Η τιτλοδότηση διαλύµατος οξέος ή βάσης µε την αυτόµατη πεχαµετρική µέθοδο, ως µέσο διδακτικής αξιοποίησης της «σιγµοειδούς» καµπύλης εξουδετέρωσης. Ιωάννης Γράψας, ρ. Χηµικός Ζάννειο Πειραµατικό Γυµνάσιο Πειραιά Κολοκοτρώνη 6, 185 31 Πειραιάς E-mail: igrapsas@sch.gr Περίληψη Η εφαρµογή στο σχολικό εργαστήριο Χηµείας της αυτόµατης πεχαµετρικής µεθόδου για την τιτλοδότηση οξέος από βάση (ή το αντίστροφο) οδηγεί στην παραγωγή πειραµατικών καµπυλών εξουδετέρωσης, οι οποίες προσφέρουν πολλές ευκαιρίες για εµβάθυνση σε θέµατα, όπως η έννοια της αντίδρασης εξουδετέρωσης, η ισχύς οξέων και βάσεων, τα ρυθµιστικά διαλύµατα κ.ά. Περιγράφεται η κατασκευή αυτοσχέδιας γυάλινης διάταξης η οποία µπορεί να εξασφαλίσει σταθερή ροή του προτύπου διαλύµατος στη φιάλη αντίδρασης και σε συνδυασµό µε τον αισθητήρα ph του συτήµατος DBLab/Multilog να κάνει εφικτή την εφαρµογή της µεθόδου στις συνθήκες του σχολικού εργαστηρίου. Εισαγωγή Η τιτλοδότηση διαλύµατος οξέος ή βάσης µε την αυτόµατη πεχαµετρική µέθοδο αποτελεί συνήθη πρακτική στο σύγχρονο αναλυτικό εργαστήριο. Η εργαστηριακή διάταξη περιλαµβάνει αυτόµατη προχοΐδα, η οποία διοχετεύει υπό συνεχή και σταθερή ροή µετρούµενο όγκο προτύπου διαλύµατος στη φιάλη της αντίδρασης και κατάλληλο αισθητήρα για τη συνεχή καταγραφή των τιµών ph που προκύπτουν. Στο επίπεδο του σχολικού εργαστηρίου χηµείας, έχει προταθεί η χρήση απλούστερης πειραµατικής διάταξης που στηρίζεται στο σύστηµα αισθητήρων DBLab/Multilog και συνδυάζει την πεχαµετρική µέθοδο µε την µέθοδο της κλασσικής ογκοµέτρησης για τον προσδιορισµό του ισοδυνάµου σηµείου (Καλογήρου κ.ά., Παπαγιαννακόπουλος, Παπαευσταθίου κ.ά.). Από το σχεδιασµό της, η συνδυαστική αυτή πειραµατική διάταξη χρησιµοποιεί απλή προχοΐδα µε την οποία προστίθεται σε συνεχή ροή πρότυπο διάλυµα στη φιάλη της αντίδρασης, µέχρις ότου µεταβληθεί το χρώµα του δείκτη και ταυτόχρονα παρατηρηθεί η απότοµη µεταβολή της τιµής ph. Το ισοδύναµο σηµείο ελέγχεται µε την ταυτόχρονη εφαρµογή δύο µεθόδων και προσδιορίζεται µε µεγάλη ακρίβεια. Η διάταξη παρόλ αυτά δεν παρέχει τη δυνατότητα ρύθµισης µιας σταθερής ροής του προτύπου διαλύµατος προς τη φιάλη της αντίδρασης και έτσι η 149
αντίστοιχη καµπύλη εξουδετέρωσης χαρακτηρίζεται από χαµηλή αξιοπιστία. Στην παρούσα εργασία περιγράφεται η κατασκευή, η βαθµονόµηση και η χρήση µιας αυτοσχέδιας γυάλινης διάταξης, η οποία εξασφαλίζει σταθερή ροή υγρού στο κάτω άκρο της και για τούτο µπορεί να λειτουργήσει ως «αυτόµατη προχοΐδα» στο πλαίσιο του σχολικού εργαστηρίου. Συζητείται η χρησιµότητα αυτής της διάταξης για την εφαρµογή της αυτόµατης πεχαµετρικής µεθόδου στην τιτλοδότηση διαλυµάτων οξέος ή βάσης, και τη συνακόλουθη παραγωγή αξιόπιστων πειραµατικών καµπυλών εξουδετέρωσης, καθώς και τα µαθησιακά οφέλη που αναµένεται να προκύψουν από αυτήν τη διδακτική επιλογή. Πειραµατικό µέρος Η αυτοσχέδια γυάλινη διάταξη αποτελείται κατά το ένα µέρος από λεπτό γυάλινο σωλήνα Ø 4 mm και µήκους περίπου 240 mm µε τριχοειδή απόληξη στο ένα άκρο, µετά από κατεργασία σε φλόγα λύχνου. Ο γυάλινος σωλήνας συνδέεται στεγανά µέσω του ευρέος άκρου του µε κοινό γυάλινο χωνί ύψους περί τα 180 mm, µε τη βοήθεια ελαστικού συνδέσµου. Τοποθετούµενη κατακόρυφα η διάταξη µε το τριχοειδές άκρο προς τα κάτω παρουσιάζει ύψος περί τα 420 mm και χωρητικότητα περί τα 150 ml. Η διακοπή (ή η έναρξη) της ροής γίνεται δυνατή µε την τοποθέτηση (ή την αφαίρεση) µικρού σβώλου πλαστικής γόµας σχεδίου («γόµα για κάρβουνο») ή και πλαστελίνης στο τριχοειδές άκρο της, οπότε ανάλογα κλείνει ή ανοίγει το τριχοειδές άκρο. Ο ακριβής προσδιορισµός της ροής από την αυτοσχέδια γυάλινη διάταξη (βαθµονόµηση) έγινε µε υπολογισµούς που στηρίχτηκαν σε µετρήσεις κατά την εξουδετέρωση σειράς δειγµάτων CH 3 COOH γνωστής συγκέντρωσης από πρότυπο διάλυµα NaOH που έρεε από την αυτοσχέδια γυάλινη διάταξη. Πριν την έναρξη κάθε µέτρησης, η αυτοσχέδια γυάλινη διάταξη είχε πληρωθεί µε το διάλυµα της βάσης (ως το χείλος του χωνιού) και ταυτόχρονα µε την έναρξη της ροής προς το διάλυµα του οξέος άρχιζε και η καταγραφή των µετρήσεων ph συναρτήσει του χρόνου µε το σύστηµα αισθητήρων DBLab/Multilog - ρυθµός δειγµατοληψίας: 10 µετρήσεις ανά δευτερόλεπτο, δεν χρησιµοποιήθηκε αντιστάθµιση θερµοκρασίας (βλ. Εικόνα 1). Στη συνέχεια καθορίστηκε σε κάθε µια περίπτωση το ισοδύναµο σηµείο από την αντίστοιχη καµπύλη (ph t), και προσδιορίστηκε γραφικά ο αντίστοιχος χρόνος συνεχούς ροής του διαλύµατος NaOH. Ο χρόνος αυτός αντιστοιχίστηκε στον θεωρητικά ισοδύναµο όγκο του προτύπου διαλύµατος και υπολογίστηκε έτσι η ροή της αυτοσχέδιας γυάλινης διάταξης σε ml/s. Καταβλήθηκε ιδιαίτερη προσπάθεια να περιοριστούν 150
Εικόνες 1,2 κατά το δυνατόν τα πειραµατικά σφάλµατα, που είναι συνήθη στις συνθήκες του σχολικού εργαστηρίου, ώστε όλες οι µετρήσεις να χαρακτηρίζονται από µεγάλη ακρίβεια και να οδηγήσουν σε αξιόπιστο προσδιορισµό της ροής. Για όλες τις µετρήσεις χρησιµοποιήθηκε πρότυπο διάλυµα NaOH 0,1 M του εµπορίου και διάλυµα CH 3 COOH 0,1 M, το οποίο παρασκευάστηκε µε ζύγιση σε αναλυτικό ζυγό 6,0 g CH 3 COOH 100% (glacial) και αραίωση µε απιονισµένο νερό στο 1 L µε τη βοήθεια ογκοµετρικής φιάλης «class Β». Ποσότητα 20 ml του αραιωµένου διαλύµατος οξικού οξέος (0,1 Μ) ελήφθη σε όλες τις περιπτώσεις µε ογκοµετρικό σιφώνιο πλήρωσης (class B), τοποθετήθηκε σε ποτήρι 250 ml και αφού προστέθηκαν 25 ml απιονισµένου νερού, εξουδετερώθηκε µε την αδιάκοπη προσθήκη του 151
πρότυπου διαλύµατος βάσης υπό συνεχή ανάδευση µε µαγνητικό αναδευτήρα. Αποτελέσµατα και συζήτηση Στον Πίνακα 1 παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα των µετρήσεων προσδιορισµού της ροής της αυτοσχέδιας γυάλινης διάταξης προσθήκης προτύπου διαλύµατος, καθώς και ο προσδιορισµός της τιµής pk a του CH 3 COOH µε βάση τις αντίστοιχες καµπύλες εξουδετέρωσης. Τα αποτελέσµατα χαρακτηρίζονται από ελάχιστη απόκλιση ροής για συνολικό προστιθέµενο όγκο 20 ml, ενώ ελαφρά είναι η απόκλιση για τις προσδιορισθείσες τιµές pk a. Το γεγονός της επαναληψιµότητας των τιµών ροής µετά από έλεγχο σε δύο σηµεία της καµπύλης εξουδετέρωσης (στον ισοδύναµο όγκο και στο µισό του ισοδύναµου όγκου), πείθει ότι η γυάλινη διάταξη εµφανίζει µέση σταθερή ροή 0,13 ml/s καθ όλη τη διάρκεια των περίπου 150 s που διαρκούν οι συγκεκριµένες εξουδετερώσεις. Ο υπολογισµός του ισοδύναµου όγκου µπορεί κατά συνέπεια να γίνεται µε ασφάλεια µέσω απλού υπολογισµού και σε κάθε άλλη χρήση της διάταξης για προσθήκη προτύπου διαλύµατος. Η µέση τιµή 4,91 που προκύπτει για το pk a του CH 3 COOH είναι ικανοποιητικά κοντά στην τιµή 4,74 που αναφέρεται στη βιβλιογραφία (Chang). Η απόκλιση αντιστοιχεί σε σχετικό σφάλµα 3,6% που είναι απόλυτα αποδεκτό για το σχολικό εργαστήριο. Συµπεραίνεται λοιπόν ότι η συνολική πειραµατική διάταξη παρέχει πειραµατικές καµπύλες εξουδετέρωσης, οι οποίες είναι κατάλληλες για περαιτέρω διδακτική αξιοποίηση. Η ροή του υγρού από τη γυάλινη διάταξη (βλ. Εικόνα 2) είναι φανερό ότι εξαρτάται από τα κατασκευαστικά της στοιχεία (διάµετρος 152
τριχοειδούς, ύψος στήλης υγρού), και κάθε νέα τέτοια διάταξη χρειάζεται εξαρχής βαθµονόµηση. Είναι επίσης φανερό ότι η κάθε διάταξη είναι αξιόπιστη µέχρι την προσθήκη εκείνου του όγκου που φέρνει µη σηµαντική µείωση στην υδροστατική πίεση στο τριχοειδές άκρο (20 ml για τη συγκεκριµένη διάταξη αυτής της εργασίας). Όσο µεγαλύτερη η διάµετρος του χείλους του χωνιού σε σχέση µε τη διάµετρο του τριχοειδούς, τόσο λιγότερο σηµαντική θα είναι η µείωση της υδροστατικής πίεσης κατά τη ροή. Χρησιµοποιώντας κανείς µικρότερο µήκος σωλήνα µπορεί να πετύχει µικρότερη ροή και επιµήκυνση του χρόνου εξουδετέρωσης, ενώ η προσθήκη µεγαλύτερων συνολικών όγκων µπορεί να επιτευχθεί µε µεγαλύτερης χωρητικότητας γυάλινο χωνί. Ένας σηµαντικός παράγοντας που πρέπει πάντα να συνεκτιµάται είναι ο χρόνος απόκρισης του ηλεκτροδίου µέτρησης ph του συστήµατος αισθητήρων. Ο χρόνος αυτός δίνεται από τον κατασκευαστή να είναι 10 s για το 95% της τιµής και κατά συνέπεια ο συνολικός χρόνος της εξουδετέρωσης, που είναι συνάρτηση αφενός της ροής και αφετέρου της ενεργού ποσότητας του δείγµατος, πρέπει να είναι σηµαντικά µεγαλύτερος των 10 s. Σχήµα 1. Πειραµατική καµπύλη εξουδετέρωσης διαλύµατος CH 3 COOH από διάλυµα NaOH και προσδιορισµός ισοδυνάµου σηµείου και pka µε τη βοήθειά της. 153
Συµπεράσµατα Η χρήση της αυτόµατης πεχαµετρικής µεθόδου για την τιτλοδότηση οξέων µε βάσεις (ή το αντίστροφο) είναι σχετικά εύκολο να εφαρµοστεί κατά τη διδασκαλία στο σχολικό εργαστήριο. Η ογκοµέτρηση χωρίς τη χρήση προχοΐδας και δείκτη µπορεί να λειτουργήσει συµπληρωµατικά µε την κλασσική ογκοµέτρηση και να προσφέρει ευκαιρίες προβληµατισµού και εµβάθυνσης πάνω στα θέµατα που αναδεικνύει η µορφή της καµπύλης εξουδετέρωσης, ιδιαίτερα εκείνη της εξουδετέρωσης ασθενούς οξέος από ισχυρή βάση. Η διδασκαλία θεµάτων όπως η ισχύς οξέων και βάσεων (pk a pk b ), ο ρυθµιστικός χαρακτήρας κάποιων διαλυµάτων, η εξίσωση Henderson- Hasselbalch, κ.ά. µπορεί να ωφεληθεί πολλαπλά όταν η διαπραγµάτευση των θεµάτων στηριχτεί σε αξιόπιστες πειραµατικές καµπύλες εξουδετέρωσης (βλ. Σχήµα 1), οι οποίες µάλιστα µπορούν να παραχθούν µε τους µαθητές κοινωνούς του πειράµατος και χωρίς ιδιαίτερο κόστος σε διδακτικό χρόνο. Σε απλούστερη διδακτική εκδοχή, η κατάδειξη της απότοµης αύξησης του ph γύρω από το ισοδύναµο σηµείο µπορεί να φανεί χρήσιµη για τη διδασκαλία της έννοιας της αντίδρασης εξουδετέρωσης, τόσο στο Λύκειο όσο και στο Γυµνάσιο. Βιβλιογραφία Chang R., Chemistry, 5 th edition, McGraw Hill Inc, NJ, p. 659. Καλογήρου Η. (Ε.Κ.Φ.Ε. Ηλείας), Φλίγκος Γ. (Γ.Ε.Λ. Βάρδας Ηλείας), προσωπική επικοινωνία. Λιοδάκης Σ., Γάκης., Θεοδωρόπουλος., Θεοδωρόπουλος Π., Χηµεία γ λυκείου θετικής κατεύθυνσης, Ο.Ε..Β., έκδοση Ε, 2004. Παπαευσταθίου Ε., Βαλλιάνος., Βαµβακούσης Χ., Μακρυωνίτης Τ., Ρούµελης Ν., «Ογκοµέτρηση του ξυδιού µε χρήση του συστήµατος συγχρονικής λήψης και απεικόνισης (Σ.Σ.Λ.Α.) DBLab Fourier/Multilog, http://2ekfe-anatol.att.sch.gr/page6.files/titration.doc Παπαγιαννακόπουλος Ι., Κατασκευή καµπύλης αλκαλιµετρίας ασθενούς οξέος από ισχυρή βάση», http://ekfe-g-athin.att.sch.gr/chem.htm 154
Αγωγιµότητα ηλεκτρολυτικών διαλυµάτων µε µικροκλίµακα Μουρατίδου Φρειδερίκη. Χηµικός, (Μ. Εd Υπεύθυνος ΕΚΦΕ Πέλλας, email: fmourat@sch.gr,) ΠΕΡΙΛΗΨΗ Μια από τις πιο καινοτόµες προτάσεις στο πεδίο της πειραµατικής διδασκαλίας της Χηµείας και Φυσικής αποτελεί η εκτέλεση πειραµάτων σε µικροκλίµακα. Από την εποχή που προτάθηκε ως εναλλακτική παρέµβαση στη πειραµατική διδασκαλία, στο τέλος της δεκαετίας του 80, άνοιξε ένα ευρύ πεδίο έρευνας για εισαγωγή νέων πειραµατικών ασκήσεων, πιλοτικής εφαρµογής τους και διερεύνησης των αποτελεσµάτων τους στη διδασκαλία. Σήµερα το πεδίο αυτό παραµένει ανοικτό και συνεχώς καταγράφονται στη διεθνή βιβλιογραφία πολλές νέες προτάσεις για καινούρια πειράµατα και βελτιώσεις υπαρχόντων. Στη κατεύθυνση αυτή κινείται και η παρούσα ερευνητική προσπάθεια µε προτάσεις βελτίωσης πειραµάτων σε µικροκλίµακα για µαθητές γυµνασίων και λυκείων. Οι προτάσεις αφορούν την αγωγιµότητα που παρουσιάζουν οι ηλεκτρολύτες στο ηλεκτρικό ρεύµα. Τα πειράµατα µπορούν να εκτελεστούν µε ποσότητα µιας ή δύο σταγόνων ηλεκτρολύτη και µε τη χρήση απλών φθηνών καθηµερινών υλικών τα οποία οι µαθητές µπορούν να χειριστούν ατοµικά ή σε µικρές οµάδες. Με τα πειράµατα δίνεται η δυνατότητα στους µαθητές, εργαζόµενοι ατοµικά ή οµαδικά, να συσχετίσουν την ένταση του ρεύµατος µε την ισχύ των ηλεκτρολυτών. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η πειραµατική διδασκαλία αποτελεί τη βάση για τη διδασκαλία των Φυσικών Επιστηµών σε όλες τις βαθµίδες της εκπαίδευσης. Ο ρόλος της αναγνωρίζεται µε την υποχρεωτική ένταξη εργαστηριακών ασκήσεων στο αναλυτικό πρόγραµµα και µε την θεσµοθέτηση των Ε.Κ.Φ.Ε. που στόχο έχουν την υποστήριξη των εκπαιδευτικών στην προετοιµασία και εκτέλεση πειραµατικών ασκήσεων στη τάξη. Κάποια από τα προβλήµατα που αντιµετωπίζουν οι καθηγητές στην οργάνωση εργαστηριακών ασκήσεων είναι η προµήθεια υλικών ο διατιθέµενος χρόνος για την διεξαγωγή των πειραµάτων και η διαχείριση των απορριµµάτων. Η µείωση των ποσοτήτων των ουσιών που χειρίζονται οι µαθητές χωρίς όµως την µείωση της εποπτικότητας και αποτελεσµατικότητας του πειράµατος αποτέλεσε αντικείµενο έρευνας των επιστηµόνων της διδακτικής. Έτσι προτάθηκε η πειραµατική διδασκαλία σε µικροκλίµακα. Τη δεκαετία του '80, άρχισε µια κίνηση προς τη κατεύθυνση της µείωσης της κλίµακας διδασκαλίας των 155