酸和碱浓度

来源:美国马里兰州约翰霍普金斯大学的 Smaa Koraym

1. 制备 ~0.1 M NaOH展开

   在实验的第一部分，您将使用 50% w/w 的 NaOH 溶液制备 500 mL 的 ~0.1 M。50% w/w NaOH 表示其重量比。例如，如果讲师制备 150 mL 的 50% w/w NaOH 溶液，则 150 g NaOH 溶于 150 g 水中，溶液的总重量为 300 g。

   • 首先，穿上适当的个人防护装备，包括手套、化学防溅护目镜和实验服。
   • 计算 50% w/w NaOH 的摩尔浓度，即稀释公式中的 M₁。 注意: 50% w/w NaOH 的密度为 1.53 g/mL，NaOH 的摩尔质量为 39.998 g/mol。

     表 1.从 50% w/w NaOH 制备 0.1 M NaOH

     <表格border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"> 密度为 50% w/w 储备液 1.53 g/mL 摩尔质量_NaOH 39.998 g/mol NaOH 在 50% w/w 储备溶液中的质量 （mg） 总质量为 50% w/w 储备液 50% w/w 储备液的体积 （mL） NaOH 在 50% w/w 溶液中的摩尔数 （mol） 50% w/w 储备溶液的摩尔浓度 （M₁） 需要 50% w/w 溶液的体积 （V₁） 点击此处下载表 1
   • 使用稀释公式确定制备 500 mL ~0.1 M NaOH 所需的 50% w/w NaOH 体积。
   • 将 500 mL 聚乙烯瓶标记为"~0.1 M NaOH"。
   • 将 1 mL 移液器的体积调整到计算值，并使用它将 50% w/w NaOH 转移到聚乙烯瓶中。
   • 用 100 mL 量筒测量水量，然后将其倒入装有 NaOH 的瓶子中。盖上瓶子并倒置数次以混合溶液。注意:您将需要 500 mL 减去计算的 NaOH 体积。
2. 0.1 M NaOH展开

   制备 0.1 M NaOH 后，使用酸碱滴定法确定其准确浓度或对其进行标准化。在这种技术中，将 NaOH 等碱缓慢添加到邻苯二甲酸氢钾 （KHP） 等酸中。烧瓶中发生的化学反应是中和反应。在这个中和反应中，一摩尔碱中和一摩尔酸，产生盐和水。该反应是在指示剂酚酞存在下进行的，当 pH 值为酸性时，指示剂酚酞在反应开始时是无色的。一旦向培养瓶中加入足够的 NaOH 以使 pH 值变为碱性，指示剂就会变成粉红色。

   • 将三个锥形瓶标记为"A"、"B"和"C"。
   • 称取每个烧瓶 0.5 – 0.7 g KHP 并记录每个烧瓶的质量。注意: 尝试测量所有三个烧瓶的相同质量的 KHP。

     表 2.NaOH 的标准化

     <表格border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"> 摩尔质量_KHP = 204.23 g/mol Flask A Flask B Flask C KHP 质量 （g） _{体积初始 NaOH} （mL） _{最终体积 NaOH} （mL） 体积_NaOH （mL） KHP 的痣 NaOH 的摩尔 NaOH 的摩尔浓度 平均摩尔浓度 标准差 点击此处下载表 2
   • 向每个培养瓶中加入 50 mL 去离子水，并使用玻璃搅拌棒搅拌溶液，直到它们看起来均匀。
   • 向三个培养瓶中各加入 2-3 滴酚酞。
   • 设置滴定仪。将滴定管夹安装到环形支架上，然后牢固地将 50 mL 玻璃滴定管夹在上面。确保滴定管的阀门已关闭。
   • 将 400 mL 烧杯标记为"废液"并将其放在滴定管下方。将约 5 mL 0.1 M NaOH 倒入滴定管中，冲洗滴定管。打开滴定管阀，让 NaOH 流入烧杯。
   • 关闭阀门，用略多于 50 mL 的 NaOH 填充滴定管。通过打开和关闭滴定管阀来释放滴定管尖端存在的任何气泡。记录 NaOH 的起始体积。
   • 将培养瓶 A 放在滴定管尖端下方，并使用 1 mL 体积的 NaOH 滴定溶液。每次添加后旋转溶液。继续向培养瓶中加入 1 mL 体积，直到粉红色持续存在。这被视为终端节点。记录为达到终点而添加的 0.1 M NaOH 的体积。
   • 对培养瓶 B 和 C 重复滴定。此数据将用于计算 NaOH 的实际浓度。
3. 磷酸滴定展开

   在本实验中，我们将使用酸碱滴定法测定三质子酸的三个 pKa 值中的两个，即磷酸。在这个中和反应中，磷酸与 NaOH 反应生成水和盐磷酸钠。

   • 将滴落计数器连接到滴定管夹下方的环形支架上。固定塑料滴定管，使其尖端刚好位于滴管上方。
   • 将滴计数器连接到数据采集系统，并确保塑料滴定管的两个阀门都处于关闭位置。
   • 将废液容器放在滴定管下方，将几 mL 0.1 M NaOH 倒入滴定管中。打开两个阀门，将 NaOH 排入废烧杯中。然后关闭阀门。
   • 用 25 mL 的 0.1 M NaOH 填充塑料滴定管。将约 5 mL 的液体排入废液杯中，足以使 NaOH 充满滴定管尖端。确保没有气泡，然后关闭阀门。
   • 校准放置计数器。将滴定管下方的废烧杯更换为 10 mL 量筒。然后，打开滴定管上的底部阀，同时保持顶部阀关闭。打开数据采集系统并将其设置为"液滴计数模式"。
   • 缓慢打开顶部阀门，非常缓慢地释放液滴，最好每 2 秒一滴。让滴定管中的液滴排空，直到量筒中有 9-10 mL 的 0.1 M NaOH。
   • 关闭底部阀门，保持顶部阀门不变。将量筒中 NaOH 的体积读取到小数点后第一位，并在数据采集系统中输入该值。记录 'drops/mL' 的值。然后，将量筒中的 NaOH 丢弃到水性废烧杯中。
   • 开始滴定前校准 pH 传感器。将 pH 传感器连接到数据采集系统，然后选择"校准"。在将 pH 传感器插入 pH 7 缓冲液之前，先用去离子水冲洗 pH 传感器的灯泡。将传感器浸没在水中，直到电压稳定下来，然后接受测量。
   • 用去离子水冲洗灯泡，然后将其插入 pH 10 缓冲液中。让电压稳定下来，然后接受测量。
   • 再次冲洗 pH 传感器的灯泡，然后将其滑过液滴计数器中的指定插槽。
   • 量取 40 mL 去离子水到干净的 100 mL 烧杯中，然后将 1 mL 磷酸转移到水烧杯中。
   • 将烧杯放在滴剂计数器下方的搅拌板上。小心地将 pH 传感器滑入烧杯中。
   • 在烧杯中加入搅拌棒，然后将搅拌设置调高。开始在采集设备上收集数据。然后，打开滴定管上的底部阀。注意: 掉落率应约为每 2 秒 1 个掉落物。释放第一个 drop 后，检查是否记录了数据。
   • 继续滴定，直到 pH 计读数为 pH 12。然后，停止采集数据并关闭滴定管上的阀门。将数据保存在 U 盘上。
   • 要清理您的工作空间，请使用 pH 试纸检查所有废液的 pH 值。用小苏打中和所有酸性水性废物，用柠檬酸中和所有碱性废物。向溶液中加入足够的小苏打或柠檬酸，直到它停止冒泡。
   • 用大量的水将所有中和溶液冲入水槽。
   • 清洗所有玻璃器皿。
4. 结果展开
   • 在本实验的第一部分，您使用 KHP 对 NaOH 溶液进行了标准化，以确定其实际浓度。现在，让我们看看标准化浓度与制备的 0.1 M 浓度有多接近。确定添加到每个培养瓶中的 KHP 摩尔数，并引申出 NaOH 的摩尔数。一旦溶液被中和，KHP 和 NaOH 的摩尔量相等。
   • 根据添加到每个烧瓶中的 NaOH 总体积计算 NaOH 的摩尔浓度。实际浓度低于预期的 0.1 摩尔浓度。这是因为 NaOH 具有吸湿性，因此很难准确称量。
   • 绘制磷酸滴定的结果（pH 值与 NaOH 体积的关系）。磷酸是一种弱三质子酸，这意味着它在水溶液中解离时每个分子有可能提供三个质子。磷酸有三个 pKa 值，每个质子解离时一个。
   • 查看数据。有两条 S 形曲线，表示两个等当点。每个等当点对应于磷酸的一个解离常数 Ka。注意: 当 pH 值达到 12 时，您停止了实验，因此您只测量了三个 Ka 值中的两个。
   • 绘制滴定曲线的一阶导数。等当点由曲线最大值表示。

     表 3.磷酸的滴定

     <表格border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"> 体积_{^1st 等当点} （mL） 体积_{1st 半等当点} （mL） 体积_{2^nd 等当点} （mL） 体积_{2^nd 半当量点} （mL） _测量 1st pKa 1st pKa_理论 2.16 _测量^{第 2 个} pKa 2^nd pKa_理论 7.21 NaOH 的摩尔 H₃PO₄ 的痣 H₃PO₄ 的摩尔浓度 点击此处下载表 3
   • 取与第一个等当点相对应的 NaOH 体积除以 2，找到第一个半等当点。在半等当点处，未解离的酸及其共轭碱的浓度相同，pH 值等于 pKa。
   • 从数据表中查找此体积的 pH 值以获得更精确的值。这对应于第一个 pKa，在文献中报道为 2.16。
   • 重复此作以找到第二个 pKa。第二个半等当点位于第一个和第二个等当点之间的中间，其 pKa 应约为 7.2。