Rozpuszczalność

Źródło: Smaa Koraym z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa, MD, USA

1. Tworzenie nasyconego rozwiązaniaRozwiń

   W tym eksperymencie stworzysz nasycony roztwór dekahydratu tetraboranu sodu, zwany również boraksem. W wodzie boraks dysocjuje na dwa kationy sodu i jeden anion tetraboranowy. Gdy wodny roztwór boraksu jest nasycony, oznacza to, że zawiera maksymalną ilość rozpuszczonej substancji rozpuszczonej, którą jest boraks, na tę objętość rozpuszczalnika, którą jest woda. Wszelkie dodatkowe ciała stałe nie będą wydawać się rozpuszczone.

   Ponieważ rozpuszczalność jest zależna od temperatury, każda grupa utworzy nasycony roztwór o innej temperaturze. Więcej boraksu rozpuści się w wyższych temperaturach, co spowoduje powstanie roztworu o wyższym stężeniu boraksu.

   • Przed rozpoczęciem eksperymentu załóż niezbędne środki ochrony osobistej, w tym fartuch laboratoryjny, gogle przeciw rozpryskom chemikaliów i rękawice.
   • Instruktor przypisze Ci temperaturę, której będziesz używać podczas eksperymentu. Na podstawie tej temperatury określ ilość boraksu potrzebną do stworzenia nasyconego roztworu, korzystając z tabeli.

     Temperatura (°C)	Ilość boraksu (g)
     10	4
     20	6
     30	8
     40	13
     50	21

   • Zmierz niezbędną ilość boraksu dla przypisanej Ci temperatury. Na przykład do temperatury 30 °C potrzeba 8 g boraksu. Zapisz masę w zeszycie laboratoryjnym. Utwórz tę tabelę, aby ułatwić śledzenie danych.

     Tabela 1: Dane dotyczące temperatury i objętości

     Przypisana temperatura (°C)
     Masa boraksu (g)
     Próba	Temperatura roztworu (°C)	Dodano objętość (ml) 0,5 mln HCl
     1
     2
     3
     4
     5

     Kliknij tutaj, aby pobrać Tabelę 1
   • Oznacz 150-mililitrową zlewkę jako 'roztwór boraksu' i przenieś do niej boraks. Odmierz 50 ml wody dejonizowanej i wlej ją do zlewki. Dodaj mieszadło magnetyczne do roztworu, ustaw zlewkę na płycie grzejnej i włącz mieszanie.
   • Użyj zacisku termometru cyfrowego, aby trzymać termometr cyfrowy wewnątrz zlewki i nad mieszadłem. Podgrzać zlewkę do temperatury o około 10–20 °C wyższej niż zalecana temperatura. nuta: Uczniowie, którym przypisano temperaturę 10 °C, pozwolą boraksowi rozpuścić się w temperaturze pokojowej.
   • Dla wszystkich przypisanych temperatur, dodaj 200 ml dejonizowanej wody do zlewki o pojemności 400 ml. Następnie umieść szklany termometr w zlewce z wodą. Umieść zlewkę na płycie grzejnej i podgrzej wodę do temperatury wyższej o 20 °C od przypisanej temperatury. nuta: Uczniowie, którym przypisano temperaturę 10 °C, powinni używać wody o temperaturze pokojowej.
   • Oznacz pięć 250-mililitrowych kolb Erlenmeyera jako 'próby od 1 do 5'. Gdy boraks całkowicie rozpuści się w roztworze i wydaje się jednorodny, wyjmij zlewkę z płytki mieszającej i umieść ją na blacie, aby ostygła do określonej temperatury.
   • Gdy temperatura zostanie osiągnięta, umieść zlewkę na stosie ręczników papierowych, aby działała jako izolator i utrzymywała stałą temperaturę. nuta: Uczniowie, którym przydzielono temperaturę 10 °C, powinni umieścić zlewkę zawierającą roztwór boraksu w większej zlewce wypełnionej lodem i wodą.
   • Oznacz kolejną zlewkę o pojemności 400 ml jako 'odpad' i wlej pipetą 5 ml gorącej wody do swojej zlewki na odpady. Powtórz to kilka razy, aby rozgrzać pipetę i zapobiec jej zatkaniu podczas stygnięcia boraksu.
   • Zapisz dokładną temperaturę roztworu boraksu w swoim notebooku. Następnie odpipetować 5 ml nasyconego roztworu boraksu z górnej części zlewki i dozować go do pierwszej kolby Erlenmeyera o pojemności 250 ml. Nie dopuścić do kontaktu pipety z krystalizującym boraksem znajdującym się na dnie zlewki.
   • Pobrać pipetą 5 ml gorącej wody do kolby Erlenmeyera zawierającej roztwór boraksu. Powtórzyć tę czynność dla każdej z czterech pozostałych kolb, dodając 5 ml roztworu boraksu i 5 ml wody. Pamiętaj, aby zwracać uwagę na temperaturę roztworu boraksu, ponieważ ostygnie on na blacie. nuta: Temperatura nasyconego roztworu przeniesionego do każdej z pięciu kolb powinna mieścić się w zakresie 2-3 °C od siebie. Uczniowie pracujący w wyższych temperaturach mogą być zmuszeni do ponownego podgrzania roztworu przed kontynuowaniem.
2. Miareczkowanie roztworu boraksuRozwiń

   Teraz określisz, ile boraksu rozpuściło się w twoim nasyconym roztworze. Przypomnij sobie reakcję chemiczną pokazującą, jak boraks dysocjuje w wodzie, tworząc jon tetraboranowy. Ponieważ jon tetraboranowy jest zasadą, będzie reagował z kwasem po reakcji neutralizacji.

   Gdy ilość kwasu jest dwukrotnie większa niż ilość tetraboranu, roztwór jest neutralizowany. Aby to zrobić, będziemy powoli dozować HCl do roztworu boraksu, aż zostanie zneutralizowany, co oznacza, że kwas i zasada reagują, tworząc wodę i sól oraz neutralne pH. Użyjemy wskaźnika pH bromokrezolowego zielonego, aby dać nam znać, kiedy roztwór zostanie zneutralizowany, ponieważ zmienia kolor z niebieskiego na bladozielonkawo-żółty, gdy pH jest neutralne.

   • Aby rozpocząć miareczkowanie, najpierw odmierz 40 ml wody dejonizowanej i dodaj ją do jednej z kolb Erlenmeyera. Zakręć kolbą, aby upewnić się, że cały boraks jest w roztworze. Powtórzyć tę czynność dla pozostałych czterech kolb.
   • Dodaj 2 - 3 krople 0,1% zieleni bromokrezolowej do każdej kolby.
   • Przypnij zacisk biurety do stojaka pierścieniowego i zabezpiecz biuretę w zacisku, upewniając się, że biureta jest pionowa i jak najbardziej prosta. Upewnij się, że zawór odcinający na biurecie jest zamknięty.
   • Umieść lejek w otwartym końcu biurety i napełnij biuretę wodą dejonizowaną. Umieść zlewkę na odpady pod biuretą i otwórz kurek, aby cała woda wypłukała się z biurety. Następnie zamknij kurek.
   • Zdobądź 0,5 M HCl od swojego instruktora i wlej 10 ml do biurety. Użyj oznaczeń z boku biurety jako wskazówki. Otwórz kran na biurecie, aby umożliwić spływanie całego HCl do zlewki na odpady
   • Zamknij ponownie kurek, a następnie napełnij biuretę 50 ml HCl. Lekko otwórz kran, aby płyn mógł wypełnić końcówkę biurety i usunąć wszelkie bąbelki.
   • Zapisz początkową objętość HCl w swoim notatniku laboratoryjnym.
   • W pierwszej próbie miareczkować HCl do roztworu boraksu w odstępach co 1 ml. Delikatnie obracać kolbę po każdym dodaniu, aby upewnić się, że roztwór jest dobrze wymieszany. nuta: U punktu końcowego miareczkowania wskaźnik zmieni kolor roztworu z jasnoniebieskiego na bladozielonkawo-żółty. Jeśli rozwiązanie zmieni kolor na ciemnożółty, oznacza to, że punkt końcowy został przekazany.
   • Gdy osiągniesz punkt końcowy, zapisz objętość HCl pozostałą w biurecie.
   • Uzupełnij biuretę do oznaczenia 50 ml większą ilością HCl i powtórz miareczkowanie dla wszystkich pozostałych kolb roztworu boraksu. Należy upewnić się, że zarejestrowano końcowe objętości HCl użyte do każdego miareczkowania.
   • Aby posprzątać po eksperymencie, umieść 400-mililitrową zlewkę na odpady pod dziobkiem biurety i otwórz biuretę, aby odsączyć do niej pozostały HCl.
   • Napełnij biuretę wodą dejonizowaną i pozwól jej przepłukać się przez biuretę.
   • Użyj pozostałego roztworu boraksu, aby zneutralizować kwas w zlewce na odpady. Obracaj zlewką, aż przestanie bulgotać.
   • Dodaj sodę oczyszczoną do zlewki na odpady i zamieszaj roztwór. Kontynuuj dodawanie sody oczyszczonej i mieszanie roztworu, aż przestanie bulgotać. nuta: Możesz nie zauważyć bulgotania, ponieważ boraks wykonuje większość neutralizacji.
   • Umyj zawartość zlewki na odpady w zlewie dużą ilością wody. Kolby zawierające boraks i HCl z miareczkowania są neutralizowane, dzięki czemu można je również wlać do zlewu.
3. WynikiRozwiń
   • Najpierw wyznacz stałą reakcji K_sp dla dysocjacji boraksu w wodzie. Określić średnią temperaturę w stopniach Celsjusza i średnią objętość 0,5 M HCl użytą do osiągnięcia punktu końcowego miareczkowania.

     Tabela 2: Określanie ΔG, ΔH i Δ S

     Przypisana temperatura (°C)	Tśrednia (°C)	Vśrednia (ml)	Tavg (K)	1/Tśrednia (K)	Pieprzyki 0,5 M HCl	Molarność Na2[B4O5(OH)4]	Ksp	lnKsp	ΔG (kJ/mol)
     10 °C
     20 °C
     30 °C
     40 °C
     50 °C

     Kliknij tutaj, aby pobrać Tabelę 2
   • Uzyskaj dane z innych grup, aby uzyskać średnią objętość HCl dla każdej temperatury.
   • Stała rozpuszczalności jest wyznaczana na podstawie stechiometrii reakcji dysocjacji boraksu i wody. Ponieważ reagent jest ciałem stałym, nie jest zawarty w wyrażeniu. Ponieważ na każdy tetraboran przypadają dwa kationy sodu, przyjmuje się, że stężenie sodu jest równe dwukrotności stężenia tetraboranu. W ten sposób wyrażenie można uprościć, jak pokazano: K_sp = 4[[B₄O₅(OH)₄]^2-]³
   • Stężenie tetraboranu można obliczyć na podstawie objętości HCl użytej do osiągnięcia punktu końcowego miareczkowania i zneutralizowania zasady. Mole HCl są równe objętości HCl pomnożonej przez molowość roztworu. Ponieważ do zneutralizowania jednego mola tetraboranu potrzebne są dwa mole HCl, mole tetraboranu można łatwo obliczyć.
   • Oblicz stężenie tetraboranu (na podstawie 5 ml objętości nasyconego roztworu) i określ stałą reakcji. Powtórz obliczenia dla każdej temperatury i porównaj wyniki.
   • Użyj danych miareczkowania, aby obliczyć energię swobodną Gibbsa, ΔG, dla każdej wartości temperatury, aby określić, czy dysocjacja boraksu jest reakcją spontaniczną. Przypomnij sobie wyrażenie ΔG, gdzie R jest stałą gazową, T jest temperaturą roztworu w kelwinach, a K_sp jest naszą stałą reakcji. Korzystając z naszych stałych reakcji i odpowiadającej im temperatury, oblicz ΔG dla każdej temperatury.
   • Pamiętaj, że jeśli ΔG jest dodatnie, reakcja nie jest spontaniczna, co oznacza, że energia musi być włożona w reakcję, aby mogła ona przebiegać. Jeśli jednak ΔG jest ujemne, reakcja przebiega spontanicznie. Ogólnie rzecz biorąc, reakcja ta nie jest spontaniczna w niskich temperaturach, ale jest spontaniczna w wyższych temperaturach. Potwierdza to teorię, że boraks preferuje strukturę krystaliczną soli w temperaturze pokojowej i niższej, ale woli przejść do roztworu po osiągnięciu określonej temperatury. Użyj K_sp, aby obliczyć ΔH i ΔS.
   • Wykreśl logarytm naturalny K_sp jako funkcję 1/T wyrażoną w kelwinach. Nachylenie tej linii jest równe -ΔH/R, więc oblicz ΔH. Punkt przecięcia linii jest równy ΔS/R. Określ ΔS.
   • Ponieważ zmiana entalpii tej reakcji wynosi około 90 kJ/mol i jest dodatnia, reakcja jest endotermiczna, co oznacza, że pochłania energię. Zmiana entropii jest dodatnia i wynosi około 290 J/mol·K, co wskazuje na korzystne wytwarzanie nieporządku. Jest to oczekiwane, gdy struktura krystaliczna soli ulega rozpadowi.