Крива титрування та буферна ємність (з CobraSMARTsense)

Для цього експерименту застосовуються загальні інструкції щодо безпечного проведення експериментів під час викладання природничих наук.

Правила роботи з небезпечними речовинами наведено у відповідних паспортах безпеки!

Утилізація

Кислоти і основи необхідно нейтралізувати і розбавити, перш ніж їх можна буде змити в каналізацію.

Сильні кислоти () повністю перетворюються на воду та солі (), коли до них додають сильні основи (), при цьому внутрішньою реакцією, однак, є утворення недисоційованої води. Якщо перетворюються еквівалентні кількості, то отримані розчини є нейтральними .

На противагу цьому, еквівалентні кількості сильних кислот (основ) і слабких основ (кислот) реагують, утворюючи розчини, які не є нейтральними, а скоріше кислими (основними/лужними), оскільки утворені солі підлягають рівновазі гідролізу в реакції з водою.

У цьому разі точка еквівалентності, тобто точка, в якій кількість основи (кислоти) дорівнює кількості основи (кислоти), не є нейтральною точкою (), а скоріше зміщується ( ). Це відхилення від нейтральної точки є функцією ступеня гідролізу.

Для практичного застосування часто важливо точно визначити точку еквівалентності під час титрування кислотно-основних реакцій. Оскільки pH розчину різко змінюється в точці еквівалентності, його легко визначити за допомогою електрохімічних вимірювань pH. Криві титрування кислотно-основного титрування легко зрозуміти, а невідомі концентрації [тобто , , , , и ] описуються такими рівняннями:

1. Закон діючих мас:

2. Закон збереження заряду:

3. Закон збереження маси:

Приготуйте розчини, необхідні для експерименту, таким чином:

• 0,5 молярний розчин : Перенесіть піпеткою 125 мл 1 М розчину гідроксиду натрію в мірну колбу об'ємом 250 мл, а потім долийте до калібрувальної позначки дистильовану воду.
• 0,1 молярний розчин : Перенесіть піпеткою 25 мл 1 М розчину соляної кислоти в мірну колбу об'ємом 250 мл, а потім долийте до калібрувальної позначки дистильовану воду.
• 0,333 молярний розчин : Перенесіть піпеткою 22,73 мл 85 % ортофосфорної кислоти в мірну колбу об'ємом 1000 мл, а потім долийте до калібрувальної позначки дистильовану воду.
• 0,033 молярний розчин : Перенесіть піпеткою 25 мл 0,333 М розчину ортофосфорної кислоти в мірну колбу об'ємом 250 мл, а потім долийте до калібрувальної позначки дистильовану воду.

• 0,3 молярний розчин : Перенесіть піпеткою 75 мл 1 М розчину оцтової кислоти в мірну колбу об'ємом 250 мл і долийте до позначки дистильовану воду.
• 0,1 молярний розчин : Перенесіть піпеткою 25 мл 1 М розчину оцтової кислоти в мірну колбу об'ємом 250 мл і долийте до позначки дистильовану воду.
• 0,05 молярний розчин : Перенесіть піпеткою 50 мл 1 М розчину оцтової кислоти в мірну колбу об'ємом 1000 мл і долийте до позначки дистильовану воду.
• 1 молярний розчин : Зважте 82,04 г безводного ацетату натрію в мірну колбу об'ємом 1000 мл, додайте трохи дистильованої води для її розчинення, а потім долийте до калібрувальної позначки дистильовану воду.

• 0,1 молярний розчин : Перенесіть піпеткою 25 мл 1 М розчину ацетату натрію в мірну колбу об'ємом 250 мл і долийте до позначки дистильовану воду.
• 0,3 молярний розчин : Перенесіть піпеткою 75 мл 1 М розчину ацетату натрію в мірну колбу об'ємом 250 мл і долийте до позначки дистильовану воду.
• 0,05 молярний розчин : Перенесіть піпеткою 50 мл 1 М розчину ацетату натрію в мірну колбу об'ємом 1000 мл і долийте до позначки дистильовану воду.
• 0,1 молярний розчин : Зважте 3,75 г гліцину в 50 мл склянці та перенесіть цю кількість у мірну колбу об'ємом 500 мл (кілька разів промийте склянку дистильованою водою). За допомогою піпетки на 50 мл додайте 50 мл 1 М розчину соляної кислоти і долийте в колбу дистильовану воду до позначки.

Калібрування pH-електрода:

Для цього використовуйте буферні таблетки для двох значень pH, щоб виконати калібрування за двома точками.

Якщо електрод уже був нещодавно відкалібрований, нове калібрування не потрібне. Перейдіть у налаштування і виберіть "Датчик pH". Клацніть "Калібрування" і виконайте калібрування за двома точками, використовуючи два буферні розчини, наприклад, pH 4,0 і pH 10,0.

1. Титрування кислот

• Піпеткою помістіть 50 мл 0,1 молярного розчину соляної кислоти в мензурку об'ємом 150 мл, вставте стрижень магнітної мішалки і додайте приблизно 50 мл дистильованої води.
• Помістіть мензурку на магнітну мішалку.
• Занурте однострижневий pH-електрод у розчин і встановіть бюретку об'ємом 10 мл, наповнену 1 М розчину натрій гідроксиду, на опорний стрижень магнітної мішалки.
• Почніть вимірювання.
• Повільно крапля за краплею додавайте з бюретки розчин гідроксиду натрію так, щоб лічильник крапель Cobra SMARTSense (Cobra SMARTSense Dropcounter) міг реєструвати кожну краплю.
• Після того, як буде додано загалом 10 мл, зупиніть вимірювання.

• Збережіть експеримент за допомогою на верхній панелі.
• Таким самим чином титруйте 50 мл 0,1М розчину оцтової кислоти і 50 мл 0,333 М розчину ортофосфорної кислоти. Після кожного титрування ретельно промивайте вимірювальну посудину й одностержневий вимірювальний електрод дистильованою водою.
• Для визначення точки еквівалентності, а також значення , використовуйте функцію , яка знаходиться у верхній панелі під

2. Титрування амфотерного електроліту

Виконайте титрування, як описано вище, з такими налаштуваннями:

• Двічі внесіть піпеткою на 50 мл 100 мл розчину соляної кислоти/гліцину в мензурку об'ємом 250 мл, встановіть мішалку і помістіть мензурку на магнітну мішалку.
• Використовуйте бюретку на 25 мл для титрування 1 М розчину розчином гідроксиду натрію, як описано вище.

3. Буферна ємність

• Для визначення буферної ємності необхідно провести три серії вимірювань із сумішами, приготованими з розчинів оцтової кислоти та ацетату натрію різної концентрації.
• Спочатку приготуйте наступні 5 сумішей з 0,05 молярних розчинів оцтової кислоти та 0,05 молярного розчину ацетату натрію, наливаючи обидва розчини в окремі бюретки та переносячи їх кількість, вказану для кожної з 5 сумішей, в окрему промарковану склянку об'ємом 150 мл.

• Тепер приготуйте 5 сумішей складу, зазначеного в таблиці, з 0,1 молярних розчинів оцтової кислоти та ацетату натрію, і ще 5 - з 0,3 молярних розчинів. У кожному випадку спочатку кілька разів промийте бюретки відповідним розчином вищої концентрації, який буде в них налито.
• Почніть вимірювання.
• Помістіть першу колбу з буферною сумішшю, приготованою з 0,05 молярних розчинів, на магнітну мішалку, вставте очищений стрижень магнітної мішалки і занурте pH-електрод у розчин. При безперервному перемішуванні виміряйте і запишіть значення pH за допомогою
• Послідовно додайте 0,5 мл порції 0,5 молярного гідроксиду натрію до розчину в мензурці за допомогою мірної піпетки об'ємом 1 мл, визначте і запишіть значення pH за допомогою , відповідно
• Зупиніть вимірювання.

• Виконайте ту саму процедуру з рештою чотирьох розчинів із першої серії сумішей, а потім із двома іншими серіями сумішей, але з тією різницею, що для сумішей з 0,1 молярних розчинів треба додати 1 мл гідроксиду натрію, а для сумішей з 0,3 молярних розчинів - 2 мл гідроксиду натрію.

Рис. 2: Приклад кривої титрування 0,1 М соляної кислоти 1 М розчином гідроксиду натрію.

З кривих титрування сильних кислот і основ видно, що точка еквівалентності і нейтральна точка збігаються (рис. 2).

Криві титрування слабких кислот сильними основами починаються за вищих значень pH і мають більш плавний перебіг (рис. 3). У таких системах точки еквівалентності та нейтральні точки не збігаються. Константу дисоціації оцтової кислоти можна визначити за допомогою рівняння Гендерсона-Хассельбаха:

де концентрація аніонів

концентрація кислоти

Коли половина кислоти буде нейтралізована, і, таким чином, . Значення можна безпосередньо визначити з кривої титрування таким чином (для оцтової кислоти: .

Приймаючи антилогарифм, отримуємо значення для оцтової кислоти: .

Для багатоосновної фосфорної кислоти виходить низка еквівалентних точок відповідно до таких етапів дисоціації:

Амфоліти:

Приготований розчин соляна кислота/гліцин містить гліцин і соляну кислоту у співвідношенні 1:1.
Аміногрупа гліцину перетворюється кислотою в протоновану форму:

При додаванні гідроксиду натрію pH розчину постійно збільшується, а концентрація катіонів постійно зменшується.

У першій точці еквівалентності при титруванні додавання еквімолярної кількості основи кількісно відщеплює протони від карбоксильної групи. Гліцин тепер присутній у вигляді (зовні нейтрального) цвіттеріону, тобто амфотерного іона.

Значення pH у цій точці називається ізоелектричною точкою , оскільки кількість катіонів амінокислот тут дорівнює кількості аніонів амінокислот.

При подальшому титруванні, коли значення pH продовжує збільшуватися, концентрація цвіттер-іона зменшується, а концентрація аніонів амінокислот збільшується, доки в другій точці еквівалентності в розчині не будуть присутні тільки аніони амінокислот.

Катіон гліцину в принципі є двоосновною кислотою, і крива титрування показує дві точки перегину (точки еквівалентності).

Буферна ємність:
Буферна ємність була введена як міра ефективності буферних розчинів у підтримці постійних значень рН

У цьому контексті, та являють собою концентрації доданих кислоти і основи, які змінюють співвідношення концентрацій кислоти і солі слабкого електроліту, не впливаючи значною мірою на pH розчину.

Для слабких електролітів справедливе рівняння Гендерсона-Хассельбаха:

Це рівняння показує, що pH буферного розчину є функцією константи дисоціації і відношення кислоти до солі, а також від слабкого ефекту, який викликається коефіцієнтом активності.

У першому наближенні, концентрація солі відповідає концентрації аніонів кислоти. Подальше додавання основи BOH призведе до наступного значення pH:

Диференціація дає таке:

та

Чим більша сумарна концентрація слабких електролітів, тим більша буферна ємність. Повторне диференціювання показує, що досягає свого максимуму, коли .

Крива буферної ємності буферних розчинів відповідає

де

концентрація доданої кількості гідроксиду натрію в буферному розчині, а - різниця значень до і після додавання розчину гідроксиду натрію.