ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗΣ. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ: ΠΟΤΕΝΣΙΟΜΕΤΡΙΚΟΣ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ph ΚΑΙ ΠΕΧΑΜΕΤΡΙΚΕΣ ΤΙΤΛΟΔΟΤΗΣΕΙΣ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΥΣΙΚΟΧΗΜΕΙΑΣ Γραφείο 11 Επίκουρος Καθηγητής: Δ. Τσιπλακίδης Τηλ.: e mail: dtsiplak@chem.auth.gr url: users.auth.gr/~dtsiplak ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΦΥΣΙΚΗΣ ΧΗΜΕΙΑΣ ΤΜΗΜΑΤΟΣ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ: ΠΟΤΕΝΣΙΟΜΕΤΡΙΚΟΣ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΤΟΥ ph ΚΑΙ ΠΕΧΑΜΕΤΡΙΚΕΣ ΤΙΤΛΟΔΟΤΗΣΕΙΣ 1. Θεωρητικό μέρος 1.1. Ορισμοί οξέων βάσεων Arrhenius: οξέα είναι ουσίες που όταν διαλυθούν σε νερό διίστανται και δίνουν Η + και αρνητικά φορτισμένα ιόντα (Α ) ενώ οι βάσεις δίνουν ΟΗ και θετικά φορτισμένα ιόντα (Β + ). Brönsted Lwry: οξέα είναι ουσίες που δίνουν πρωτόνια ενώ βάσεις είναι ουσίες που προσλαμβάνουν πρωτόνια. Lewis: οξέα είναι ουσίες που προσλαμβάνουν ένα ζεύγος ηλεκτρονίων (ηλεκτρονιόφιλα) ενώ οι βάσεις αποδίδουν ένα ζεύγος ηλεκτρονίων (πυρηνόφιλα) 1.. Διάσταση ασθενών οξέων ή βάσεων Έστω ασθενές οξύ ΗΑ αρχικής συγκέντρωσης C με βαθμό διάστασης α: HA H A αρχικά: C 0 0 τελικά: (1 α)c αc αc Συνεπώς η σταθερά διάστασης είναι: [H ][A ] αc αc K=αCK a a ή [HA] (1 α)c Με λογαρίθμιση της παραπάνω εξίσωσης λαμβάνουμε: και επομένως όταν [Α ]=[ΗΑ], τότε ph=pk a. [A ] ph pka lg [HA] ΚCα=α

2 Σχήμα 1. Καμπύλη ιονισμού ασθενούς οξέος με pk a = Δείκτες και ρυθμιστικά διαλύματα Δείκτες: ουσίες των οποίων το χρώμα αλλάζει ανάλογα με το ph του διαλύματος στο οποίο προστίθενται. Είναι συνήθως ασθενής οξέα ή βάσεις των οποίων τα αδιάστατα μόρια απορροφούν σε διαφορετικό μήκος κύματος από τα ιόντα τους ή είναι άχρωμοι στην μία τους μορφή. Οι δείκτες χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό του ισοδύναμου σημείου εξουδετέρωσης ενός οξέος από μια βάση και αντίστροφα. [Δ ] HΔΗΟ Δ Η3Ο και ph pkδ lg [HΔ] Πρακτικά επικρατεί το χρώμα του ΗΔ όταν η συγκέντρωση του ΗΔ είναι 10 φορές μεγαλύτερη από την αντίστοιχη του Δ (ph=pk δ 1), ενώ αντίθετα, αν η συγκέντρωση του ΗΔ είναι 10 φορές μικρότερη του Δ επικρατεί το χρώμα του Δ (ph=pk δ 1). Δηλαδή, η περιοχή λειτουργίας του δείκτη είναι για ph=pk δ ±1. Ρυθμιστικά διαλύματα: διαλύματα των οποίων το ph παραμείνει πρακτικά σταθερό, όταν προστεθεί μικρή αλλά υπολογίσιμη ποσότητα ισχυρών οξέων ή βάσεων. Επίσης μπορούν μέσα σε όρια να αραιωθούν, χωρίς να μεταβληθεί το ph τους. Τα διαλύματα αυτά περιέχουν ένα ασθενές οξύ και τη συζυγή του βάση (ΗΑ/Α ) ή μια ασθενή βάση και το συζυγές της οξύ (Β/ΒΗ + ). Παραδείγματα: HF και NaF (HF/ F ), NH 4 Cl και NH 3 (NH 3 / NH + 4 ), οξικό οξύ και οξικό αμμώνιο. Έστω ένα ρυθμιστικό διάλυμα αποτελούμενο από το ασθενές οξύ ΗΑ και το άλας του ΜΑ: Προκύπτει ότι: HA H A και MA M A [άλας] ph pkδ lg [οξύ] Η σχέση αυτή, είναι γνωστή ως εξίσωση των Hendersn και Hasselbach, και αποτελεί τη βάση για τον υπολογισμό του ph ενός ρυθμιστικού διαλύματος. Επίσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό των συγκεντρώσεων οξέος και άλατος που χρειάζονται για την παρασκευή ρυθμιστικού διαλύματος συγκεκριμένου ph. Η ρυθμιστική ικανότητα ενός ρυθμιστικού διαλύματος είναι στην περιοχή ph=pk α ±1.

3 1.4. Ποτενσιομετρικός προσδιορισμός του ph Η μέτρηση του ph μπορεί να γίνει μέσω της μέτρησης της ηλεκτρεργετικής δύναμης (ΗΕΔ) κατάλληλων γαλβανικών στοιχείων: Ηλεκτρόδιο αναφοράς (εσωτερικό) Εσωτερικό διάλυμα Γυάλινη μεμβράνη Άγνωστο διάλυμα Ηλεκτρόδιο αναφοράς (εξωτερικό) Η αρχή βασίζεται στο γεγονός ότι ορισμένα ηλεκτρόδια (π.χ. ηλεκτρόδιο υδρογόνου, υάλου) εμφανίζουν ΗΕΔ που εξαρτάται από την ενεργότητα των Η + του διαλύματος στο οποίο βρίσκονται. Έτσι για το ηλεκτρόδιο υάλου για σταθερή ενεργότητα (συγκέντρωση) Η + στο εσωτερικό διάλυμα και για ενεργότητα αh στο εξωτερικό (μετρούμενο) διάλυμα: RT EE lnα δυναμικό Nernst μεμβράνης H F όπου Ε δυναμικό ηλεκτροδίου, Ε ο δυναμικό ηλεκτροδίου υάλου για δυναμικό). Συνδυασμένο ηλεκτρόδιο υάλου αh =1 (κανονικό Σχήμα. Σχηματική αναπαράσταση ηλεκτροδίου υάλου (αριστερά) και συνδυασμένου ηλεκτροδίου υάλου καλομέλανα (δεξιά). Πεχαμετρική τιτλοδότηση για την εύρεση του pk a Έστω διάλυμα οξέος αρχικής συγκέντρωσης C και όγκου V, το οποίο τιτλοδοτείται με προσθήκη βάσης συγκέντρωσης b και όγκου v. Το διάγραμμα μεταβολής του ph του διαλύματος συναρτήσει της ποσότητας της προστιθέμενης βάσης ονομάζεται καμπύλη πεχαμετρικής τιτλοδότησης ή καμπύλη εξουδετέρωσης οξέος από βάση. Σχήμα 3. Καμπύλη εξουδετέρωσης οξέος από βάση (καμπύλη πεχαμετρικής τιτλοδότησης). 3

4 ph=pkaαπό την καμπύλη αυτή γίνεται γραφικά ο προσδιορισμός του ισοδύναμου σημείου (σημείο πλήρους εξουδετέρωσης). Από το σημείο μισής εξουδετέρωσης, που αντιστοιχεί στην εξουδετέρωση της μισής αρχικής ολικής συγκέντρωσης του οξέος, υπολογίζουμε την pk a : HA + BOH BA HO Αρχικά mles: C V b v 0 0 Τελικά mles: C V b v 0 b v b v Επομένως, οι συγκεντρώσεις του διαλύματος (ρυθμιστικού) που προκύπτει είναι: bv bv [HA] και [ΒΑ] V v V v και η μεταβολή του ph δίνεται από την εξίσωση των Hendersn και Hasselbalch: [BA] bv ph pkalg pkalg [HA] C V b v 1 Στο σημείο μισής εξουδετέρωσης: bv bv οπότε έχουμε: ph pk a lg pka lg1 Σημείωση: ο προσδιορισμός του pk a μπορεί να γίνει και από την καμπύλη ιονισμού για [Α ]=[ΑΗ] (σημείο μισής εξουδετέρωσης) οπότε και ισχύει pk a =ph. 4

5 . Πειραματικό μέρος Πεχαμετρικός προσδιορισμός του pk α και της συγκέντρωσης μονοπρωτικού οξέος. Θα προσδιοριστεί ο αρνητικός δεκαδικός λογάριθμος της σταθεράς διάστασης, pk α, του οξικού οξέος (CH 3 COOH) μέσω πεχαμετρικής ογκομέτρησης. α) Προετοιμασία Σε ποτήρι ζέσεως μεταφέρονται 100 ml διαλύματος οξικού οξέως συγκέντρωσης περίπου 1Ν. Το ποτήρι ζέσεως τοποθετείται σε μαγνητικό αναδευτήρα ενώ μέσα σε αυτό βάζουμε έναν μικρό μαγνήτη. β) Εξουδετέρωση Τιτλοδότηση Θέτουμε το πεχάμετρο σε λειτουργία και μετράμε το ph του διαλύματος. Με προχοΐδα, προσθέτουμε διαδοχικά 0.5 ml διαλύματος NaOH συγκέντρωσης 1Ν και μετράμε κάθε φορά το ph. Η διαδικασία αυτή συνεχίζεται και μετά την πλήρη εξουδετέρωση μέχρι να λάβουμε όλη την καμπύλη τιτλοδότησης. γ) Κατασκευή καμπύλης εξουδετέρωσης Με βάση τις πειραματικές μετρήσεις κατασκευάζουμε το διάγραμμα ph vs. V NaOH (πεχαμετρική καμπύλη εξουδετέρωσης). Ζητούμενο: 1. Προσδιορισμός του pk α του οξικού οξέος από το σημείο μισής εξουδετέρωσης της καμπύλης εξουδετέρωσης.. Ακριβής προσδιορισμός της συγκέντρωσης του διαλύματος του οξικού οξέος από το ισοδύναμο τελικό σημείο της ογκομέτρησης. Βιβλιογραφία Σημειώσεις Φυσικοχημείας για τους φοιτητές του Φαρμακευτικού Τμήματος, Α. Αβρανάς, Ι. Ζιώγας, Α. Παπουτσής, Σ. Σωτηρόπουλος (005), σελ , 8 33 Ηλεκτροχημεία, Ι.Α. Μουμτζής, Δ.Π. Σαζού, Δήμητρα, Θεσσαλονίκη (199) meter.inf 5