................................................... ∆οκιµαστικός σωλήνας 4 ......................................................................................................................................................................................................................................................................................................

6

2. Ποιά ουσία από τις παρακάτω όταν προστεθεί σε διάλυµα HNO2 θα δηµιουργήσει ρυθµιστικό;

α) HCl

β) NaCl

γ) CH3COOH

δ) NaNO2

3. Η Ka του οξικού οξέος (CH3COOH) είναι ίση µε 1,76.10-5 στους 25 0C. Το pH ενός διαλύµατος που παρασκευάζεται από 50 mL οξικού οξέος και 50 mL οξικού καλίου (CH3COOΚ 1M) είναι:

α) 1,7

β) 0,85

γ) 3,4

δ) 4,77

________________________________________________________________________ ΕΚΦΕ Β’Ανατολικής Αττικής

7