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
3
COONa, NaHSO
4
, Na
2
CO
3
, NH
4
Cl og
Al(NO
3
)
3
i fem tilfældige opløsninger, ved at måle pH på vha. tre forskellige metoder:
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
s
, også
kaldet styrkeeksponenten, som er defineret til minus titalslogaritmen til talværdien af
styrkekonstanten K
s
.
Opløsning af en ikke-stærk syre:
(0 < pK
s
< 10)
Hvor K
s
er syrens styrkekonstant, som defineres ud fra syres reaktion med vand, og c
s
er
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
s
< 10)
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
, mens styrkeeksponenten betegnes pK
b
.
Opløsning af en ikke-stærk base:
(0 < pK
b
< 10)
Opløsning af svag base:
(4 < pK
b
< 10)
For at få disse pOH-værdier omregnet til pH, laves blot følgende udregning:
For bedre at kunne overskue de salte vi har med at gøre, deres syre-base egenskaber, samt
pK
s
og pK
b
værdi, der skal bruges i det senere dataarbejde, har jeg sat disse ind i et skema.
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
Syre-base
egenskab
pK
s
/pK
b
CH
3
COONa
Na
+
CH
3
COO
-
CH
3
COO
-
, svag
base
pK
b
= 9,24
NaHSO
4
Na
+
HSO
4
-
HSO
4
-
,
middelstærk
syre
pK
s
= 1,99
Na
2
CO
3
(2)Na
+
CO
3
2-
CO
3
2-
,
middelstærk
base
pK
b
= 3,68
NH
4
Cl
NH
4
+
CL
-
NH
4
+
, svag syre
pK
s
= 9,25
Al(NO
3
)
3
Al
3+
NO
3
-
Al
3+
, svag base
pK
s
= 4,89
Forsøgsbeskrivelse
Apparatur:
5 bægerglas 100 mL
5 engangspipetter
Universalindikatorpapir
Urglas
pH-meter
Puffer 4,0 og 9,0
Demineraliseret vand
Kemikalier:
CH
3
COONa 0,100
M
NaHSO
4
0,100
M
Na
2
CO
3
0,100
M
NH
4
Cl 0,100
M
Al(NO
3
)
3
0,100
M
Indikatorer:
Methylorange
Bromcresolgrønt
Methylrødt
Bromthymolblåt
Phenophtalein
Thymolblåt
Lakmus
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.
Sikkerhed
Da vi arbejdede med ætsende syrer og baser, som dog alle kun havde en koncentration på
0,100
M
, blev vi nødt til at tage forbehold for visse sikkerhedsforanstaltninger, som at bære
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
Indikator
B
Universal-
indikatorpapir
C
pH-meter
1
Lakmus: Blå = basisk >8,3
Phenolphtalein: Meget rød =
pH > 10
11 – 12
10,80
Na
2
CO
3
med
pH = 11,66
2
Methylorange: 3,1-4,4
Bromcesolgrøn: 3,8–5,4
4
3,08
Al(NO
3
)
3
med
pH = 2,95
3
Thymolblåt: Svag rød
= pH < 1,2
0 – 1
1,50
NaHSO
4
med
pH = 1,57
4
Bromthymolblåt: Grøn = 6–
7,6
Thymolblåt: Svag gul = < 8
(2,8-8)
Methylrød: Lys orange: 4,4-
6,2
Phenolphtalein:
Farveløs/hvid = < 8,2
7
6,52
NH
4
Cl med
pH = 4,58
5
Bromthymolblå: Svag
blå/grøn = 6-7,6 eller > 7,6
Thymolblåt: Gul = 2,8 – 8
Methylrød: Gul = > 6,2
Phenolphtalein:
Farveløs/hvid = < 8,2
Ca. 8
7,08
CH
3
COONa
med pH = 8,88
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
og pK
b
værdi, findes i skemaet under
teoriafsnittet.
Formel stofkoncentration, c for alle salte = 0,100
M
CH
3
COONa:
NaHSO
4
:
Da pK
s
værdien for HSO
4
-
er under 4, udregnes pH efter følgende formel. K
s
slås op i tabellen
bag i bogen.
Na
2
CO
3
:
NH
4
Cl:
Al(NO
3
)
3
:
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
2
CO
3
:
Procentafvigelser for de resterende opløsninger:
Opløsning 2, Al(NO
3
)
3
= 4,22 %
Opløsning 3, NaHSO
4
= 4,46 %
Opløsning 4, NH
4
Cl = 42,36 %
Opløsning 5, CH
3
COONa = 20,27 %
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.
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.