מסיסות

מקור: סמאא קורים באוניברסיטת ג'ונס הופקינס, MD, ארה"ב

1. יצירת פתרון רווי<לחצן class="expand">הרחב

   בניסוי זה, תוכלו ליצור תמיסה רוויה של נתרן tetraborate decahydrate, המכונה גם בורקס. במים, בורקס מתפרק לשני קטיונים של נתרן ואניון טטרבוראט אחד. כאשר תמיסת בורקס מימית רוויה, המשמעות היא שהיא מכילה את הכמות המקסימלית של מומס מומס, שהוא בורקס, עבור אותו נפח של ממס, שהוא מים. כל מוצק נוסף לא ייראה מתמוסס.

   מכיוון שמסיסות תלויה בטמפרטורה, כל קבוצה תיצור תמיסה רוויה בטמפרטורה שונה. יותר בורקס יתמוסס בטמפרטורות גבוהות יותר, וכתוצאה מכך יתקבל תמיסה עם ריכוז בורקס גבוה יותר.

   • לפני תחילת הניסוי, לבשו את ציוד המגן האישי הדרוש, כולל מעיל מעבדה, משקפי התזה כימיים וכפפות.
   • המדריך יקצה לך טמפרטורה לשימוש במהלך הניסוי. בהתבסס על טמפרטורה זו, לקבוע את כמות בורקס תצטרך כדי ליצור פתרון רווי באמצעות השולחן. <טבלה align="center" style="border-collapse: collapse; font-size: 17px; line-height: 24px;"> Temperature (°C) כמות בורקס (g) 10 4 20 6 30 8 40 13 50 21
   • מדדו את כמות הבורקס הדרושה לטמפרטורה שהוקצתה לכם. לדוגמה, 8 גרם בורקס נדרש לטמפרטורה של 30 מעלות צלזיוס. רשום את המסה במחשב הנייד שלך במעבדה. צור טבלה זו כדי לעזור לך לעקוב אחר הנתונים שלך.

     טבלה 1: נתוני טמפרטורה ונפח

     טמפרטורה מוקצית (°C)
     מסת בורקס (g)
     גירסת ניסיון	טמפרטורת הפתרון (°C)	נפח (mL) של 0.5 M HCl נוסף
     1
     2
     3
     4
     5

     לחץ כאן להורדת טבלה 1
   • תייגו של 150 מ"ל 'תמיסת בורקס', והעבירו את הבורקס לתוכו. למדוד 50 מ"ל של מים deionized ויוצקים אותו לתוך beker. הוסיפו מוט ערבוב מגנטי לתמיסה, הניחו את הכד על הפלטה החמה והפעילו את הגדרת הערבוב.
   • השתמש במהדק מדחום דיגיטלי כדי להחזיק מדחום דיגיטלי בתוך הכד ומעל מוט הערבוב. מחממים את הכד לכ-10 עד 20 מעלות צלזיוס גבוהות יותר מהטמפרטורה שהוקצתה. הערה: תלמידים שהוקצו לטמפרטורה של 10 מעלות צלזיוס יאפשרו לבורקס להתמוסס בטמפרטורת החדר.
   • עבור כל הטמפרטורות שהוקצו, הוסף 200 מ"ל של מים נטולי יונים, לכוס של 400 מ"ל. לאחר מכן, מניחים מדחום זכוכית בכוס המים. הניחו את הכד על הצלחת החמה וחממו את המים לטמפרטורה גבוהה ב-20°C מהטמפרטורה שהוקצתה לכם. הערה: תלמידים שהוקצו לטמפרטורה של 10 מעלות צלזיוס צריכים להשתמש במים בטמפרטורת החדר.
   • תייגו את חמש צלוחיות Erlenmeyer בנפח 250 מ"ל כ'ניסויים 1 עד 5'. לאחר שהבורקס התמוסס במלואו בתמיסה והוא נראה הומוגני, הסירו את הכד מצלחת הערבוב והניחו אותו על הספסל להתקרר לטמפרטורה שהוקצתה.
   • לאחר שהטמפרטורה הגיעה, הניחו את הכד על ערימת מגבות נייר כדי לשמש כמבודד ולשמור על טמפרטורה קבועה. הערה: תלמידים שהוקצו לטמפרטורה של 10 מעלות צלזיוס צריכים למקם את הכוס שלהם המכילה תמיסת בורקס לתוך גדולה יותר מלאה בקרח ומים.
   • תייגו נוספת של 400 מ"ל כ"פסולת", ופיפטה 5 מ"ל של המים החמים לתוך הפסולת שלכם. חזרו על הפעולה מספר פעמים כדי לחמם את הפיפטה ולמנוע ממנה להיסתם כשהבורקס מתקרר.
   • רשום את הטמפרטורה המדויקת של תמיסת הבורקס במחשב הנייד שלך. לאחר מכן, פיפטה 5 מ"ל של תמיסת בורקס רווי מראש הכד ולהוציא אותו לתוך בקבוק Erlenmeyer הראשון 250 מ"ל. אין לאפשר לפיפטה לבוא במגע עם הבורקס המתגבש בתחתית הכד.
   • פיפטה 5 מ"ל של המים החמים לתוך בקבוק Erlenmeyer המכיל את תמיסת הבורקס. חזרו על פעולה זו עבור כל אחת מארבע הצלוחיות הנותרות, והוסיפו 5 מ"ל תמיסת בורקס ו-5 מ"ל מים. זכרו לפקוח עין על הטמפרטורה של תמיסת הבורקס שלכם, מכיוון שהיא תתקרר על הספסל. הערה: הטמפרטורה של התמיסה הרוויה המועברת לכל אחת מחמש הצלוחיות צריכה להיות בטווח של 2 – 3 מעלות צלזיוס זו מזו. סטודנטים העובדים עם הטמפרטורות הגבוהות יותר עשויים להזדקק לחמם מחדש את הפתרון שלהם לפני שתמשיך.
2. Titration of Borax SolutionExpand

   עכשיו תקבעו כמה בורקס התמוסס בתמיסה הרוויה שלכם. נזכיר את התגובה הכימית המראה כיצד בורקס מתנתק במים, ויוצר את יון הטטרבוראט. מכיוון שיון הטטרבוראט הוא בסיס, הוא יגיב עם חומצה בעקבות תגובת נטרול.

   כאשר כמות החומצה כפולה מכמות הטטרבוראט, התמיסה מנוטרלת. כדי לעשות זאת, נחלק לאט לאט HCl לתמיסת הבורקס עד שהיא מנוטרלת, כלומר החומצה והבסיס מגיבים ליצירת מים ומלח ו-pH ניטרלי. נשתמש במחוון ה- pH bromocresol green כדי להודיע לנו מתי התמיסה מנוטרלת, מכיוון שהיא הופכת מכחול לירקרק-צהוב בהיר כאשר ה- pH ניטרלי.

   • כדי להתחיל את הטיטרציה, ראשית, מדדו 40 מ"ל של מים שעברו דה-יוניזציה והוסיפו אותם לאחת מצלוחיות ארלנמאייר. מערבלים את הבקבוק כדי לוודא שכל הבורקס נמצא בתמיסה. חזור על פעולה זו עבור ארבע הצלוחיות האחרות.
   • להוסיף 2-3 טיפות של 0.1% ירוק bromocresol לכל בקבוק.
   • יש לגזור מהדק בורטה על מעמד טבעתי ולאבטח בורטה במהדק תוך הקפדה על כך שהבורטה אנכית וישרה ככל האפשר. ודא כי stopcock על burette סגור.
   • מניחים משפך בקצה הפתוח של הבורטה וממלאים את הבורטה במים נטולי יונים. הניחו את האשפה שלכם מתחת לבורטה ופתחו את הסטופקוק כדי לאפשר לכל המים לשטוף החוצה מהבורטה. לאחר מכן, סגור את הסטופר.
   • השג 0.5 M HCl מהמדריך שלך ושפך 10 מ"ל לתוך הבורטה. השתמש בסימונים בצד הבורטה כמדריך. פתח את הסטופקוק על הבורטה כדי לאפשר לכל HCl להתנקז לתוך הפסולת
   • סגור שוב את הסטופרקוק ולאחר מכן מלא את הבורט ב-50 מ"ל של HCl. פתח מעט את הסטופקוק כדי לאפשר לנוזל למלא את קצה הבורט ולהסיר בועות.
   • הקלט את אמצעי האחסון הראשוני של HCl במחשב המעבדה שלך.
   • בניסוי הראשון, הכניסו את HCl לתמיסת בורקס במרווחים של 1 מ"ל. מערבלים בעדינות את הבקבוק לאחר כל תוספת כדי לוודא שהפתרון מעורבב היטב. הערה: בנקודת הסיום של הטיטרציה, המחוון יהפוך את הפתרון מכחול בהיר לצבע ירקרק-צהוב חיוור. אם הפתרון שלך הופך לצבע צהוב כהה, הדבר מצביע על כך שעברת את נקודת הקצה.
   • כאשר הגעת לנקודת הקצה, רשום את עוצמת הקול של HCl שנותרה בבורט.
   • מלאו את הבורט לסימן 50 מ"ל עם יותר HCl וחזרו על הטיטרציה עבור כל שאר הצלוחיות של תמיסת בורקס. הקפד להקליט את הכרכים הסופיים של HCl המשמשים עבור כל טיטרציה.
   • כדי לנקות מהניסוי, הניחו את הפסולת בנפח 400 מ"ל מתחת לפיית הבורטה ופתחו את הבורטה כדי לנקז אליה את שאריות ה-HCl.
   • מלאו את הבורטה במים נטולי יונים, ואפשרו לה לשטוף דרך הבורטה.
   • השתמש בתמיסת הבורקס הנותרת שלך כדי לנטרל את החומצה במיכל הפסולת שלך. מערבלים את הכד עד שהוא מפסיק לבעבע.
   • הוסיפו סודה לשתייה לכוס הפסולת וערבלו את התמיסה. ממשיכים להוסיף סודה לשתייה ולערבל את התמיסה עד שהיא מפסיקה לבעבע. הערה: ייתכן שלא תצפו בבעבוע מכיוון שהבורקס עושה את רוב הנטרול.
   • שטפו את תכולת הפסולת במורד הכיור עם כמויות גדולות של מים. הצלוחיות המכילות בורקס והידרוכלוריד מהטיטרציות שלכם מנוטרלות, כך שניתן גם לשפוך אותן לכיור.
3. ResultsExpand
   • ראשית, קבע את קבוע התגובה K_sp לדיסוציאציה של בורקס במים. קבע את הטמפרטורה הממוצעת בצלזיוס ואת הנפח הממוצע של 0.5 M HCl המשמש כדי להגיע לנקודת הקצה של הטיטרציה.

     טבלה 2: קביעת ΔG, ΔH ו- ΔS

     <טבלה align="center" height="224" style="border-collapse: collapse; font-size: 12px; line-height: 24px;" width="100%"> טמפרטורה מוקצית (°C) T_ממוצע (°C) V_avg (mL) T_avg (K) 1/T_ממוצע (K) שומות של 0.5 M HCl molarity of Na₂[B₄O₅(OH)₄] K_sp lnK_sp ΔG (kJ/mol) 10 °C 20 °C 30 °C 40 °C 50 °C לחץ כאן להורדת טבלה 2
   • קבל נתונים מקבוצות אחרות כך שיהיה לך נפח HCl ממוצע עבור כל טמפרטורה.
   • קבוע המסיסות נקבע מהסטויכיומטריה של תגובת הדיסוציאציה של בורקס ומים. מכיוון שהמגיב מוצק, הוא אינו נכלל בביטוי. מכיוון ששני קטיונים של נתרן נוצרים עבור כל טטרבוראט, ההנחה היא שריכוז הנתרן שווה לכפול מריכוז הטטרבוראט. לפיכך, ניתן לפשט את הביטוי כפי שמוצג: K_sp = 4[[B₄O₅(OH)₄]^2-]³
   • ניתן לחשב את ריכוז הטטרבוראט מנפח HCl המשמש כדי להגיע לנקודת הקצה של הטיטרציה ולנטרל את הבסיס. השומות של HCl שוות לנפח של HCl כפול המולריות של התמיסה. מכיוון שיש צורך בשתי שומות של HCl כדי לנטרל שומה אחת של טטרבוראט, ניתן לחשב בקלות את השומות של טטרבוראט.
   • חשב את ריכוז הטטרבוראט (מבוסס על נפח 5 מ"ל של תמיסה רוויה) וקבע את קבוע התגובה. חזור על החישוב עבור כל טמפרטורה והשווה את התוצאות שלך.
   • השתמש בנתוני הטיטרציה כדי לחשב את האנרגיה החופשית של גיבס, ΔG, בכל ערך טמפרטורה כדי לקבוע אם הדיסוציאציה של בורקס היא תגובה ספונטנית. נזכיר את ביטוי ΔG, כאשר R הוא קבוע הגז, T היא הטמפרטורה של התמיסה בקלווין ו-K_sp הוא קבוע התגובה שלנו. באמצעות קבועי התגובה שלנו והטמפרטורה המתאימה, חשב ΔG עבור כל טמפרטורה.
   • זכרו שאם ΔG חיובי, התגובה אינה ספונטנית, כלומר יש להשקיע אנרגיה בתגובה כדי שהיא תתקדם. עם זאת, אם ΔG שלילי, התגובה מתרחשת באופן ספונטני. באופן כללי, תגובה זו אינה ספונטנית בטמפרטורות נמוכות, אך היא ספונטנית בטמפרטורות גבוהות יותר. עובדה זו תומכת בתיאוריה לפיה בורקס מעדיף את מבנה גבישי המלח בטמפרטורת החדר ומטה, אך הוא מעדיף להיכנס לתמיסה לאחר שמגיעים לטמפרטורה מסוימת. השתמש ב- K_sp כדי לחשב ΔH ו- ΔS.
   • התווה את היומן הטבעי של K_sp כפונקציה של 1/T שדווח בקלבין. השיפוע של קו זה שווה ל-ΔH/R, לכן יש לחשב ΔH. היירוט של הקו שווה ל- ΔS/R. קבע ΔS.
   • מכיוון שהשינוי באנתלפיה של תגובה זו הוא כ-90 kJ/mol והוא חיובי, התגובה היא אנדותרמית, כלומר סופגת אנרגיה. השינוי באנטרופיה הוא חיובי והוא בערך 290 J/mol·K, מה שמצביע על ייצור חיובי של הפרעה. זה צפוי כאשר המבנה הגבישי של המלח מתפרק.