Rapport om chlorethansyrer | Kemi B

Side 1

Side 1 af 6

Bestemmelse af styrkekonstanterne for chlorethansyrer

Forsøgets formål:

At bestemme de tre chlorethansyrers styrkeeksponenter ved stuetemperatur ved måling på opløsninger af de tre syrer.

Teori:

Der findes tre chlorethansyrer, hvor de tre hydrogenatomer i ethansyrens methylgruppe trinvis er blevet substitueret med chlor.

Chlorethansyre: Dichlorethansyre: Trichlorethansyre:

H H Cl

H Cl Cl

Cl Cl

O O O

OH OH

CH Cl-COOH CHCl -COOH 3

2 2

Cl

OH

CCl -COOH

Ved substitution ændres styrkekonstanten, K s

, på grund af de indførte chloratomer.

Styrkekonstanten er en ligevægtskonstant, der er et udtryk for syrens styrke. Jo større styrkekonstant, jo stærkere syre. Styrkekonstanten regnes ud fra den formelle koncentration og

oxoniumion-koncentrationen: K =

s

[ ]_{3}_{.} OH^{+}^{2}
− OHc [ ]^{+}

s 3

Styrkekonstanten afhænger af hvor meget den korresponderende anion stabiliseres. Substituenter, som er elektrontiltrækkende, vil stabilisere anionen, da den negative ladning herved spredes over hele molekylet. Dette øger styrkekonstanten sammenlignet med en carboxylsyre med færre eller helt uden elektrontiltrækkende grupper. På tilsvarende vis vil elektrondonerende grupper mindske styrkekonstanten.

Jo større stabilisering af anionen desto større styrkekonstant.

Elektrontiltrækkende grupper er f.eks. F, CN, CO og i vores forsøg Cl.

Elektrondonerende grupper er f.eks. OH, NH og alkylgrupper.

2

For ethansyre er styrkekonstanten, K = 1,74∙10^{-5} og dermed er styrkeeksponenten

s

pK =4,76 (pK =-log(K)).

s s s

Der forventes derfor at styrkekonstanten K s for de tre chlorethansyrer er større end for ethansyre, og dermed forventes det at pK er mindre.

s

Side 2

Side 2 af 6

Styrkekonstanten for hver af de tre chlorethansyrer kan bestemmes ud fra følgende målinger:

1. Måling af oxoniumion-koncentrationen, [ ]_{3} OH^{+}. Den bestemmes ved måling af
opløsningernes pH, hvoraf [ ]_{3} OH^{+} beregnes. [ ]_{3} OH^{+} =10^{-pH}.
Unøjagtigheder ved pH-målinger slår forstærket igennem ved beregning af [ ]_{3} OH^{+}, så pH-

målingerne skal være så nøjagtige som muligt.

2. Måling af syrens formelle koncentration, c s

. Den bestemmes ved en syre-base titrering med en NaOH-opløsning med kendt koncentration. Da der titreres til ækvivalenspunktet vides det at stofmængden af NaOH og af chlorethansyren er ens, derfor kan den formelle

koncentration udregnes ved: c (chlorethansyre) = n ⋅ Vc

s NaOH NaOHNaOH syrechlorethan syrechlorethan

V V

=

Styrkeeksponenten pK er også et udtryk for syrens styrke, men da styrkekonstanterne rækker over s

et meget stort interval, omregnes de til pK som er nemmere at håndtere. pK = -log(K) og dvs. jo

s s s mindre pK er, desto stærkere er syren.

s pK s

Stærke syrer 0 Middelstærke syrer 4 Svage syrer 10 Meget svage syrer

Udover K og pK, kan også hydronolysegraden udregnes ud fra oxoniumion-koncentrationen og s s den formelle koncentration. For en syre, er hydronolysegraden den brøkdel af syren, der har reageret med vand og er blevet til den korresponderende base. Den betegnes med det græske

bogstav alfa og udregnes: α=. Jo større hydronolysegrad, jo stærkere syre.

[ ]_{3} OH^{+}
c_{s}

En syre-basetitrering bruges til at bestemme stofmængden eller koncentrationen af en syre eller en base i en portion prøve. I dette tilfælde er titranden chlorethansyren, titratoren er NaOH, og indikatoren er bromthymolblåt. Titranden er stoffet i kolben, titratoren er i buretten og indikatoren er et stof der er valgt, fordi det netop skifter farve ved ækvivalenspunktet, dvs. det punkt hvor der er ækvivalente mængder af reaktanterne, når alt stoffet i den afmålte prøve har reageret. Herved kan man udregne stofmængden af syren ud fra stofmængden af titratoren (basen), som findes ved at gange koncentrationen af basen med voluminet af basen, hvorefter man så kan udregne koncentrationen af syren. Netop denne titrering hvor indikatoren er valgt pga. sit farveskift, kaldes en kolorimetrisk titrering. Da det er en syre der titreres, bruges en base som titrand.

Bromthymolblåt er en væske, der har omslagspunkt ved en pH-værdi på 6,0-7,6. Den bruges ofte som syre-baseindikator. Farven af bromthymolblåt i en opløsning er afhængig af opløsningens pH.

En sur opløsning der indeholder bromthymolblåt er gul, mens en tilsvarende basisk opløsning er blå.

pH-meter er et instrument der bruges til måling af opløsningers pH. Inden brug af et pH-meter skal det indstilles, dette gøres med to buffere der har kendte pH-værdier.

Side 3

Side 3 af 6

Materialer:

• Burette

• Magnetomrører og magnet

• 100 mL konisk kolbe

• 20,0 mL fuldpipette

• Små bægerglas

• pH-meter

Kemikalier:

• 0,1 M opløsninger af chlor-, dichlor- og trichlorethansyre

• 0,100 M NaOH

• Bromthymolblåt

• Pufferopløsninger

(Note: Alle opløsningerne skal have samme temperatur!)

Fremgangsmåde:

For hver af de tre chlorethansyrer foretages følgende målinger:

1. Måling af syrens pH-værdi:

• pH-meteret justeres inden brug med to buffere, først med buffer 1 der har pH 7 her stilles på knappen ”buffer”, herefter med buffer 2 der har pH 4 her stilles på knappen ”Slope”.

• Elektroden skylles omhyggeligt med ionbyttet vand

• pH-værdien for chlorethansyren måles

2. Måling af syrens formelle koncentration:

• Med fuldpipette udtages 20,00 mL chlorethansyre, der overføres til en ren konisk kolbe

• Der tilsættes 5 dråber bromthymolblåt

• Der titreres med NaOH til ækvivalenspunktet nås, dvs. der hvor opløsningen skifter farve fra gul til blå

Resultater:

Skema over væsentlige værdier:

Chlorethansyre Dichlorethansyre Trichlorethansyre pH-værdi 2,34 2,00 1,55

Titrering/V (mL) 18,40 24,65 20,30

Formelle konc./c (M)
        s
          +
Oxoniumkonc./ [ ] OH (M)
         3

0,092 0,1233 0,1015

4,57∙10^{-3} 0,010 0,028
Hydronolysegrad/protolysegrad 0,0497= 4,97 % 0,0811 = 8,11 % 0,2759 = 27,59 %
Styrkekonstanten/ K 2,39∙10^{-4} 8,83∙10^{-4} 10,67∙10^{-3}

s

Styrkeeksponenten/ pK 3,62 3,05 1,97

s

Formler til udregning:

                                  2
                                 +
1. c                           [ ] OH
                                3
   V

= =

syrechlorethan syrechlorethan

n ⋅_{NaOH} Vc_{NaOHNaOH}

V

2. [ ]_{3} OH^{+} = 10^{-pH}
3. Hydronolysegraden=

[ ]_{3} OH^{+} s s
c_{s}

4. K =

s

− OHc [ ]^{+}

s 3

5. pK = -log(K)

Side 4

Skema over rigtige værdier:

Chlorethansyre Dichlorethansyre Trichlorethansyre

                 1
Formel koncentration 0,092719 M          0,10005 M           0,102591 M

/c
pK databog^{2} 2,87 1,35 0,66

s pH udregnet ud fra 1,98 1,32 1,12

ovenstående data^{3}:
Titrering med NaOH^{4} 18,54 mL 20,01 mL 20,52 mL

Afvigelsesprocenter for målte pK i forhold til tabelværdi for pK: s s

Afvigelsesprocent=

tabelværdi

tabelværdimålt − værdi

Chlorethansyre: = 26 %

87,2

87,23,62 −

Dichlorethansyre: = 126 %

35,1

35,13,05 −

Trichlorethansyre: = 76 %

12,1

12,11,97 −

Fejlkilder:

• Det er meget væsentligt at se på hvilken effekt en ”lille” pH-ændring gør på styrkekonstantens og eksponentens størrelse

• Overtitrering

• Måleusikkerheder (ikke så vigtige):

       +
Burette: 0,1 mL
       −

          +
Fuldpipette: 0,03 mL
           −

Diskussion:

Som det kan se i skemaet over de ”rigtige” værdier for chlorethansyrerne (dvs. værdier der er fundet

i databøger) gør en lille forskel i pH en væsentlig forskel i pK. Ved pH= 1,12 er pK = 0,66, mens

s s

ved pH=1,32 så er pK helt oppe på 1,35. Hvis man derfor har målt pH lidt forkert (hvis pH-meteret

s for eksempel ikke er stillet helt korrekt eller hvis man er kommet til at tage pH-værdien lidt før den har stabiliseret sig helt), kan det resultere i større forskelle i pK s

, hvilket kan give store afvigelsesprocenter.

1

Udregnet ud fra udleveret data om antal gram af syrerne der er opløst i et bestemt volumen vand

2

Databog: Chlorethansyre s. 123, Dichlorethansyre og Trichlorethansyre s.124.

4

Bruger formlen pH= -log          ⋅++−   log                   10   ⋅++−−= ccK
                                   ss                                s

⎜ | ⎟ | ⎜ | ⎟
⎜ | ⎟ | ⎜ | ⎟
⎝ | ⎠ | ⎝ | ⎠

⎛ ⎞

⎛ ⎞

  2
                                  2
KK                 10            )10(
                                      − pKs
 ss

−− pKspKs

42 2 4

4

Udregnet ud fra tabelværdi for formel koncentration af chlorethansyrerne, volumen af chlorethansyre og koncentration

af NaOH. V(NaOH)=
c_{NaOH}

syrechlorethansyrchlorethan

Vc ⋅

Side 5

Side 5 af 6

Den fundne værdi af syrestyrkeeksponenten for chlorethansyre er på 3,62, mens den i databogen er på 2,87. Dette er en afvigelsesprocent på 26 % i forhold til databogens værdi. Afvigelsen kunne skyldes overtitrering, men hvis man kigger på den målte formelle koncentration for chlorethansyre, er den på 0,092 M, mens den ”rigtige” værdi er 0,092719 M, det må siges at være tæt på, og det er derfor ikke her afvigelsen ligger. Afvigelsen kan derimod skyldes dels måleusikkerheder, men også fejl i pH-måling. Som det kan ses skulle pH i virkeligheden have været 1,98 i stedet for 2,34 så havde pK været 2,87 som den skulle. Det kan her ses at en pH-ændring på ca. 0,3 kan resultere i en s afvigelsesprocent på 26 %. Det virker besynderligt, at vores målte pH er 0,36 fra den rigtige, og man skulle tro, der var noget galt med pH-meteret, men dette virker heller ikke til at være tilfældet da de andre grupper fik pH-værdier der ligner meget (se bilag).

Den fundne værdi af syrestyrkeeksponenten for dichlorethansyre er på 3,05, mens den i databogen er på 1,35. Dette er en afvigelsesprocent på 126 % i forhold til tabelværdien. Dette er en meget stor afvigelse, som i denne titrering både kan skyldes overtitrering og fejl i pH-måling. Vores målte formelle koncentration er på 0,1233 M, mens tabelværdier er 0,10005 M. Dette kan skyldes overtitrering, da det ved overtitrering vil se ud som stofmængden er større, og dermed bliver koncentrationen større. Som det kan ses i tabellen over de ”rigtige” værdier, skulle der kun titreres med 20,01 mL NaOH, men vi kom op på 24,65 mL. Samtidig skulle pH være 1,32 men den fik vi til

2,00. Den høje afvigelsesprocent skyldes derfor overtitrering og fejl i pH-måling, det er dog underligt, at det også er sket for de fleste andre grupper (se bilag).

Med trichlorethansyren er der igen en stor afvigelsesprocent, denne gang på 76 %. Her passede titreringen, og derved også den formelle koncentration meget godt, men den er igen gal med pH-målingen. pH skulle være 1,12 men vi målte den til 1,55 hvilket selvfølgelig resulterer i en væsentlig afvigelsesprocent. Igen har alle grupper målt en pH-værdi langt fra tabelværdien for pH

(se bilag).

Ud fra de tre titreringer og resultaterne af dem, er der noget der tyder på, at alle grupper enten har lavet fejl i pH-målingen, eller at pH-metrene ikke har virket helt korrekt, eller at pH-metrene ikke har været kaliberet helt præcist. Alle grupper har målt næsten ens pH-værdier for de tre chlorethansyrer, men de har alle været langt fra tabelværdierne for pH af chlorethansyrerne.

Det samme gælder for titrering nummer 2, altså med dichlorethansyre, her har alle fået et volumen på ca. 24,5 mL, hvor det i virkeligheden skulle være 20,01 mL. En dråbe er ca. 0,04 mL dvs. alle grupper har overtitreret med ca. 112 dråber, det virker underligt!

På trods af de store afvigelsesprocenter, ses alligevel en klar tendens, og forventninger stemmer overens med resultaterne, da pK s bliver mindre og mindre, jo flere hydrogenatomer der substitueres ud med chloratomer. Det stigende antal af elektronegative chloratomer medfører derved faldende styrkeeksponent og stærkere syrer.

Konklusion:

Ved at lave en kolometrisk syre-basetitrering med chlorethansyren som titrand, natriumhydroxid som titrator og bromthymolblåt som indikatoren, samt pH-måling med pH-meter, fandt vi de tre chlorethansyrers styrkeeksponenter ved stuetemperatur til at være henholdsvis 3,62 , 3,05 og 1,97, disse resultater gav dog afvigelsesprocenter på 26 %, 126 % og 76 % i forhold til tabelværdierne for pK for de tre chlorethansyrer. Trods de store afvigelsesprocenter har vi fundet ud af, at et stigende s

Side 6

Side 6 af 6 antal af elektronegative chloratomer medfører en stigende styrkekonstant og en faldende styrkeeksponent, hvilket betyder at syren bliver stærkere.

Kildeliste:

1. Forfattere: Erik Strandgaard Andersen, Paul Jespersgaard og Ove Grønbæk Østergaard.

Titel: DATABOG fysik kemi

Udgivelsesår: 2007

Forlag: F & K forlaget

Bilag:

Grupper:

1 2 3 4 5

pH- chlorethansyre | – | 2,38 | 2,20 | 2,34 | 2,26
pH- dichlorethansyre | – | 1,87 | 1,68 | 2,00 | 1,80
pH- trichlorethansyre | – | 1,74 | 1,64 | 1,55 | 1,58

titrering- chlorethansyre (mL) | 19,5 | 18,5 | 18,2 | 18,4 | 19,0
titrering- dichlorethansyre (mL) | 25,2 | 24,5 | 24,6 | 24,7 | 24,8
titrering- trichlorethansyre (mL) | 20,6 | 20,3 | 20,3 | 20,3 | 20,3