Solubilità

Fonte: Smaa Koraym presso la Johns Hopkins University, MD, USA

1. Creazione di una Soluzione SaturaExpand

   In questo esperimento, creerai una soluzione satura di tetraborato di sodio decaidrato, chiamato anche borace. In acqua, il borace si dissocia in due cationi di sodio e un anione tetraborato. Quando una soluzione acquosa di borace è satura, significa che contiene la quantità massima di soluto disciolto, che è borace, per quel volume di solvente, che è l'acqua. Qualsiasi solido aggiuntivo non sembrerà dissolversi.

   Poiché la solubilità dipende dalla temperatura, ogni gruppo creerà una soluzione satura a una temperatura diversa. Più borace si dissolverà a temperature più elevate, risultando in una soluzione con una maggiore concentrazione di borace.

   • Prima di iniziare l'esperimento, indossa i dispositivi di protezione individuale necessari, tra cui un camice da laboratorio, occhiali chimici e guanti.
   • L'istruttore ti assegnerà una temperatura da utilizzare durante l'esperimento. Sulla base di questa temperatura, determinare la quantità di borace necessaria per creare una soluzione satura utilizzando la tabella.

     Temperatura (°C)	Quantità di borace (g)
     10	4
     20	6
     30	8
     40	13
     50	21

   • Misura la quantità necessaria di borace per la temperatura assegnata. Ad esempio, sono necessari 8 g di borace per una temperatura di 30 °C. Registra la massa nel tuo quaderno di laboratorio. Crea questa tabella per tenere traccia dei tuoi dati.

     Tabella 1: Dati di temperatura e volume

     Temperatura assegnata (°C) Massa del borace (g) Prova Temperatura della soluzione (°C) Volume (mL) di 0.5 M HCl aggiunto 1 2 3 4 5 Clicca qui per scaricare la Tabella 1
   • Etichetta un becher da 150 ml 'soluzione di borace' e trasferisci il borace al suo interno. Misurare 50 ml di acqua deionizzata e versarla nel becher. Aggiungere un'ancoretta magnetica alla soluzione, posizionare il becher sulla piastra riscaldante e attivare l'impostazione di agitazione.
   • Usa un morsetto per termometro digitale per tenere un termometro digitale all'interno del becher e sopra la barra di agitazione. Riscaldare il bicchiere a una temperatura di circa 10-20 °C superiore a quella prescritta. nota: Gli studenti a cui è stata assegnata la temperatura di 10 °C lasceranno sciogliere il borace a temperatura ambiente.
   • Per tutte le temperature assegnate, aggiungi 200 ml di acqua deionizzata a un becher da 400 ml. Quindi, metti un termometro di vetro nel bicchiere d'acqua. Posizionare il bicchiere sulla piastra riscaldante e riscaldare l'acqua a 20 °C in più rispetto alla temperatura assegnata. nota: Gli studenti a cui è stata assegnata la temperatura di 10 °C devono utilizzare acqua a temperatura ambiente.
   • Etichetta le cinque fiasche di Erlenmeyer da 250 ml come 'prove da 1 a 5'. Una volta che il borace si è completamente sciolto nella soluzione e appare omogeneo, rimuovere il becher dalla piastra di agitazione e posizionarlo sul banco di lavoro per raffreddarlo alla temperatura assegnata.
   • Una volta raggiunta la temperatura, posiziona il becher su una pila di tovaglioli di carta per fungere da isolante e mantenere una temperatura costante. nota: Gli studenti assegnati alla temperatura di 10 °C dovrebbero posizionare il loro becher contenente una soluzione di borace in un becher più grande riempito di ghiaccio e acqua.
   • Etichetta un altro becher da 400 ml come 'rifiuto', e pipetta 5 mL di acqua calda nel tuo becher di scarto. Ripetere l'operazione più volte per riscaldare la pipetta ed evitare che si ostruisca quando il borace si raffredda.
   • Registra la temperatura esatta della soluzione di borace nel tuo quaderno. Quindi, pipettare 5 mL della soluzione satura di borace dalla parte superiore del becher e dispensarla nel primo pallone di Erlenmeyer da 250 mL. Evitare che la pipetta entri in contatto con il borace cristallizzante sul fondo del becher.
   • Pipetta 5 mL di acqua calda nel pallone di Erlenmeyer contenente la soluzione di borace. Ripetere l'operazione per ciascuno dei quattro matracci rimanenti, aggiungendo 5 mL di soluzione di borace e 5 mL di acqua. Ricordati di tenere d'occhio la temperatura della tua soluzione di borace, poiché si raffredderà sul piano di lavoro. nota: La temperatura della soluzione satura trasferita in ciascuno dei cinque matracci deve essere compresa tra 2 e 3 °C l'uno dall'altro. Gli studenti che lavorano con temperature più elevate potrebbero dover riscaldare nuovamente la soluzione prima di procedere.
2. Titolazione della Soluzione BoraceExpand

   Ora determinerai quanto borace si è disciolto nella tua soluzione satura. Ricordiamo la reazione chimica che mostra come il borace si dissocia in acqua, formando lo ione tetraborato. Poiché lo ione tetraborato è una base, reagirà con l'acido a seguito di una reazione di neutralizzazione.

   Quando la quantità di acido è il doppio della quantità di tetraborato, la soluzione viene neutralizzata. Per fare ciò, dispenseremo lentamente HCl nella soluzione di borace fino a quando non viene neutralizzato, il che significa che l'acido e la base reagiscono per formare acqua e sale e un pH neutro. Useremo l'indicatore di pH verde bromocresolo per farci sapere quando la soluzione viene neutralizzata, poiché passa dal blu al giallo-verdastro pallido quando il pH è neutro.

   • Per iniziare la titolazione, per prima cosa, misura 40 ml di acqua deionizzata e aggiungila a una delle fiaschette di Erlenmeyer. Agitare il pallone per assicurarsi che tutto il borace sia in soluzione. Ripetete l'operazione per le altre quattro fiasche.
   • Aggiungi 2 - 3 gocce di verde bromocresolo allo 0,1% in ogni fiaschetta.
   • Aggancia un morsetto per buretta su un supporto ad anello e fissa una buretta nel morsetto assicurandoti che la buretta sia verticale e il più dritta possibile. Assicurarsi che il rubinetto della buretta sia chiuso.
   • Posiziona un imbuto nell'estremità aperta della buretta e riempi la buretta con acqua deionizzata. Posiziona il becher dei rifiuti sotto la buretta e apri il rubinetto per far sciacquare tutta l'acqua dalla buretta. Quindi, chiudere il rubinetto.
   • Ottieni 0.5 M HCl dal tuo istruttore e versa 10 mL nella buretta. Utilizzare i segni sul lato della buretta come guida. Aprire il rubinetto della buretta per consentire a tutto l'HCl di defluire nel becher dei rifiuti
   • Chiudi di nuovo il rubinetto, e poi riempi la buretta con 50 ml di HCl. Apri leggermente il rubinetto per permettere al liquido di riempire la punta della buretta e rimuovere eventuali bolle.
   • Registra il volume iniziale di HCl nel tuo quaderno di laboratorio.
   • Per la prima prova, titola l'HCl nella soluzione di borace con incrementi di 1 mL. Agitare delicatamente il pallone dopo ogni aggiunta per assicurarsi che la soluzione sia ben miscelata. nota: Al termine della titolazione, l'indicatore trasforma la soluzione da blu chiaro a un colore giallo-verdastro pallido. Se la soluzione diventa di colore giallo scuro, significa che è stato superato il punto finale.
   • Quando hai raggiunto il punto finale, registra il volume di HCl rimasto nella buretta.
   • Riempi la buretta fino al segno di 50 ml con più HCl e ripeti la titolazione per tutti gli altri fiaschi di soluzione di borace. Assicurarsi di registrare i volumi finali di HCl utilizzati per ogni titolazione.
   • Per ripulire dall'esperimento, posiziona il becher di rifiuti da 400 ml sotto il beccuccio della buretta e apri la buretta per drenare l'HCl rimanente al suo interno.
   • Riempi la buretta con acqua deionizzata e lasciala sciacquare attraverso la buretta.
   • Usa la tua soluzione di borace rimanente per neutralizzare l'acido nel tuo becher di rifiuti. Agitare il bicchiere finché non smette di gorgogliare.
   • Aggiungi bicarbonato di sodio al becher dei rifiuti e fai roteare la soluzione. Continua ad aggiungere bicarbonato di sodio e a far roteare la soluzione finché non smette di gorgogliare. nota: Potresti non osservare il gorgogliamento perché il borace fa la maggior parte della neutralizzazione.
   • Lava il contenuto del bicchiere dei rifiuti nel lavandino con abbondanti quantità d'acqua. I palloni contenenti borace e HCl provenienti dalle titolazioni vengono neutralizzati, in modo da poter essere versati anche nel lavandino.
3. RisultatiEspandi
   • Innanzitutto, determina la costante di reazione K_sp per la dissociazione del borace in acqua. Determinare la temperatura media in gradi Celsius e il volume medio di 0,5 M HCl utilizzato per raggiungere il punto finale della titolazione.

     Tabella 2: Determinazione di ΔG, ΔH e ΔS

     Temperatura assegnata (°C)	Tmedia (°C)	Vmedia (mL)	Tmedia (K)	1/Tmedia (K)	Mole di 0.5 M HCl	Molarità di Na2[B4O5(OH)4]	Ksp	lnKsp	ΔG (kJ/mol)
     10 °C
     20 °C
     30 °C
     40 °C
     50 °C

     Clicca qui per scaricare la Tabella 2
   • Ottieni dati da altri gruppi in modo da avere un volume medio di HCl per ogni temperatura.
   • La costante di solubilità è determinata dalla stechiometria della reazione di dissociazione del borace e dell'acqua. Poiché il reagente è solido, non è incluso nell'espressione. Poiché si formano due cationi di sodio per ogni tetraborato, si presume che la concentrazione di sodio sia pari al doppio della concentrazione di tetraborato. Pertanto, l'espressione può essere semplificata come mostrato: K_sp = 4[[B₄O₅(OH)₄]^2-]³
   • La concentrazione di tetraborato può essere calcolata dal volume di HCl utilizzato per raggiungere il punto finale della titolazione e neutralizzare la base. Le moli di HCl sono uguali al volume di HCl moltiplicato per la molarità della soluzione. Poiché sono necessarie due moli di HCl per neutralizzare una mole di tetraborato, le moli di tetraborato possono essere facilmente calcolate.
   • Calcola la concentrazione di tetraborato (basata su 5 mL di volume di soluzione satura) e determina la costante di reazione. Ripeti il calcolo per ogni temperatura e confronta i risultati.
   • Usa i dati di titolazione per calcolare l'energia libera di Gibbs, ΔG, ad ogni valore di temperatura per determinare se la dissociazione del borace è una reazione spontanea. Ricordiamo l'espressione ΔG, dove R è la costante dei gas, T è la temperatura della soluzione in Kelvin e K_sp è la nostra costante di reazione. Utilizzando le nostre costanti di reazione e la temperatura corrispondente, calcolare ΔG per ciascuna temperatura.
   • Ricorda che se ΔG è positivo, la reazione non è spontanea, il che significa che è necessario mettere energia nella reazione affinché proceda. Tuttavia, se ΔG è negativo, la reazione procede spontaneamente. In generale, questa reazione non è spontanea a basse temperature, ma è spontanea a temperature più elevate. Ciò supporta la teoria secondo cui il borace preferisce la struttura cristallina del sale a temperatura ambiente e inferiore, ma preferisce andare in soluzione dopo aver raggiunto una certa temperatura. Usa K_sp per calcolare ΔH e ΔS.
   • Traccia il log naturale di K_sp in funzione di 1/T riportato in Kelvin. La pendenza di questa retta è uguale a -ΔH/R, quindi calcola ΔH. L'intercetta della linea è uguale a ΔS/R. Determina ΔS.
   • Poiché la variazione di entalpia di questa reazione è di circa 90 kJ/mol ed è positiva, la reazione è endotermica, il che significa che assorbe energia. La variazione di entropia è positiva ed è di circa 290 J/mol·K, il che indica la produzione favorevole di disordine. Questo è previsto quando la struttura cristallina del sale si rompe.