Ογκομέτρηση οξέος-βάσης

Με μια ματιά

Προσδιορίζεις άγνωστη ποσότητα ή συγκέντρωση ογκομετρούμενου διαλύματος από τον μετρημένο όγκο πρότυπου διαλύματος στο ισοδύναμο σημείο. Γράφεις και ισοσταθμίζεις την αντίδραση εξουδετέρωσης και συγκρίνεις τις ποσότητες οξέος και βάσης με τον λόγο των συντελεστών. Ξεχωρίζεις το ισοδύναμο σημείο από το τελικό σημείο ογκομέτρησης, δηλαδή την παρατηρούμενη αλλαγή χρώματος του πρωτολυτικού δείκτη.

2Κεντρική ιδέα

Στην ογκομέτρηση προσδιορίζεις άγνωστη ποσότητα ή συγκέντρωση του ογκομετρούμενου διαλύματος από τον μετρημένο όγκο πρότυπου διαλύματος που χρειάζεσαι για να φτάσεις στο ισοδύναμο σημείο. Γράφεις και ισοσταθμίζεις πρώτα την αντίδραση εξουδετέρωσης. Στο ισοδύναμο σημείο συγκρίνεις τις ποσότητες οξέος και βάσης με τον λόγο των συντελεστών, χωρίς περίσσεια κανενός ογκομετρούμενου αντιδραστηρίου. Δεν ορίζεις την ισοδυναμία με ίσους όγκους ή ίσες ποσότητες χωρίς να λάβεις υπόψη τους συντελεστές. Ξεχωρίζεις το τελικό σημείο ογκομέτρησης, δηλαδή την παρατηρούμενη αλλαγή χρώματος του πρωτολυτικού δείκτη, από το ισοδύναμο σημείο.

3Εξήγηση

Σε κάθε κατάσταση της ογκομέτρησης υπολογίζεις πρώτα τις ποσότητες που αντιδρούν και χαρακτηρίζεις την κατάσταση ως πριν, στο ή μετά το ισοδύναμο σημείο. Έπειτα βρίσκεις το είδος που καθορίζει το pH και χρησιμοποιείς τον δηλωμένο συνολικό όγκο του διαλύματος.

Σε ογκομέτρηση ισχυρού οξέος με ισχυρή βάση εφαρμόζεις πρώτα την πλήρη εξουδετέρωση. Στο ισοδύναμο σημείο γράφεις $\ph=7$ μόνο στους $25\,^\circ\unit{C}$, όταν $\kw=10^{-14}$.

Σε ογκομέτρηση ασθενούς οξέος με ισχυρή βάση, στο ισοδύναμο σημείο εντοπίζεις τη συζυγή βάση ως είδος που καθορίζει την ισορροπία και χαρακτηρίζεις το διάλυμα βασικό στις δηλωμένες σχολικές συνθήκες. Σε ογκομέτρηση ασθενούς βάσης με ισχυρό οξύ, στο ισοδύναμο σημείο εντοπίζεις πρώτα το συζυγές οξύ. Έπειτα χαρακτηρίζεις το διάλυμα όξινο στις ίδιες σχολικές συνθήκες.

Στο σημείο ημι-ισοδυναμίας ασθενούς οξέος και ισχυρής βάσης ελέγχεις ότι οι ποσότητες του ασθενούς οξέος και της συζυγούς βάσης είναι ίσες. Όταν ισχύει η προσέγγιση ρυθμιστικού διαλύματος, χρησιμοποιείς $\ph=\mathrm{p}\ka$. Για ασθενή βάση και ισχυρό οξύ χρησιμοποιείς αντίστοιχα $\poh=\mathrm{p}\kb$.

Στην καμπύλη ογκομέτρησης διαβάζεις το pH ως προς τον προστιθέμενο όγκο πρότυπου διαλύματος. Επιλέγεις πρωτολυτικό δείκτη μόνο όταν το διάστημα αλλαγής χρώματός του βρίσκεται μέσα στην απότομη μεταβολή του pH γύρω από την περιοχή ισοδυναμίας.

4Προσδιορισμός άγνωστης συγκέντρωσης

Ογκομετρείς $25.0\,\unit{mL}$ υδατικού διαλύματος $\chem{HCl}$ άγνωστης συγκέντρωσης με πρότυπο υδατικό διάλυμα $\chem{NaOH}$ συγκέντρωσης $0.100\,\unit{mol\,L^{-1}}$. Φτάνεις στο ισοδύναμο σημείο όταν προσθέσεις $20.0\,\unit{mL}$ πρότυπου διαλύματος. Η θερμοκρασία είναι $25\,^\circ\unit{C}$ και προσθέτεις τους όγκους των διαλυμάτων. Υπολόγισε τη συγκέντρωση του $\chem{HCl}$.

Σκέψου το επόμενο βήμα πριν το ανοίξεις.

1. Δείξε το βήμα 1

   Γράφεις την ισοσταθμισμένη πλήρη αντίδραση, επειδή οι συντελεστές καθορίζουν τη σχέση ισοδυναμίας: $\chem{HCl}\state{aq} + \chem{NaOH}\state{aq} \rxn \chem{NaCl}\state{aq} + \chem{H_2O}\state{l}$.

2. Δείξε το βήμα 2

   Υπολογίζεις την ποσότητα του πρότυπου $\chem{NaOH}$ στο ισοδύναμο σημείο: $n_{\chem{NaOH}}=(0.100\,\unit{mol\,L^{-1}})(0.0200\,\unit{L})=2.00\cdot10^{-3}\,\unit{mol}$.

3. Δείξε το βήμα 3

   Χρησιμοποιείς τον λόγο συντελεστών $1:1$ και βρίσκεις $n_{\chem{HCl}}=2.00\cdot10^{-3}\,\unit{mol}$.

4. Δείξε το βήμα 4

   Διαιρείς την ποσότητα του $\chem{HCl}$ με τον αρχικό όγκο του ογκομετρούμενου διαλύματος και βρίσκεις $c_{\chem{HCl}}=\dfrac{2.00\cdot10^{-3}\,\unit{mol}}{0.0250\,\unit{L}}=0.0800\,\unit{mol\,L^{-1}}$.

5Ανάγνωση καμπύλης ασθενούς οξέος

Ογκομετρείς $30.0\,\unit{mL}$ υδατικού διαλύματος ασθενούς μονοπρωτικού οξέος $\chem{CH_3COOH}$ συγκέντρωσης $0.100\,\unit{mol\,L^{-1}}$ με πρότυπο υδατικό διάλυμα ισχυρής βάσης $\chem{NaOH}$ συγκέντρωσης $0.100\,\unit{mol\,L^{-1}}$. Η καμπύλη έχει κατακόρυφο άξονα το pH και οριζόντιο άξονα τον προστιθέμενο όγκο σε $\unit{mL}$. Το ισοδύναμο σημείο βρίσκεται στα $30.0\,\unit{mL}$. Για το πρόβλημα χρησιμοποιείς $\mathrm{p}\ka=4.74$ στους $25\,^\circ\unit{C}$ και προσθέτεις τους όγκους των διαλυμάτων. Βρες το pH στα $15.0\,\unit{mL}$ και χαρακτήρισε το διάλυμα στο ισοδύναμο σημείο.

Σκέψου το επόμενο βήμα πριν το ανοίξεις.

1. Δείξε το βήμα 1

   Γράφεις την ισοσταθμισμένη αντίδραση που προηγείται της ισορροπίας: $\chem{CH_3COOH}\state{aq} + \ion{OH^-}\state{aq} \rxn \ion{CH_3COO^-}\state{aq} + \chem{H_2O}\state{l}$.

2. Δείξε το βήμα 2

   Συγκρίνεις τον προστιθέμενο όγκο με τον όγκο ισοδυναμίας και αναγνωρίζεις ότι $15.0\,\unit{mL}=\dfrac{30.0\,\unit{mL}}{2}$, άρα βρίσκεσαι στο σημείο ημι-ισοδυναμίας.

3. Δείξε το βήμα 3

   Ελέγχεις ότι μετά τη στοιχειομετρική αντίδραση οι ποσότητες $\chem{CH_3COOH}$ και $\ion{CH_3COO^-}$ είναι ίσες, οπότε χρησιμοποιείς τη σχέση του σημείου ημι-ισοδυναμίας.

4. Δείξε το βήμα 4

   Στον συνολικό όγκο $45.0\,\unit{mL}$ καθεμία από τις δύο συζυγείς μορφές έχει ποσότητα $1.50\,\unit{mmol}$ και συγκέντρωση περίπου $0.0333\,\unit{mol\,L^{-1}}$. Η δοσμένη τιμή $\mathrm{p}\ka=4.74$ αντιστοιχεί σε $\ka\approx1.8\cdot10^{-5}$.

5. Δείξε το βήμα 5

   Εφαρμόζεις τον ορισμό της σταθεράς ιοντισμού του οξικού οξέος στις συγκεντρώσεις μετά την πλήρη αντίδραση. Επειδή οι δύο συζυγείς μορφές έχουν ίσες συγκεντρώσεις, υπολογίζεις συγκέντρωση ιόντων οξωνίου περίπου ίση με $\ka$, δηλαδή $1.8\cdot10^{-5}\,\unit{mol\,L^{-1}}$. Συγκρίνεις αυτή τη μεταβολή με καθεμία από τις δύο συγκεντρώσεις $0.0333\,\unit{mol\,L^{-1}}$ και βρίσκεις λόγο περίπου $5.4\cdot10^{-4}$. Έτσι επαληθεύεις τη μικρή μεταβολή και για τις δύο μορφές. Στους $25\,^\circ\unit{C}$ χρησιμοποιείς $\kw=10^{-14}$ και υπολογίζεις συγκέντρωση υδροξειδίου περίπου $5.6\cdot10^{-10}\,\unit{mol\,L^{-1}}$. Η τιμή αυτή είναι αμελητέα σε σύγκριση με τη συγκέντρωση οξωνίου που μόλις βρήκες.

6. Δείξε το βήμα 6

   Θέτεις $\ph=\mathrm{p}\ka$ και βρίσκεις $\ph=4.74$.

7. Δείξε το βήμα 7

   Στο ισοδύναμο σημείο αναγνωρίζεις ότι η $\ion{CH_3COO^-}$ καθορίζει την οξεοβασική ισορροπία, οπότε χαρακτηρίζεις το διάλυμα βασικό στις δηλωμένες συνθήκες.

6Συχνά λάθη

• Η ισοδυναμία εξαρτάται από τη στοιχειομετρία, όχι γενικά από ίσους όγκους. Σύγκρινε τις ποσότητες μέσω των συντελεστών.
• Το τελικό σημείο ογκομέτρησης είναι η παρατηρούμενη αλλαγή χρώματος. Ξεχώρισέ το από τη στοιχειομετρική ισοδυναμία.
• Το pH στο ισοδύναμο σημείο εξαρτάται από τα είδη που παραμένουν. Έλεγξε τη φύση τους πριν χρησιμοποιήσεις $\ph=7$.
• Η οξεοβασική ισορροπία ακολουθεί την πλήρη αντίδραση. Σύγκρινε πρώτα τις ποσότητες.
• Η καταλληλότητα δείκτη εξαρτάται από τη θέση του διαστήματος αλλαγής χρώματος. Σύγκρινέ το με την απότομη περιοχή της καμπύλης.