Практическая работа №4, страница 69, часть 2 - гдз по химии 11 класс учебник Оспанова, Аухадиева

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 4

Титрование сильного основания сильной кислотой

Техника безопасности. Требуется соблюдение правил работы с растворами кислот, щелочей и нагревательными приборами.

Реактивы: титрант – стандартный раствор HCl с концентрацией $c[\text{HCl}] = 0,10M$; кислотно-основной индикатор метиловый оранжевый 1%-ный раствор, дистиллированная вода.

Химическая посуда и лабораторное оборудование: коническая колба для титрования объемом $250 \text{ см}^3$; пипетка на $10,00 \text{ см}^3$; бюретка объемом $25 \text{ см}^3$; мерная колба объемом $100 \text{ см}^3$.

Задание. Рассчитайте и постройте кривую титрования $10 \text{ мл } 0,1M$ раствора HCl. Титрант: раствор NaOH $0,1M$.

Ход работы

1. Первоначально следует записать уравнение реакции.

2. Затем определить концентрацию раствора гидроксида натрия, приготовленного в опыте.

3. Приготовить бюретку для титрования и заполнить ее стандартным раствором кислоты.

4. Раствор NaOH из мерной колбы перелить в чистый сухой химический стакан пипеткой, объемом $10,00 \text{ см}^3$, отобрать аликвотный объем раствора гидроксида натрия и перенести его в коническую колбу для титрования.

5. Стенки колбы обмыть небольшим количеством дистиллированной воды, добавить 2 капли индикатора метилового оранжевого и начать титрование. Последние порции кислоты прилить по каплям. Титрование остановить в тот момент, когда произойдет резкий переход окраски от желтой к оранжево-красной.

6. Записать объем раствора кислоты, использованный при титро-вании. Повторить титрование еще 3 раза. Перед каждым титрованием коническую колбу помыть и ополоснуть дистиллированной водой.

Запись данных опыта и расчеты.

Данные записать по приведенной ниже форме.

Определяемое вещество – NaOH, титрант – HCl

Объем мерной колбы $V = 100 \text{ см}^3$

Концентрация титранта $c_{\text{м}}[\text{HCl}] = 0,1M$

Индикатор – метиловый оранжевый

№ п/п | Объем аликвоты $V(\text{NaOH}), \text{ см}^3$ | Эквивалентный объем титранта $V(\text{HCl}), \text{ см}^3$

По результатам титрования найти средний объем титранта. Рас-считать эквивалентную концентрацию NaOH. На основании формулы прямого титрования рассчитать молярную концентрацию гидроксида натрия.

2. Пояснения. Кривую титрования постройте по расчетным точкам. Расчетные точки должны соответствовать следующим этапам титрования:

1. Начальная точка.

2. Область до точки эквивалентности.

3. Точка эквивалентности (ТЭ).

4. Область после точки эквивалентности.

Расчеты приведите в виде таблицы.

Расчет кривой титрования $10 \text{ мл } 0,1M$ раствора HCl $0,1M$ раствора NaOH

Этап титрования / Объем добавленного титранта | Расчетная формула | pH

1

2

3

4

5

6

7

3. Постройте график проведенного титрования.

1. Уравнение реакции

При титровании раствора гидроксида натрия (сильное основание) раствором соляной кислоты (сильная кислота) происходит реакция нейтрализации с образованием соли (хлорида натрия) и воды.

Молекулярное уравнение реакции:

$NaOH + HCl \rightarrow NaCl + H_2O$

Ионное уравнение реакции:

$Na^+ + OH^- + H^+ + Cl^- \rightarrow Na^+ + Cl^- + H_2O$

Сокращенное ионное уравнение:

$OH^- + H^+ \rightarrow H_2O$

Ответ: Уравнение реакции нейтрализации: $NaOH + HCl \rightarrow NaCl + H_2O$.

Запись данных опыта и расчеты

Для определения точной концентрации раствора NaOH по стандартному раствору HCl проводят несколько параллельных титрований и находят средний объем титранта, пошедшего на реакцию. Ниже приведен пример заполнения таблицы с гипотетическими данными, близкими к ожидаемым.

Определяемое вещество — NaOH, титрант — HCl

Объем мерной колбы V = 100 см³

Концентрация титранта c(HCl) = 0,1 М

Индикатор — метиловый оранжевый

Расчет среднего объема титранта:

$V_{ср}(HCl) = \frac{10,02 + 9,98 + 10,00}{3} = \frac{30,00}{3} = 10,00$ см³.

Расчет молярной концентрации эквивалента NaOH.

В точке эквивалентности количество вещества эквивалента кислоты равно количеству вещества эквивалента основания:

$n_э(HCl) = n_э(NaOH)$

$C_н(HCl) \cdot V(HCl) = C_н(NaOH) \cdot V(NaOH)$

Поскольку для HCl и NaOH фактор эквивалентности $f_э = 1$, их молярная концентрация равна нормальной (эквивалентной) концентрации: $C_м = C_н$.

$C(NaOH) = \frac{C(HCl) \cdot V_{ср}(HCl)}{V(NaOH)} = \frac{0,1 \text{ моль/л} \cdot 10,00 \text{ см}^3}{10,00 \text{ см}^3} = 0,1 \text{ моль/л}$

Ответ: Средний объем титранта $V_{ср}(HCl) = 10,00$ см³. Рассчитанная молярная концентрация раствора гидроксида натрия составляет 0,1 моль/л.

2. Пояснения. Расчет и построение кривой титрования 10 мл 0,1М раствора HCl 0,1М раствором NaOH.

Дано:

$V(HCl) = 10 \text{ мл}$

$C(HCl) = 0,1 \text{ моль/л}$

$C(NaOH) = 0,1 \text{ моль/л}$

Перевод в СИ:

$V(HCl) = 10 \text{ мл} = 10 \cdot 10^{-3} \text{ л} = 0,01 \text{ л}$

$C(HCl) = 0,1 \text{ моль/л}$

$C(NaOH) = 0,1 \text{ моль/л}$

Найти:

Зависимость pH раствора от объема добавленного титранта $V(NaOH)$ - кривую титрования.

Решение:

Рассчитаем pH в характерных точках титрования.

1. Начальная точка (добавлено 0 мл NaOH)

В колбе находится только раствор сильной кислоты HCl. Концентрация ионов водорода равна концентрации кислоты.

$[H^+] = C(HCl) = 0,1 \text{ моль/л} = 10^{-1} \text{ моль/л}$

$pH = -\log[H^+] = -\log(10^{-1}) = 1$

2. Область до точки эквивалентности (добавлено $V(NaOH) < 10$ мл)

Часть кислоты нейтрализована, но в растворе сохраняется избыток HCl. pH определяется концентрацией непрореагировавших ионов $H^+$.

Общая формула для расчета: $[H^+] = \frac{C(HCl)V(HCl) - C(NaOH)V(NaOH)}{V(HCl) + V(NaOH)}$

Пример расчета для $V(NaOH) = 5,0$ мл:

$[H^+] = \frac{0,1 \cdot 10 - 0,1 \cdot 5}{10 + 5} = \frac{0,5}{15} \approx 0,0333 \text{ моль/л}$

$pH = -\log(0,0333) \approx 1,48$

Пример расчета для $V(NaOH) = 9,9$ мл (недотитровано 1%):

$[H^+] = \frac{0,1 \cdot 10 - 0,1 \cdot 9,9}{10 + 9,9} = \frac{0,01}{19,9} \approx 0,0005025 \text{ моль/л}$

$pH = -\log(0,0005025) \approx 3,30$

3. Точка эквивалентности (добавлено $V(NaOH) = 10$ мл)

Вся кислота полностью нейтрализована щелочью. В растворе находится только соль NaCl, образованная сильным основанием и сильной кислотой. Такая соль не подвергается гидролизу, и среда раствора нейтральна. pH определяется ионным произведением воды.

$[H^+] = [OH^-] = 10^{-7} \text{ моль/л}$

$pH = 7$

4. Область после точки эквивалентности (добавлено $V(NaOH) > 10$ мл)

В растворе появляется избыток щелочи NaOH. pH определяется концентрацией избыточных ионов $OH^-$.

Общая формула для расчета концентрации гидроксид-ионов: $[OH^-] = \frac{C(NaOH)V(NaOH) - C(HCl)V(HCl)}{V(HCl) + V(NaOH)}$

Затем рассчитывается pOH и pH: $pOH = -\log[OH^-]$, $pH = 14 - pOH$.

Пример расчета для $V(NaOH) = 10,1$ мл (перетитровано 1%):

$[OH^-] = \frac{0,1 \cdot 10,1 - 0,1 \cdot 10}{10 + 10,1} = \frac{0,01}{20,1} \approx 0,0004975 \text{ моль/л}$

$pOH = -\log(0,0004975) \approx 3,30$

$pH = 14 - 3,30 = 10,70$

Пример расчета для $V(NaOH) = 15,0$ мл:

$[OH^-] = \frac{0,1 \cdot 15 - 0,1 \cdot 10}{10 + 15} = \frac{0,5}{25} = 0,02 \text{ моль/л}$

$pOH = -\log(0,02) \approx 1,70$

$pH = 14 - 1,70 = 12,30$

Расчеты в виде таблицы:

Ответ: Расчетные значения pH в ключевых точках титрования представлены в таблице.

3. Построение графика проведенного титрования

На основании данных из таблицы строится график зависимости pH раствора (ось ординат) от объема добавленного раствора NaOH (ось абсцисс). Этот график называется кривой титрования.

Описание графика:

1. Кривая начинается в точке (0 мл, pH 1).
2. В начале титрования, по мере добавления NaOH, pH растет очень медленно.
3. Вблизи точки эквивалентности (при добавлении от 9,9 мл до 10,1 мл NaOH) наблюдается резкий скачок pH - от 3,30 до 10,70. Этот участок кривой практически вертикален.
4. Центр скачка титрования находится в точке эквивалентности (10 мл, pH 7).
5. После точки эквивалентности, при добавлении избытка щелочи, рост pH снова замедляется, и кривая становится более пологой.

Для определения точки эквивалентности на практике используют кислотно-основные индикаторы, интервал перехода окраски которых лежит в области скачка титрования. Для титрования сильной кислоты сильным основанием подходят индикаторы с интервалом перехода в широком диапазоне pH (например, метиловый оранжевый (pH 3,1-4,4), метиловый красный (pH 4,2-6,2), фенолфталеин (pH 8,2-10,0)).

Ответ: График представляет собой S-образную кривую (кривую титрования) с начальным значением pH=1, резким скачком в диапазоне pH от ~3 до ~11 в окрестности точки эквивалентности (10 мл NaOH), и последующим пологим выходом в щелочную область (pH > 12).