Ογκομέτρηση Ασθενούς Οξέος με Ισχυρή Βάση -...

4
Eνότητα 2.1.4 : Οξέα και Βάσεις: Επίδραση κοινού ιόντος Ρυθμιστικά διαλύματα - Ογκομέτρηση Ογκομέτρηση ασθενούς οξέος με ισχυρή βάση H καμπύλη ογκομέτρησης διαλύματος ασθενούς οξέος (π.χ. 50 ml διαλύματος οξικού οξέος 0,1 M) με πρότυπο διάλυμα ισχυρής βάσης (π.χ. διάλυμα NaOH 0,1 M) είναι όμοια όσο αφορά το σχήμα με την καμπύλη ογκομέτρησης ισχυρού οξέος με ισχυρή βάση (Σχήμα 2-23 α και β). Όπως όμως φαίνεται και στο Σχήμα 2-24 υπάρχουν τρεις βασικές διαφορές: Σχήμα 2-23 : Kαμπύλη ογκομέτρησης για την ογκομέτρηση διαλύματος ισχυρής βάσης (στην συγκεκριμένη περίπτωση 50 ml διαλύματος ΝaOH συγκέντρωσης 0,1 Μ) από διάλυμα ισχυρού οξέος (στην συγκεκριμένη περίπτωση ΗCl συγκέντρωσης 0,1 Μ). Το διάλυμα του ασθενούς οξέος έχει μεγαλύτερη αρχική τιμή pH από το διάλυμα ισχυρού οξέος ίδιας συγκέντρωσης (Σχήμα 2-24 β) Η μεταβολή του pH στο κατακόρυφο τμήμα της καμπύλης κοντά στο ισοδύναμο σημείο είναι μικρότερη στο ασθενές οξύ σε σχέση με το ισχυρό οξύ (Σχήμα 2-24 β) Η τιμή του pH στο ισοδύναμο σημείο είναι μεγαλύτερη από 7 για την ογκομέτρηση του ασθενούς οξέος ισχυρής βάσης (Σχήμα 2-24 α) από ότι για το ισχυρό οξύ ισχυρή βάση. Για να γίνει κατανοητό πώς μπορούν να υπολογισθούν οι τιμές του pH για ογκομέτρηση ασθενούς οξέος από ισχυρή βάση μπορούμε να χωρίσουμε την καμπύλη σε τέσσερις περιοχές: 1 η περιοχή – Aρχικό pH: Η τιμή του pH του διαλύματος CH 3 COOH αρχικά (πριν προστεθεί διάλυμα ΝaOH) υπολογίζεται λαμβάνοντας υπόψη ότι είναι ένα ασθενές οξύ που ιοντίζεται μερικώς στο νερό και έχει k a = 1,8 . 10 -5 . Eστω x mol/CH 3 COOH ιοντίζονται: CH 3 COOH CH 3 COO - + H + -x mol/+x mol/+x mol/k a = [CH 3 COO - ] . [H + ] / [CH 3 COOH] = 1,8 . 10 -5 x . x / (0,1 –x) = 1,8 . 10 -5 x 2 = 1,8 . 10 -6 x = [H + ] = 1,34 . 10 -3 pH = 2,87 313

description

Η θεωρία και η άσκηση στο άρθρο αυτό προέρχεται από το κεφάλαιο 2.1.4 του βιβλίου "Γενική Χημεία Θετ. Κατ. για την Γ Λυκείου. Εκτενέστερη παρουσίαση του βιβλίου καθώς και τρόποι αγοράς δίνονται στον ιστότοπο: https://sites.google.com/site/kalamatianosbooks καθώς και στα παρακάτω blogs:http://kalamatianos.wordpress.com/ καιhttp://chimia-lykeiou.blogspot.com/

Transcript of Ογκομέτρηση Ασθενούς Οξέος με Ισχυρή Βάση -...

Page 1: Ογκομέτρηση Ασθενούς Οξέος με Ισχυρή Βάση - Εξουδετέρωση με Ογκομέτρηση - Χημεία Γ Λυκείου

Eνότητα 2.1.4 : Οξέα και Βάσεις: Επίδραση κοινού ιόντος – Ρυθμιστικά διαλύματα - Ογκομέτρηση

Ογκομέτρηση ασθενούς οξέος με ισχυρή βάση H καμπύλη ογκομέτρησης διαλύματος ασθενούς οξέος (π.χ. 50 ml διαλύματος οξικού οξέος 0,1 M) με πρότυπο διάλυμα ισχυρής βάσης (π.χ. διάλυμα NaOH 0,1 M) είναι όμοια όσο αφορά το σχήμα με την καμπύλη ογκομέτρησης ισχυρού οξέος με ισχυρή βάση (Σχήμα 2-23 α και β). Όπως όμως φαίνεται και στο Σχήμα 2-24 υπάρχουν τρεις βασικές διαφορές:

Σχήμα 2-23: Kαμπύλη ογκομέτρησης για την ογκομέτρηση διαλύματος ισχυρής βάσης (στην συγκεκριμένη περίπτωση 50 ml διαλύματος ΝaOH συγκέντρωσης 0,1 Μ) από διάλυμα ισχυρού οξέος (στην συγκεκριμένη περίπτωση ΗCl συγκέντρωσης 0,1 Μ).

• Το διάλυμα του ασθενούς οξέος έχει μεγαλύτερη αρχική τιμή pH από το διάλυμα ισχυρού οξέος ίδιας συγκέντρωσης (Σχήμα 2-24 β)

• Η μεταβολή του pH στο κατακόρυφο τμήμα της καμπύλης κοντά στο ισοδύναμο σημείο είναι μικρότερη στο ασθενές οξύ σε σχέση με το ισχυρό οξύ (Σχήμα 2-24 β)

• Η τιμή του pH στο ισοδύναμο σημείο είναι μεγαλύτερη από 7 για την ογκομέτρηση του ασθενούς

οξέος – ισχυρής βάσης (Σχήμα 2-24 α) από ότι για το ισχυρό οξύ – ισχυρή βάση. Για να γίνει κατανοητό πώς μπορούν να υπολογισθούν οι τιμές του pH για ογκομέτρηση ασθενούς οξέος από ισχυρή βάση μπορούμε να χωρίσουμε την καμπύλη σε τέσσερις περιοχές: 1η περιοχή – Aρχικό pH: Η τιμή του pH του διαλύματος CH3COOH αρχικά (πριν προστεθεί διάλυμα ΝaOH) υπολογίζεται λαμβάνοντας υπόψη ότι είναι ένα ασθενές οξύ που ιοντίζεται μερικώς στο νερό και έχει ka = 1,8 . 10-5. Eστω x mol/ℓ CH3COOH ιοντίζονται:

CH3COOH CH3COO- + H+

-x mol/ℓ +x mol/ℓ +x mol/ℓ

ka = [CH3COO-] . [H+] / [CH3COOH] = 1,8 . 10-5 ⇒ x . x / (0,1 –x) = 1,8 . 10-5 ⇒ x2 = 1,8 . 10-6 ⇒ x = [H+] = 1,34 . 10-3 ⇒ pH = 2,87

313

Page 2: Ογκομέτρηση Ασθενούς Οξέος με Ισχυρή Βάση - Εξουδετέρωση με Ογκομέτρηση - Χημεία Γ Λυκείου

KΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΟΞΕΑ – ΒΑΣΕΙΣ ΚΑΙ ΙΟΝΤΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ

Σχήμα 2-24: α) Kαμπύλη ογκομέτρησης για την ογκομέτρηση διαλύματος ασθενούς οξέος (50 ml οξικού οξέος CH3COOH 0,1 M) από διάλυμα ισχυρής βάσης (ΝaOH 0,1 M) β) Η μπλε καμπύλη δείχνει την μεταβολή της τιμής του pH καθώς πρότυπο διάλυμα NaOH 0,1 M προστίθεται σε 50 ml διαλύματος CH3COOH 0,1 M. Η μαύρη καμπύλη δείχνει την μεταβολή της τιμής του pH καθώς πρότυπο διάλυμα NaOH 0,1 M προστίθεται σε 50 ml διαλύματος HCl 0,1 M. 2η περιοχή – Μεταξύ του αρχικού pH και του ισοδύναμου σημείου: Καθώς διάλυμα NaOH προστίθεται, η τιμή του pH αυξάνει σιγά-σιγά αρχικά και μετά ποιο γρήγορα κοντά στην περιοχή του ισοδύναμου σημείου. Το pH του διαλύματος πριν το ισοδύναμο σημείο καθορίζεται από την συγκέντρωση του CH3COOH (CH3COOH που δεν έχει αντιδράσει, δες Άσκηση-Παράδειγμα #2-37) και του CH3COO- που προκύπτει από την αντίδραση εξουδετέρωσης:

CH3COOH + OH- CH3COO- + H2Ο Αφού υπολογισθούν οι [CH3COOH] και [CH3COO-] υπολογίζεται το pH του ρυθμιστικού διαλύματος που περιέχει αυτό το συζυγές ζεύγος (δες Άσκηση-Παράδειγμα #2-37). 3η περιοχή – Στο ισοδύναμο σημείο: Για το βρεθεί το ισοδύναμο σημείο χρειάζεται να προστεθούν 50 ml NaOH 0,1 M στα 50 ml διαλύματος CH3COOH 0,1 Μ. Στο σημείο αυτό 0,005 mol ΝaOH αντιδρούν πλήρως με 0,005 mol CH3COOH και δίνουν το άλας CH3COOΝa. To άλας ιοντίζεται πλήρως σε Na+ που δεν επηρεάζει το pH και σε CH3COO- που είναι ασθενής βάση και αυξάνει την τιμή του pH του διαλύματος. Επομένως στο ισοδύναμο σημείο το pH > 7 (δες Άσκηση-Παράδειγμα #2-38). 4η περιοχή – Μετά το ισοδύναμο σημείο: Το pH του διαλύματος μετά το ισοδύναμο σημείο καθορίζεται από την συγκέντρωση του NaOH που βρίσκεται σε περίσσεια. To OH- που παράγεται από την αντίδραση του CH3COO- με το νερό είναι αμελητέο σε σχέση με το OH- που προέρχεται από τον ιοντισμό του προστιθέμενου ΝaOH στο διάλυμα.

314

Άσκηση – Παράδειγμα #2-37

Yπολογείστε το pH του διαλύματος που προκύπτει όταν 45 ml NaOH 0,1 M προστίθεται σε 50 ml διαλύματος CH3COOH 0,1 M (δίνεται ka = 1,8 . 10-5). Λύση:

Page 3: Ογκομέτρηση Ασθενούς Οξέος με Ισχυρή Βάση - Εξουδετέρωση με Ογκομέτρηση - Χημεία Γ Λυκείου

Eνότητα 2.1.4 : Οξέα και Βάσεις: Επίδραση κοινού ιόντος – Ρυθμιστικά διαλύματα - Ογκομέτρηση

315

Kαθώς το διάλυμα NaOH προστίθεται στο διάλυμα του CH3COOH, το CH3COOH αντιδρά με το προστιθέμενο ΟΗ- και σχηματίζεται άλας και νερό (αντίδραση εξουδετέ-ρωσης). Προοδευτικά η [H+] ελαττώνεται και η τιμή του pH του διαλύματος αυξάνει. Επομένως για να υπολογισθεί το pH του διαλύματος πρέπει: i) Να υπολογισθούν τα mol CH3COOH που υπάρχουν αρχικά στο διάλυμα ii) Nα υπολογισθούν τα mol OH- που προστέθηκαν στο διάλυμα iii) Με βάση την αντίδραση εξουδετέρωσης να υπολογισθούν τα mol και οι συγκεντρώσεις των [CH3COOH] και [CH3COO-] που υπάρχουν στο διάλυμα μετά την αντίδραση εξουδετέρωσης iv) Nα προσδιορισθεί η τιμή του pH του ρυθμιστικού διαλύματος που προκύπτει (θεωρούμε ότι το CH3COOH είναι ασθενές οξύ και πρακτικά ιοντίζεται σε πολύ μικρό βαθμό). Στην συγκεκριμένη περίπτωση τα mol CH3COOH στο αρχικό διάλυμα είναι:

Στα 1000 ml διαλύματος CH3COOH υπάρχουν 0,1 mol «καθαρού» CH3COOH Στα 50 ml διαλύματος CH3COOH υπάρχουν α1 = ; «καθαρού» CH3COOH ⇒ α1 = 5 . 10-3 mol Η+ (1) α) Τα mol NaOH (OH-) που προστέθηκαν είναι:

Στα 1000 ml ΝaOH υπάρχουν 0,1 mol OH-

Στα 45 ml ΝaOH υπάρχουν α2 = ; mol OH-

⇒ α2 = 4,5 . 10-3 mol OH- (2) Σύμφωνα με την αντίδραση εξουδετέρωσης (3) 1 mol CH3COOH αντιδρά με 1 mol OH-. Eπομένως μετά την αντίδραση εξουδετέρωσης στο διάλυμα υπάρχουν:

CH3COOH + OH- ⎯ H2O→ CH3COO- + Η2Ο (3)

Πριν την αντίδραση 5 . 10-3 mol 4,5 . 10-3 mol 0 --- Μεταβολή -4,5 . 10-3 mol -4,5 . 10-3 mol +4,5 . 10-3 mol --- Μετά την αντίδραση

0,5 . 10-3 mol 0 4,5 . 10-3 mol ---

Oπως προκύπτει από τον πίνακα παραπάνω μετά την αντίδραση (3) υπάρχουν στο διάλυμα 5 . 10-4 mol CH3COOH καθώς και 4,5 . 10-3 mol CH3COO- τα οποία καθορίζουν το pH του διαλύματος. O συνολικός όγκος του διαλύματος μετά την προσθήκη των 45 ml ΝaOH είναι:

VT = VHCl + VNaOH = 50 ml + 45 ml = 95 ml (4) H [CH3COOH ] στο διάλυμα των 95 ml είναι:

Στα 95 ml διαλύματος υπάρχουν 5 . 10-4 mol CH3COOH Στα 1000 ml διαλύματος υπάρχουν α3 = ; mol CH3COOH ⇒ α3 = [CH3COOH] = 0,0053 Μ (5) H [CH3COO-] στο διάλυμα των 95 ml είναι: Στα 95 ml διαλύματος υπάρχουν 4,5 . 10-3 mol CH3COO-

Στα 1000 ml διαλύματος υπάρχουν α4 = ; mol CH3COO- ⇒ α4 = [CH3COO-] = 0,0474 Μ (6) Eπομένως για τον υπολογισμό του pH του διαλύματος πρέπει να θεωρήσουμε ότι έχουμε ρυθμιστικό διάλυμα με συγκεντρώσεις [CH3COOH] = 0,0053 Μ και [CH3COO-] = 0,0474 Μ.

Page 4: Ογκομέτρηση Ασθενούς Οξέος με Ισχυρή Βάση - Εξουδετέρωση με Ογκομέτρηση - Χημεία Γ Λυκείου

KΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΟΞΕΑ – ΒΑΣΕΙΣ ΚΑΙ ΙΟΝΤΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ

Η αντίδραση που στην ουσία καθορίζει το pH του διαλύματος είναι ο ιοντισμός του CH3COOH:

CH3COOH + H2O CH3COO- + Η3Ο+ (7) Μπορούμε όμως να θεωρήσουμε ότι καθώς το CH3COOH είναι ασθενές οξύ ιοντίζεται σε μικρό βαθμό και οι συγκεντρώσεις στις σχέσεις (5) και (6) δεν επηρεάζονται σημαντικά. Επομένως από την σχέση για την σταθερά ισορροπίας ka για την αντίδραση (7) υπολογίζεται η [Η3Ο+] στο διάλυμα καθώς είναι ο μοναδικός άγνωστος: ka = [CH3COO-] . [Η3Ο+] / CH3COOH = 1,8 . 10-5 ⇒ [Η3Ο+] = ka . [CH3COOH] . / [CH3COO-] = 1,8 . 10-

5 . (0,0053/0,0474) = 2 . 10-6 M ⇒ pH = -log (2 . 10-6) = 5,7 Επομένως το pH του διαλύματος είναι 5,7.

Άσκηση – Παράδειγμα #2-38

Yπολογείστε το pH του διαλύματος στο ισοδύναμο σημείο κατά την τιτλοδότηση 50 ml CH3COOH 0,1 M με διάλυμα NaOH 0,1 M (δίνεται ka = 1,8 . 10-5). Λύση: Στο ισοδύναμο σημείο όλα τα mol του CH3COOH αντιδρούν με ίσo αριθμό mol του NaOH 0,1 M, με βάση την στοιχειομετρία της αντίδρασης εξουδετέρωσης, και παράγεται άλας CH3COOΝa και Η2Ο. Το CH3COO- που προέρχεται από τον ιοντισμό του άλατος ενεργεί σαν βάση και αντιδρά με το νερό παράγοντας OH- και έτσι καθορίζει το pH του διαλύματος. Πρέπει λοιπόν για να υπολογίσουμε το pH του διαλύματος: i) να υπολογίσουμε την [CH3COO-] που προκύπτει από την αντίδραση εξουδετέρωσης ii) να υπολογίσουμε τις συγκεντρώσεις των ουσιών στην χημική ισορροπία υδρόλυσης του CH3COO-. Στην συγκεκριμένη περίπτωση τα mol CH3COOH στο αρχικό διάλυμα είναι:

Στα 1000 ml διαλύματος CH3COOH υπάρχουν 0,1 mol «καθαρού» CH3COOH Στα 50 ml διαλύματος CH3COOH υπάρχουν α1 = ; «καθαρού» CH3COOH ⇒ α1 = 5 . 10-3 mol CH3COOH (1) Επομένως στο ισοδύναμο σημείο θα πρέπει να έχουν προστεθεί 5 . 10-3 mol ΝaOH 0,1 M αφού στοιχειομετρικά αντιδρούν 1:1 με το CH3COOH. Ο όγκος NaOH που απαιτείται σε ml είναι: VNaOH = 1000 ml . (5 . 10-3 mol / 0,1 mol) = 50 ml (2) O συνολικός όγκος του διαλύματος μετά την προσθήκη των 50 ml ΝaOH είναι:

Vτ = Vo + VNaOH = 50 ml + 50 ml = 100 ml (3) H αντίδραση εξουδετέρωσης μεταξύ CH3COOH και ΝaOH είναι:

CH3COOH + OH- ⎯ H2O→ CH3COO- + Η2Ο (4)

- 5 . 10-3 mol - 5 . 10-3 mol + 5 . 10-3 mol Μετά την αντίδραση εξουδετέρωσης (4) στο διάλυμα υπάρχουν μόνο 5 . 10-3 mol CH3COO- καθώς όλο το CH3COOH έχει αντιδράσει πλήρως με όλο το OH- . H [CH3COO-] στο διάλυμα είναι: Στα 100 ml διαλύματος υπάρχουν 5 . 10-3 mol CH3COO-

Στα 1000 ml διαλύματος υπάρχουν α2 = ; mol CH3COO-

316