pH i vandige opløsninger af salte - Rapport i Kemi

Side 1

pH i vandige opløsninger af salte

Kemi rapport af Maya Dalgaard 2.x, nov. 2011

Formål

Formålet med rapporten er, at identificere de fem salte; CH COONa, NaHSO, Na CO, NH Cl og

3 4 2 3 4

Al(NO) i fem tilfældige opløsninger, ved at måle pH på vha. tre forskellige metoder:

3 3

1. pH-måling med indikatorer

2. pH-måling med universalindikatorpapir

3. pH-måling med pH-meter

Teori

Opløsning af middelstærk og svag syre

Der er to måder at udregne pH for middelstærke og svage syrer, hvilket afhænger af pK, også s kaldet styrkeeksponenten, som er defineret til minus titalslogaritmen til talværdien af styrkekonstanten K.

s

Opløsning af en ikke-stærk syre:

(0 < pK < 10) s

𝐾_{𝑠} =

[ 𝐻_{3} 𝑂^{+}]^{2}
𝑐_{𝑠} − [ 𝐻_{3} 𝑂^{+}]

𝑝𝐻 = − log [ 𝐻_{3} 𝑂^{+}]

Hvor K er syrens styrkekonstant, som defineres ud fra syres reaktion med vand, og c er s s syrens formelle stofkoncentration.

Opløsning af en svag syre:

For opløsninger af svage syrer gælder følgende, da man her kan bruge en mere specifik formel:

(4 < pK < 10) s

𝑝𝐻 = ∗ (𝑝𝐾_{𝑠} − log 𝑐_{𝑠})

1

2

Side 2

Opløsning af middelstærk og svag base

For opløsninger af middelstærke og svage baser, beregnes pOH analogt med beregningen af syrens pH. For baser betegnes styrkekonstanten K b b

, mens styrkeeksponenten betegnes pK

.

Opløsning af en ikke-stærk base:

(0 < pK < 10) b

𝐾_{𝑏} =

[ 𝑂𝐻^{−}]^{2}
𝑐_{𝑏} − [ 𝑂𝐻^{−}]

𝑝𝑂𝐻 = − log [ 𝑂𝐻^{−}]

Opløsning af svag base:

(4 < pK < 10) b

𝑝𝑂𝐻 = ∗ (𝑝𝐾_{𝑏} − log 𝑐_{𝑏})

1

2

For at få disse pOH-værdier omregnet til pH, laves blot følgende udregning:

𝑝𝐻 + 𝑝𝑂𝐻 = 14 ⇔ 𝑝𝐻 = 14 − 𝑝𝑂𝐻

For bedre at kunne overskue de salte vi har med at gøre, deres syre-base egenskaber, samt pK og pK værdi, der skal bruges i det senere dataarbejde, har jeg sat disse ind i et skema.

s b

Hvilken ion i saltet der har syre-base egenskab, er bestemt efter hvilken ion der er stærkest, baseret på tabellen på s. 312 i Basis Kemi B.

Salt Positiv ion Negativ ion pK /pK

Syre-base egenskab s b

CH COONa Na^{+} CH COO^{-} pK = 9,24

3 3 b

CH COO^{-}, svag

3 base

NaHSO Na^{+} HSO^{-} middelstærk pK = 1,99

4 4 s

HSO^{-},

4 syre

Na CO (2)Na^{+} CO^{2-} middelstærk pK = 3,68

2 3 3 b

CO^{2-},

3 base

NH Cl

4

NH^{+} CL^{-} NH^{+}, svag syre pK = 9,25

4 4 s

Al(NO)

3 3

Al^{3+} NO^{-} Al^{3+}, svag base pK = 4,89

3 s

Side 3

Forsøgsbeskrivelse

Apparatur: Kemikalier: Indikatorer:

5 bægerglas 100 mL CH COONa 0,100 Methylorange

5 engangspipetter NaHSO 0,100 Bromcresolgrønt

Universalindikatorpapir Na CO 0,100 Methylrødt

Urglas NH Cl 0,100 Bromthymolblåt pH-meter Al(NO) 0,100 Phenophtalein

Puffer 4,0 og 9,0 Thymolblåt

Demineraliseret vand Lakmus

3 M

4 M

2 3 M

4 M

3 3 M

Eksperimentelt:

Til en start tilsatte vi en smule af de fem nummererede ukendte saltopløsninger til fem bægerglas, som vi nummererede tilsvarende. Herefter begyndte vi at bestemme pH i én opløsning ad gangen, efter tre følgende metoder.

A. pH-måling med indikatorer:

I metode A, tilførte vi noget af den pågældende opløsning til et urglas, hvorefter vi tilsatte et par dråber af en vilkårlig indikator, og derefter så hvad det givne udslag betød for pH-værdien. For at gøre det nemmere for os selv, og så vidt muligt undgå at få unødvendige indikatorer i brug, startede vi med at bruge bromthymolblåt eller lakmus, som ville afgøre om opløsningen enten var hhv. sur eller basisk. Når dette så var bestemt, tog vi et rent urglas og tilsatte noget nyt af opløsningen, hvorefter vi valgte en ny indikator, som burde få et udslag indenfor det forinden bestemte pH-interval. Denne proces gentog vi, til vi havde bestemt det mest præcise pH-interval for en opløsning.

B. pH-måling med universalindikatorpapir:

Efter at have bestemt det mest nøjagtige pH-interval for samtlige saltopløsninger, lagde vi et universalindikatorpapir ned i den ukendte opløsning, hvorefter vi noterede pH efter at have sammenlignet med farveskalaen på pakken.

Når vi havde bestemt pH for en opløsning med både metode A og B, gentog vi derefter processen for hver af de fire resterende opløsninger.

C. pH-måling med pH-meter:

Den sidste pH-måling vi lavede på de ukendte slatopløsninger var, at måle pH med et pH-meter. I første omgang kalibrerede vi vores pH meter med to pufferopløsninger med hhv. pH

4,00 og 9,00. Herefter placerede vi pH-metret i et af bægerglassene, og når det havde indstillet sig, noterede vi pH. Efter hver måling, sørgede vi for at skylle elektroden grundigt med demineraliseret vand.

Side 4

Sikkerhed

Da vi arbejdede med ætsende syrer og baser, som dog alle kun havde en koncentration på

0,100, blev vi nødt til at tage forbehold for visse sikkerhedsforanstaltninger, som at bære M kittel og sikkerhedsbriller. Det var også vigtigt at vi hældte de nybestemte syre og base opløsninger ned i de rigtige kemikaliebeholdere.

Resultat- og databearbejdning

I følgende skema er indsat indsamlede data fra forsøget, og i sidste kolonne er indsat de beregnede pH-værdier nedenfor skemaet, som er placeret efter, hvilken saltopløsning deres pH stemmer overens med.

Nr.

Målt pH

Beregnet salt i opløsning

A C

Indikator pH-meter

B

Universal-indikatorpapir

1 Phenolphtalein: Meget rød =

Lakmus: Blå = basisk >8,3

pH > 10

11 – 12 10,80

Na CO med

2 3

pH = 11,66

2

Methylorange: 3,1-4,4 Al(NO) med

Bromcesolgrøn: 3,8–5,4 pH = 2,95

4 3,08

3 3

3

Thymolblåt: Svag rød NaHSO med

= pH < 1,2 pH = 1,57

0 – 1 1,50

4

4

Bromthymolblåt: Grøn = 6–

7,6

Thymolblåt: Svag gul = < 8

(2,8-8) NH Cl med

Methylrød: Lys orange: 4,4- pH = 4,58

6,2

Phenolphtalein:

Farveløs/hvid = < 8,2

7 6,52

4

5

Bromthymolblå: Svag

blå/grøn = 6-7,6 eller > 7,6
Thymolblåt: Gul = 2,8 – 8 CH COONa
Methylrød: Gul = > 6,2 med pH = 8,88

Phenolphtalein:

Farveløs/hvid = < 8,2

Ca. 8 7,08

3

Side 5

For at beregne pH af de forskellige salte, skal vi beregne pH af den betydende ion i saltet der har syre-base egenskab, da denne vil have samme pH som saltet.

Den betydende ion for de forskellige salte samt pK s b og pK værdi, findes i skemaet under teoriafsnittet.

Formel stofkoncentration, c for alle salte = 0,100

M

CH COONa:

3

𝑝𝑂𝐻 = ∗ ( 𝑝𝐾𝑏 − 𝑙𝑜𝑔 𝑐_{𝑏}) = ∗ ( 9,24 − log 0,100) = 5,12

1 | 1
2 | 2

𝑝𝐻 = 14 − 5,12 = 𝟖, 𝟖𝟖

NaHSO:

4

Da pK værdien for HSO^{-} er under 4, udregnes pH efter følgende formel. K slås op i tabellen

s 4 s bag i bogen.

𝐾_{𝑠} = 1,02 ∗ 10^{−2}

𝐾_{𝑠} = ⇔ 1,02 ∗ 10^{−2} =

[ 𝐻_{3} 𝑂^{+}]^{2} [ 𝐻_{3} 𝑂^{+}]^{2}
𝑐_{𝑠} − [ 𝐻_{3} 𝑂^{+}] 0,100 𝑀 − [ 𝐻_{3} 𝑂^{+}]

[ 𝐻_{3} 𝑂^{+}] = 0,0272 𝑀

𝑝𝐻 = − log [ 𝐻_{3} 𝑂^{+}] ⇔ − log(0,0272) = 𝟏, 𝟓𝟕

Na CO:

2 3

𝑝𝑂𝐻 = ∗ ( 𝑝𝐾𝑏 − 𝑙𝑜𝑔 𝑐_{𝑏}) = ∗ ( 3,68 − log 0,100) = 2,34

1 | 1
2 | 2

𝑝𝐻 = 14 − 2,34 = 𝟏𝟏, 𝟔𝟔

NH Cl:

4

𝑝𝐻 = ∗ ( 𝑝𝐾𝑠 − 𝑙𝑜𝑔 𝑐_{𝑠}) = ∗ ( 9,25 − log 0,100) = 𝟒, 𝟓𝟖

1 1

2 2

Al(NO):

3 3

𝑝𝐻 = ∗ ( 𝑝𝐾_{𝑠} − 𝑙𝑜𝑔 𝑐_{𝑠}) = ∗ ( 4,89 − log 0,100) = 𝟐, 𝟗𝟓

1 1

2 2

Side 6

Diskussion

Mine data viser, at det faktisk kun er den første opløsning, hvis målte pH-interval i metode A stemmer overens med den teoretiske eller beregnede pH, og generelt ses der en afvigelse mellem den teoretiske pH og de tre pH-målinger vi har foretaget; A, B og C.

Vi kan udregne metode C’s eksakte afvigelse fra den teoretiske pH for de fem målinger.

Eks. opløsning 1, Na CO:

2 3

%𝑎𝑓𝑣𝑖𝑔𝑒𝑙𝑠𝑒 = = = 7,38 %

𝑝𝐻 𝑓𝑜𝑟𝑠𝑘𝑒𝑙 11,66 − 10,80

𝑡𝑒𝑜𝑟𝑒𝑡𝑖𝑠𝑘 𝑝𝐻 11,66

Procentafvigelser for de resterende opløsninger:

Opløsning 2, Al(NO) = 4,22 %

3 3

Opløsning 3, NaHSO = 4,46 %

4

Opløsning 4, NH Cl = 42,36 %

4

Opløsning 5, CH COONa = 20,27 %

3

Jeg har angivet alle procentafvigelser til at være positive, ved at sørge for at pH forskellen bliver positiv, da det ikke er relevant om afvigelsen er negativ eller positiv, men derimod kun afvigelsens størrelse.

Som førnævnt, ses det her at målingerne fra pH-metret generelt afviger meget fra den teoretiske pH. Denne gennemgående fejl skyldes måske, at den formelle koncentration af de fem salte ikke har været præcis 0,100

M

, som de er angivet til, hvilket derfor har medført et afvigende resultat.

Hvis vi sammenligner de forskellige pH-målinger A, B og C, må vi gå ud fra, at det er måling C vi må have mest tillid til, da det er pH-metret der beregner pH mest præcis af de tre metoder.

Men målingerne imellem, er de målte pH-værdier faktisk nogenlunde inde for samme interval, selvom A’s interval ved opløsning 2 og 3 afviger en smule fra C i et par af indikatorerne. Men da vi har mange indikatorer på spil, og pH bliver bestemt efter egen øjenvurdering af farve, kan dette sagtens have været en fejl fra vores side.

Metode B anvendes efter metode A, til at indsnævre pH lidt mere, men da pH igen her bestemmes efter øjemål, er denne metode heller ikke særlig præcis, og desuden kan den kun vise hele tal. Metode B kan bruges til, at få en idé om, hvad pH er, men som man kan se, sammenlignet både med A og C, kan B afvige fra de andre med næsten helt op til 1.

Side 7

Fejlkilder pH-meter:

Der var lidt batteri på pH-metret, hvilket kan have forårsaget upræcision i målingerne.

Desuden er det en mulighed, at vi ikke renset elektroden ordentligt nok med det demineraliserede vand, hvilket derfor også kan have været skyld i unøjagtighed for de endelige målinger, hvis der har været rester fra det foregående salt på elektroden.

Måleusikkerheder

Metode A:

Som nævnt foroven, har der her været en del måleusikkerheder, da det var svært at vide sig sikker på, hvornår indikatoren præcis slog ud, og derfor er det meget tænkeligt at farven enten har været for kraftig eller svag, i forhold til hvad den burde have været, og at vi derved har noteret den til at være i et forkert eller upræcist pH-interval.

Metode B:

Da universalindikatorpapiret kun viser hele tal, er den endelige pH-værdi vi får her ikke særlig præcis, og desuden er det en individuel bedømmelsessag at fastslå, hvor på farveskalaen pH passer bedst, hvilket også kan have været skyld i upræcision.

Nøjagtigheden for målingerne er her ± 0,5.

Metode C:

Her burde der umiddelbart ikke være nogen måleusikkerhed, da pH-metret viser pH med to decimaler, men da der kun var lidt batteri på pH-metret, var apparatet ved et par af målingerne forholdsvis langsomt opfattende, og vi kan derved have kommet til at notere en ikke helt fastslået og dermed upræcis pH.

Konklusion

Formålet med forsøget blev opfyldt, da jeg har bestemt, hvilke salte der matcher opløsningerne 1-5, efter at have foretaget de tre forskellige pH-målinger på opløsningerne, og derefter sammenlignet resultaterne med de derefter beregnede teoretiske pH-værdier. Der ses dog betydelige afvigelser mellem den teoretiske pH og de målte, hvilket kan skyldes fejlkilder som upræcise koncentrationer, og måleusikkerheder som unøjagtighed ved øjemål.