Stężenia kwasów i zasad

Kwas Arrheniusa to substancja, która wytwarza jony wodorowe, gdy rozpuszcza się w wodzie, podczas gdy zasada wytwarza jony wodorotlenkowe. Jony wodorowe natychmiast reagują z wodą, tworząc jony hydroniowe, ale dla uproszczenia będziemy nadal myśleć o nich jako o jonach wodorowych. W zależności od ilości jonów wodorowych lub jonów wodorotlenkowych w roztworze uważa się go za kwaśny lub zasadowy.

Wielkość kwasowości lub zasadowości mierzymy za pomocą pH, które oblicza się jako ujemny logarytm stężenia jonów wodorowych. Tak więc wartości pH poniżej 7 są kwaśne, a wartości pH powyżej 7 są zasadowe. pH 7 jest neutralne.

Kwasy i zasady są również porównywane na podstawie ich mocy, która różni się od ich pH. Siła kwasu jest związana z tym, jak łatwo jon wodorowy dysocjuje od anionu, zwanego sprzężoną zasadą. Ta sama idea wynika z zasady w odniesieniu do jonu wodorotlenkowego i jego sprzężonego kwasu. Możemy przypisać wartość do tej siły za pomocą stałej dysocjacji_kwasu, czyli K a.

K_{a definiuje się} za pomocą stężeń niezdysocjowanego kwasu oraz zdysocjowanych jonów wodorowych i sprzężonej zasady. Często możesz zobaczyć, że ta zależność jest reprezentowana jako pK_a, która jest po prostu ujemnym logarytmem K_a. Im mniejsze pK_a, tym silniejszy kwas.

Niektóre kwasy, takie jak kwas solny, są monoprotyczne, co oznacza, że mogą dysocjować tylko jeden jon wodorowy. Kwasy poliprotonowe, podobnie jak kwas fosforowy, mogą dysocjować kilka jonów wodorowych. Każda dysocjacja ma swoje własne pK_a.

Jak więc możemy określić_{pK a}? Jednym ze sposobów jest wykonanie miareczkowania kwasowo-zasadowego. Miareczkowanie przeprowadza się poprzez powolne dodawanie roztworu o znanym stężeniu do roztworu o nieznanym stężeniu, obserwując reakcję między nimi. W tym przypadku kwas reaguje z zasadą w reakcji neutralizacji, tworząc sól i wodę.

Tak więc, jeśli chcemy zmierzyć stężenie jonów wodorowych w kwasie, możemy po prostu miareczkować mocną zasadą o znanym stężeniu jonów wodorotlenkowych, aż kwas zostanie zneutralizowany. Aby dokładnie przeprowadzić miareczkowanie, zasada musi być znormalizowana — co oznacza, że znasz dokładne stężenie jonów wodorotlenkowych. Nie zawsze jest to proste.

Na przykład NaOH, którego użyjesz w swoim eksperymencie, jest bardzo higroskopijny, co oznacza, że pochłania wodę z atmosfery. Dzieje się tak z NaOH zarówno w postaci stałej, jak i w roztworze. Tak więc rzeczywiste stężenie roztworu NaOH może być niższe niż można by się spodziewać.

Aby określić dokładne stężenie NaOH, musimy najpierw wykonać miareczkowanie kwasowo-zasadowe. Aby to zrobić, musisz użyć zasady do miareczkowania kwasu o znanym stężeniu. Wodoroftalan potasu, KHP, jest kwasem niehigroskopijnym, więc możemy dokładnie obliczyć jego stężenie na podstawie jego masy.

Możemy zobaczyć, kiedy miareczkowanie jest zakończone - co oznacza, że kwas jest neutralizowany - za pomocą wskaźnika pH, takiego jak fenoloftaleina. Fenoloftaleina jest obojętna i bezbarwna w zakresie od pH około 0 do pH 8.

Wraz ze wzrostem pH dysocjują dwa jony wodorowe. Ta anionowa forma jest różowa. Tak więc, kiedy rozpoczynamy miareczkowanie, roztwór KHP jest kwaśny, a fenoloftaleina jest bezbarwna. Gdy dodajemy NaOH, a jony wodorowe są neutralizowane, pH wzrasta.

W tej reakcji roztwór jest obojętny, gdy równe ilości kwasu i zasady zostały zmieszane ze sobą. Następnie dodanie nieco większej ilości NaOH sprawia, że pH jest zasadowe, a roztwór zmienia kolor na różowy. Nazywa się to punktem końcowym. Jeśli znamy mole KHP i objętość NaOH użytej do jego neutralizacji, możemy obliczyć dokładne stężenie zasady.

Gdy mamy już znormalizowaną zasadę, możemy określić_{pK a} kwasu, miareczkując znane stężenie kwasu za pomocą naszej znormalizowanej zasady, jednocześnie monitorując pH. Wykres pH w funkcji objętości dodanej zasady nazywany jest krzywą miareczkowania. Krzywa zwykle ma kształt litery S lub sigmoidalny, gdzie punkt przegięcia najbardziej stromej części krzywej oznacza punkt równoważności.

Tutaj mole jonów wodorotlenkowych i zdysocjowanych jonów wodorowych są równe. Podobnie jak pK_a, zobaczymy jeden punkt równoważnikowy dla każdego zdysocjowanego jonu wodorowego. Tak więc kwas monoprotonowy ma tylko jeden punkt równoważności, a kwas triprotonowy ma trzy.

Kiedy wykonamy miareczkowanie, będziemy wiedzieć, że przekroczyliśmy punkt równoważnikowy, gdy wskaźnik pH ledwo zmienia kolor z bezbarwnego na różowy. Nazywa się to punktem końcowym miareczkowania. Podobnie jak wtedy, gdy standaryzujemy zasadę, dzieje się tak, gdy roztwór ma niewielki nadmiar jonów wodorotlenkowych, a zatem jest lekko zasadowy.

Kolejny punkt przegięcia na wykresie występuje w połowie drogi do punktu równoważności. Tutaj stężenia kwasów zdysocjowanych i niezdysocjowanych są równe. Zatem pH w tym momencie jest równe pK_a. Tak więc, jeśli wykonamy miareczkowanie i określimy objętość punktu równoważnikowego, to możemy obliczyć pK_a jako pH przy połowie tej objętości.

W tym laboratorium najpierw ustandaryzujesz zasadę, a następnie wykonasz miareczkowanie przy użyciu tej znormalizowanej zasady, aby oznaczyć dwie wartości_{pK a} kwasu poliprotonowego.