På samma sätt ges ph för en lösning av en svag bas och dess salt av:

Transkript

1 Kemiska beräkningar HT Laboration 2 Syrabastitrering Syftet med den här laborationen är att ge laboranten insikt i användandet av phmeter vid ph-titreringar, samt förstå hur titrerkurvor för starka, svaga respektive flerprotoniga system ser ut. Introduktion Om man studerar hur ph förändras i en vattenlösning då t.ex. en syra titreras med en bas får man information om hur neutralisationen fortlöper. En sådan ph-titrering är en enkel och direkt metod att bestämma dissociationskonstanten hos syror, K a, och baser, K b. På samma sätt kan man bestämma de olika dissociationskonstanterna för en flerprotonig syra. Syra- och baskonstanterna ges av jämviktsekvationerna för protolyssystemet. Om man studerar det hypotetiska systemet: + HA H + A [1] så kan det beskrivas av jämviktsekvationen: K a + [ H ][ A ] = [2] [ HA] Förhållandet skrivs ofta i logaritmisk form, där ph är -log[h + ] och pk a är -log K a. ph för en lösning av en svag syra och dess salt kan då skrivas: ph { HA} [ HA] { } [ ] pk a log pk a log [3] A A = På samma sätt ges ph för en lösning av en svag bas och dess salt av: { A } [ A ] ph = pk { } b log pk b log [4] HA [ HA] Ur ekvation 3 ser man att i den punkt på titrerkurvan där koncentrationerna av syran, [HA] och dess salt [A - ] är lika stora, så är ph = pk a eftersom log (1)=0. Koncentrationen av substansen som titreras är lika med koncentrationen av dess salt vid v=v e /2, och den punkten kallas ibland halvtitrerpunkten. När man tar upp en titerkurva mäter man ph efter varje tillsats av stark syra eller bas till protolytlösningen och plottar sedan ph som funktion av volym tillsatt syra eller bas. Titerkurvans utseende speglar lösningens innehåll av svaga protolyter. Ett snabbt sätt att uppskatta en syras pk a är att ta upp kurvan av hur ph förändras vid tillsatser av bas fram till dess att syran neutraliserats. Läs av ph vid halvtiterpunkten ur titrerkurvan och man får ett ungefärligt värde på pk a. I den här laborationen ska du ta upp titrerkurvor för ett antal syror och baser samt för Lab 2 - SyraBas.doc 1 (7)

2 några flerprotoniga syror med hjälp av en ph-meter och kombinationselektrod. Ur titrerdata ska du bestämma protolytsystemens pk a. De ungefärliga pk a -värdena fastställer du ur halvtitrerpunkterna, d.v.s. ph vid v tillsatt =v ekv /2. En mer noggrann bestämning av pk a ska göras med hjälp av ekvation 3: plotta ph som funktion av log([ha]/[a - ]) för titrerpunkterna innan och mellan områdena runt ekvivalenspunkterna, d.v.s. den del av titrerkurvan där ph ändrar sig långsamt. pk a kan man då enkelt läsa ut ur diagrammet som ph där linjen korsar x=0, se nedan y = -1,0047x + 4, ,00-0,50 0,00 0,50 1,00 log([ha]/[a - ]) Om man tittar på ekvation 3, som beskriver den räta linjen i diagrammet ovan, så ser man att x=0 då log([ha]/[a - ]) = 0 vilket innebär att [HA]/[A - ] = 1. Det överensstämmer med haltförhållandet syra/bas vid halvtitrerpunkten, som det beskrevs ovan. Utförande Koppla ihop och kalibrera ph-metern med kalibreringsbuffertarna. Instrumentet ska idag endast kalibrera vid två punkter, ph=7 och ph=4. Du kommer att göra ett antal titreringar under laborationens gång. I uppgiften ingår att ta upp titrerkurvorna för ett antal en- respektive flerprotoniga syror och en enprotonig svag bas. Ur titrerkurvorna ska pk a för respektive syras olika protolyssteg bestämmas. Enprotoniga protolyssystem Gör följande titreringar: 40 ml 0,1 M saltsyra titreras med 0,1 M natriumhydroxid, ett exempel på titrering av stark syra med stark bas. 40 ml 0,1 M ättiksyra titreras med 0,1 M natriumhydroxid, ett exempel på titrering av svag syra med stark bas. Lab 2 - SyraBas.doc 2 (7)

3 40 ml 0,1 M ammoniak titreras med 0,1 M saltsyra, ett exempel på titrering av en svag bas med en stark syra. Notera att i det senare fallet titrerar man från andra hållet, d.v.s. från basiskt till surt. Pipettera med vollpipett 40,0 ml av respektive provlösning till en 250 ml e-kolv. Ställ kolven på magnetomröraren och starta titreringen. Gör en tabell där du skriver upp ph som funktion av tillsatt volym titrator. Gör inledningsvis tillsatserna av titrator i portioner om 1-2 ml, för att minska dem till 0,5 ml resp 0,1 ml allt eftersom ni närmar er ekvivalenspunkten. Öka tillsatsstorleken på motsvarande sätt då ni avlägsnar er från ekvivalenspunkten. Avbryt titreringen efter det att ni nått till ungefär ph 12-12,5 i titrering 1 och 2, respektive vid ph 1-2 i titrering 3. Notera omgivnings-temperaturen då experimentet genomfördes. Flerprotoniga protolyssystem Notera på samma sätt ph-förändringarna då man titrerar flerprotoniga syror: 40 ml 0,033 M fosforsyra titreras med 0,100 M natriumhydroxid i portioner om 0,5 ml. 40 ml 0,050 M svavelsyra titreras med 0,100 M natriumhydroxid. I det första fallet kommer man att observera tre ekvivalenspunkter. Hur reagerar svavelsyra och varför? Jämför de erhållna titrerkurvorna. På vilket sätt och varför skiljer sig dessa kurvor åt? Behandling av resultat Avsätt i diagram för var och en av titreringarna ph mot volymen tillsatt titrator, och markera ph vid ekvivalenspunkten. Kommentera! Bestäm pk a genom att för ett tilldelat system plotta ph som funktion av log([ha]/[a - ]) för titrervärdena fram till en punkt innan ekvivalenspunkten. pk a erhålls ur räta linjen för punkterna enligt ekvationen pk a = ph + log([ha]/[a - ]). Redovisa reaktionsformlerna för dissociationsjämvikterna för de olika protolytsystemen. Jämför slutligen de erhållna pk a -värdena med referensvärden i Lange, CRC Handbook eller annat lämpligt tabellverk. Litteratur S Zumdahl, Chemical Principles (3rd ed), kapitel 7-8 S Zumdahl, Chemical Principles (4th ed), kapitel Börtin-Stomberg, Stökiometri och jämviktslära, kapitel 13 Skoog, West, Holler; Fundamentals of Analytical Chemistry, 6th ed; Saunders College Publishing Lab 2 - SyraBas.doc 3 (7)

4 Protokoll Syrabastitrering Råvärden, enprotoniga protolyssystem 40 ml 0,1 M saltsyra 0,1 M NaOH 40 ml 0,1 M ättiksyra 0,1 M NaOH 40 ml 0,1 M ammoniak 0,1 M HCl ph V NaOH ph V NaOH ph V HCl Lab 2 - SyraBas.doc 4 (7)

5 Råvärden, flerprotoniga protolyssystem 40 ml 0,033 M forforsyra 0,100 M NaOH 40 ml 0,050 M svavelsyra 0,100 M NaOH ph V NaOH ph V NaOH Lab 2 - SyraBas.doc 5 (7)

6 Behandling av resultat 1. Avsätt ph mot volymen tillsatt titrator för de fem titreringarna ovan i varsitt diagram. Markera ph vid ekvivalenspunkten. Bestäm pk a för respektive syras olika protolyssteg. Diagrammen kan göras i Excel eller på mm-papper. Glöm ej att kommentera. 2. Redovisa reaktionsformlerna för dissociationsjämvikterna för de olika protolyssystemen. 3. Bestämning av pk a värde för ättiksyra. Fyll i tabellen enligt: Antal mol tillsatt OH - fås genom c NaOH x V NaOH ph ger [H + ] enligt [H + ] = 10 -ph Antal mol H + kan nu räknas ut: c H+ x V tot Nu kan man räkna ut hur många mol A - som finns i lösningen blir: n (A - ) = n (NaOH) + n (H + ) Koncentrationen A - kan nu beräknas: c (A - ) = n (A - ) / V tot Antal mol HA i lösningen kan nu beräknas: n (HA) = n (HA, start) n (NaOH) n (H + ) Räkna nu ut koncentrationen som för A -. Varför räknar man så? För varje tillsats av NaOH gäller: HA + OH - H 2 O + A - Dvs det bildas lika många mol A - som man tillsatt mol NaOH. Därefter ställer jämvikt in sig för: Reaktion HA H + + A - Start från reakt. med OH - från reakt. med OH - Jämvikt från ph pk a erhålls nu från räta linjens ekvation: pk a = ph + log ([HA]/[A - ]), se instruktioner i laborationshandledningen. I tabellverk hittar man referensvärden för pk a -värdena. Jämför resultaten från laborationen med dessa värden. Lab 2 - SyraBas.doc 6 (7)

7 V(NaOH) V(tot) n(naoh) ph [H + ] n(h + ) n(a - ) [A - ] n(ha) [HA] [HA]/[A - ] log[ha]/[a - ] liter liter mol M mol mol M mol M Lab 2 - SyraBas.doc 7 (7)