background image

 

 

 

 

Projekt Fizyka wobec wyzwań XXI w.  współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach 

Europejskiego Funduszu Społecznego  

 

PRAKTIKUM Z CHEMII OGÓLNEJ 

Dwiczenia laboratoryjne dla studentów I roku kierunku 

„Zastosowania fizyki w biologii i medycynie” 

Biofizyka molekularna 

Projektowanie molekularne i bioinformatyka 

Optyka okularowa 

 

 

Dwiczenie 1 (07.12.09 – 11.12.09) 

Właściwości roztworów buforowych 

Potencjometryczne pomiary pH 

 

Osoby prowadzące: 

mgr Joanna Kowalska, mgr Joanna Krasowska, mgr Dorota Kubacka, 

dr Elżbieta Bojarska 

 

 

 

background image

Regulamin pracowni i zasady zaliczania 

 

W  ramach  „Praktikum  z  chemii  ogólnej”  należy  zaliczyd  5  dwiczeo.  W  przypadku 
nieobecności  należy  dwiczenie  wykonad  w  terminie  dodatkowym.  Przewidziane  są 
2  terminy  dodatkowe:  18.01.2010  w  godz.  9.30-12.30  oraz  22.01.2010  w  godz.  
9.30-12.30. 

 

Wszystkich uczestników pracowni obowiązuje znajomośd zasad BHP w laboratorium 
chemicznym  i  zasad  udzielania  pierwszej  pomocy  oraz  regulaminu  pracowni 
(szczegółowe informacje na pierwszych zajęciach) 

 

Na  dwiczenia  należy  przychodzid  punktualnie  i  kooczyd  je  o  wyznaczonej  godzinie 
(każda pracownia trwa 3 godziny zegarowe) 

 

Warunkiem  przystąpienia  do  części  doświadczalnej  jest  zaliczenie  sprawdzianu 
wejściowego.  Wymagane  zagadnienia  będą  podawane  w  instrukcji  do  każdego 
dwiczenia. 

 

Praca  w  laboratorium  odbywa  się  o  odzieży  ochronnej  (obowiązkowo),  okularach 
oraz  rękawiczkach  (w  przypadku  pracy  z  substancjami  żrącymi).  Każdy  student  ma 
obowiązek  posiadad  własny  fartuch  i  przynosid  go  na  każdą  pracownię
.  Okulary 
ochronne oraz rękawiczki jednorazowe będą dostępne na pracowni. 

 

W trakcie wykonywania dwiczenia należy prowadzid notatki. 

 

Dwiczenia  wykonywane  będą  pojedynczo  lub  w  grupach  2-osobowych,  ale  opis 
dwiczenia  każdy  student  przygotowuje  indywidualnie.  Opis  należy  dostarczyd  
w terminie 1 tygodnia od daty wykonania dwiczenia. 

 

Warunkiem  zaliczenia  każdego  dwiczenia  jest  zaliczenie  sprawdzianu  wejściowego, 
wykonanie  zadao  zgodnie  z  instrukcją  i  poleceniami  osoby  prowadzącej  oraz 
przygotowanie  opisu.  Każda  częśd  jest  osobno  punktowana.  Ocena  koocowa  za 
dwiczenie zależy od ilości zdobytych punktów.  

 

Studenci  obowiązani  są  do  przestrzegania  porządku  i  czystości  na  stołach 
laboratoryjnych, w szafkach, szufladach i lodówkach. 

 

Po  zakooczeniu  pracy  należy  umyd  naczynia  używane  w  czasie  wykonywania 
dwiczenia i zostawid porządek na stole laboratoryjnym. 

 

Nieprzestrzeganie  obowiązujących  zasad  BHP  oraz  regulaminu  może  spowodowad 
usunięcie studenta z pracowni. 

 

background image

 

 

 

Projekt Fizyka wobec wyzwań XXI w.  współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach 

Europejskiego Funduszu Społecznego  

 

  Wstęp teoretyczny 

Roztwory elektrolitów  

Cząsteczki elektrolitów ulegają pod wpływem rozpuszczalnika rozpadowi na jony.  Proces ten 
nazywa  się  dysocjacją  elektrolityczną  i  jest  opisywany  za  pomocą  stopnia  dysocjacji    (α), 
zdefiniowanego  jako  stosunek  ilości  cząsteczek  zdysocjowanych  (N

α

)  do  ilości  cząsteczek  

wprowadzonych do roztworu (N) 

 

Stopieo  dysocjacji  zależy  od  rodzaju  elektrolitu,  rodzaju  rozpuszczalnika,  stężenia  oraz 
obecności  innych  substancji  w  roztworze.  Elektrolity  mocne  są  w  znacznym  stopniu 
zdysocjowane (α >90%). Elektrolitami mocnymi są wszystkie dobrze rozpuszczalne sole oraz 
kwasy i zasady, w których przeważa jonowy charakter wiązania.  

W  roztworach  słabych  elektrolitów  (słabych  kwasów  HA  i  słabych  zasad  B),  których 
dysocjacja przebiega wg równania 

HA + H

2

O ↔ H

3

O

+

 + A¯ 

B + H

2

O ↔ BH +OH¯ 

znajdują się zarówno jony jak i cząsteczki niezdysocjowane.  

Proces dysocjacji słabego kwasu czy słabej zasady opisywany jest ilościowo za pomocą stałej 
dysocjacji K

a

 

 

 

 

 

background image

W  roztworze  słabego  kwasu  HA  o  stężeniu  początkowym  c,  zdysocjowanego  w  stopniu  α  
powstaje    jonów  H

3

O

+

  i  tyle  samo  anionów  .  Różnica  c  –  cα  określa  ilośd  kwasu 

niezdysocjowanego.  Po  podstawieniu  tych  wartości  do  równania  na  stałą  równowagi 
otrzymuje się zależnośd   

 

 

Aktywnośd elektrolitów

 

W  wodnych  roztworach  mocnych  elektrolitów  zachodzi  szereg  procesów  (takich  jak 
przyciąganie jonów różnoimiennych, tworzenie się par i trójek jonowych, hydratacja), które 
powodują,  że  roztwory  te  zachowują  się  tak,  jakby  ich  stężenia  były  mniejsze  od 
rzeczywistych.  To  zmniejszone,  efektywne  stężenie  jonów  w  roztworze  określa  się 
aktywnością  

 

gdzie c

i

  oznacza stężenie molowe i-tego jonu, f

i

 współczynnik aktywności. 

Wartośd aktywności zależy od stężenia elektrolitu. W miarę rozcieoczania roztworu wartośd 
aktywności zbliża się do wartości stężenia. W roztworze nieskooczenie rozcieoczonym  obie 
wartości są sobie równe.  

Aktywnośd  określonego  typu  jonów  zależy  od  obecności  wszystkich  jonów  powstających  w 
wyniku  dysocjacji  elektrolitu.  Wielkością,  która  charakteryzuje    oddziaływania  jonowe  w 
roztworach elektrolitów  jest siła jonowa 

 

gdzie  c

i  

oznacza stężenie molowe i-tego jonu, a z jego ładunek. 

Wartośd współczynnika aktywności dla określonego jonu oblicza się ze wzoru Debye’a-Hückla 

 

w którym B oznaczają stałe zależne od temperatury i właściwości rozpuszczalnika, a d 
odpowiada średnicy uwodnionego jonu.  

Na  podstawie  pomiarów  fizykochemicznych  prowadzonych  dla  roztworów  elektrolitów 
(potencjały  redoks,  przewodnictwo),  można  wyznaczyd  jedynie  średni  współczynnik 
aktywności elektrolitu, związany z aktywnościami różnych jonów obecnych w roztworze. 

background image

 

 

 

Projekt Fizyka wobec wyzwań XXI w.  współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach 

Europejskiego Funduszu Społecznego  

 

Teorie kwasów i zasad 

Teoria Arrheniusa 

Według teorii Arrheniusa kwasy to substancje, które w roztworach wodnych odszczepiają jon 
wodorowy 

HA ↔ H

+

 + A¯ 

Zasadami natomiast są substancje odszczepiające jon wodorotlenowy 

BOH ↔ B

+

 + OH¯ 

Teoria  Arrheniusa  dobrze  tłumaczy  zachowanie  kwasów  i  zasad  w  roztworach  wodnych, 
zawodzi  jednak  w  przypadku  procesów  hydrolizy  obojętnych  soli.  Nie  tłumaczy  również 
zachowania niektórych związków w roztworach niewodnych. Przykładem jest mocznik, który 
w wodzie nie wykazuje cech kwasu ani zasady, natomiast w ciekłym amoniaku zachowuje się 
jak kwas. 

Teoria Lowry’ego-Brönsteda 

Podstawowym założeniem teorii Lowry’ego-Brönsteda jest to, że proces dysocjacji polega nie 
tylko na rozpadzie substancji na jony, ale również na reakcji z cząsteczkami rozpuszczalnika. 
Jon  wodorowy  powstający  w  wyniku  dysocjacji  kwasu  jest  w  rzeczywistości  hydratowany. 
Zachowanie się kwasów w wodzie polega zatem na przekazaniu protonu do cząsteczki wody. 

HA + H

2

O ↔ H

3

O

+

 + A¯ 

W  teorii  protonowej  Lowry’ego-Brönsteda  kwasem  jest  substancja  zdolna  do  oddawania 
protonów  (donor  protonów),  a  zasadą  substancja  zdolna  do  przyłączenia  protonów 
(akceptor  protonów).  W  wyniku  reakcji  kwasu  z  zasadą  powstaje  sprzężona  z  nimi  para 
zasada/kwas 

HCl(kwas1) + H

2

O(zasada1) ↔ Cl¯(zasada2) + H

3

O

+

(kwas2) 

Mocny  kwas  wykazuje  silne  tendencje  do  oddawania  protonów,  a  sprzężona  z  nim  zasada 
posiada  słabe  właściwości  protonoakceptorowe  (mocny  kwas  jest  sprzężony  ze  słabą 
zasadą). 

 

 

background image

Teoria Lewisa 

Kwasem  jest  każdy  akceptor  pary  elektronowej,  a  zasadą  donor  pary  elektronowej.  Każdy 
kwas  wg  teorii  Lowry’ego-Brönsteda  jest  zarazem  kwasem  Lewisa,  to  samo  dotyczy  zasad. 
Teoria Lewisa rozszerza jednak pojęcie kwasu i zasady na związki, których poprzednie teorie 
nie uwzględniały, np. cząsteczki nie zawierające protonów: BF

3, 

SO

3, 

AlCl

3

. Mogą one tworzyd 

połączenia z donorami par elektronowych: H

2

O, NH

3

, aniony reszt kwasowych. 

H

+

(kwas) + NH

3

(zasada) ↔ NH

4

+

 

BF

3

 (kwas) + F¯(zasada) ↔ BF

4

 

Roztwory buforowe 

Roztworami  buforowymi  nazywamy  roztwory  zawierające  sprzężony  układ  kwas/zasada,  
o  wysokich  stężeniach  początkowych  (0.2  -1  mol/dm

3

).  Roztwory  buforowe  mają  zdolnośd 

utrzymywania prawie stałej wartości pH przy rozcieoczaniu oraz dodawaniu niewielkiej ilości 
stężonego kwasu czy zasady. 

Stan  równowagi  pomiędzy  kwasem  i  zasadą  w  układzie  buforującym  jest  określony    stałą 
dysocjacji słabego kwasu HA 

 

Roztwór  buforowy  otrzymuje  się  przez  zmieszanie  słabego  kwasu  HA  i  sprzężonej  z  nim 
zasady    o  stężeniach  odpowiednio  c

HA

  oraz  c

A

.  Po  podstawieniu  do  wzoru  na  stałą 

dysocjacji można obliczyd pH roztworu buforowego 

 

Utrzymywanie stałego pH roztworów buforowych obserwuje się tylko w pewnych granicach. 
Ilościową  miarą  zdolności  roztworu  buforowego  do  przeciwdziałania  zmianie  pH  w  wyniku 
dodania mocnego kwasu czy zasady jest jego pojemnośd buforowa określona jako stosunek 
dodanej ilości kwasu lub zasady (w molach) do zmiany pH  

 

Pojemnośd  buforowa  zależy  od  wyjściowych  stężeo  składników.  Znaczne  rozcieoczanie 
roztworu buforowego, chociaż nie wpływa istotnie na zmianę jego pH,  jest niekorzystne ze 
względu na zmniejszanie pojemności buforowej. 

 

 

background image

 

 

 

Projekt Fizyka wobec wyzwań XXI w.  współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach 

Europejskiego Funduszu Społecznego  

 

Pomiary pH roztworów

 

W  celu  dokładnego  określenia  pH  roztworów  wykorzystuje  się  pomiary  potencjometryczne 
wykonywane  za  pomocą  pH-metrów.    Wartośd  pH  określa  się  na  podstawie  pomiaru  SEM 
ogniwa  zbudowanego  z  dwóch  elektrod,  z  których  jedna  jest  wrażliwa  na  stężenie  jonów 
wodorowych. Najczęściej do pomiarów pH używa się elektrody szklanej w kształcie rurki ze 
szkła  zakooczonej  kulistą,  cienką  membraną  szklaną.  Wewnątrz  elektrody  szklanej  znajduje 
się  drut  srebrny  pokryty  warstwa  AgCl,  zanurzony  w  0,1  M  roztworze  HCl.  Potencjał 
półogniwa  wewnętrznego  (Ag│AgCl│HCl    jest  stały  (0,222V).  Zmiany  potencjału  elektrody 
szklanej  wynikają  ze  zmian  potencjału  na  granicy  faz  roztworu  i  membrany  szklanej. 
Powierzchniowa  warstwa  membrany  szklanej  ulega  hydratacji  w  kontakcie  z  roztworem. 
Przebiegają w niej procesy wymiany jonowej między szkłem a roztworem oraz dyfuzja jonów 
wodorowych wewnątrz hydratowej części membrany. Elektrodą odniesienia jest najczęściej 
elektroda kalomelowa lub chlorosrebrowa. Budowa tej drugiej jest taka sama jak półogniwa 
wewnętrznego elektrody szklanej.  

          Schemat budowy elektrody do pomiarów pH 

 

SEM ogniwa złożonego z elektrody wskaźnikowej i elektrody odniesienia jest równe różnicy 
potencjałów obu elektrod  

 

background image

 

gdzie E

0

 oznacza potencjał standardowy elektrody, 

  aktywnośd jonów wodorowych, 

z liczbę elektronów biorących udział w reakcji elektrodowej,  R stałą gazową, F stałą 
Faradaya, T temperaturę bezwzględną.  

Reakcje hydrolizy 

Reakcje  hydrolizy  są  to  reakcje  między  cząsteczkami  wody  a  jonami  powstałymi  w  wyniku 
dysocjacji soli. Hydrolizie nie ulegają sole mocnych kwasów i mocnych zasad. Wyróżnia się 3 
typy reakcji hydrolizy: kationową, anionową i kationowo-anionową. 

Hydrolizie  kationowej  ulegają  sole  mocnych  kwasów  i  słabych  zasad  (odczyn  roztworu 
kwaśny) 

Me

+

 + 2H

2

O ↔ MeOH + H

3

O

+

      

NH

4

Cl → NH

4

+

 + Cl¯                       NH

4

+

 + 2H

2

O → NH

4

OH + H

3

O

+

 

Hydrolizie  anionowej  ulegają  sole  słabych  kwasów  i  mocnych  zasad  (odczyn  roztworu 
zasadowy) 

R¯ + H

2

O ↔ HR + OH¯ 

CH

3

COONa → CH

3

COO¯ + Na

+

       CH

3

COO¯ + H

2

O ↔ CH

3

COOH + OH¯ 

Hydrolizie kationowo-anionowej ulegają sole słabych kwasów i słabych zasad (odczyn zależy 
od stałych dysocjacji kwasu i zasady) 

Me

+

 + R¯ + H

2

O ↔ MeOH + HR 

AlClO

3

 → Al

3+

 + 3ClO¯ 

Al

3+

 + 3ClO¯ + 3 H

2

O ↔ Al(OH)

3

 + 3HClO 

 

  Częśd doświadczalna 

Cel dwiczenia 

Przygotowanie roztworów buforowych, pomiary pH, obliczanie siły jonowej roztworów oraz 
współczynników aktywności jonów. 

background image

 

 

 

Projekt Fizyka wobec wyzwań XXI w.  współfinansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach 

Europejskiego Funduszu Społecznego  

 

Zagadnienia do przygotowania 

Dysocjacja elektrolityczna, stała i stopieo dysocjacji, elektrolity mocne i słabe, iloczyn jonowy 
wody,  siła  jonowa  roztworu,  aktywnośd  jonów,  teorie  kwasów  i  zasad,  definicja  pH, 
obliczanie  pH  roztworów  kwasów  i  zasad,  potencjometryczny  pomiar  pH,  budowa  i  zasada 
działania elektrody szklanej. 

Odczynniki 

 

Słabe kwasy: CH

3

COOH (roztwór o stężeniu 1 mol/dm

3

), Hepes (substancja stała) 

 

Zasady: NaOH (roztwór o stężeniu 1 mol/dm

3

 

Sole: NaCl, CH

3

COONa, HCOONH

4

, NaBO

2

, NH

4

Cl, NaHCO

3

, Na

2

CO

3

, K

2

HPO

4

, KH

2

PO

4

 

 

Inne związki: mocznik, imidazol 

Przygotowanie roztworów 

 

250 cm

roztworu CH

3

COOH, CH

3

COONa, NaHCO

3

, Na

2

CO

3 ,

 K

2

HPO

4

, KH

2

PO

4  

oraz 

Hepes o stężeniu 0,05 mol/dm

3

 

 

100 cm

roztworu HCOONH

4

 o stężeniu 0,1 mol/dm

3

 

 

100 cm

roztworu  NaBO

  o stężeniu 0,1 mol/dm

3

 

 

100 cm

roztworu NH

4

Cl o stężeniu 0,1 mol/dm

3

 

Przygotowanie pH-metru 

 

Przed  wykonaniem  pomiarów  należy  dokonad  kalibracji  pH-metru,  zgodnie 
z  instrukcją  lub  wskazówkami  osoby  prowadzącej  dwiczenie.    Przed  każdym 
zanurzeniem elektrody do roztworu kalibracyjnego lub roztworu badanego, elektrodę 
należy opłukad wodą destylowaną i osuszyd bibułą filtracyjną.  

 

W  czasie  wykonywania  pomiarów  potencjometrycznych  należy  zwracad  uwagę,  aby 
nie  uszkodzid  membrany  szklanej  (nie  dotykad  nią  dna  ani  ścianek  naczynia). 
Szczególną  ostrożnośd  należy  zachowad  przy  uruchamianiu  mieszadła  w  naczyniu,  
w którym zanurzona jest elektroda.
  

 

 

 

background image

Wykonanie dwiczenia 

 

Przygotowad  bufor  octanowy  przez  zmieszanie    roztworu  CH

3

COOH  i  roztworu  

CH

3

COONa (bufor węglanowy  przez zmieszanie NaHCO

3

 i Na

2

CO

3

, bufor fosforanowy 

przez  zmieszanie  K

2

HPO

4

  i  KH

2

PO

4

).  Wykonad  pomiary  pH.  Otrzymane  z  pomiarów 

potencjometrycznych wyniki porównad z obliczonmi wartościami pH. 

 

Rozcieoczyd bufory 10-krotnie. Zmierzyd pH.  

 

Do  50  ml  buforu  octanowego  (węglanowego,  fosforanowego)  dodad  5  ml  1  M  HCl. 
Zmierzyd  pH.  Taką  samą  ilośd  kwasu  dodad  do  50  ml  wody  destylowanej  i  zmierzyd 
pH. 

 

Przygotowad  roztwór  buforowy  Hepes  o  pH  7.5,  przez  dodawanie  porcjami  1  M 
roztworu  NaOH.  Do  kolby  miarowej  o  pojemności  100  ml  wsypad  0,1  mola  stałego 
NaCl  (mocznika,  imidazolu)  i  uzupełnid  buforem  Hepes.  Ponownie  zmierzyd  pH. 
Obliczyd  siłę  jonową  buforu  z  NaCl,  wyznaczyd  współczynnik  aktywności  jonów 
wodorowych. 

 

Zmierzyd pH roztworów soli: HCOONH

4

, NaBO

2

, NH

4

Cl. Napisad reakcje hydrolizy. 

Literatura 

 

J. Minczewski, Z. Marczenko, „Chemia analityczna”, Wydawnictwo Naukowe PWN 

 

J. Cygaoski, „ Podstawy metod elektroanalitycznych”, Wydawnictwo WNT 

 

L. Jones, P. Atkins, „Chemia ogólna – cząsteczki, materia, reakcje”, Wydawnictwo 
Naukowe PWN