Опыт №5. Определение рН раствора гидроксида натрия на рН-метре
Из 5 мл 0,05М раствора гидроксида натрия и 45 мл дистилированной воды получено 50 мл 0,005М раствора гидроксида натрия. Измеренное в данном растворе при помощи рН-метра значение рН составляет 11,7
f = 0,9
аOH- = 0,005 * 0,9 = 0,0045
pOH = - lg 0,0045 = 2,35
pH = 11,6
h = (0,01/11,6) * 100% = 0,086%
Опыт 6. Колориметрический буферный метод определения рН.
а) Ориентировочное определение рН исследуемой жидкости по универсальному индикатору. Выбор буферной системы и индикаторов.
В чистую фарфоровую чешку наливают небольшое количество исследуемого раствора и с помощью универсальной индикаторной бумажки, пользуясь цветной шкалой, определяют приблизительное значение рН. Затем, пользуясь таблицей 1, выбирают индикатор и буферную смесь для приготовления растворов–эталонов и после этого занимают соответствующее рабочее место. Индикатор выбирают так, чтобы в зону перемены окраски его попадала ориентировочно найденная величина рН раствора.
Таблица 1. Значения рН буферных смесей – эталонов
| Индикатор (зона перехода) | Название буферных систем | Объем, мл | рН | |
| соли | кислоты | |||
| Тимоловый синий (1,1–2,8) | Цитратная (лимонная) | 1,0 2,5 | 4,0 2,5 | 2,3 2,9 |
| Метилоранж (3,0–4,4) | 3,5 4,0 4,5 | 1,5 1,0 0,5 | 3,3 3,5 3,9 | |
| Метиловый красный (4,2–6,3) | Ацетатная | 1,0 2,5 3,5 4,0 4,5 | 4,0 2,5 1,5 1,0 0,5 | 4,1 4,7 5,1 5,3 5,7 |
| Бромтимоловый синий (6,0–7,6) или нейтральрот (6,5 – 8,0) | Фосфатная | 1,0 2,5 3,5 4,0 4,5 | 4,0 2,5 1,5 1,0 0,5 | 6,2 6,8 7,2 7,4 7,7 |
б) Приготовление эталонов и определение рН исследуемой жидкости.
В чистых пронумерованных пробирках из бесцветного стекла и одинакового диаметра, пользуясь таблицей 1, готовят пять соответствующих буферных растворов-эталонов, затем в каждую из пробирок добавляют по 3 капли выбранного индикатора и растворы-эталоны перемешивают. В отдельную пробирку отмеривают пипеткой 5 мл исследуемого раствора, добавляют 3 капли того же индикатора и после перемешивания сравнивают окраску с окраской растворов–эталонов.
Примечание. При работе с цитратным буфером исследуемый раствор отмеривают в две пробирки и добавляют в них различные индикаторы (см. табл. 1), чтобы затем сравнивать окраску в каждой из них с соответствующими эталонами. При сравнивании окраски растворов следует пробирки поставить на белый лист бумаги и смотреть на растворы сверху. Значение рН исследуемой жидкости равно значению рН раствора–эталона, если их окраска совпадает.
Работу оформите в виде таблицы 2.
Таблица 2
| Ориентировочная величина рН по универсальному индикатору | Выбранный индикатор (указать зону перехода) | Буферные растворы – эталоны | Точная величина рН | |||
| Название и формулы компонентов | Состав (мл) | |||||
| соль | кис-лота | рН | ||||
Опыт 7. Определение рН раствора при помощи фотоколориметра КФК- 2МП.
а) Подготовка фотоколориметра КФК–2МП к работе в циклическом режиме.
Общий вид прибора:
| 7 6 4 1 – колориметр 2 – микропроцессорная система 3 – фотоприемник 4 – ручка смены кювет 5 – крышка кюветного отделения 6 – светофильтры 7 – сигнальная лампочка 8 – сеть 9 – пуск |
1. Присоедините прибор к сети, откройте крышку кюветного отделения (5) и на задней панели прибора слева включите тумблер «сеть» (8), при этом должна загореться сигнальная лампа (7) (на цифровом табло могут появиться различные символы).
2. Нажмите клавишу «пуск» - на цифровом табло появляется мигающая запятая и горит индикатор «р». Если запятая не появилась, повторно нажмите клавишу «пуск».
3. Выдержите колориметр во включенном состоянии в течение 15 мин. при открытой крышке кюветного отделения.
4. Ручкой (6) установите светофильтр 440 нм, а ручкой (3) — фотоприемник 315–540. Выдержите прибор с закрытой крышкой 5 мин. Если положение ручек (3) и (б) уже было установлено, как указано, операции п.4 можно опустить.
5. Измерение и учет темнового тока «n0». Крышку кюветного отделения закройте и через несколько секунд откройте опять. Через 5 с. нажмите клавишу «Ш (0)». На цифровом табло справа от мигающей запятой высвечивается значение n0, а слева – символ «0». Значение n0 необходимо для внутренней калибровки прибора, для расчетов вам оно не потребуется. Однако, если оно выходит за пределы промежутка от 0.001 до 1.000, следует пригласить преподавателя. После выполнения пунктов 1–5 прибор готов к работе. Крышку кюветного отделения следует оставить открытой.
б) Выбор индикатора и подготовка растворов для фотоэлектроколориметрирования.
1. В чистый фарфоровый тигелек пипеткой (на 10 мл) отмеряют 1 мл исследуемого раствора, добавляют 1 капли раствора универсального индикатора и, сравнивая получившуюся окраску раствора с цветной шкалой для универсального индикатора (приколота к полке), находят примерную величину рН раствора с точностью до 0.5 и записывают в протокол (таблицу).
2. Выбирают один из одноцветных индикаторов ряда нитрофенола (см. таблицу 3). Индикатор выбирают так, чтобы ориентировочно найденная по универсальному индикатору величина рН оказалась в пределах (примерно в средней части) зоны перехода окраски индикатора.
Таблица 3
| № п/п | Индикатор | Точка перехода окраски индикатора рК | Зона перехода окраски индикатора |
| I. | a-динитрофенол | 4,05 | 2,8–4,5 |
| 2. | γ-динитрофенол | 5,15 | 4,0–5,5 |
| 3. | п-нитрофенол | 6,18 | 5,2–7,0 |
| 4. | т-нитрофенол | 8,31 | 6,7–8,4 |
3. В пробирку № 1 с помощью бюретки отмерьте 6 мл раствора карбоната натрия, а в пробирку № 2 — 6 мл исследуемого раствора (пипеткой). В обе пробирки добавляют пипеткой (на 1 мл) точно по 1 мл раствора выбранного индикатора. Содержимое пробирок хорошо перемешивают стеклянными палочками.
4. Одну из кювет прибора (с меткой "В" на дне кюветы) заполните растворителем (дист. водой), другую (с меткой "И") — щелочным раствором выбранного индикатора (проба № 1), а третью (с меткой "З") — исследуемым раствором (проба № 2),предварительно сполоснув эти кюветы небольшим объемом соответствующих растворов.
Примечание: Жидкости в кюветы наливают до метки по нижнему мениску. Рабочие поверхности кювет тщательно протирают сухой чистой марлей. При работе с кюветами нельзя касаться рабочих поверхностей кювет.
б) Измерение оптической плотности растворов в циклическом режиме (с периодом 5 с).
В дальнее гнездо кюветного отделения установите кювету с растворителем (дист. водой), а в ближнее — кювету со щелочным раствором выбранного индикатора (толщина поглощающего слоя кювет 1 см).
Закройте крышку кюветного отделения. Ручку (4) установите в положение "1" (в световой пучок вводится кювета с растворителем).
Нажмите клавишу "Пуск" и "Ц/Р". Вы выбрали циклический режим работы, о чем свидетельствует загорание индикатора "Ц" справа от табло. Прибор готов к выполнению измерений в цикле с интервалом в 5 с.
Нажмите клавишу "К(1)". На цифровом табло слева от мигающей запятой высвечивается символ "1". Это означает, что прибор измерил оптическую плотность раствора сравнения (дистиллированная вода).
Поверните ручку (4) из положения "1" в положение "2" (в световой пучок введена кювета с раствором индикатора).
Нажмите клавишу "Д(5)". На цифровом табло слева от мигающей запятой появляется символ "5", а справа — с интервалом 5 с. высвечивается значение измеренной величины оптической плотности раствора индикатора Динд.. Данные измерений заносят в таблицу 4.
Откройте крышку кюветного отделения. Вместо кюветы с раствором индикатора поставьте кювету с исследуемым раствором (из пробирки № 2) и произведите замеры оптической плотности Диссл., повторив операции по пунктам раздела б). Пригласите преподавателя для проверки результатов работы .
Окончание работы.
1. Отключить тумблер "сеть" на задней панели прибора, выключить прибор из сети.
2. Вымыть кюветы дистиллированной водой и протереть марлей досуха (снаружи) рабочие поверхности кювет.
3. Вымыть пробирки, тигелек и пипетки. Рабочее.место привести в порядок.
Оформление отчета по работе:
1. По формуле α = рассчитать степень диссоциации индикатора в исследуемом растворе
2. По уравнению рН = рК + lg рассчитайте рН исследуемого раствора, где рК — точка перехода окраски индикатора (см. табл. 3).
1. Данные занесите в таблицу 4:
Таблица 4
| 1. | Ориентировочное значение рН раствора | |
| Выбранный индикатор (название, зона перезода окраски, рК) | ||
| 3. | Оптическая плотность раствора индикатора Динд | 1. 2. 3. 4. 5. ──── ср.= |
| 4. | Оптическая плотность исследуемого раствора Диссл | 1. 2. 3. 4. 5. ──── ср.= |
| 5. | Степень диссоциации индикатора в растворе α | |
| 6. | рН исследуемого раствора |
Контрольные вопросы и задачи
1. рН Исследуемого раствора, определенного по шкале универсального индикатора, находится в пределах 4—5. Какой индикатор и какую буферную смесь для приготовления растворов — эталонов будете использовать для определения точного значения рН раствора? (см. табл.3).
2. рН Исследуемого раствора, определенного по шкале универсального индикатора, равен 3. Для точного определения рН раствора выбрали индикатор тимоловый синий и цитратную буферную смесь для приготовления растворов—эталонов. Почему окраска раствора не совпала с окраской растворов—эталонов?
3. Почему в качестве стандартных растворов с известным рН удобно брать буферные смеси?
4. рН раствора равен 8.41. Чему равна концентрация ионов водорода?
5. Константа диссоциации слабого однокислотного основания МОН равна Косн = 1 ∙ 10-6. Вычислите концентрацию гидроксид-ионов в растворе этого основания, концентрация которого С = 0.01 моль/л.
6. Смешивают равные объемы растворов серной кислоты с концентрацией С(H2SO4) = 0.2 моль/л и КОН с концентрацией С(КОН) = 0.6 моль/л. Вычислите рН полученного раствора.
7. В растворе слабой одноосновной кислоты с молярной концентрацией С = 10-2 моль/л концентрация ионов водорода составляет 1∙10-3 моль/л. Определите константу диссоциации кислоты.
8. Рассчитать соотношение кислоты и соли в буферной смеси, если готовится раствор объемом 5 мл и его рН = 5
(рКдис. к-ты = 4.73, молярная концентрация эквивалента кислоты и соли 0.2 моль/л).
9. Концентрация гидроксид-ионов в растворе составляет
6∙10-4 моль/л. Определить, будет ли активен в этом растворе пепсин, если зона его активности рН = 1.5–2.5.
10. рН мочи в норме колеблется от 6 до 7. Определить интервал концентраций гидроксид-ионов в этих областях рН.
Лабораторная работа 4
Растворы. Растворимость. Концентрация растворов. Приготовление растворов заданного состава
Теоретическая часть
Растворы играют важную роль в живой и неживой природе, а также в науке и технике.
Большинство физиологических процессов в организмах человека, животных и в растениях, различных промышленных процессов, биохимических процессов в почвах и т.п. протекают в растворах.
Раствор – это гомогенная многокомпонентная система, в которой одно вещество распределено в среде другого или других веществ.
Растворы могут быть в газообразном (воздух), жидком и твердом (сплавы, цветные стекла) агрегатных состояниях. Чаще всего приходится работать с жидкими растворами.
Содержание данного вещества в единице массы или объема раствора называется концентрацией раствора. На практике наиболее часто пользуются следующими способами выражения концентрации:
1. Массовая доля – отношение массы данного компонента в растворе к общей массе этого раствора. Массовая доля может быть выражена в долях единицы, процентах (%), промилле (тысячная часть %) и в миллионных долях (млнˉ1). Массовая доля данного компонента, выраженная в процентах, показывает, сколько граммов данного компонента cодержится в 100 г раствора.
2. Массовая концентрация –отношение массы компонента, содержащегося в растворе, к объему этого раствора. Единицы измерения массовой концентрации ‑ кг/м3, г/л.
3. Титр Т– число граммов растворенного вещества в 1 мл раствора. Единицы измерения титра – г/мл, кг/см3.
4. Молярная концентрацияс – отношение количества вещества (в молях), содержащегося в растворе, к объему раствора. Единицы измерения - моль/м3, (моль /л). Раствор, имеющий концентрацию 1 моль/л, обозначают 1 М; 0,5 моль/л, обозначают 0,5 М.
5. Молярная концентрация эквивалентовсэк (нормальная концентрация) –это отношение количества вещества эквивалентов (моль) к объему раствора (л). Единица измерения нормальной концентрации моль/л. Например, сэк(KOH) = 1 моль/л, сэк(1/2H2SO4) = 1 моль/л, сэк(1/3 AlCl3) = 1 моль/л. Раствор в 1 л которого содержится 1 моль вещества эквивалентов, называют нормальным и обозначают 1 н.
6. Моляльностьb - это отношение количества растворенного вещества (в молях) к массе m растворителя. Единица измерения моляльности - моль/кг. Например, b(HCl/H2O) = 2 моль/кг.
7. Молярная доля – отношение числа молей растворенного вещества к общему числу молей вещества и растворителя. Молярная доля может быть выражена в долях единицы, процентах (%),промилле (тысячная часть %) и в миллионных долях (млн-1).
Для приготовления растворов определенной концентрации, для точного измерения объемов применяют мерную посуду: мерные колбы, пипетки и бюретки.
Мерные колбы – тонкостенные плоскодонные сосуды с длинным узким горлом, на котором нанесена метка в виде кольцевой черты. На каждой колбе обозначены ее емкость и температура, при которой эта емкость измерена. Колба должна плотно закрываться пробкой (рис.1).
Пипетки используют для отбора определенного объема пробы жидкости.
Пипетки Мора представляют собой стеклянные трубки с расширением посередине. Нижний конец оттянут в капилляр, на верхнем конце нанесена метка, до которой следует набирать измеряемую жидкость. На пипетке указана объемность. Широко применяют также градуированные пипетки различной емкости, на наружной стенке которых нанесены деления. Для наполнения пипетки нижний конец ее опускают в жидкость и втягивают последнюю при помощи груши или специального приспособления. Жидкость набирают так, чтобы она поднялась на 2-3 см выше метки, затем быстро закрывают верхнее отверстие указательным пальцем правой руки, придерживая в то же время пипетку большим и средним пальцами. Затем ослабляют нажим указательного пальца, в результате чего жидкость будет медленно вытекать из пипетки. В тот момент, когда нижний мениск (уровень) жидкости окажется на одном уровне с меткой, палец снова прижимают. Введя пипетку в сосуд, отнимают указательный палец и дают жидкости стечь по стенке сосуда. После того, как жидкость вытечет, пипетку держат еще 5секунд прислоненной к стенке сосуда, слегка поворачивая вокруг оси.
Бюретки применяют при титровании, для измерения точных объемов и т.д.
Рис. 1 Мерная посуда
а - мерная колба; б – пипетки; в – бюретка.
Объемные бюретки – это стеклянные трубки с несколько оттянутым нижним концом или снабженным краном. На наружной стенке по всей длине бюретки нанесены деления в 0,1 мл. К оттянутому концу бескрановой пипетки с помощью резиновой трубки закладывают стеклянную бусинку. Бюретку заполняют жидкостью через воронку. Затем открывают кран и зажим, чтобы заполнить раствором часть бюретки, расположенной ниже крана или зажима до нижнего конца капилляра. Бюретку заполняют так, чтобы вначале уровень жидкости был несколько выше нулевого деления шкалы. Затем, осторожно приоткрывая кран, устанавливают уровень жидкости на нулевое деление. Каждое титрование следует начинать только после заполнения бюретки до нуля.
Для менее точного измерения объемов жидкости используют мерные цилиндры и мензурки (рис.2)
Рис. 2 Мерные цилиндры и мензурка
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
ОПЫТ 1.ПРИГОТОВЛЕНИЕ РАСТВОРА ХЛОРИДА НАТРИЯ С ЗАДАННОЙ МАССОВОЙ ДОЛЕЙ СОЛИ (%) РАЗБАВЛЕНИЕМ КОНЦЕНТРИРОВАННОГО РАСТВОРА.
Как известно, плотность - это масса вещества в единице объема, ρ = m/v. Зная плотность, можно по таблице определить массовую долю (%) раствора.
Определить плотность раствора можно многими способами. Из них наиболее простой и быстрый – с помощью ареометра (рис.3).
Его применение основано на том, что плавающее тело погружается в жидкость до тех пор, пока масса вытесненной им жидкости не станет, равна массе самого тела (закон Архимеда). В расширенной нижней части ареометра помещен груз, на узкой верхней части – шейке - нанесены деления, указывающие плотность жидкости, в которой плавает ареометр. Концентрацию исследуемого раствора находят, пользуясь табличными данными о плотности в зависимости от концентрации раствора. Плотность водных растворов хлорида натрия приведена в табл.1.
Рис. 3 Ареометр и отсчет по его шкале
Выполнение опыта.В мерный цилиндр наливают раствор хлорида натрия и ареометром определяют его плотность. По таблице 1 находят концентрацию исходного раствора [ в % ( масс) ].
Таблица 1.
Плотность и процентное содержание растворов хлорида натрия.
| Концентрация, % | Плотность*10-3, кг/м3, при температуре | Концентра-ция, % | Плотность*10-3, кг/м3, при температуре | ||
| 100С | 200С | 100С | 200С | ||
| 1,0071 | 1,0053 | 1,1049 | 1,1008 | ||
| 1,0144 | 1,0125 | 1,1127 | 1,1065 | ||
| 1,0218 | 1,0196 | 1,1206 | 1,1162 | ||
| 1,0292 | 1,0268 | 1,1285 | 1,1241 | ||
| 1,0366 | 1,0340 | 1,1364 | 1,1319 | ||
| 1,0441 | 1,0413 | 1,1445 | 1,1398 | ||
| 1,0516 | 1,0486 | 1,1525 | 1,1478 | ||
| 1,0591 | 1,0559 | 1,1607 | 1,1559 | ||
| 1,0666 | 1,0633 | 1,1689 | 1,1639 | ||
| 1,0742 | 1,0707 | 1,1772 | 1,1722 | ||
| 1,0819 | 1,0782 | 1,1856 | 1,1804 | ||
| 1,0895 | 1,0857 | 1,1940 | 1,1888 | ||
| 1,0972 | 1,0933 | 1,2025 | 1,1972 |
Рассчитывают, сколько миллилитров исходного раствора и воды следует взять для приготовления 250 мл 5% раствора. Воду отмерить цилиндром и вылить в мерную колбу объемом 250мл. Исходный раствор поваренной соли отмеряют цилиндром на 100 мл и вливают в колбу с водой. Раствор в колбе перемешивают. Цилиндр ополаскивают небольшим объемом раствора из колбы, который затем присоединяют к общей массе раствора в колбе. Проверить плотность и концентрацию полученного раствора. Рассчитать относительную ошибку δотн
δотн = %,
где С – заданная концентрация,
С1- полученная концентрация.
Сделайте расчет молярной концентрации молярной концентрации эквивалентов и титра, приготовленного раствора. Результаты запишите в таблицу 2.
Таблица 2.
Опытные данные
| Заданная массовая доля, (%) | Плотность,ρ, кг/м3 | Рассчитанные массы компонентов, г | Плотность экспериментальная, ρ, кг/м3 | Экспериментальные концентрации | δотн | |||||
| NaCl | H2O | |||||||||
| с, % | с, М | сэк, н | T, г/мл | |||||||
ПРИМЕР 1.Приготовить 0,5 л 20% раствора H2SO4, исходя из концентрированного раствора, плотность которого 1,84 г/см3.
По таблице находим, что плотности 1,84 г/см3 соответствует кислота с содержанием 96% H2SO4, а 20% раствору соответствует кислота с плотностью 1,14 г/см3.
Вычислим количества исходной кислоты и воды, требующиеся для получения заданного объема раствора.
Масса его составляет 500 1,14 = 570 г, а содержание в нем H2SO4 равно
г.
Вычислим, в каком объеме исходной 96% кислоты содержится 114 г H2SO4:
1 мл исходной кислоты содержит г H2SO4
х мл исходной кислоты содержит 114 г H2SO4
мл
Таким образом, для приготовления 500мл 20% раствора H2SO4 необходимо взять 64,6 мл 96% раствора.
Количество воды определяется как разность весов полученного исходного раствора, а именно мл
ОПЫТ 2. ПРИГОТОВЛЕНИЕ РАСТВОРА ЗАДАННОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ СМЕШИВАНИЕМ РАСТВОРОВ БОЛЕЕ ВЫСОКОЙ И БОЛЕЕ НИЗКОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ.
Раствор можно готовить, непосредственно вводя рассчитанное количество вещества в растворитель, или путем разбавления более концентрированных растворов до требуемого значения концентрации.
ПРИМЕР 2. Приготовить 100г 36% раствора H3PO4, смешав 44% и 24% растворы этой кислоты.
I СПОСОБ РАСЧЕТА:
Обозначим через х количество граммов 44% раствора, которое следует добавить к (100-х) граммам 24% раствора для получения 100г 36% раствора H3PO4. Составим уравнение:
откуда
Следовательно, необходимо взять 60г 44% раствора и 100 - х = 40г 24% раствора.
II СПОСОБ РАСЧЕТА:
Он называется "правилом креста". Если в левый угол воображаемого прямоугольника поместить более высокую концентрацию – 44, а в нижний левый – меньшую концентрацию –24, а в центре - концентрацию получаемого смешанного раствора – 36 и затем вычесть по диагонали из большего числа меньшее, то отношение разностей 12 : 8 = 3 : 2 покажет в каком весовом соотношении следует смешать исходные растворы для получения раствора заданной концентрации.
Так, для получения 100г 36% раствора достаточно смешать 60г 44% раствора и 40 г 24% раствора.
Определив по таблице плотности исходных растворов – 1,285 г/см3 (для 24% раствора) находим, что объемы их соответственно составляют:
мл 44% раствора H3PO4
мл 24% раствора H3PO4
В общей форме "правило креста" имеет вид:
где а и в соответственно большая и меньшая исходные концентрации;
с - концентрация смешанного раствора;
- показывает, в каком массовом соотношении следует смешать исходные растворы.
Выполнение опыта.Приготовить 250 мл 10 % раствора хлорида натрия, имея в своем распоряжении 15 % и 5 % раствор NaCl.
Учитывая плотности приготовляемого и исходных растворов рассчитать объемы 15 % и 5 % раствора (см. пример 2). Отмерить вычисленные объемы исходных растворов, слить в колбу на 250 мл, закрыть колбу пробкой и тщательно перемешать раствор, перевернув колбу несколько раз вверх дном. Отлить часть раствора в цилиндр, измерить ареометром плотность приготовленного раствора и по табл.1 найти его концентрацию (в %). Установить расхождение практически полученной концентрации с заданной. Рассчитать относительную ошибку δотн.
ОПЫТ 3. ПРИГОТОВЛЕНИЕ ВОДНОГО РАСТВОРА ХЛОРИДА НАТРИЯ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАССОВОЙ ДОЛИ И РАСЧЕТ НАВЕСКИ.
Получить навеску соли хлорида натрия у преподавателя. При помощи воронки перенести данную навеску в мерную колбу емкостью 250 мл. Промывалкой обмыть внутреннюю часть воронки небольшим количеством воды. Растворить соль в воде. Затем, добавляя воду небольшими порциями, довести уровень воды в колбе до метки, закрыть колбу пробкой и тщательно перемешать, переворачивая вверх дном. Замерить плотность полученного раствора ареометром. Для этого раствор перелить в мерный цилиндр. Уровень жидкости должен быть ниже края цилиндра на 3-4 см. Осторожно опустите ареометр в раствор. Ареометр не должен касаться стенок цилиндра. Отсчет плотности по уровню жидкости производите сверху вниз. По таблице 1 найдите и запишите массовую долю (в %) раствора, отвечающую этой плотности. Рассчитать количество хлорида натрия взятого для приготовления 250 мл раствора.
ПРИМЕР. Пусть плотность приготовленного раствора хлорида натрия ρ=1,0053г/см3 . Это соответствует 1% концентрации раствора. Следовательно, в100г раствора содержится 1г NaCl. Определим массу 250 мл раствора
=
Исходя из того, что в 100г раствора содержится 1г NaCl, узнаем, сколько грамм NaCl содержится в 201,315г раствора:
100 г раствора - 1 г NaCl
201,315 г раствора - х г NaCl
х = г NaCl
Таким образом, была взята навеска NaCl массой 2,0131 г.
Лабораторная работа 5
Буферные смеси
Теоретическая часть
Буферные растворы сохраняют постоянство концентрации водородных ионов в определенных для каждого раствора пределах при добавлении к ним небольших количеств кислот или щелочей, а также при разбавлении этих растворов.
Буферные растворы – это смеси слабых кислот с солями этих кислот и сильных оснований (например, HCOOH + HCOONa) или смеси слабых оснований с солями этих оснований и сильных кислот (например, NH4OH + NH4Cl). Буферным действием обладают также смеси солей многоосновной кислоты, константы диссоциации которой по разным стадиям сильно отличаются друг от друга. Например, в буферном растворе, содержащем NaHCO3 и Na2CO3, первая соль играет рол слабой кислоты, а вторая – ее соли.
В качестве буферного раствора рассмотрим смесь уксусной кислоты и ацетата натрия. В растворе уксусной кислоты существует равновесие:
CH3COOH ↔ CH3COO- + H+.
Согласно закону действующих масс:
K = , (1)
где К – константа электролитической диссоциации кислоты.
Отсюда находим значение концентрации водородных ионов:
. (2)
Степень электролитической диссоциации уксусной кислоты очень незначительна, поэтому в растворе преобладают ее недиссоциированные молекулы.
Добавление к водному раствору уксусной кислоты ее натриевой соли, почти нацело распадающейся в водных растворах на составляющие ее ионы
CH3COONa → CH3COO- + Na+,
настолько подавляет электролитическую диссоциацию уксусной кислоты, что концентрация недиссоциированных молекул будет практически равна концентрации кислоты.
Тогда в формуле (2) концентрацию недиссоциированных молекул [CH3COOH] можно заменить на концентрацию кислоты СК.
Находящийся в растворе ацетат натрия гидролизуется:
CH3COO- + H2O ↔ CH3COOH + OH-.
Однако уксусная кислота подавляет гидролиз, и равновесие реакции гидролиза смещается в сторону образования ацетат-ионов. Поэтому можно считать, что концентрация ацетат-ионов равна концентрации соли и заменить [CH3COO-] на СС.
Следовательно
. (3)
pH = pK + lg . (4)
Величина К (константа электролитической диссоциации кислоты) при данных условиях постоянна. Поэтому значение концентрации водородных ионов будет определяться отношением концентраций кислоты и соли, взятых для приготовления буферной смеси.
Применяя такие же рассуждения для смеси слабого основания и соли сильной кислоты, можно вывести можно уравнение:
. (5)
pOH = pK + lg ;
pH = 14 – POH;
pH = 14 – pK – lg . (6)
Из уравнения (3) следует, что концентрация водородных ионов буферных растворов не зависит от абсолютного значения концентрации кислоты и соли, а лишь от их отношения. Вследствие этого при разбавлении буферного раствора концентрация водородных ионов практически не изменяется.
В отличие от раствора, содержащего только кислоту (или только основание), буферная смесь сильно ослабляет возможность изменения концентрации водородных ионов в ту или иную сторону.
Таким образом, буферные смеси обладают следующими свойствами:
1. концентрация водородных ионов буферных смесей не зависит от разбавления, что непосредственно вытекает из уравнения (3), в которое входят не абсолютные концентрации кислоты и соли, а их отношение;
2. добавление к буферным смесям небольших количеств сильной кислоты или основания очень мало изменяет концентрацию в них ионов водорода (в пределах буферной емкости раствора).
Численное значение буферной емкости определяется количеством сильной кислоты или основания, которое необходимо добавить к 1л буферного раствора, чтобы изменить значение рН на единицу:
B = , (7)
где B – буферная емкость, моль/л;
νк – количество добавленной кислоты (или основания), моль;
(pH2 – pH1) – изменение pH при добавлении кислоты (или основания);
VБУФ – объем буферного раствора, л (мл);
CK – молярная концентрация добавленной кислоты (или основания), моль/л;
VK – объем добавленной кислоты (или основания), л (мл).
Практическая часть.
Опыт 1. Приготовление буферных смесей.
В семи пробирках готовят ацетатные буферные смеси из растворов уксусной кислоты и ее соли с молярной концентрацией эквивалента 0.1 моль/л, объёмы которых указаны в таблице.
| № пробирки | Состав буферной смеси, мл | рН смеси (расчетн) | Окраска после прибавления индикатора (метилового красного 4.2–6.3) | |
| СН3СООН 0.1 моль | СН3СООNa 0.1 моль/л | |||
| 0.5 0.2 | 9.5 9.8 |
В каждую пробирку прибавляют по 3 капли индикатора метилового красного, перемешивают и сравнивают окраску буферных смесей при хорошем освещении, на белом фоне, глядя сверху вниз сквозь раствор. Окраску растворов отмечают в таблице.
Затем рассчитывают С(Н+) и рН одного из буферных растворов (по указанию преподавателя), результат расчета записывают в таблицу. Значения С(Н+) и рН для остальных шести растворов получают у преподавателя. Чертят на миллиметровой бумаге буферную кривую, показывающую связь рН буферного раствора с объёмом одного из его компонентов. По оси ординат откладывают 10 единиц масштаба (1 мл CH3COONa = 1 см), принимая начало координат за 0. По оси абсцисс, принимая начало координат равным 3, откладывают область значений рН от 3 до 7 (единица рН = 2 см).
Пример расчета рН буферной смеси.
Рассчитать рН буферной смеси, состоящей из раствора СН3СООН объёмом 4.5 мл и молярной концентрацией эквивалента С(СН3СООН) = 0.1 моль/л и раствора СН3СООNa объемом 5.5 мл с молярной концентрацией эквивалента С(СН3СООNa) = 0.1 моль/л
С(Н+) = Кд ∙ = Кд ∙
рН = -lg C(H+), откуда рН = -lg Кд + lg
рН = -lg(1,8 ∙ 10-5) + lg = -(lg1,8 – 5 ) + 0,0872 =
=4,8319 »4,83
Оформление работы:
Привести таблицу и расчеты С(Н+) и рН указанного буферного раствора.
Вклеить график «Буферная кривая».
Опыт 2. Определение буферной емкости буферного раствора.
Получают у преподавателя исследуемый раствор с известным значением рН0 (записать в тетради).
В две чистые колбы отмеряют пипеткой по 10 мл исследуемого раствора. В одну колбу добавляют 2 капли фенолфталеина и титруют рабочим раствором NaОН с молярой концентрацией эквивалента С(1NaOH) = 0.1 моль/л до появления слабо-розовой окраски, рН раствора при этом станет равным 8.4 (рНщ). В другую колбу добавляют 1 каплю метилоранжа и титруют рабочим раствором HCl = 0.1 моль/л до появления оранжево-розовой окраски, рН раствора при этом станет равным 3.4 (рНк).
Вычисляют буферную емкость раствора по отношению к кислоте (Вк) и щелочи (Вщ) и результат проверяют у преподавателя. Вк и Вщ рассчитывают с точностью до трех значащих цифр и округляют до двух.
Вщ = , моль/л; Вк = , моль/л
где Vщ, Vк – объемы (в мл) рабочего раствора щелочи или кислоты, затраченный на титрование V мл исследуемого буферного раствора;
Сщ, Ск – молярная концентрация эквивалента рабочего раствора щёлочи или кислоты.
Оформление работы:
Указать рН0 буферного раствора; Vщ, рНщ и индикатор; Vк, рНк и индикатор; привести расчет Вщ и Вк и вывод, указав, во сколько раз Вщ больше (или меньше), чем Вк.
Расчет общей, активной и потенциальной кислотности буферного раствора.
Для расчетов используют данные (рН0 и Vщ) для буферного раствора, полученного у преподавателя при определении буферной ёмкости.
Общая кислотность равна общей концентрации кислоты (С0), выраженной через молярную концентрацию эквивалента и определяемой титрованием рабочим раствором щелочи.
С0 = , моль/л;
Активная кислотность равна концентрации ионов водорода С(Н+) и рассчитывается из значений рН0 буферного раствора.
Пример расчета С(Н+).
Вычислить С(Н+) раствора с рН0 = 5,6.
рН = –lg C(H+) = 5,6; lgC(H+) = –5,6; C(H+) = 10-5,6 = 2,51 ∙ 10-6 моль/л.
Потенциальная кислотностьравна концентрации недиссоциированных молекул кислоты, т.е. разности между общей и активной кислотностями.
Спот = Собщ – С(Н+)
Индикаторы
| Индикаторы | рК | Зона перехода |
| Метиловый оранжевый | 3,7 | 3,1–4,4 |
| Метиловый красный | 5,1 | 4,2–6,3 |
| п-нитрофенол | — | 5,2–7,0 |
| Фенолфталеин | 9,7 | 8,3–10,0 |
Контрольные вопросы и задачи
1. Вычислите рН ацетатного буферного раствора, составленного из 500 мл раствора соли с молярной концентрацией эквивалента
0.1 моль/л и 100 мл раствора кислоты с молярной концентрацией эквивалента 0.5 моль/л, если рК (СН3СООН) = 4.75.
2. Вычислите рН буферного раствора, составленного из равных объёмов растворов слабого основания и его соли одинаковой концентрации, если константа диссоциации основания равна 7.2 ∙ 10-6.
3. Какими процессами объясняется незначительное изменение значения рН буферного раствора при добавлении к нему растворов: а) сильной кислоты, б) щёлочи?
4. Рассчитайте в каких объёмах надо слить раствор слабой кислоты с молярной концентрацией эквивалента 0.6 моль/л и раствор её соли с молярной концентрацией эквивалента 0.2 моль/л, чтобы получить 200 мл ацетатного буферного раствора с рН = 5.2, если рК(СН3СООН) = 4.75.
5. Вычислить, на сколько единиц изменится рН аммиачного буферного раствора, содержащего по 0.1 моль эквивалента каждого из компонентов, если к 1 л его прибавить 0.05 моль эквивалента NаОН рК(NН 4ОН) = 4.74.
6. Рассчитайте, в каком соотношении должны находиться компоненты бикарбонатной буферной системы крови, если рК(Н2СО3) = 6.14.
7. К 20 мл фосфатного буферного раствора добавили 2 мл раствора НСl с молярной концентрацией эквивалента 0.02 моль/л. При этом рН изменился от 7.4 до 7.0. Рассчитайте буферную ёмкость буферной системы по кислоте.
8. Определите потенциальную кислотность буферного раствора с рН = 2.0, если на титрование 10 мл его потребовалось 8 мл раствора NаОН с молярной концентрацией эквивалента 0.1 моль/л.
9. Какие из ниже перечисленных систем обладают буферным действием: а) НСООН + НСООNа; б) NаОН + НNО3;
в) НNО3 + КNО3; г) НСl + НNО3; д) СН3СООН + СН3СООNа; е) NаНСО3 + НСl.
10. Какова биологическая роль буферных растворов в организме человека?
11. Какова роль гидрокарбонатного буферного раствора при поддержании постоянства рН крови, нарушаемого процессами дыхания?
Лабораторная работа 6
Гидролиз солей. Характеристика среды растворов. Индикаторы
Теоретическая часть