Идентификация слабой органической кислоты

Точкой эквивалентности называют точку на кривой титрования, в которой число эквивалентов реагирующих веществ равно между собой. В случае нейтрализации кислоты HA основанием KtOH точка эквивалентности соответствует равенству числа молей реагентов. Эквивалентным объемом V_э называют объем титранта, который нужно добавить для достижения точки эквивалентности. На кривой титрования точку эквивалентности определяют как точку перегиба на скачке титрования, т.е. точку, в которой наблюдается максимально резкое изменение pH раствора (рис. 4).

Рисунок 4. Точка эквивалентности и эквивалентный объем на кривой титрования

Точка эквивалентности при титровании слабых кислот сильными основаниями лежит в щелочной области (при рН > 7). Это связано с гидролизом образующейся соли сильного основания и слабой кислоты по схеме: A^- + HOH D HA + OH^-

Концентрация кислоты HA по результатам титрования щелочью KtOH находится по закону эквивалентов:

C_к·V_к = C_щ·V_э

где C_к – искомая молярная концентрация кислоты, V_к – объем раствора кислоты, взятый для титрования, C_щ – молярная концентрация титранта, V_э – эквивалентный объем титранта.

Молярная концентрация кислоты – это количество молей в единице объема раствора, т.е.

Количество молей, в свою очередь, определяется как отношение массы кислоты, содержащейся в растворе, к молярной массе:

Комбинируя оба уравнения, получим:

Выражение для константы диссоциации слабой кислоты HA получим, используя закон действующих масс для процесса диссоциации HAD H⁺ + A^-:

Исходя из уравнения для константы диссоциации, очевидно, что если [A^-]/[HA]=1, то K_a =[H⁺]. Соответственно, равны и отрицательные десятичные логарифмы этих величин, т.е. pH=pK_a. Равенство равновесных концентраций недиссоциированной кислоты и ее аниона наблюдается в том случае, если оттитрована половина начального количества кислоты, следовательно, соотношение количеств молей взятой для титрования кислоты и добавленного сильного основания KtOH будет равно 2:1.

Дана точная навеска одной из слабых одноосновных органических кислот, содержащаяся в 250 мл водного раствора. Используя метод потенциометрического титрования, найдите молярную массу и показатель константы диссоциации кислоты (рК_а = -lgK_a). На основе полученных данных установите, какая кислота выдана для анализа.

Оборудование

рН-метр (иономер) «Эконикс-эксперт»

Электрод стеклянный комбинированный

Мешалка магнитная

Штатив с лапками для электрода и бюретки

Бюретка с оливой на 25 мл

Колба мерная на 250 мл

Воронка полиэтиленовая d = 25 мм

Пипетка Мора на 50 мл

Стакан для титрования на 100 мл

Стакан для сливов на 250 мл

Промывалка

Груша резиновая

Пинцет

Реагенты

Гидроксид калия, раствор с концентрацией 0,1 моль/л, приготовленный из стандарт-титра

Буферные растворы для калибровки рН-метра с рН 1,65 и рН 9,18

Вода дистиллированная

Точная навеска одной из кислот, растворенная в мерной колбе на 250 мл – САМИ ГОТОВИМ

Методика выполнения эксперимента

1. Проведите калибровку рН-метра по двум стандартным буферным растворам (см. руководство по работе с иономером) с рН 9,18 и 1,65.

2. Аликвотную часть раствора кислоты объемом 50 мл перенесите в стаканчик для титрования. Стаканчик с раствором установите на магнитную мешалку, поместите в него мешальник и отрегулируйте скорость перемешивания. В раствор погрузите комбинированный стеклянный электрод так, чтобы стеклянная мембрана и выходное отверстие хлорсеребряного электрода сравнения находились в растворе (глубина погружения электрода в раствор должна быть не менее 2 см), но не было препятствий для вращения мешальника. Заполните бюретку 0,1М раствором гидроксида калия, не забывая об удалении пузырьков воздуха из носика. Носик бюретки разместите над исследуемым раствором.

3. Проведите ориентировочное потенциометрическое титрование исследуемого раствора щелочью, добавляя титрант порциями по 1 мл и записывая величину рН раствора. Установите, примерно при каком объеме добавленного титранта наблюдается скачок рН.

4. Повторите эксперимент, проведя на этот раз точное титрование раствора слабой кислоты. Для этого добавляйте титрант порциями не более 0,5 мл в начале титрования и сократите объем порций титранта до 0,1 мл вблизи скачка рН. После прохождения скачка снова добавляйте титрант по 0,5 мл. Титрование заканчивают при достижении рН не менее 11.

5. Постройте на миллиметровой бумаге кривую титрования. Для этого на горизонтальной оси (оси абсцисс) отложите объем добавленного титранта V, а на вертикальной оси (оси ординат) - рН раствора. При этом рекомендуется использовать следующие масштабы: 1см по оси абсцисс сооветствует 1 мл титранта, 2 см по оси ординат соответствуют единице pH. Найдите точку эквивалентности как точку перегиба на скачке рН и соответствующий ей эквивалентный объем раствора гидроксида калия. Для более точного нахождения этих параметров рекомендуется воспользоваться приемом, показанным на рисунке 2: ветви кривой продолжают прямыми линиями до их пересечения, при этом среднее арифметическое из координат точек пересечения по оси абсцисс соответствует эквивалентному объему щелочи V_э.

6. Рассчитайте концентрацию исследуемого раствора кислоты и ее молярную массу:

где C_щ – концентрация щелочи, равная 0,1 моль/л, V_к – объем раствора кислоты, взятый для титрования (50 мл)

где m – навеска кислоты в граммах, V_исх – исходный объем раствора кислоты, равный 0,25 л

1. Рассчитайте величину рК_а взятой кислоты графическим методом как pH в точке полунейтрализации (при V =0,5 V_э) в соответствии с рис. 3.

2. Составьте отчет, содержащий результаты выполненной работы.

9. На основе полученных данных по молярной массе и рК_а идентифицируйте образец кислоты, пользуясь таблицей вариантов, выданной преподавателем.

10. Рассчитайте абсолютную погрешность (Δ) определения рК_а и относительную погрешность (δ) определения молярной массы:

где и - истинные значения, приведенные в таблице.

Сделайте предположение о причинах расхождения экспериментальных и справочных данных. Учтите, что погрешность измерения рН с помощью стеклянного электрода составляет 0,02 единицы рН.