How do you prepare a 0.1 M NaOH solution from a 50% w/w stock solution?

Calculate the molarity of the 50% w/w NaOH stock solution using its density (1.53 g/mL) and molar mass (39.998 g/mol). Apply the dilution formula to determine the volume of stock solution needed to prepare 500 mL of ~0.1 M NaOH. Transfer the calculated volume to a labeled polyethylene bottle, add the appropriate volume of water, cap, and invert several times to mix thoroughly.

What is the purpose of standardization in acid-base titration?

Standardization determines the exact concentration of a prepared solution, such as NaOH, which may differ from the target concentration. Using a known acid like potassium hydrogen phthalate (KHP), you perform a neutralization reaction where one mole of base neutralizes one mole of acid. This allows you to calculate the actual molarity of NaOH based on the volume required to reach the endpoint indicated by phenolphthalein color change.

Why does the actual NaOH concentration differ from the prepared 0.1 M concentration?

NaOH is hygroscopic, meaning it readily absorbs moisture from the air, making it difficult to weigh accurately. This property causes the actual concentration to be lower than the expected 0.1 molarity. Standardization using KHP corrects for this discrepancy by determining the true concentration through titration.

How does the half-equivalence point relate to pKa determination?

At the half-equivalence point, the concentrations of undissociated acid and its conjugate base are equal, making the pH equal to the pKa value. To find the first half-equivalence point, divide the volume of NaOH at the first equivalence point by two. Look up the pH at this volume from your titration data to obtain a precise pKa value for comparison with theoretical values.

What does it mean that phosphoric acid is a triprotic acid?

A triprotic acid can donate three protons per molecule when it dissociates in aqueous solution. Phosphoric acid has three pKa values, each corresponding to the dissociation of one proton. In this experiment, you measure two of the three Ka values by observing two sigmoidal curves and two equivalence points on the titration curve.

How do you identify equivalence points on a titration curve?

Equivalence points appear as the maximum peaks on the first derivative plot of the titration curve. Each peak corresponds to a dissociation constant (Ka) of the acid being titrated. For phosphoric acid, two equivalence points are visible, representing the first two pKa values. The experiment stops at pH 12, so only two of the three Ka values are measured.

What role does phenolphthalein play in standardizing NaOH with KHP?

Phenolphthalein is an acid-base indicator that is colorless in acidic conditions and turns pink in basic conditions. Added to the KHP solution before titration, it signals the endpoint when enough NaOH has been added to make the solution basic. The persistent pink color indicates that the neutralization reaction is complete, allowing you to record the volume of NaOH used to calculate its molarity.

酸および塩基濃度

Concepts Instructor Prep Student Protocol

0 views06:35 min

アレニウス酸は水に溶けると水素イオンを生成する物質で、塩基は水酸化物イオンを生成する物質です。水素イオンはすぐに水と反応してヒドロニウムイオンを形成しますが、簡単にするために、水素イオンと考え続けます。溶液中の水素イオンまたは水酸化物イオンの量に応じて、酸性または塩基性と見なされます。

酸性度や塩基性度は、水素イオンの濃度の負の対数として算出されるpHを用いて測定します。したがって、7未満のpH値は酸性であり、7を超えるpH値は塩基性です。pH 7は中性です。

酸と塩基は、pHとは異なる強度に基づいても比較されます。酸の強さは、水素イオンが共役塩基と呼ばれる陰イオンからどれだけ簡単に解離するかに関係しています。水酸化物イオンとその共役酸に関する塩基についても同じ考え方が成り立ちます。その強度には、酸解離定数(KA)を使用して値を割り当てることができます。

KAは、非解離酸と解離水素イオンおよび共役塩基の濃度を使用して定義されます。この関係は、単に K_a の負の対数である pK_a として表されることがよくあります。pK_aが小さいほど、酸は強くなります。

塩酸のような一部の酸はモノプロトン性であり、水素イオンを1つだけ解離できます。ポリプロトン酸は、リン酸と同様に、いくつかの水素イオンを解離させることができます。各解離には独自のpK_aがあります。

では、どうすればpK_aを決定できるのでしょうか?1つの方法は、酸塩基滴定を行うことです。滴定は、濃度不明の溶液に濃度が不明な溶液をゆっくりと加え、その間の反応を観察しながら行います。この場合、酸は中和反応で塩基と反応して塩と水を形成します。

したがって、酸中の水素イオンの濃度を測定したい場合は、酸が中和されるまで、既知の水酸化物イオン濃度を持つ強塩基で単純に滴定できます。滴定を正確に行うには、塩基を標準化する必要があります—つまり、正確な水酸化物イオン濃度がわかっていることを意味します。これは必ずしも簡単ではありません。

例えば、実験で使用するNaOHは吸湿性が高く、大気中の水分を吸収します。これは、NaOHに固体と溶液の両方で発生します。そのため、NaOH溶液の真の濃度は、予想よりも低い可能性があります。

NaOHの正確な濃度を決定するには、まず酸塩基滴定を行う必要があります。これを行うには、塩基を使用して既知の濃度で酸を滴定する必要があります。フタル酸水素カリウム(KHPは非吸湿性)であるため、その質量からその濃度を正確に計算できます。

滴定が完了した時期、つまり酸が中和された時期は、フェノールフタレインなどのpHインジケーターを使用して確認できます。フェノールフタレインは、約pH0からpH8の間で中性で無色です。

pHが上昇すると、2つの水素イオンが解離します。この陰イオンの形はピンクです。したがって、滴定を開始すると、KHP溶液は酸性で、フェノールフタレインは無色です。NaOHを添加し、水素イオンを中和すると、pHが上昇します。

この反応では、等量の酸と塩基が混合されている場合、溶液は中性です。その後、NaOHを少し加えるとpHが塩基性になり、溶液がピンク色に変わります。これはエンドポイントと呼ばれます。KHPのモル数とそれを中和するために使用されるNaOHの量がわかれば、塩基の正確な濃度を計算できます。

標準化された塩基が得られたら、pHを監視しながら、標準化された塩基で酸の既知の濃度を滴定することにより、酸のpK_aを決定できます。pHと添加された塩基の量のプロットは、滴定曲線と呼ばれます。曲線は通常、S字型またはシグモイド形状をたどり、曲線の最も急な部分の変曲点は等価点を示します。

ここでは、水酸化物イオンと解離水素イオンのモルは等しくなっています。pK_aと同様に、解離した水素イオンごとに1つの当量点が表示されます。したがって、モノプロトン酸には当量点が1つしかなく、トリプロトン酸には3つの当量点があります。

滴定を実行すると、pHインジケーターが無色からピンクにかろうじて変わるときに当量点を通過したことがわかります。これは滴定エンドポイントと呼ばれます。塩基を標準化する場合と同様に、これは溶液に水酸化物イオンがわずかに過剰にあるため、わずかに塩基性である場合です。

グラフ内の別の変曲点は、等価点の中間で発生します。ここでは、解離した酸と解離していない酸の濃度は等しくなります。したがって、この時点でのpHはpK_aに等しくなります。したがって、滴定を行い、当量点の体積を決定すると、この体積の半分のpHとして_pKaを計算できます。

このラボでは、まず塩基を標準化し、次にその標準化された塩基を使用して滴定を行い、ポリプロトン酸の 2 pK_a を測定します。

Print Procedure Steps

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

出典:米国ジョンズ・ホプキンス大学(米国メリーランド州)のSmaa Koraym

~0.1 M NaOHの準備

ラボの最初の部分では、NaOHの50%w/w溶液を使用して、500 mLの~0.1 Mを調製します。50% w/w NaOHは、その重量比を示しています。例えば、インストラクターが50%w/wのNaOH溶液を150mL調製した場合、150gのNaOHを150gの水に溶解し、溶液の総重量は300gとなります。

まず、手袋、化学スプラッシュゴーグル、白衣など、適切な個人用保護具を着用してください。

希釈式のM₁である50%w/w NaOHのモル濃度を計算します。 手記： 50% w/w NaOHの密度は1.53 g/mLで、NaOHのモル質量は39.998 g/moleです。

テーブル 1.50% w/w NaOHからの0.1 M NaOHの調製

50%の密度w / wストック溶液	1.53 g/mL
モル質量_NaOH	39.998 g/mol
50% w/w ストック溶液中の NaOH の質量 (mg)
50% w/w ストック溶液の総質量
50% w/w 原液容量 (mL)
50% w/w 溶液中の NaOH のモル (mol)
50%w / wストック溶液(M₁)のモル濃度
50%w / w溶液のボリュームが必要(V₁)

ここをクリックして表 1 をダウンロード

希釈式を使用して、500 mLの~0.1 M NaOHを調製するために必要な50% w/w NaOHの量を決定します。
500 mL ポリエチレンボトルに '~0.1 M NaOH' とラベルを付けます。
1mLピペットの容量を計算した値に調整し、それを使用して50%w/wのNaOHをポリエチレンボトルに移します。
100mLメスシリンダーを使用して水の量を測定し、NaOHの入ったボトルに注ぎます。ボトルに蓋をし、数回ひっくり返して溶液を混合します。手記：500mLから計算量のNaOHを差し引いたものが必要です。

0.1 M NaOHの標準化

0.1 M NaOHを調製したら、酸塩基滴定法を使用してその正確な濃度を決定するか、標準化します。この手法では、NaOHのような塩基がフタル酸水素カリウム(KHP)のような酸にゆっくりと添加されます。フラスコ内で起こる化学反応は中和反応です。この中和反応では、1モルの塩基が1モルの酸を中和し、塩と水になります。この反応は、pHが酸性の反応開始時には無色である指示薬フェノールフタレインの存在下で行われます。十分な量のNaOHがフラスコに追加されてpHが塩基性になると、インジケーターはピンク色に変わります。

3つの三角フラスコを「A」、「B」、「C」とラベル付けします。

各フラスコについて0.5〜0.7 gのKHPを計量し、それぞれの質量を記録します。手記： 3つのフラスコすべてで同じ質量のKHPを測定してみてください。

テーブル2.NaOHの標準化

モル質量_KHP= 204.23 g / mol	フラスコA	>フラスコB	>フラスコC
KHPの質量(g)
_初期NaOH容量(mL)
_最終NaOH容量(mL)
_NaOH容量(mL)
KHPのほくろ
NaOHのほくろ
NaOHのモル濃度
平均モル濃度
標準偏差

ここをクリックして表 2 をダウンロード

各フラスコに50mLの脱イオン水を加え、ガラス製の攪拌棒を使用して溶液が均一になるまで攪拌します。
3つのフラスコのそれぞれに2〜3滴のフェノールフタレインを追加します。
滴定装置をセットアップします。ビュレットクランプをリングスタンドに取り付け、50mLガラスビュレットをしっかりと固定します。ビュレットのバルブが閉じていることを確認してください。
400mLビーカーを「廃棄物」とラベル付けし、ビュレットの下に置きます。0.1 M NaOHを約5 mLをビュレットに注ぎ、ビュレットをすすぎます。ビュレットバルブを開いて、NaOHがビーカーに流入します。
バルブを閉じて、ビュレットに50mLをわずかに超えるNaOHを入れます。ビュレットバルブを開閉して、ビュレットの先端に存在する気泡を放出します。NaOHの開始ボリュームを記録します。
ビュレットの先端の下にフラスコAを置き、1mLの容量のNaOHを使用して溶液を滴定します。追加するたびに溶液を渦巻きます。ピンク色が持続するまで、フラスコに1mLの容量を追加し続けます。これはエンドポイントと見なされます。エンドポイントを達成するために添加された0.1 M NaOHの量を記録します。
フラスコBとCの滴定を繰り返します。このデータは、NaOHの実際の濃度を計算するために使用されます。

リン酸の滴定
この実験では、酸塩基滴定を使用して、三プロトン酸であるリン酸の3つのpKa値のうち2つを決定します。この中和反応では、リン酸がNaOHと反応して水と塩であるリン酸ナトリウムを形成します。
- ビュレットクランプの下のリングスタンドにドロップカウンターを取り付けます。プラスチック製のビュレットを固定して、その先端がドロップカウンターのすぐ上にくるようにします。
- ドロップカウンターをデータ収集システムに接続し、プラスチックビュレットの2つのバルブが両方とも閉位置にあることを確認します。
- 廃棄物容器をビュレットの下に置き、0.1 M NaOHを数mLビュレットに注ぎます。両方のバルブを開いて、NaOHを廃棄物ビーカーに排出します。次に、バルブを閉じます。
- プラスチックビュレットに25mLの0.1 M NaOHを充填します。NaOHがビュレットチップを満たすのに十分な量を、廃棄物ビーカーに約5mLを排出します。気泡がないことを確認してから、バルブを閉じます。
- ドロップカウンターを調整します。ビュレットの下の廃棄物ビーカーを10mLメスシリンダーと交換します。次に、トップバルブを閉じたまま、ビュレットの下部バルブを開きます。データ収集システムの電源を入れ、「ドロップカウントモード」に設定します。
- トップバルブをゆっくりと開いて、理想的には2秒ごとに1滴ずつ液滴を放出します。メスシリンダー内に0.1 M NaOHが9〜10 mLになるまで、ビュレットから液滴を空にします。
- 下部バルブを閉じ、上部バルブはそのままにします。メスシリンダー内のNaOHの体積を小数点第1位まで読み取り、この値をデータ収集システムに入力します。「drops/mL」の値を記録します。次に、メスシリンダー内のNaOHを水性廃棄物ビーカーに捨てます。
- 滴定を開始する前にpHセンサーを校正してください。pHセンサーをデータ収集システムに接続し、[校正]を選択します。pHセンサーの電球を脱イオン水ですすいでから、pH 7バッファーに挿入してください。電圧が安定するまでセンサーを水没させたままにしてから、測定を受け入れます。
- 電球を脱イオン水ですすぎ、pH 10バッファーに挿入します。電圧が安定するのを待ってから、測定を受け入れます。
- pHセンサーの電球を再度すすぎ、ドロップカウンターの指定されたスロットにスライドさせます。
- 40mLの脱イオン水をきれいな100mLビーカーに測定し、次に1mLのリン酸をビーカーの水に移します。
- ビーカーをドロップカウンターの下の攪拌板に置きます。pHセンサーをビーカーに慎重にスライドさせます。
- ビーカーに攪拌棒を追加し、攪拌設定を高くします。集録デバイスでデータの収集を開始します。次に、ビュレットの底部バルブを開きます。手記： ドロップ率は、2秒ごとに約1ドロップである必要があります。最初のドロップが解放されたら、データが記録されていることを確認します。
- pHメーターがpH 12を読み取るまで滴定を続けます。その後、データの取得を停止し、ビュレットのバルブを閉じます。データをフラッシュドライブに保存します。
- 作業スペースをクリーンアップするには、pHペーパーを使用してすべての廃棄物溶液のpHを確認してください。すべての酸性水性廃棄物を重曹で中和し、すべての塩基性廃棄物をクエン酸で中和します。重曹またはクエン酸のいずれかを、泡立ちが止まるまで溶液に十分に加えます。
- 中和されたすべての溶液を大量の水でシンクに流します。
- すべてのガラス器具を洗います。

Results

このラボの最初の部分では、KHPを使用してNaOHの溶液を標準化し、その実際の濃度を決定しました。では、標準化された濃度が調製された0.1 Mの濃度にどれだけ近いかを見てみましょう。各フラスコに添加されたKHPのモル数、ひいてはNaOHのモル数を決定します。溶液が中和されると、KHPとNaOHのモル量は等しくなります。
各フラスコに追加されたNaOHの総量に基づいてNaOHのモル濃度を計算します。実際の濃度は、予想される0.1モルよりも低くなっています。これは、NaOHは吸湿性であるため、正確に計量するのが難しいためです。
リン酸滴定の結果(pH対NaOHの量)をプロットします。リン酸は弱いトリプロトン酸であり、水溶液中で解離するときに分子あたり3つのプロトンを提供する可能性があります。リン酸には3つのpKa値があり、1つは各プロトンが解離したときの値です。
データを見てください。2 つのシグモイド曲線があり、2 つの等価点を示します。各当量点は、リン酸の解離定数Kaに対応します。手記： pHが12に達した時点で実験を停止したため、3つのKa値のうち2つしか測定しませんでした。

滴定曲線の一次導関数をプロットします。等価点は、曲線の最大値で表されます。

テーブル3。リン酸の滴定

容量_{1^次当量点} (mL)
体積_{1^st 半当量点} (mL)
容量_{2^番目の当量点} (mL)
ボリューム_{2^{nd 半}当量点} (mL)
1^st pKa_を測定
理論上の^1st pKa	2.16
2^nd pKa_測定
理論上の 2^番目の pKa	7.21
NaOHのほくろ
H₃PO₄のほくろ
H₃PO₄のモル濃度

ここをクリックして表3をダウンロード

最初の等価点に対応するNaOHの体積を取り、それを2で割ることにより、最初の半分の等価点を求めます。半当量点では、未解離酸とその共役塩基の濃度は同じであり、pHはpKaに等しくなります。
データの表からこのボリュームのpHを調べて、より正確な値を取得します。これは最初のpKaに対応し、文献では2.16と報告されています。
これを繰り返して、2番目のpKaを見つけます。2 番目の半等価点は、1 番目と 2 番目の等価点の中間に位置し、pKa は約 7.2 になります。