Δείκτες- Ρυθμιστικά διαλύματα. Εισαγωγική Χημεία

Transcript

1 Δείκτες- Ρυθμιστικά διαλύματα Εισαγωγική Χημεία

2 ΤΙΤΛΟΔΟΤΗΣΗ ή ΟΓΚΟΜΕΤΡΗΣΗ Τιτλοδότηση ισχυρού οξέος με ισχυρή βάση ΤΕΛΙΚΟ ΣΗΜΕΙΟ = ΣΗΜΕΙΟ ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗΣ= ΙΣΟΔΥΝΑΜΟ ΣΗΜΕΙΟ Κατά την τιτλοδότηση ισχυρού οξέος με μια ισχυρή βάση τα moles του οξέος (H + ) ισούνται με τα moles της βάσης (OH - ) έτσι ώστε να παράγεται (H 2 O). Αν ο λόγος των mole στην ισοσταθμισμένη αντίδραση είναι 1:1 είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί η εξίσωση: MOLES ΟΞΕΟΣ= MOLES ΒΑΣΗΣ Και επειδή M=n/V n οξύ = n βάση M Ο V Ο = M B V B

3 ΤΙΤΛΟΔΟΤΗΣΗ M Ο V Ο = M B V B ml υδροχλωρικού οξέος προστέθηκαν σε διαλυμα προκειμένου να εξουδετερωθούν ml διαλύματος 0.52 M NaOH. Ποια η συγκέντρωση του οξέος; HCl + NaOH H 2 O + NaCl M Ο V Ο = M b V b με αναδιάταξη: M a = M b V b / V a οπότε M a = (0.52 M) (22.50 ml) / (75.00 ml) = 0.16 M Δοκιμάστε: 2. Αν ml διαλύματος M HNO 3 εξουδετερώνουν ml KOH, ποια η συγκέντρωση της βάσης; M b = mol/l

4 ΤΙΤΛΟΔΟΤΗΣΗ ml διαλύματος M LiOH εξουδετερώνουν ml διαλύματος H 2 SO 4, ποια είναι η συγκέντρωση του οξέος; 2 LiOH + H 2 SO 4 Li 2 SO H 2 O Πρώτα υπολογίσουμε τα moles της βάσης: L LiOH (0.543 mol/1 L) = mol LiOH Στη συνέχεια υπολογίζουμε τα moles του οξέος: mol LiOH (1 mol H 2 SO 4 / 2 mol LiOH)= mol H 2 SO 4 Τέλος υπολογίζουμε την συγκέντρωση (γραμμομοριακότητα): M a = n/v = mol H 2 SO 4 / L = M ml διαλύματος Ba(OH) 2 χρησιμοποιήθηκαν για την τιτλοδότηση ml διαλύματος M HCl, Ποια η συγκέντρωση του διαλύματος του Ba(OH) 2 ; M b = mol/l

5 Στρόφιγγα Προχοΐδα

6 Τιτλοδότηση Οξύ+ Φαινολοφθαλεΐνη Ισοδύναμο σημείο

7 Οξεοβασικοί δείκτες Τα χρώματα είναι κατά κανόνα ασθενή οξέα τα οποία στην πρωτονιωμένη και την αποπρωτονιωμένη τους μορφή έχουν διαφορετικά χρώματα. HIn(aq.) H + (aq.) +In - (aq.) K a - H In HIn Γενικά, θέλουμε δείκτες των οποίων η περιοχή αλλαγής χρώματος (±1pH μονάδα από την αντίστοιχη pk a του δείκτη) υπερκαλύπτει την κλίση της τιτλοδότησης όσο γίνεται με καλύτερη προσέγγιση.

8 Χρώματα και περιοχές τιμών ph κατά προσέγγιση κοινών δεικτών Some Common Acid-Base Indicators

9

10 Δείκτες τιτλοδότησης Επικλέγονται έτσι ώστε να αλλάζουν χρώμα στην περιοχή ph η οποία μας ενδιαφέρει. Το ίδιο το διάλυμα στο ισοδύναμο σημείο μπορεί να είναι: Bασικό, αν η αντίδραση περιλαμβάνει ισχυρή βάση με ασθενές οξύ. Ουδέτερο, εάν περιλαμβάνεται ισχυρό οξύισχυρή βάση Όξινο, Ισχυρό οξύ, ασθενής βάση.

11 Στην χημεία, και ιδιαίτερα στη βιολογία, πλήθος ενώσεων είναι οξέα ή βάσεις. Ντοπαμίνη HO NH 2 HO NH 3 HO + H HO Τα βιολογικά ρευστά χαρακτηρίζονται από σταθερό ph και είναι χρήσιμη η γνώση του ποιο είδος είναι παρόν σε δεδομένη τιμή ph.

12 H-A + H A p H = -log [H ] K a = H H A A pk a = ph + log Χρήσιμη σχέση: [H-A] [ A ] Όταν [H-A] [ A ] = pk a = ph + log (1) pk a = ph

13 Για το οξεικό οξύ έχουμε : K a = Σε ph = 4.74 [CH 3 CO 2 H] < [CH 3 CO 2 ] OH Σε τιμές ph, περισσότερο όξινες του 4.74, το οξεικό οξύ κυριαρχεί [CH 3 CO 2 H] Σε υψηλότερες τιμές ph, από το 4.74, το οξεικό ανιόν κυριαρχεί [CH 3 CO 2 ]

14 Αν εισαχθεί οξεικό οξύ στο αίμα ποιο χημικό είδος κυριαρχεί; Το οξεικό οξύ (αδιάστατο) ή το οξεικό ανιόν; Το ph του αίματος είναι 7.4 Αν το ph του αίματος ήταν 4.74 η συγκέντρωση του οξεικού ανιόντος θα ήταν ίση με την συγκέντρωση του αδιάστατου οξεικού οξέος O [HOCCH 3 ] = O [ OCCH 3 ] Αν το ph αυξηθεί στην τιμή 7.4 η συγκέντρωση του οξεικού ανιόντος θα αυξηθεί ή θα μειωθεί; σε ph = 4.74

15 Αν εισαχθεί οξεικό οξύ στο αίμα ποιο χημικό είδος κυριαρχεί; Το οξεικό οξύ (αδιάστατο) ή το οξεικό ανιόν; ph O H O [HOCCH 3 ] = O [ OCCH 3 ] Αν το ph αυξηθεί στην τιμή 7.4 η συγκέντρωση του οξεικού ανιόντος θα αυξηθεί ή θα μειωθεί;

16 Αν εισαχθεί στο αίμα κοκαΐνη ποιό θα είναι το κύριο είδος; CH 3 H CH 3 N N CO 2 CH 3 CO 2 CH 3 K a O O + H O O Πρωτονιωμένη μορφή Ουδέτερη μορφή

17 K a CH 3 N H CO 2 CH 3 O σε ph = 8.81 = CH 3 N CO 2 CH 3 O H O O πρωτονιωμένη ουδέτερη ph (περισσότερο όξινο)

18 Η εξίσωση Henderson-Hasselbalch Έστω η ισορροπία ιοντισμού ασθενούς οξέος: HA (aq) + H 2 O (aq) = H 3 O + (aq) + A - (aq) K a = [H 3O + ] [A - ] [HA] Λύνοντας ως προς τη συγκέντρωση υδρωνίου: [H 3 O + ] = K a x [HA] [A - ] Παίρνουμε τον αρνητικό λογάριθμο αμφοτέρων των πλευρών: -log[h 3 O + ] = -log K a - [HA] log( ) [A - ] ph = -log K a - [HA] log( ) [A - ] Γενικά, για κάθε σύστημα συζυγούς οξέος -βάσεως: ph = -log K a + log ( [base] ) [acid] Εξίσωση Henderson- Hasselbalch

19 H-A + H A p H = -log [H ] ph = pka + log [A- ] [HA] Χρήσιμη παρατήρηση:: όταν [H-A] [ A ] = pk a = ph + log (1) pk a = ph Τα βιολογικά ρευστά κατά κανόνα έχουν σταθερή τιμή ph και είναι χρήσιμο να γνωρίζουμε την ειδομορφή που υπάρχει σε δεδομένη τιμή ph.

20 ΕΞΙΣΩΣΗ HENDERSON-HASSELBALCH Για οξέα: Για βάσεις: ph pk a [A ] log [HA] [B] ph pka log [BH ] K b B + H 2 O BH + + OH - K a βάση οξύ οξύ βάση Όταν [A - ] = [HA], ph = pk a pk a ισχύει για το οξύ Απόδειξη: HA H + + A - K a [H ][A [HA] ] - [H ][A ] logk a log [A ] log [H ] log [HA] [HA] pk a [A ] ph log [HA] ph pk a [A ] log [HA]

21 ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΑ ΔΙΑΛΥΜΑΤΑ (BUFFERS) Μίγμα οξέος και της συζυγούς του βάσεως. Ρυθμιστικό διάλυμα (Buffer) ανθίσταται στις μεταβολές του ph κατά την προσθήκη οξέων ή βάσεων ή κατά την αραίωση των διαλυμάτων νάμιξη: A moles ασθενούς οξέος+ B moles συζυγούς βάσεως

22 Τρόπος δράσης ρυθμιστικού διαλύματος Ρυθμιστικό μετά την προσθήκη H3O+ Ρυθμιστικό με ίσες συγκεντρώσεις συζυγούς οξέος-βάσεως Ρυθμιστικό μετά την προσθήκη ΟΗ-

23 Ασθενές οξύ RCO 2 H Με pka = % οξύ 50% βάση Όξινη βασική 99% οξύ 1% βάση 90% οξύ 10% βάση 10% οξύ 90% βάση 1% οξύ 99% βάση

24 Μεγαλύτερη τιμή Μελύτερη αντίσταση στις μεταβολές του ph? Γιατί ένα ρυθμιστικό διάλυμα ανθίσταται στην μεταβολή του ph κατά την προσθήκη μικρών ποσοτήτων οξέος ή βάσεως; Το οξύ ή η βάση καταναλώνονται από το A - ή από το HA αντίστοιχα Ένα ρυθμιστικό διάλυμα έχει ένα μέγιστο όριο αντίστασης στις μεταβολές του ph. Δυναμικότητα ρυθμιστικών διαλυμάτων (Buffer capacity), : Μέτρο της αντίστασης του ΡΔ στις μεταβολές του ph κατά την προσθήκη ισχυρών οξέων ή βάσεων. dcb dph dc dph a

25 Λειτουργία ρυθμιστικών διαλυμάτων Προσθέτουμε H 3 O + ή OH - σε νερό και σε buffer Για 0.01 mol H 3 O + σε 1 L νερού: [H 3 O + ] = 0.01 mol/1.0 L = 0.01 M ph = -log([h 3 O + ]) = 2.0 Μεταβολή του ph σε καθαρό νερό: DpH = = 5.0 Στο σύστημα H 2 CO 3- / HCO 3- : ph του buffer = 7.38 προσθήκη 0.01 mol H 3 O + μεταβάλλει το ph σε 7.46 Μεταβολή του ph στο buffer: DpH = = 0.08!!!

26 Ρυθμιστικό διάλυμα οξεικού οξέος οξεικού ανιόντος: CH 3 COOH (aq) + H 2 O (l) CH 3 COO - (aq) + H 3 O + (aq) K a = [CH 3 COO - ] [H 3 O + ] [CH 3 COOH] ή [H 3 O + ] = K a x [CH 3 COOH] [CH 3 COO - ]

27 Ρυθμιστικό διάλυμα παρασκευάζεται από 0.25 mol οξεικού οξέος και 0.25 mol οξεικού νατρίου ανά λίτρο διαλύματος. Ποια η τιμή ph του ρυθμιστικού διαλύματος; Ποια θα είναι η τιμή του ph ml του buffer πριν και μετά την προσθήκη 1.00 ml πυκνού HCl (12.0 M) ; Ποια θα είναι η τιμή του ph ml καθαρού μετά την προσθήκη της αυτής ποσότητας οξέος; [CH [H 3 O + 3 COOH] (0.25) ] = K a x = 1.8 x 10-5 x [CH 3 COO - ] (0.25) = 1.8 x 10-5 ph = -log[h 3 O + ] = -log(1.8 x 10-5 ) = ph = 4.74 προ της προσθήκης!

28 Ποια η τιμή του ph για προσθήκη σε καθαρό νερό; 1.00 ml π.hcl 1.00 ml x 12.0 mol/l = mol H 3 O + Προσθήκη σε ml νερού: mol H 3 O ml διαλ. = M H 3O + ph = -log( M) ph = 1.40 χωρίς ΡΔ!

29 Μετά την προσθήκη οξέος στο buffer: Συγκ. (M) CH 3 COOH (aq) + H 2 O (aq) CH 3 COO - + H 3 O + Αρχική Μεταβολή Ισορροπ ία Λύνουμε για την ιοντισμένη μορφή: Συγκ. (M) CH 3 COOH (aq) + H 2 O (aq) CH 3 COO - + H 3 O + Αρχική Μεταβολή -x x +x Ισορροπία x x x Υπόθεση: x = & x = [CH 3 COOH] [H 3 O + ] = K a x =1.8 x 10-5 x (0.262) = x 10-5 [CH 3 COO - ] (0.238) ph = -log(1.982 x 10-5 ) = = 4.70 Μετά την προσθήκη!

30 Υποθέτουμε προσθήκη 1.0 ml πυκνής βάσης αντί του οξέος. Προσθήκη 1.0 ml 12.0 M NaOH σε καθαρό νερό και στο buffer, : 1.00 ml x 12.0 mol OH - /1000mL = mol OH - Αυτό θα μειώσει το οξύ και θα υποχρεώσει την ισορροπία να δημιουργήσει περισσότερα υδροξόνια προς αντικατάσταση αυτών που εξουδετερώθηκαν από την προσθήκη της βάσης Συγκ. (M) CH 3 COOH (aq) + H 2 O (aq) CH 3 COO - + H 3 O + Αρχ Μεταβολή Ισορροπία Υποθέτουμε: Πάλι x η ποσότητα του οξέος που είναι σε διάσταση: υποθέσεις: x = & x = [H 3 O + ] = 1.8 x 10-5 x = x ph = -log(1.635 x 10-5 ) = = 4.79 Μετά την προσθήκη!

31 Προσθήκη 1.00mL βάσης σε ml καθαρού νερού δίνει συγκέντρωση υδροξυλίου: [OH - ] = mol OH - = 3.99 x 10-5 M OH ml Η συγκέντρωση των ιόντων υδρογόνου είναι: K w [H 3 O + ] = = 1 x = x [OH - ] 3.99 x 10-5 M Αυτό υπολογίζει για το ph : ph = -log(2.5 6 x ) = = 9.59 με 1.0 ml βάσης σε καθαρό νερό! Συνοψίζοντας: Buffer μόνο του ph = 4.74 Buffer ml βάσης ph = 4.79 Βάση μόνη της, ph = 9.59 Buffer ml οξύ ph = 4.70 Οξύ μόνο, ph = 1.40

32 Πρόβλημα: Υπολογίστε το ph διαλύματος που περιέχει M NH 3 και M NH 4 Cl δίδεται η σταθερά διάστασης του οξέος για το NH 4+ είναι 5.7x NH 3 + H 2 O NH 4+ + OH - βάση K a οξύ [B] ph pka log [BH ] ph = log (0.200) (0.300) ph = 9.07 pk a ισχύει για το οξύ αυτό pk a = 9.244