Löslichkeit

Quelle: Smaa Koraym von der Johns Hopkins University, MD, USA

1. Erstellen einer gesättigten LösungErweitern

   In diesem Experiment stellen Sie eine gesättigte Lösung von Natriumtetraborat-Decahydrat, auch Borax genannt, her. In Wasser dissoziiert Borax in zwei Natriumkationen und ein Tetraboratanion. Wenn eine wässrige Boraxlösung gesättigt ist, bedeutet dies, dass sie die maximale Menge an gelöstem gelösten Stoff, nämlich Borax, für das Lösungsmittelvolumen, das Wasser ist, enthält. Alle zusätzlichen Feststoffe scheinen sich nicht aufzulösen.

   Da die Löslichkeit temperaturabhängig ist, entsteht für jede Gruppe eine gesättigte Lösung bei einer anderen Temperatur. Bei höheren Temperaturen löst sich mehr Borax auf, was zu einer Lösung mit einer höheren Boraxkonzentration führt.

   • Bevor Sie das Experiment starten, ziehen Sie die notwendige persönliche Schutzausrüstung an, einschließlich eines Laborkittels, einer Schutzbrille und Handschuhen.
   • Der Dozent weist Ihnen eine Temperatur zu, die Sie während des Experiments verwenden sollen. Bestimmen Sie anhand dieser Temperatur anhand der Tabelle die Menge an Borax, die Sie benötigen, um eine gesättigte Lösung herzustellen.

     Temperatur (°C)	Menge von Borax (g)
     10	4
     20	6
     30	8
     40	13
     50	21

   • Messen Sie die notwendige Menge an Borax für die Ihnen zugewiesene Temperatur. Für eine Temperatur von 30 °C werden z.B. 8 g Borax benötigt. Notieren Sie die Masse in Ihrem Labornotizbuch. Erstellen Sie diese Tabelle, um den Überblick über Ihre Daten zu behalten.

     Tabelle 1: Temperatur- und Volumendaten

     Zugewiesene Temperatur (°C)
     Borax-Masse (g)
     Versuch	Lösungstemperatur (°C)	Volumen (ml) von 0,5 M HCl hinzugefügt
     1
     2
     3
     4
     5

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   • Beschriften Sie ein 150-ml-Becherglas mit 'Borax-Lösung' und übertragen Sie das Borax hinein. Messen Sie 50 ml entionisiertes Wasser ab und gießen Sie es in das Becherglas. Geben Sie einen magnetischen Rührstab in die Lösung, stellen Sie den Becher auf die Kochplatte und schalten Sie die Rührstufe ein.
   • Verwenden Sie eine digitale Thermometerklemme, um ein digitales Thermometer in das Becherglas und über den Rührstab zu halten. Erhitzen Sie den Becher auf etwa 10 bis 20 °C höher als die zugewiesene Temperatur. Anmerkung: Die Schüler, denen die Temperatur von 10 °C zugewiesen ist, lassen das Borax bei Raumtemperatur auflösen.
   • Für alle zugewiesenen Temperaturen fügen Sie 200 ml deionisiertes Wasser in ein 400-ml-Becherglas hinzu. Legen Sie dann ein Glasthermometer in das Becherglas mit Wasser. Stellen Sie den Becher auf die Heizplatte und erhitzen Sie das Wasser auf 20 °C höher als die angegebene Temperatur. Anmerkung: Schüler, denen die Temperatur von 10 °C zugewiesen ist, sollten Wasser mit Raumtemperatur verwenden.
   • Beschriften Sie die fünf 250-ml-Erlenmeyerkolben als 'Versuche 1 bis 5'. Sobald sich das Borax vollständig in der Lösung aufgelöst hat und es homogen erscheint, nehmen Sie das Becherglas von der Rührplatte und stellen Sie es auf die Tischplatte, um es auf die zugewiesene Temperatur abzukühlen.
   • Sobald die Temperatur erreicht ist, lege das Becherglas auf einen Stapel Papiertücher, um als Isolator zu fungieren und eine konstante Temperatur zu halten. Anmerkung: Schüler, die der Temperatur von 10 °C zugewiesen sind, sollten ihr Becherglas mit Boraxlösung in ein größeres, mit Eis und Wasser gefülltes Becherglas geben.
   • Kennzeichnen Sie ein weiteres 400-ml-Becherglas als 'Abfall' und pipettieren Sie 5 ml des heißen Wassers in Ihr Abfallbecherglas. Wiederholen Sie dies mehrmals, um die Pipette aufzuwärmen und zu verhindern, dass sie beim Abkühlen des Borax verstopft.
   • Notieren Sie die genaue Temperatur der Borax-Lösung in Ihrem Notebook. Pipettieren Sie dann 5 ml der gesättigten Boraxlösung von der Oberseite des Becherglases und geben Sie sie in den ersten 250-ml-Erlenmeyerkolben. Lassen Sie die Pipette nicht mit dem kristallisierenden Borax am Boden des Bechers in Berührung kommen.
   • Pipettieren Sie 5 mL des heißen Wassers in den Erlenmeyerkolben mit der Borax-Lösung. Dies wird für jeden der vier verbleibenden Kolben wiederholt, wobei 5 ml Boraxlösung und 5 ml Wasser hinzugefügt werden. Denken Sie daran, die Temperatur Ihrer Borax-Lösung im Auge zu behalten, da sie auf der Arbeitsplatte abkühlt. Anmerkung: Die Temperatur der gesättigten Lösung, die in jeden der fünf Kolben überführt wird, sollte zwischen 2 und 3 °C liegen. Schüler, die mit den höheren Temperaturen arbeiten, müssen ihre Lösung möglicherweise erneut erhitzen, bevor sie fortfahren können.
2. Titration der Borax-LösungErweitern

   Nun bestimmst du, wie viel Borax sich in deiner gesättigten Lösung aufgelöst hat. Erinnern Sie sich an die chemische Reaktion, die zeigt, wie Borax in Wasser dissoziiert und das Tetraborat-Ion bildet. Da das Tetraborat-Ion eine Base ist, reagiert es nach einer Neutralisationsreaktion mit Säure.

   Wenn die Säuremenge doppelt so groß ist wie die Menge an Tetraborat, wird die Lösung neutralisiert. Zu diesem Zweck geben wir HCl langsam in die Borax-Lösung ab, bis sie neutralisiert ist, was bedeutet, dass die Säure und die Base zu Wasser und Salz und einem neutralen pH-Wert reagieren. Wir verwenden den pH-Indikator Bromkresolgrün, um uns mitzuteilen, wann die Lösung neutralisiert ist, da sie sich von blau zu blass grünlich-gelb verfärbt, wenn der pH-Wert neutral ist.

   • Um die Titration zu beginnen, messen Sie zuerst 40 mL deionisiertes Wasser und geben Sie es in einen der Erlenmeyerkolben. Schwenke den Kolben, um sicherzustellen, dass das gesamte Borax in Lösung ist. Wiederholen Sie dies für die anderen vier Kolben.
   • Geben Sie 2 - 3 Tropfen 0,1% Bromkresolgrün in jeden Kolben.
   • Befestigen Sie eine Bürettenklemme an einem Ringständer und befestigen Sie eine Bürette in der Klemme, während Sie darauf achten, dass die Bürette vertikal und so gerade wie möglich ist. Vergewissern Sie sich, dass der Absperrhahn an der Bürette geschlossen ist.
   • Setze einen Trichter in das offene Ende der Bürette und fülle die Bürette mit deionisiertem Wasser. Setze deinen Becher unter die Bürette und öffne den Absperrhahn, um das gesamte Wasser aus der Bürette spülen zu lassen. Schließen Sie dann den Absperrhahn.
   • Besorge dir 0,5 M HCl von deinem Dozenten und gieße 10 mL in die Bürette. Orientieren Sie sich an den Markierungen an der Seite der Bürette. Öffnen Sie den Absperrhahn an der Bürette, damit das gesamte HCl in das Becherglas abfließen
     kann
   • Schließen Sie den Absperrhahn wieder und füllen Sie dann die Bürette mit 50 mL HCl. Öffnen Sie den Absperrhahn leicht, damit die Flüssigkeit die Spitze der Bürette füllen und alle Blasen entfernen können.
   • Zeichnen Sie das anfängliche Volumen von HCl in Ihrem Labornotizbuch auf.
   • Für den ersten Versuch titrieren Sie den HCl in Schritten von 1 ml in die Boraxlösung. Schwenken Sie den Kolben nach jeder Zugabe vorsichtig, um sicherzustellen, dass die Lösung gut vermischt ist. Anmerkung: Am Endpunkt der Titration färbt der Indikator die Lösung von hellblau in eine blasse grünlich-gelbe Farbe. Wenn Ihre Projektmappe eine dunkelgelbe Farbe annimmt, bedeutet dies, dass Sie den Endpunkt übergeben haben.
   • Wenn Sie den Endpunkt erreicht haben, notieren Sie das verbleibende HCl-Volumen in der Bürette.
   • Füllen Sie die Bürette bis zur 50-ml-Marke mit mehr HCl auf und wiederholen Sie die Titration für alle anderen Kolben mit Boraxlösung. Stellen Sie sicher, dass Sie die endgültigen HCl-Volumina aufzeichnen, die für jede Titration verwendet werden.
   • Um das Experiment zu reinigen, platzieren Sie das 400-ml-Abfallbecherglas unter dem Bürettenausguss und öffnen Sie die Bürette, um das restliche HCl abzulassen.
   • Füllen Sie die Bürette mit deionisiertem Wasser und lassen Sie es durch die Bürette spülen.
   • Verwenden Sie Ihre restliche Boraxlösung, um die Säure in Ihrem Abfallbecher zu neutralisieren. Schwenken Sie den Becher, bis er aufhört zu blubbern.
   • Geben Sie Backpulver in den Abfallbecher und schwenken Sie die Lösung. Füge weiterhin Backpulver hinzu und schwenke die Lösung, bis sie aufhört zu sprudeln. Anmerkung: Es kann sein, dass Sie keine Blasenbildung beobachten, da das Borax den größten Teil der Neutralisation übernimmt.
   • Waschen Sie den Inhalt des Abfallbechers mit reichlich Wasser in die Spüle. Die Kolben mit Borax und HCl aus Ihren Titrationen werden neutralisiert, so dass sie auch in die Spüle gegossen werden können.
3. ResultsErweitern
   • Bestimmen Sie zunächst die Reaktionskonstante K_sp für die Borax-Dissoziation in Wasser. Bestimmen Sie die durchschnittliche Temperatur in Celsius und das durchschnittliche Volumen von 0,5 M HCl, das zum Erreichen des Endpunkts der Titration verwendet wird.

     Tabelle 2: Bestimmung von ΔG, ΔH und ΔS

     Zugewiesene Temperatur (°C)	T durchschnittlich (°C)	Vavg (mL)	Tavg (K)	1/Tavg (K)	Maulwürfe von 0.5 M HCl	Molarity of Na2[B4O5(OH)4]	Ksp	lnKsp	ΔG (kJ/mol)
     10 °C
     20 °C
     30 °C
     40 °C
     50 °C

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   • Rufen Sie Daten aus anderen Gruppen ab, sodass Sie für jede Temperatur ein durchschnittliches HCl-Volumen haben.
   • Die Löslichkeitskonstante wird aus der Stöchiometrie der Dissoziationsreaktion von Borax und Wasser bestimmt. Da der Reaktant fest ist, ist er nicht in der Expression enthalten. Da für jedes Tetraborat zwei Natriumkationen gebildet werden, wird davon ausgegangen, dass die Natriumkonzentration gleich der doppelten Konzentration von Tetraborat ist. Somit kann der Ausdruck wie folgt vereinfacht werden: K_sp = 4[[B₄O₅(OH)₄]^2-]³
   • Die Konzentration von Tetraborat kann aus dem Volumen von HCl berechnet werden, das verwendet wird, um den Endpunkt der Titration zu erreichen und die Base zu neutralisieren. Die Mole von HCl entsprechen dem Volumen von HCl multipliziert mit der Molarität der Lösung. Da zwei Mol HCl benötigt werden, um ein Mol Tetraborat zu neutralisieren, können die Mole Tetraborat leicht berechnet werden.
   • Berechnen Sie die Konzentration von Tetraborat (basierend auf 5 mL Volumen der gesättigten Lösung) und bestimmen Sie die Reaktionskonstante. Wiederholen Sie die Berechnung für jede Temperatur und vergleichen Sie Ihre Ergebnisse.
   • Verwenden Sie die Titrationsdaten, um die freie Gibbs-Energie ΔG bei jedem Temperaturwert zu berechnen und zu bestimmen, ob die Dissoziation von Borax eine spontane Reaktion ist. Erinnern Sie sich an den ΔG-Ausdruck, bei dem R die Gaskonstante, T die Temperatur der Lösung in Kelvin und K_sp unsere Reaktionskonstante ist. Berechnen Sie unter Verwendung unserer Reaktionskonstanten und der entsprechenden Temperatur ΔG für jede Temperatur.
   • Denken Sie daran, dass, wenn ΔG positiv ist, die Reaktion nicht spontan ist, was bedeutet, dass Energie in die Reaktion gesteckt werden muss, damit sie ablaufen kann. Ist ΔG jedoch negativ, verläuft die Reaktion spontan. Im Allgemeinen ist diese Reaktion bei niedrigen Temperaturen nicht spontan, aber sie ist spontan bei höheren Temperaturen. Dies stützt die Theorie, dass Borax die Salzkristallstruktur bevorzugt, die sich bei Raumtemperatur und niedriger bildet, aber nach Erreichen einer bestimmten Temperatur bevorzugt in Lösung geht. Verwenden Sie K_sp, um ΔH und ΔS zu berechnen.
   • Stellt den natürlichen Logarithmus von K_sp als Funktion von 1/T in Kelvin dar. Die Steigung dieser Geraden ist gleich -ΔH/R, also berechnen Sie ΔH. Der Schnittpunkt der Geraden ist gleich ΔS/R. Bestimmen Sie ΔS.
   • Da die Änderung der Enthalpie dieser Reaktion etwa 90 kJ/mol beträgt und positiv ist, ist die Reaktion endotherm, was bedeutet, dass sie Energie absorbiert. Die Änderung der Entropie ist positiv und beträgt etwa 290 J/mol·K, was auf eine günstige Produktion von Unordnung hinweist. Dies ist zu erwarten, da die Kristallstruktur des Salzes zerfällt.