Растворимость

Источник: Смаа Корайм из Университета Джонса Хопкинса, доктор медицины, США

1. Создание насыщенного решения<кнопка class="expand">Expand

   В этом эксперименте вы создадите насыщенный раствор декагидрата тетрабората натрия, также называемый бурой. В воде бура диссоциирует на два катиона натрия и один тетраборат-анион. Когда водный раствор буры насыщен, это означает, что в нем содержится максимальное количество растворенного растворенного вещества, которым является бура, для того объема растворителя, которым является вода. Любое дополнительное твердое вещество не будет казаться растворяющимся.

   Поскольку растворимость зависит от температуры, каждая группа будет создавать насыщенный раствор при разной температуре. Большее количество буры растворяется при более высоких температурах, в результате чего получается раствор с более высокой концентрацией буры.

   • Перед началом эксперимента наденьте необходимые средства индивидуальной защиты, включая лабораторный халат, защитные очки и перчатки.
   • Инструктор назначит вам температуру, которую вы будете использовать во время эксперимента. Исходя из этой температуры, определите количество буры, которое вам понадобится для создания насыщенного раствора с помощью таблицы.

     Temperature (°C)	Количество буры (g)
     10	4
     20	6
     30	8
     40	13
     50	21

   • Измерьте необходимое количество буры для назначенной вами температуры. Например, для температуры 30 °C необходимо 8 г буры. Запишите массу в свой лабораторный блокнот. Создайте эту таблицу, которая поможет вам отслеживать свои данные.

     Таблица 1: Данные о температуре и объеме

     Назначенная температура (°C)
     Масса буры (г)
     Trial	Температура раствора (°C)	Добавлен объем (мл) 0.5 M HCl
     1
     2
     3
     4
     5

     Нажмите здесь, чтобы скачать таблицу 1
   • Пометьте стакан объемом 150 мл "раствор буры" и перенесите в него буру. Отмерьте 50 мл деионизированной воды и налейте ее в стакан. Добавьте в раствор магнитную мешалку, поставьте стакан на конфорку и включите режим перемешивания.
   • Используйте зажим для цифрового термометра, чтобы удерживать цифровой термометр внутри стакана и над полосой для перемешивания. Нагрейте стакан примерно на 10-20 °C выше заданной температуры. заметка: Учащиеся, которым назначена температура 10 °C, позволят буре раствориться при комнатной температуре.
   • Для всех назначенных температур добавьте 200 мл деионизированной воды в стакан объемом 400 мл. Затем поместите стеклянный термометр в стакан с водой. Установите стакан на горячую плиту и нагрейте воду до температуры на 20 °C выше назначенной температуры. заметка: Учащиеся, которым назначена температура 10 °C, должны использовать воду комнатной температуры.
   • Обозначьте пять колб Эрленмейера объемом 250 мл как "испытания с 1 по 5". Как только бура полностью растворится в растворе и станет однородной, снимите стакан с мешалки и поставьте его на столешницу для охлаждения до заданной температуры.
   • Как только температура будет достигнута, положите стакан на стопку бумажных полотенец, чтобы он действовал как изолятор и поддерживал постоянную температуру. заметка: Учащиеся, которым назначена температура 10 °C, должны поместить стакан с раствором буры в большую мензуру, наполненную льдом и водой.
   • Пометьте другой стакан объемом 400 мл как "отходы" и залейте 5 мл горячей воды в стакан для отходов. Повторите это несколько раз, чтобы разогреть пипетку и предотвратить ее засорение по мере охлаждения буры.
   • Запишите точную температуру раствора буры в свой блокнот. Затем нанесите пипеткой 5 мл насыщенного раствора буры с верхней части стакана и раздайте его в первую колбу Эрленмейера объемом 250 мл. Не допускайте соприкосновения пипетки с кристаллизующейся бурой на дне стакана.
   • Пипетка 5 мл горячей воды в колбу Эрленмейера, содержащую раствор буры. Повторите это для каждой из четырех оставшихся колб, добавив 5 мл раствора буры и 5 мл воды. Не забывайте следить за температурой раствора буры, так как на столе он будет охлаждаться. заметка: Температура насыщенного раствора, передаваемого в каждую из пяти колб, должна быть в пределах 2 – 3 °С друг от друга. Студентам, работающим с более высокими температурами, может потребоваться повторно нагреть раствор, прежде чем продолжить.
2. Титрование решения для буры<кнопка class="expand">Expand

   Теперь вы определите, сколько буры растворилось в вашем насыщенном растворе. Вспомним химическую реакцию, показывающую, как бура диссоциирует в воде, образуя ион тетрабората. Поскольку ион тетрабората является основанием, он вступает в реакцию с кислотой после реакции нейтрализации.

   Когда количество кислоты в два раза превышает количество тетрабората, раствор нейтрализуют. Для этого мы будем медленно дозировать HCl в раствор буры до тех пор, пока он не будет нейтрализован, что означает, что кислота и основание вступают в реакцию с образованием воды и соли, а также нейтрального pH. Мы будем использовать индикатор pH бромоккрезола зеленого цвета, чтобы узнать, когда раствор нейтрализован, поскольку он превращается из синего в бледно-зеленовато-желтый при нейтральном pH.

   • Чтобы начать титрование, сначала отмерьте 40 мл деионизированной воды и добавьте ее в одну из колб Эрленмейера. Перемешайте колбу, чтобы убедиться, что вся бура находится в растворе. Повторите то же самое для остальных четырех колб.
   • Добавьте 2-3 капли 0,1% бромокрезолового зеленого в каждую колбу.
   • Закрепите зажим для бюретки на кольцевой подставке и закрепите бюретку в зажиме, убедившись, что бюретка вертикальна и максимально прямая. Убедитесь, что запорный кран на бюретке закрыт.
   • Поместите воронку в открытый конец бюретки и наполните ее деионизированной водой. Поместите стакан для отходов под бюретку и откройте запорный кран, чтобы вся вода вымылась из бюретки. Затем закройте запорный кран.
   • Получи 0,5 млн HCl у своего инструктора и налей 10 мл в бюретку. Используйте маркировку на боковой стороне бюретки в качестве ориентира. Откройте запорный кран на бюретке, чтобы весь HCl стек в стакан для отходов
   • Снова закройте запорный кран, а затем наполните бюретку 50 мл HCl. Слегка откройте запорный кран, чтобы жидкость заполнила кончик бюретки и удалила все пузырьки.
   • Запишите начальный объем HCl в свой лабораторный блокнот.
   • Для первого испытания титруйте HCl в раствор буры с шагом 1 мл. Аккуратно поворачивайте колбу после каждого добавления, чтобы убедиться, что раствор хорошо перемешался. заметка: В конечной точке титрования индикатор превратит раствор из светло-голубого в бледный зеленовато-желтый цвет. Если решение окрашивается в темно-желтый цвет, это означает, что конечная точка пройдена.
   • Когда вы достигнете конечной точки, запишите объем HCl, оставшийся в бюретке.
   • Наполните бюретку до отметки 50 мл большим количеством HCl и повторите титрование для всех остальных колб с раствором буры. Обязательно запишите окончательные объемы HCl, использованные для каждого титрования.
   • Чтобы очистить результат эксперимента, поместите стакан объемом 400 мл под носик бюретки и откройте бюретку, чтобы слить в нее оставшийся HCl.
   • Наполните бюретку деионизированной водой и дайте ей промыться через бюретку.
   • Используйте оставшийся раствор буры, чтобы нейтрализовать кислоту в стакане для отходов. Поворачивайте стакан до тех пор, пока он не перестанет пузыриться.
   • Добавьте пищевую соду в стакан для отходов и взбейте раствор. Продолжайте добавлять пищевую соду и взбалтывайте раствор, пока он не перестанет пузыриться. заметка: Вы можете не заметить пузырей, потому что большую часть нейтрализации выполняет бура.
   • Смойте содержимое стакана для отходов в раковину большим количеством воды. Колбы, содержащие буру и HCl от титрования, нейтрализуются, поэтому их также можно выливать в раковину.
3. Результаты<кнопка class="развернуть">Развернуть
   • Сначала определите константу реакции K_sp для диссоциации буры в воде. Определите среднюю температуру в градусах Цельсия и средний объем 0,5 М HCl, используемый для достижения конечной точки титрования.

     Таблица 2: Определение ΔG, ΔH и ΔS

     <таблица align="center" height="224" style="border-collapse: collapse; font-size: 12px; line-height: 24px;" width="100%"> Назначенная температура (°C) T_avg (°C) V_avg (mL) T_avg (K) 1/T_avg (K) Родинки 0.5 M HCl Molarity of Na₂[B₄O₅(OH)₄] K_sp lnK_sp ΔG (kJ/моль) 10 °C 20 °C 30 °C 40 °C 50 °C Нажмите здесь, чтобы скачать таблицу 2
   • Получите данные из других групп, чтобы у вас был средний объем HCl для каждой температуры.
   • Константа растворимости определяется по стехиометрии реакции диссоциации буры и воды. Поскольку реагент является твердым, он не включается в выражение. Поскольку для каждого тетрабората образуется два катиона натрия, предполагается, что концентрация натрия в два раза превышает концентрацию тетрабората. Таким образом, выражение можно упростить, как показано на рисунке: K_sp = 4[[B₄O₅(OH)₄]^2-]³
   • Концентрацию тетрабората можно рассчитать по объему HCl, использованному для достижения конечной точки титрования и нейтрализации основания. Моли HCl равны объему HCl, умноженному на молярность раствора. Поскольку для нейтрализации одной родинки тетрабората необходимо два моля HCl, то родинки тетрабората можно легко вычислить.
   • Рассчитайте концентрацию тетрабората (исходя из объема 5 мл насыщенного раствора) и определите константу реакции. Повторите расчет для каждой температуры и сравните результаты.
   • Используйте данные титрования для вычисления свободной энергии Гиббса, ΔG, при каждом значении температуры, чтобы определить, является ли диссоциация буры спонтанной реакцией. Вспомним выражение ΔG, где R — газовая постоянная, T — температура раствора в Кельвинах, а K_sp — наша реактивная константа. Используя наши реакционные константы и соответствующую температуру, рассчитаем ΔG для каждой температуры.
   • Помните, что если ΔG положительный, то реакция не является спонтанной, а это означает, что для ее продолжения необходимо вложить энергию в реакцию. Однако, если ΔG отрицательный, реакция протекает спонтанно. В целом, эта реакция не является спонтанной при низких температурах, но она спонтанна при более высоких температурах. Это подтверждает теорию о том, что бура предпочитает, чтобы кристаллическая структура соли формировалась при комнатной температуре и ниже, но предпочитает переходить в раствор после достижения определенной температуры. Используйте K_sp для вычисления ΔH и ΔS.
   • Постройте график естественного логарифма K_sp как функцию 1/T, выраженную в Кельвине. Наклон этой линии равен -ΔH/R, поэтому рассчитайте ΔH. Пересечение линии равно ΔS/R. Определите ΔS.
   • Поскольку изменение энтальпии этой реакции составляет около 90 кДж/моль и является положительным, реакция является эндотермической, что означает, что она поглощает энергию. Изменение энтропии положительное и составляет около 290 Дж/моль·К, что указывает на благоприятное производство беспорядка. Это ожидаемо, поскольку кристаллическая структура соли разрушается.