Miareczkowanie kwas zasada część 2

Chemia fizyczna i analityczna, Reakcje w roztworach wodnych

W poprzedniej części poznaliśmy teoretyczne podstawy miareczkowania. Wiemy już, że dzieli się ono na różne typy i każde z nich może pojawić się w postaci maturalnych zadań dotyczące stechiometrii. Miareczkowanie kwas-zasada może natomiast pojawić się w ramach obliczeń z pH.

1. Miareczkowanie mocnego kwasu przez mocną zasadę

Załóżmy, że w kolbie mamy 25 ml kwasu HCl o stężeniu 0,1 mol • dm^ー3, do którego dodajemy stopniowo NaOH również o stężeniu 0,1 mol • dm^ー3. Poprzez odpowiednie obliczenia uzasadnimy sobie kształt krzywej pH, która została pokazana w poprzedniej części.

Zaczynamy od początkowego pH. Skoro w kolbie znajdował się na początku tylko HCl o stężeniu 0,1 mol • dm^ー3, to wyliczamy, że :

pH = – log (0,1) = 1

Po dodaniu NaOH zaczyna zachodzić reakcja zgodnie z równaniem :

HCl + NaOH ⟶ NaCl + H₂O

Stechiometria HCl do NaOH wynosi 1 : 1 , zatem bardzo latwo obliczyć, że punkt równoważnikowy (pH = 7), osiągniemy po dodaniu takiej samej ilości moli NaOH.

n_HCl= 0,1 • 0,025 = 0,0025 mol ⇒ n_NaOH= 0,0025 mol

Skoro stężenie NaOH wynosi także 0,1 mol • dm^ー3, to objętość NaOH, które musimy dolać, aby osiągnąć punkt równoważnikowy wynosi w takim razie 25 ml. Dodanie mniejszej objętości będzie oznaczało, że HCl jest w nadmiarze, a dodanie > 25 ml oznacza, że w roztworze został nadmiar NaOH.

2. Obliczenia przed osiągnięciem punktu równoważnikowego

Załóżmy, że chcemy obliczyć pH roztworu po dodaniu :

➤ V_NaOH = 5 , 10 , 15 oraz 20 ml

Jest to zwykłe zadanie stechiometryczne, więc pierwsze co trzeba zrobić to obliczyć liczbę moli dodanego NaOH. Za każdym razem zatem będziemy wyliczać to jako :

n_NaOH = 0,1 • V_NaOH

Dla każdego ,,pomiaru” obliczenia będą wyglądać identycznie. Zobaczmy to na przykładzie dodanego NaOH w ilości 5 ml. Wtedy :

n_NaOH = 0,1 • 0,005 = 0,0005 mola

Układamy tabelkę do stechiometrii :

	HCl	NaOH	NaCl	H₂O
Liczba moli na początku	0,0025	0,0005	0	0
Liczba moli na końcu	0,0025 − 0,0005 = 0,002	0	0,0005	0,0005

Tabela stechiometrii podczas reakcji mocny kwas + mocna zasada

W takim razie po reakcji zostało Δn_HCl = 0,002 mola kwasu solnego, a całkowita objętość roztworu wynosi V = 0,025 + 0,005 = 0,03 dm³ . Wyliczamy zatem stężenie HCl po reakcji (w nowej objętości) jak równe 0,002 : 0,03 = 0,067 mol • dm^ー3 . HCl dysocjuje całkowicie :

HCl ⟶ H⁺ + OH^ー

Czyli pH = − log (0,067) = 1,17

Obliczenia dla V = 10 , 15 oraz 20 ml NaOH są identyczne i zostały zestawione w tabeli :

V_NaOH	n_NaOH	Δn_HCl	[H⁺]	pH
5 ml	0,0005	0,0025 − 0,0005 = 0,002	$\displaystyle [H^{+}] = \frac{0,002}{0,025 + 0,005} = 0,067$	1,17
10 ml	0,001	0,0025 − 0,001 = 0,0015	$\displaystyle [H^{+}] = \frac{0,0015}{0,025 + 0,01} = 0,043$	1,37
15 ml	0,0015	0,0025 − 0,0015 = 0,001	$\displaystyle [H^{+}] = \frac{0,001}{0,025 + 0,015} = 0,025$	1,6
20 ml	0,002	0,0025 − 0,002= 0,0005	$\displaystyle [H^{+}] = \frac{0,0005}{0,025 + 0,02} = 0,011$	1,95

Tabela podsumowująca jak liczyć krok po kroku.

To co na razie obliczyliśmy możemy na razie podsumować w formie wykresu pH roztworu w zależności od dodanego NaOH. Przedstawiono już także pH = 7, które uzyskamy po dodaniu stechiometrycznej ilości NaOH. Zauważ bardzo duży skok pH : podczas 20 ml mamy jeszcze pH = 2 , a już po dodaniu zaledwie pięciu mililitrów mamy wzrost aż do pH = 7. Jest to tak zwany skok miareczkowania.

Wykres pH w zależności od objętości dodanego NaOH – sami konstruujemy ten wykres!

3. A gdy już dodamy za dużo NaOH…

Wszystko jest dokładnie tak samo, dalej konstruujemy tabelkę stechiometryczną, a jedyne co się zmienia, to że po reakcji zostaje nam nadmiar NaOH, a nie HCl. Policzymy zatem co się stanie po dodaniu (łącznie) :

➤ V_NaOH = 30 , 40 , 50 ml

V_NaOH	n_NaOH	Δn_NaOH	[OH^ー]	pH
30 ml	0,003	0,003 − 0,0025 = 0,0005	$\displaystyle [OH^{-}] = \frac{0,0005}{0,025 + 0,03} = 0,067$	11,96
35 ml	0,0035	0,0035 − 0,0025 = 0,001	$\displaystyle [OH^{-}] = \frac{0,001}{0,025 + 0,035} = 0,0167$	12,22
40 ml	0,004	0,004 − 0,0025 =0,0015	$\displaystyle [OH^{-}] = \frac{0,0015}{0,025 + 0,04} = 0,023$	12,36
50 ml	0,005	0,005 − 0,0025 = 0,0025	$\displaystyle [OH^{-}] = \frac{0,0025}{0,025 + 0,05} = 0,033$	12,52