ΧΗΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ, ΟΞΕΑ, ΒΑΣΕΙΣ, pH. ΟΓΚΟΜΕΤΡΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΟΞΙΚΟΥ ΟΞΕΟΣ ΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ ΧΗΜΙΚΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ, ΟΞΕΑ, ΒΑΣΕΙΣ, pH. ΟΓΚΟΜΕΤΡΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΟΞΙΚΟΥ ΟΞΕΟΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΧΗΜΙΚΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΕΥΑΓΓΕΛΟΣ Γ. ΦΟΥΝΤΟΥΚΙΔΗΣ ΔΡ. ΧΗΜΙΚΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ ΟΙΚΟΝΟΜΟΛΟΓΟΣ    Σχεδιασμός: Δρ. Μαρίνος Ιωάννου Επιμέλεια: Δρ. Ευαγγελία Παντατοσάκη

ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Ένα μίγμα δύο ή περισσότερων καθαρών ουσιών μπορεί να είναι ομογενές ή ετερογενές. Ομογενές είναι το μίγμα που έχει τις ίδιες ιδιότητες και σύσταση σε κάθε του σημείο. Διάλυμα ονομάζεται ένα ομογενές μίγμα δύο ή περισσότερων καθαρών ουσιών. Το συστατικό που βρίσκεται στο μίγμα με τη μεγαλύτερη αναλογία λέγεται διαλύτης, ενώ το συστατικό ή τα συστατικά σε μικρότερη αναλογία αποτελούν τις διαλυμένες ουσίες. Διαλυτότητα μιας ουσίας σε ορισμένη ποσότητα διαλύτη είναι η μέγιστη ποσότητα της ουσίας που μπορεί να διαλυθεί σε ορισμένη θερμοκρασία στο διαλύτη αυτό. Το διάλυμα που προκύπτει ονομάζεται κορεσμένο. Συγκέντρωση ενός διαλύματος είναι η περιεκτικότητα του διαλύματος στη διαλυμένη ουσία.

Συγκέντρωση Διαλυμάτων 1. % κατά βάρος (% κ.β.): τα gr της διαλυμένης ουσίας σε 100 gr διαλύματος. 2. % κατά όγκο (% κ.ό.): τα gr της διαλυμένης ουσίας σε 100 ml διαλύματος. Μοριακότητα ή Molarity (M): τα moles της διαλυμένης ουσίας σε 1000 ml διαλύματος. Κανονικότητα ή Normality (N): τα gr-eq της διαλυμένης ουσίας σε 1000 ml διαλύματος. 1 greq = 1 mole / a όπου a ο αριθμός των Η+ ή των ΟΗ- CH3COOH  CH3COO- + H+ NaOH  Na+ + OH- H2SO4  SO4-2 + 2H+ Ca(OH)2  Ca+2 + 2OH- H3PO4  PO4-3 + 3H+ Al(OH)3  Al+3 + 3OH- N = a·M

ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Aντίδραση εξουδετέρωσης: CH3COOH + ΝαΟΗ CH3COONa + H2O Ογκομέτρηση είναι η διαδικασία προσδιορισμού του ελάχιστου όγκου διαλύματος ουσίας γνωστής περιεκτικότητας (πρότυπο διάλυμα) που απαιτείται για πλήρη αντίδραση με γνωστό όγκο διαλύματος ουσίας άγνωστης περιεκτικότητας. Η ογκομέτρηση έχει ως στόχο τον προσδιορισμό της άγνωστης συγκέντρωσης. Πρότυπο διάλυμα σε προχοΐδα 0.1 N δ/μα ΝαΟΗ Aντίδραση εξουδετέρωσης: CH3COOH + ΝαΟΗ CH3COONa + H2O ασθενές οξύ ισχυρή βάση Άλας Νερό Ογκομετρούμενο διάλυμα άγνωστης συγκέντρωσης CH3COOH Αλκαλιμετρία είναι η ογκομέτρηση κατά την οποία προσδιορίζεται η συγκέντρωση διαλύματος οξέος με πρότυπο διάλυμα βάσης.

ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ greqΟΞΕΟΣ = greqΒΑΣΗΣ Ισοδύναμο σημείο είναι το σημείο στο οποίο έχουμε προσθέσει τον απαιτούμενο για πλήρη αντίδραση όγκο από το διάλυμα γνωστής συγκέντρωσης. Πρότυπο διάλυμα σε προχοΐδα 0.1 N δ/μα ΝαΟΗ Aντίδραση εξουδετέρωσης: CH3COOH + ΝαΟΗ CH3COONa + H2O ασθενές οξύ ισχυρή βάση Άλας Νερό Ισοδύναμο σημείο = σημείο πλήρους εξουδετέρωσης Ογκομετρούμενο διάλυμα άγνωστης συγκέντρωσης CH3COOH greqΟΞΕΟΣ = greqΒΑΣΗΣ VΟΞΕΟΣ . NΟΞΕΟΣ = VΒΑΣΗΣ . NΒΑΣΗΣ

Δείκτες οξέων ή βάσεων ή πρωτολυτικοί δείκτες είναι ενώσεις που μεταβάλλουν το χρώμα τους ανάλογα με την οξύτητα του διαλύματος στο οποίο βρίσκονται. Είναι συνήθως ασθενή οξέα / βάσεις που το χρώμα των αδιάστατων μορίων είναι διαφορετικό από το χρώμα των ιόντων. Για παράδειγμα η περιοχή αλλαγής χρώματος του δείκτη ηλιανθίνη είναι: 1 2 3 4 5 6 pH Έτσι αν προστεθούν μερικές σταγόνες του δείκτη αυτού σε ένα διάλυμα με pH < 3 το διάλυμα θα χρωματισθεί κόκκινο, σε ένα διάλυμα με pH > 5 θα χρωματισθεί κίτρινο και σε ένα διάλυμα με 3 < pH < 5 θα χρωματισθεί πορτοκαλί. Με άλλα λόγια ο δείκτης μας δίνει μία κατά προσέγγιση τιμή του pH του διαλύματος στο οποίο τον προσθέτουμε.

Το οξικό οξύ CH3COOH ογκομετρείται με πρότυπο διάλυμα ΝαΟΗ με την παρουσία δείκτη φαινολοφθαλεΐνης. Η φαινολοφθαλεΐνη σε pΗ < 8.3 δεν έχει χρώμα, ενώ σε pΗ > 10.5 γίνεται ροδόχρους όπως φαίνεται και στις παρακάτω εικόνες: Χρώμα διαλύματος πριν την προσθήκη του πρότυπου διαλύματος. Χρώμα διαλύματος στο τελικό σημείο της ογκομέτρησης.

Καμπύλη ογκομέτρησης είναι η γραφική παράσταση του pΗ του άγνωστης περιεκτικότητας διαλύματος σε συνάρτηση με τον όγκο του πρότυπου διαλύματος που προστίθεται. Η καμπύλη ογκομέτρησης λαμβάνεται είτε σημείο προς σημείο, είτε με καταγραφέα και προσθήκη αντιδραστηρίου με προχοΐδα σταθερής ροής. Καμπύλη ογκομέτρησης ασθενούς οξέος 1Μ με διάλυμα ισχυρής βάσης 1Μ. Καμπύλη ογκομέτρησης ασθενούς βάσης 1Μ με διάλυμα ισχυρού οξέος 1Μ.

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 1. Όργανα α) Προχοΐδα β) Κωνική φιάλη γ) Ογκομετρικός κύλινδρος δ) Σιφώνιο ε) pΗμετρο στ) Μαγνητική πλάκα και μαγνητικός αναδευτήρας. 2. Αντιδραστήρια α) Πρότυπο διάλυμα ΝαΟΗ 0.1 Ν β) Αλκοολικό διάλυμα φαινολοφθαλεΐνης 0.5% γ) Το άγνωστης συγκέντρωσης διάλυμα του οξικού οξέος. 3. Πειραματική διαδικασία Σε κωνική φιάλη των 250 ml μεταφέρονται με σιφώνιο 10 ml από το άγνωστης συγκέντρωσης διάλυμα οξικού οξέος. Προστίθενται με ογκομετρικό κύλινδρο άλλα 50 ml απιονισμένο νερό και 2-3 σταγόνες δείκτη φαινολοφθαλεΐνης. Η κωνική φιάλη τοποθετείται πάνω στη μαγνητική πλάκα. Μέσα στην κωνική φιάλη τοποθετείται ο μαγνητικός αναδευτήρας.

VΤΕΛΙΚΟ - VΑΡΧΙΚΟ = VΒΑΣΗΣ Η διαφορά: VΤΕΛΙΚΟ - VΑΡΧΙΚΟ = VΒΑΣΗΣ είναι ο όγκος του διαλύματος της βάσης που καταναλώθηκε για την πλήρη εξουδετέρωση του οξέος. Βρίσκουμε το μέσο όρο VΒΑΣΗΣ βάσης τριών τιμών VΒΑΣΗΣ και υπολογίζουμε το ΝΟΞ . VΟΞΕΟΣ . NΟΞΕΟΣ = VΒΑΣΗΣ . NΒΑΣΗΣ

Ογκομετρική Καμπύλη  Για την κατασκευή της ογκομετρικής καμπύλης μεταφέρουμε με σιφώνιο στην κωνική φιάλη των 250 ml, 10 ml από το άγνωστης συγκέντρωσης διάλυμα οξικού οξέος. Προστίθενται με ογκομετρικό κύλινδρο άλλα 50 ml απιονισμένο νερό και η κωνική φιάλη τοποθετείται πάνω στη μαγνητική πλάκα. Μέσα στην κωνική φιάλη τοποθετείται ο μαγνητικός αναδευτήρας.  Ξεπλένουμε το ηλεκτρόδιο του pΗμέτρου με απιονισμένο νερό, το σκουπίζουμε με απορροφητικό χαρτί, το βυθίζουμε στο διάλυμα του οξέος και καταγράφουμε την ένδειξη του pΗ.  Προσθέτουμε με την προχοΐδα 1 ml από το πρότυπο διάλυμα 0.1 N ΝαΟΗ, αναδεύουμε καλά και μετράμε το pΗ. Συνεχίζουμε την διαδικασία προσθέτοντας κάθε φορά από 0.5 ml ή 1 ml ΝαΟΗ.

VΟΞΕΟΣ . NΟΞΕΟΣ = VΒΑΣΗΣ . NΒΑΣΗΣ Με την αλλαγή του χρώματος του διαλύματος από άχρωμο σε ροδόχρουν Με την κατασκευή της καμπύλης ογκομέτρησης. Ισοδύναμο σημείο της ογκομέτρησης Όγκος πρότυπου διαλύματος VΒΑΣΗΣ Καμπύλη ογκομέτρησης 20 ml CH3COOH 0,1 Μ με NaOH 0,1Μ VΟΞΕΟΣ . NΟΞΕΟΣ = VΒΑΣΗΣ . NΒΑΣΗΣ

Επεξεργασία μετρήσεων Από τις τρεις τιμές VΒΑΣΗΣ βρίσκουμε τον μέσο όρο, την τυπική απόκλιση και το διάστημα εμπιστοσύνης της μέσης τιμής με α=5%. Από την σχέση: VΟΞΕΟΣ . NΟΞΕΟΣ = VΒΑΣΗΣ . NΒΑΣΗΣ βρίσκουμε την αρχική συγκέντρωση του οξέος. 2. Από τα ζεύγη τιμών (όγκος ΝαΟΗ, pΗ) κατασκευάζουμε σε μιλιμετρέ χαρτί την καμπύλη ογκομέτρησης, προσδιορίζουμε γραφικά το Ι.Σ. και εξ αυτού τον απαιτούμενο όγκο VΒΑΣΗΣ για την πλήρη εξουδετέρωση του οξέος. Μπορούμε τώρα να βρούμε την αρχική συγκέντρωση του οξέος. από την σχέση: VΟΞΕΟΣ . NΟΞΕΟΣ = VΒΑΣΗΣ . NΒΑΣΗΣ 3. Συγκρίνετε τις δύο τιμές NΟΞΕΟΣ . 4. Απαντήστε στην ερώτηση: Πώς εξηγείται το γεγονός ότι το ροδόχρουν μετά την ογκομέτρηση διάλυμα αποχρωματίζεται μετά την παραμονή του στην ατμόσφαιρα για μερικά λεπτά;

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ

ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Aντίδραση εξουδετέρωσης: Οξύ + Βάση = Άλας + Νερό Ογκομέτρηση είναι η διαδικασία προσδιορισμού του ελάχιστου όγκου διαλύματος ουσίας γνωστής περιεκτικότητας (πρότυπο διάλυμα) που απαιτείται για πλήρη αντίδραση με γνωστό όγκο διαλύματος ουσίας άγνωστης περιεκτικότητας. Η ογκομέτρηση έχει ως στόχο τον προσδιορισμό της άγνωστης συγκέντρωσης. Ισοδύναμο σημείο είναι το σημείο στο οποίο έχουμε προσθέσει τον απαιτούμενο για πλήρη αντίδραση όγκο από το διάλυμα γνωστής συγκέντρωσης. Πρότυπο διάλυμα σε προχοΐδα Aντίδραση εξουδετέρωσης: Οξύ + Βάση = Άλας + Νερό Ογκομετρούμενο διάλυμα άγνωστης συγκέντρωσης

ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ greqΟΞΕΟΣ = greqΒΑΣΗΣ Ισοδύναμο σημείο είναι το σημείο στο οποίο έχουμε προσθέσει τον απαιτούμενο για πλήρη αντίδραση όγκο από το διάλυμα γνωστής συγκέντρωσης. greqΟΞΕΟΣ = greqΒΑΣΗΣ VΟΞΕΟΣ . NΟΞΕΟΣ = VΒΑΣΗΣ . NΒΑΣΗΣ Τελικό σημείο είναι το σημείο που σταματάμε την ογκομέτρηση. Προφανώς για να μην έχουμε πειραματικό σφάλμα θα πρέπει το τελικό σημείο να είναι όσο γίνεται πιο κοντά στο ισοδύναμο σημείο. Οξυμετρία είναι η ογκομέτρηση κατά την οποία προσδιορίζεται η συγκέντρωση διαλύματος βάσης με πρότυπο διάλυμα οξέος. Αλκαλιμετρία είναι η ογκομέτρηση κατά την οποία προσδιορίζεται η συγκέντρωση διαλύματος οξέος με πρότυπο διάλυμα βάσης.

Καμπύλη ογκομέτρησης είναι η γραφική παράσταση του pΗ του άγνωστης περιεκτικότητας διαλύματος σε συνάρτηση με τον όγκο του πρότυπου διαλύματος που προστίθεται. Η καμπύλη ογκομέτρησης λαμβάνεται είτε σημείο προς σημείο, είτε με καταγραφέα και προσθήκη αντιδραστηρίου με προχοΐδα σταθερής ροής. Καμπύλη ογκομέτρησης ισχυρού οξέος 1Μ με διάλυμα ισχυρής βάσης 1Μ. Καμπύλη ογκομέτρησης ασθενούς οξέος 1Μ με διάλυμα ισχυρής βάσης 1Μ. Καμπύλη ογκομέτρησης ασθενούς βάσης 1Μ με διάλυμα ισχυρού οξέος 1Μ. Το τελικό σημείο μίας ογκομέτρησης προσδιορίζεται είτε από το σημείο καμπής της καμπύλης ογκομέτρησης είτε με τη χρήση δείκτη.

ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ greqΟΞΕΟΣ = greqΒΑΣΗΣ Aντίδραση εξουδετέρωσης: CH3COOH + ΝαΟΗ CH3COONa + H2O ασθενές οξύ ισχυρή βάση Πρότυπο διάλυμα σε προχοΐδα 0.1 N δ/μα ΝαΟΗ Άλας Νερό Ισοδύναμο σημείο = σημείο πλήρους εξουδετέρωσης greqΟΞΕΟΣ = greqΒΑΣΗΣ VΟΞΕΟΣ . NΟΞΕΟΣ = VΒΑΣΗΣ . NΒΑΣΗΣ Ογκομετρούμενο διάλυμα άγνωστης συγκέντρωσης CH3COOH

ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Οξυμετρία είναι η ογκομέτρηση κατά την οποία προσδιορίζεται η συγκέντρωση διαλύματος βάσης με πρότυπο διάλυμα οξέος. Αλκαλιμετρία είναι η ογκομέτρηση κατά την οποία προσδιορίζεται η συγκέντρωση διαλύματος οξέος με πρότυπο διάλυμα βάσης. Ισοδύναμο σημείο είναι το σημείο στο οποίο έχουμε προσθέσει τον απαιτούμενο για πλήρη αντίδραση όγκο από το διάλυμα γνωστής συγκέντρωσης. Τελικό σημείο είναι το σημείο που σταματάμε την ογκομέτρηση. Προφανώς για να μην έχουμε πειραματικό σφάλμα θα πρέπει το τελικό σημείο να είναι όσο γίνεται πιο κοντά στο ισοδύναμο σημείο.

greqΟΞΕΟΣ = greqΒΑΣΗΣ ή VΟΞΕΟΣ . NΟΞΕΟΣ = VΒΑΣΗΣ . NΒΑΣΗΣ Επεξεργασία μετρήσεων Από τις τρεις τιμές VΒΑΣΗΣ βρίσκουμε τον μέσο όρο, την τυπική απόκλιση και το διάστημα εμπιστοσύνης της μέσης τιμής με α=5%. Από την σχέση: greqΟΞΕΟΣ = greqΒΑΣΗΣ ή VΟΞΕΟΣ . NΟΞΕΟΣ = VΒΑΣΗΣ . NΒΑΣΗΣ με: VΟΞΕΟΣ = 10 ml, NΒΑΣΗΣ = 0.1 Ν, VΒΑΣΗΣ = VΒΑΣΗΣ βρίσκουμε την αρχική συγκέντρωση του οξέος. 3. Από τα ζεύγη τιμών (όγκος ΝαΟΗ, pΗ) κατασκευάζουμε σε μιλιμετρέ χαρτί την καμπύλη ογκομέτρησης, προσδιορίζουμε γραφικά το Ι.Σ. και εξ αυτού τον απαιτούμενο όγκο VΒΑΣΗΣ για την πλήρη εξουδετέρωση του οξέος. Μπορούμε τώρα να βρούμε την αρχική συγκέντρωση του οξέος. 4. Απαντήστε στην ερώτηση: Πώς εξηγείται το γεγονός ότι το ροδόχρουν μετά την ογκομέτρηση διάλυμα αποχρωματίζεται μετά την παραμονή του στην ατμόσφαιρα για μερικά λεπτά;