Çözünürlük

Kaynak: Smaa Koraym, Johns Hopkins Üniversitesi, MD, ABD

1. Doymuş Bir Çözüm OluşturmaGenişlet

   Bu deneyde, boraks olarak da adlandırılan doymuş bir sodyum tetraborat dekahidrat çözeltisi oluşturacaksınız. Suda, boraks iki sodyum katyonuna ve bir tetraborat anyonuna ayrışır. Sulu bir boraks çözeltisi doyduğunda, su olan bu çözücü hacmi için boraks olan maksimum miktarda çözünmüş çözünen madde içerdiği anlamına gelir. Herhangi bir ek katı çözünmüş gibi görünmeyecektir.

   Çözünürlük sıcaklığa bağlı olduğundan, her grup farklı bir sıcaklıkta doymuş bir çözelti oluşturacaktır. Daha fazla boraks daha yüksek sıcaklıklarda çözülür ve bu da daha yüksek boraks konsantrasyonuna sahip bir çözelti ile sonuçlanır.

   • Deneye başlamadan önce, laboratuvar önlüğü, kimyasal sıçrama gözlüğü ve eldiven dahil olmak üzere gerekli kişisel koruyucu ekipmanı giyin.
   • Eğitmen size deney sırasında kullanmanız için bir sıcaklık atayacaktır. Bu sıcaklığa bağlı olarak, tabloyu kullanarak doymuş bir çözelti oluşturmak için ihtiyaç duyacağınız boraks miktarını belirleyin.

     Sıcaklık (°C)	Boraks miktarı (g)
     10	4
     20	6
     30	8
     40	13
     50	21

   • Atanmış sıcaklığınız için gerekli boraks miktarını ölçün. Örneğin, 30 °C'lik bir sıcaklık için 8 g boraks gereklidir. Kütleyi laboratuvar defterinize kaydedin. Verilerinizi izlemenize yardımcı olması için bu tabloyu oluşturun.

     Tablo 1: Sıcaklık ve Hacim Verileri

     Atanan sıcaklık (°C)
     Boraks kütlesi (g)
     Deneme	Çözelti sıcaklığı (°C)	0,5 M HCl'lik > Hacim (mL) eklendi
     1
     2
     3
     4
     5

     Tablo 1'i indirmek için buraya tıklayın
   • 150 mL'lik bir beheri 'boraks solüsyonu' olarak etiketleyin ve boraksı içine aktarın. 50 mL deiyonize su ölçün ve kabın içine dökün. Çözeltiye manyetik bir karıştırma çubuğu ekleyin, kabı ocak gözünün üzerine yerleştirin ve karıştırma ayarını açın.
   • Dijital termometreyi beherin içinde ve karıştırma çubuğunun üzerinde tutmak için bir dijital termometre kelepçesi kullanın. Beheri atanan sıcaklıktan yaklaşık 10 ila 20 °C daha yükseğe ısıtın. not: 10 °C sıcaklık atanan öğrenciler, boraksın oda sıcaklığında çözünmesine izin verecektir.
   • Atanan tüm sıcaklıklar için, 400 mL'lik bir behere 200 mL deiyonize su ekleyin. Ardından, su kabına bir cam termometre yerleştirin. Beheri sıcak plakaya yerleştirin ve suyu belirlediğiniz sıcaklıktan 20 °C daha yükseğe ısıtın. not: 10 °C sıcaklık atanan öğrenciler oda sıcaklığında su kullanmalıdır.
   • Beş adet 250 mL'lik Erlenmeyer şişesini '1'den 5'e kadar olan denemeler' olarak etiketleyin. Boraks çözelti içinde tamamen çözündüğünde ve homojen göründüğünde, kabı karıştırma plakasından çıkarın ve belirlenen sıcaklığa soğuması için tezgahın üzerine koyun.
   • Sıcaklığa ulaşıldığında, yalıtkan görevi görmesi ve sıcaklığı sabit tutması için beheri bir kağıt havlu yığınının üzerine yerleştirin. not: 10 °C sıcaklığa atanan öğrenciler, boraks çözeltisi içeren beherlerini buz ve su ile dolu daha büyük bir behere yerleştirmelidir.
   • 400 mL'lik başka bir beheri 'atık' olarak etiketleyin ve 5 mL sıcak suyu atık beherinize pipetleyin. Pipeti ısıtmak ve boraks soğudukça tıkanmasını önlemek için bunu birkaç kez tekrarlayın.
   • Boraks çözeltisinin tam sıcaklığını not defterinize kaydedin. Ardından, doymuş boraks çözeltisinin 5 mL'sini beherin üstünden pipetleyin ve ilk 250 mL'lik Erlenmeyer şişesine dağıtın. Pipetin, beherin altındaki kristalleşen boraks ile temas etmesine izin vermeyin.
   • Boraks solüsyonunu içeren Erlenmeyer şişesine 5 mL sıcak su pipetleyin. Kalan dört şişenin her biri için bunu tekrarlayın, 5 mL boraks çözeltisi ve 5 mL su ekleyin. Tezgah üzerinde soğuyacağı için boraks solüsyonunuzun sıcaklığına dikkat etmeyi unutmayın. not: Beş şişenin her birine aktarılan doymuş çözeltinin sıcaklığı, birbirinden 2 – 3 °C arasında olmalıdır. Daha yüksek sıcaklıklarla çalışan öğrencilerin devam etmeden önce çözeltilerini yeniden ısıtmaları gerekebilir.
2. Boraks Çözeltisinin TitrasyonuExpand

   Şimdi doymuş çözeltinizde ne kadar boraksın çözündüğünü belirleyeceksiniz. Boraksın suda nasıl ayrıştığını ve tetraborat iyonunu nasıl oluşturduğunu gösteren kimyasal reaksiyonu hatırlayın. Tetraborat iyonu bir baz olduğundan, bir nötralizasyon reaksiyonunu takiben asit ile reaksiyona girecektir.

   Asit miktarı tetraborat miktarının iki katı olduğunda, çözelti nötralize edilir. Bunu yapmak için, nötralize olana kadar HCl'yi boraks çözeltisine yavaşça dağıtacağız, bu da asit ve bazın su ve tuz ve nötr bir pH oluşturmak üzere reaksiyona girdiği anlamına gelir. pH nötr olduğunda maviden soluk yeşilimsi sarıya döndüğü için çözeltinin ne zaman nötralize edildiğini bize bildirmek için pH indikatörü bromokresol yeşilini kullanacağız.

   • Titrasyona başlamak için önce 40 mL deiyonize su ölçün ve Erlenmeyer şişelerinden birine ekleyin. Tüm boraksın çözelti içinde olduğundan emin olmak için şişeyi döndürün. Bunu diğer dört şişe için tekrarlayın.
   • Her şişeye 2 - 3 damla %0.1 bromokresol yeşili ekleyin.
   • Bir halka standına bir büret kelepçesi takın ve büretin dikey ve mümkün olduğunca düz olduğundan emin olarak kelepçeye bir büret sabitleyin. Büret üzerindeki musluğun kapalı olduğundan emin olun.
   • Büretin açık ucuna bir huni yerleştirin ve büreti deiyonize su ile doldurun. Atık kabınızı büretin altına yerleştirin ve büretteki tüm suyun durulanmasını sağlamak için vanayı açın. Ardından, vanayı kapatın.
   • Eğitmeninizden 0,5 M HCl alın ve 10 mL'yi büretin içine dökün. Büretin yan tarafındaki işaretleri kılavuz olarak kullanın. HCl'nin tamamının atık kabına akmasını sağlamak için büret üzerindeki vanayı açın
   • Muslukları tekrar kapatın ve ardından büreti 50 mL HCl ile doldurun. Sıvının büretin ucunu doldurmasına izin vermek ve kabarcıkları gidermek için muslukları hafifçe açın.
   • HCl'nin ilk hacmini laboratuvar not defterinize kaydedin.
   • İlk deneme için, HCl'yi 1 mL'lik artışlarla boraks çözeltisine titre edin. Çözeltinin iyice karıştığından emin olmak için her eklemeden sonra şişeyi hafifçe döndürün. not: Titrasyonun bitiş noktasında, gösterge çözeltiyi açık maviden soluk yeşilimsi sarı renge çevirecektir. Çözümünüz koyu sarı renge dönerse, bu uç noktayı geçtiğinizi gösterir.
   • Uç noktaya ulaştığınızda, bürette kalan HCl hacmini kaydedin.
   • Büreti 50 mL işaretine kadar daha fazla HCl ile doldurun ve diğer tüm boraks çözeltisi şişeleri için titrasyonu tekrarlayın. Her titrasyon için kullanılan son HCl hacimlerini kaydettiğinizden emin olun.
   • Deneyden temizlemek için, 400 mL'lik atık kabı büret musluğunun altına yerleştirin ve kalan HCl'yi içine boşaltmak için büreti açın.
   • Büreti deiyonize suyla doldurun ve büretten durulanmasına izin verin.
   • Atık kabınızdaki asidi nötralize etmek için kalan boraks çözeltinizi kullanın. Kabağı köpürmeyi bırakana kadar döndürün.
   • Atık behere kabartma tozu ekleyin ve çözeltiyi döndürün. Kabartma tozu eklemeye ve solüsyonu köpürmeyi bırakana kadar döndürmeye devam edin. not: Boraks nötralizasyonun çoğunu yaptığı için köpürmeyi gözlemlemeyebilirsiniz.
   • Atık kabının içindekileri bol su ile lavaboya yıkayın. Titrasyonlarınızdan elde edilen boraks ve HCl içeren şişeler nötralize edilir, böylece lavaboya da dökülebilirler.
3. ResultsExpand
   • İlk olarak, suda boraks ayrışması için reaksiyon sabiti K_sp'yi belirleyin. Santigrat cinsinden ortalama sıcaklığı ve titrasyonun son noktasına ulaşmak için kullanılan ortalama 0,5 M HCl hacmini belirleyin.

     Tablo 2: ΔG, ΔH ve ΔS'nin Belirlenmesi

     Atanan sıcaklık (°C)	Tort. (°C)	Vort. (mL)	Tort. (K)	>1/Tort (K)	>0,5 M HCl'lik moller	Na2'nin molaritesi[B4O5(OH)4]	Ksp	lnKsp	ΔG (kJ/mol)
     10 °C
     20 °C
     30 °C
     40 °C
     50 °C

     Tablo 2'yi indirmek için buraya tıklayın
   • Her sıcaklık için ortalama bir HCl hacmine sahip olmak için diğer gruplardan veri alın.
   • Çözünürlük sabiti, boraks ve suyun ayrışma reaksiyonunun stokiyometrisinden belirlenir. Reaktan katı olduğu için ifadeye dahil edilmez. Her tetraborat için iki sodyum katyonu oluştuğundan, sodyum konsantrasyonunun tetraborat konsantrasyonunun iki katına eşit olduğu varsayılmaktadır. Böylece, ifade gösterildiği gibi basitleştirilebilir: K_sp = 4[[B₄O₅(OH)₄]^2-]³
   • Tetraborat konsantrasyonu, titrasyonun son noktasına ulaşmak ve bazı nötralize etmek için kullanılan HCl hacminden hesaplanabilir. HCl'nin molleri, HCl'nin hacminin çözeltinin molaritesinin çarpımına eşittir. Bir mol tetraboratı nötralize etmek için iki mol HCl'ye ihtiyaç duyulduğundan, tetraboratın molleri kolayca hesaplanabilir.
   • Tetraborat konsantrasyonunu hesaplayın (5 mL doymuş çözelti hacmine göre) ve reaksiyon sabitini belirleyin. Her sıcaklık için hesaplamayı tekrarlayın ve sonuçlarınızı karşılaştırın.
   • Boraksın ayrışmasının kendiliğinden bir reaksiyon olup olmadığını belirlemek için her sıcaklık değerinde Gibbs serbest enerjisini (ΔG) hesaplamak için titrasyon verilerini kullanın. R'nin gaz sabiti olduğu, T'nin Kelvin cinsinden çözeltinin sıcaklığı olduğu ve K_sp'nin reaksiyon sabitimiz olduğu ΔG ifadesini hatırlayın. Reaksiyon sabitlerimizi ve karşılık gelen sıcaklığı kullanarak, her sıcaklık için ΔG'yi hesaplayın.
   • ΔG pozitifse, reaksiyonun kendiliğinden olmadığını, yani reaksiyonun devam etmesi için reaksiyona enerji konulması gerektiğini unutmayın. Bununla birlikte, ΔG negatifse, reaksiyon kendiliğinden ilerler. Genel olarak, bu reaksiyon düşük sıcaklıklarda kendiliğinden değildir, ancak daha yüksek sıcaklıklarda kendiliğindendir. Bu, boraksın oda sıcaklığında ve daha düşük tuz kristal yapı formunu tercih ettiği, ancak belirli bir sıcaklığa ulaşıldıktan sonra çözeltiye girmeyi tercih ettiği teorisini desteklemektedir. ΔH ve ΔS'yi hesaplamak için K_sp kullanın.
   • K_sp'nin doğal günlüğünü Kelvin cinsinden bildirilen 1/T'nin bir fonksiyonu olarak çizin. Bu doğrunun eğimi -ΔH/R'ye eşittir, bu nedenle ΔH'yi hesaplayın. Çizginin kesişimi ΔS/R'ye eşittir.
   • Bu reaksiyonun entalpisindeki değişim yaklaşık 90 kJ/mol olduğundan ve pozitif olduğundan, reaksiyon endotermiktir, yani enerjiyi emer. Entropideki değişim pozitiftir ve yaklaşık 290 J/mol·K'dir, bu da düzensizliğin olumlu üretimini gösterir. Bu, tuzun kristal yapısı bozuldukça beklenen bir durumdur.