酸および塩基濃度

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

1. ~0.1 M NaOHの準備Expand

   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)

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   • 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。
2. 0.1 M NaOHの標準化Expand

   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

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   • 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。
3. リン酸の滴定Expand

   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。
4. ResultsExpand
   • 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1st 半当量点 (mL)
     容量2番目の当量点 (mL)
     ボリューム2nd 半当量点 (mL)
     1st pKaを測定
     理論上の1st pKa	2.16
     2nd 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

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   • 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。