ΑΕΝ / ΑΣΠΡΟΠΥΡΓΟΥ ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Καθηγητής : ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΔΑΝΙΗΛ ΠΛΑΪΝΑΚΗΣ Χημεία Εργαστηριακή άσκηση ΑΣΠΡΟΠΥΡΓΟΣ
2 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΟΥ 1 ΤΙΤΛΟΣ ΑΣΚΗΣΗΣ Προσδιορισμός περιεκτικότητας άγνωστου διαλύματος NaOH με πρότυπο διάλυμα HCl 0,1 M. 2 ΘΕΩΡΙΑ 2.1 Ογκομέτρηση Ογκομέτρηση λέγεται η διαδικασία κατά την οποία προσδιορίζουμε τον όγκο του πρότυπου διαλύματος που απαιτείται για την εξουδετέρωση ορισμένου όγκου άλλου διαλύματος. Ο τελικός σκοπός της εργασίας είναι να υπολογίσουμε την περιεκτικότητα του άγνωστου διαλύματος. Η αρχή, στην οποία στηρίζεται η μέθοδος, είναι ότι το πέρας της αντίδρασης καθορίζεται από τη μεταβολή του χρώματος του κατάλληλου δείκτη τον οποίο και προσθέτουμε στο διάλυμα που έχουμε στην κωνική φιάλη. Στην περίπτωση που προσδιορίζουμε τον όγκο του πρότυπου διαλύματος οξέος η μέθοδος λέγεται οξυμετρία, ενώ στην περίπτωση που προσδιορίζουμε τον όγκο του πρότυπου διαλύματος βάσεως η μέθοδος λέγεται αλκαλιμετρία. Ο βαθμολογημένος υάλινος σωλήνας με τη βοήθεια του οποίου προσθέτουμε λίγολίγο το πρότυπο διάλυμα λέγεται προχοϊδα. 2.2 Χημικές Αντιδράσεις Στην περίπτωση που επιθυμούμε αρχικά να ελέγξουμε το πόσο ορθό είναι το πρότυπο διάλυμά μας η πρώτη αντίδραση εξουδετέρωσης θα ήταν η παρακάτω : 2HCl + Na 2 CO 3 2NaCl + CO 2 + H 2 O από την οποία τελικά προσδιορίζεται ο συντελεστής διόρθωσης του διαλύματος HCl 0,1 M. Συντελεστής διόρθωσης ( Σ.Δ.) ονομάζεται ο αριθμός με τον οποίο πρέπει να πολλαπλασιάζουμε κάθε φορά τον όγκο ( σε ml ) του διαλύματος που διαθέτουμε στη φιάλη μας ώστε να βρίσκουμε τον όγκο του ιδανικού διαλύματος που είναι ισοδύναμος με τον πραγματικό. Για παράδειγμα ας θεωρήσουμε ότι ο συντελεστής διόρθωσης ενός διαλύματος HCl που θεωρητικά είναι 0,1 M ισούται με : Σ.Δ. = 0,9825
3 Αυτό σημαίνει ότι 20 ml από το πραγματικό αυτό διάλυμα ( που γράφει ότι είναι αλλά δεν είναι ακριβώς 0,1 Μ ) ισοδυναμούν με 20 επί 0,9825 = 19,65 ml ιδανικού διαλύματος 0.1 Μ. Στη συνέχεια η δεύτερη αντίδραση εξουδετέρωσης, με την οποία και θα εργασθούμε, είναι η εξής : HCl + NaOH NaCl + H 2 O από την οποία τελικά προσδιορίζεται η περιεκτικότητα του άγνωστου διαλύματος. 2.3 Δείκτες Δείκτες ονομάζονται οι ουσίες που με την παρουσία τους σε πολύ μικρή ποσότητα έχουν την ιδιότητα να μεταβάλλουν το χρώμα τους μέσα σε αυστηρά καθορισμένα όρια του ΡΗ. Οι δείκτες έχουν διαφορετικό χρώμα πριν από μια ορισμένη τιμή του ΡΗ και διαφορετικό μετά από μια άλλη. Στο δε ενδιάμεσο διάστημα έχουν ένα ενδιάμεσο χρωματισμό. Και τούτο διότι τα ουδέτερα μόρια του δείκτη έχουν διαφορετικό χρώμα από τα χαρακτηριστικά του ιόντα. Η χημική ισορροπία των ακεραίων μορίων του δείκτη με τα ιόντα του είναι απλοποιημένη η εξής : ΗΔ Η + + Δ - ( χρώμα Α ) ( χρώμα Β ) Πρέπει εδώ να υπενθυμίσουμε ότι για να βλέπουμε ένα συγκεκριμένο χρώμα πρέπει η ποσότητα της ουσίας που το φέρει να κατέχει τουλάχιστον το 80 % του συνόλου του μείγματος. Επομένως, με εφαρμογή της αρχής των Le Chatelier Vant Hoff, εάν στο διάλυμα υπερισχύει η μορφή του ΗΔ τότε το χρώμα θα είναι Α, αλλιώς εάν στο διάλυμα υπερισχύει η μορφή του Δ - τότε το χρώμα θα είναι Β. Η θέση όμως της παραπάνω χημικής ισορροπίας, η οποία είναι ιοντική ισορροπία, εξαρτάται προφανώς από τη συγκέντρωση των κατιόντων του υδρογόνου ( Η + ) δηλαδή από το ΡΗ του διαλύματος. Επομένως όσο πιο όξινο είναι το διάλυμα τόσο συγκέντρωση των κατιόντων του υδρογόνου ( Η + ) αυξάνει και τόσο η ισορροπία μετατοπίζεται προς τα αριστερά με αποτέλεσμα το χρώμα να γίνεται Α. Ενώ όσο πιο βασικό είναι το διάλυμα τόσο συγκέντρωση των κατιόντων του υδρογόνου ( Η + ) ελαττώνεται και τόσο η ισορροπία μετατοπίζεται προς τα δεξιά με αποτέλεσμα το χρώμα να γίνεται Β. Τέλος ακριβώς στη τιμή του ΡΗ που ο δείκτης αλλάζει χρώμα, δηλαδή στο σημείο που δεν επικρατεί κανένα χρώμα, ισχύει : pk D = ph. Δηλαδή η σταθερή διάστασης του δείκτη είναι ίση με το ΡΗ. Υπενθυμίζουμε ότι p = -log, για παράδειγμα p10-3 = 3.
4 Δείκτης Χρώμα όξινης περιοχής Περιοχή αλλαγής Χρώμα βασικής περιοχής Ηλιανθίνη (Methyl orange) Κόκκινο 4,0 5,0 κίτρινο Φαινολοφθαλεϊνη άχρωμο 8,0 9,0 Κόκκινο( φούξια ) 2.4 Στοιχειομετρία Υπενθυμίζουμε τις αναλογίες που μπορούμε να γράψουμε με βάση την στοιχειομετρική εξίσωση μιας αντίδρασης. Για παράδειγμα παραθέτουμε την αντίδραση σχηματισμού της αμμωνίας : Ν 2 + 3Η 2 2ΝΗ 3 1 mol 3 mol 2 mol 1*28 = 28 g αντιδρούν με 3*2 = 6 g και δίνουν 2*17 = 34 g Οι υπολογισμοί έγιναν χρησιμοποιώντας τα ατομικά βάρη : Ν = 14, Η = 1. 3 Απαραίτητα όργανα συσκευές και αντιδραστήρια ( συμπεριλαμβάνεται και ο προσδιορισμός του συντελεστή διόρθωσης ): 3.1 Απαραίτητα όργανα συσκευές Ζυγός αναλυτικός ηλεκτρονικός με ακρίβεια 0,0001 g και μέγιστο βάρος ζύγισης περίπου 60 g ( 60-80 g ) Ξηραντικός κλίβανος ( πυριατήριο ) χωρητικότητας περίπου 30 λίτρων ( 28-40 ) λίτρων, με ανώτατη θερμοκρασία 300 ο C. Ελαστική φούσκα τριών βαλβίδων ( πουάρ ) για αναρρόφηση με σιφώνια Πλαστικός υδροβολέας 500 ml Ογκομετρική φιάλη 1 λίτρου Ογκομετρική φιάλη 500 ml Ογκομετρική φιάλη 250 ml Κωνική φιάλη 500 ml Κωνική φιάλη 250 ml Ποτήρι ζέσεως 250 ml Ραβδί ανάδευσης υάλινο Ογκομετρικός κύλινδρος των 100 ml Ογκομετρικός κύλινδρος των 50 ml Προχοϊδα των 25 ml Υάλινο χωνί με διάμετρο 12 ή 15 cm για πλήρωση της προχοϊδας Στήριγμα προχοϊδας με βάση Σύνδεσμοι - δαγκάνες - σφιγκτήρες για στήριξη της προχοϊδας στο στήριγμα Σιφώνιo εκροής των 50 ml Σιφώνιo εκροής των 25 ml Φιάλη αντιδραστηρίου του 1 λίτρου Σπαθίδα αντιδραστηρίων ανοξείδωτη
5 3.2 Απαραίτητα αντιδραστήρια : 2.1 Πυκνό υδροχλωρικό οξύ ( 37 % κ.β., d = 1,19 g/ml ) 2.2 Ανθρακικό νάτριο άνυδρο ( Na 2 CO 3 ) για ανάλυση 2.3 Δείκτης ηλιανθίνη, διάλυμα 0,1 %, έτοιμος για χρήση 2.4 Δείκτης φαινολοφθαλεϊνη, αλκοολικό διάλυμα 1 %, έτοιμος για χρήση 2.5 Πρότυπο διάλυμα 0,1 Ν NaOH 2.6 Αποσταγμένο νερό 4. Πορεία α) Με τη βοήθεια σιφωνίου των 50 ml και της ελαστικής φούσκας αναρρόφησης ( πουάρ ) παίρνουμε, σε ογκομετρικό κύλινδρο των 50 ml, 42-43 ml διαλύματος πυκνού υδροχλωρικού οξέος για ανάλυση. β) Μεταφέρουμε το περιεχόμενο σε ποτήριο ζέσεως των 250 ml, όπου έχουμε από πριν βάλει περίπου 50 ml αποσταγμένου νερού και αναδεύουμε με γυάλινο ραβδί. γ) Μεταφέρουμε στη συνέχεια το διάλυμα σε ογκομετρική φιάλη των 500 ml ξεπλένοντας με προσοχή και συμπληρώνουμε με αποσταγμένο νερό μέχρι τη χαραγή. Κλείνουμε τη φιάλη με το πώμα και ανακινούμε καλά. δ) Μεταφέρουμε τέλος το περιεχόμενο σε φιάλη αντιδραστηρίου του ενός λίτρου και αμέσως κολλάμε αυτοκόλλητη ετικέτα που να γράφει HCl 0,1 Μ και να αφήνει λίγο χώρο για το συντελεστή διόρθωσης. HCl 0,1 Μ ε) Ζυγίζουμε ακριβώς περίπου 0,075-0,080 g Na 2 CO 3 ( ανθρακικού νατρίου, δηλαδή σόδας ) για ανάλυση το Σ.Δ. = οποίο προηγουμένως έχουμε ξηράνει καλά στους 260 βαθμούς Κελσίου, το μεταφέρουμε σε κωνική φιάλη των 250 ml και το διαλύουμε καλά προσθέτοντας με τον ογκομετρικό κύλινδρο περίπου 100 ml νερού. Τέλος προθέτουμε ακόμη 2-3 σταγόνες διαλύματος του δείκτη ηλιανθίνη. στ) Με τη βοήθεια του χωνιού, γεμίζουμε την προχοϊδα των 25 ml με το διάλυμα που παρασκευάσαμε και ογκομετρούμε αργά - αργά, μέχρι με μιά τελευταία σταγόνα να αλλάξει το χρώμα του δείκτη. Τη στιγμή αυτή καταγράφουμε τον όγκο σε ml ( διαφορά τελικής ένδειξης μείον την αρχική ) του διαλύματος που καταναλώσαμε. Επαναλαμβάνουμε τα βήματα (ε) και (στ) ακόμη δύο φορές. Τελικά παίρνουμε το μέσο όρο των τριών μετρήσεων ή κατά την κρίση μας το μέσο όρο των δύο τελευταίων μετρήσεων, οι οποίες όμως θα πρέπει να είναι παραπλήσιες. ζ) Με σιφώνιο των 25 ml παίρνουμε 25 ml από το άγνωστο διάλυμα ΝαΟΗ και το φέρνουμε μέσα σε κωνική φιάλη των 250 ml. Προσθέτουμε περίπου 50 ml αποσταγμένο νερό και 1-2 σταγόνες διαλύματος του δείκτη φαινολοφθαλεϊνη. η) Με τη βοήθεια του χωνιού, γεμίζουμε την προχοϊδα των 25 ml με το διάλυμα που παρασκευάσαμε και ογκομετρούμε αργά - αργά, μέχρι με μιά τελευταία σταγόνα να αλλάξει το χρώμα του δείκτη. Τη στιγμή αυτή καταγράφουμε τον όγκο σε ml ( διαφορά τελικής ένδειξης μείον την αρχική ) του διαλύματος που καταναλώσαμε. Επαναλαμβάνουμε τα βήματα (ζ) και (η) ακόμη δύο φορές. Τελικά παίρνουμε το μέσο όρο των τριών μετρήσεων ή κατά την κρίση μας το μέσο όρο των δύο τελευταίων μετρήσεων, οι οποίες όμως θα πρέπει να είναι παραπλήσιες.
5 Μετρήσεις ( Εδώ θα γράψετε μόνο τις πρωτογενείς μετρήσεις που παίρνετε ) 6 6 Υπολογισμοί 6.1 Από την εξίσωση της αντίδρασης του ανθρακικού νατρίου με το διάλυμα του υδροχλωρικού οξέος θα υπολογίσετε τον όγκο σε ml του διαλύματος του υδροχλωρικού οξέος 0,1 Μ που θεωρητικά εξουδετερώνει τα γραμμάρια του ανθρακικού νατρίου που περιέχονται στην κωνική φιάλη. Στη συνέχεια θα βρείτε το μέσο όρο του όγκου σε ml του διαλύματος του υδροχλωρικού οξέος που «έπεσαν» από την προχοϊδα. Τέλος με την κατάλληλη διαίρεση ( ή απλή μέθοδο των τριών ) θα υπολογίσετε το συντελεστή διόρθωσης. 6.2 Από την εξίσωση της αντίδρασης της εξουδετέρωσης του διαλύματος του υδροξειδίου του νατρίου, με άγνωστη περιεκτικότητα, με το διάλυμα του υδροχλωρικού οξέος, θεωρητικής περιεκτικότητας 0,1 Μ και με συντελεστή διόρθωσης αυτόν που υπολογίσατε, θα υπολογίσετε την μοριακή κατ όγκο συγκέντρωση σε mol/l ( δηλαδή σε γραμμομόρια ΝαΟΗ ανά λίτρο διαλύματος ) καθώς και την περιεκτικότητα % κατ όγκο ( δηλαδή σε γραμμάρια ΝαΟΗ ανά 100 ml διαλύματος ) του αγνώστου διαλύματος. Παρατήρηση : Όλους τους παραπάνω υπολογισμούς θα τους γράψετε αναλυτικά στην έκθεσή σας. 7 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Εδώ θα γράψετε τέλος μόνο τα αποτελέσματα : C x = Π % κ.ο. = 8 ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ 9 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ( Αυτή που μελετήσατε πριν ή και μετά τη διεξαγωγή της άσκησης ) 1) ΣΥΓΓΡΑΦΕΑΣ ΤΙΤΛΟΣ ΕΚΔΟΤΗΣ ΤΟΠΟΣ ΕΤΟΣ Τόμος σελίδα. 2)
7 Οδηγίες για τη σύνταξη της έκθεσης του εργαστηρίου : Η έκθεση που θα υποβάλετε στο Εργαστήριο θα έχει περίπου τη δομή του φύλλου αυτού αλλά θα γραφεί με το προσωπικό ύφος και παρατηρήσεις του σπουδαστή που εκτέλεσε την άσκηση και θα περιλαμβάνει, στην πορεία, ακριβώς αυτό που πραγματοποιήθηκε στο Εργαστήριο. Σαν μια κίνηση βοήθειας προς το σπουδαστή δίνουμε το παρακάτω υπόδειγμα : ΑΕΝ ΑΣΠΡΟΠΥΡΓΟΥ ΕΠΩΝΥΜΟ : ΣΧΟΛΗ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΞΑΜΗΝΟ Β ΟΝΟΜΑ : ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΧΗΜΕΙΑΣ Α.Μ. : Ημερομηνία : ΕΚΘΕΣΗ 1. ΤΙΤΛΟΣ ΑΣΚΗΣΗΣ 2. ΘΕΩΡΙΑ 3. ΑΠΑΡΑΙΤΗΤΑ ΟΡΓΑΝΑ ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΚΑΙ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΙΑ 4. ΠΟΡΕΙΑ 5. ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ 6. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ 7. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 8. ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ 9. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ
8 ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ ΣΤΟ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ 1 Στο χώρο του εργαστηρίου εργάζονται ή παραβρίσκονται τουλάχιστον 2 (δύο) άτομα. 2 Η προσοχή μας είναι ολόκληρη πάνω στην εργασία που κάνουμε. 3 Τηρούμε τις οδηγίες και τους κανόνες ακόμη και αν μας φαίνονται υπερβολικοί ή αστείοι. 4 Δεν μυρίζουμε, ούτε πλησιάζουμε το πρόσωπό μας σε ουσίες που δεν γνωρίζουμε ή σε φιάλες που δεν ξέρουμε τι περιέχουν. 5 Κινούμαστε πάντοτε αργά και προσεκτικά. 6 Εάν αμφιβάλλουμε για κάτι ρωτάμε αμέσως. 7 Εάν συμβεί οτιδήποτε το αναφέρουμε αμέσως ακόμη και αν μας φαίνεται ασήμαντο. 8 Εάν το σώμα μας, μάτια, δέρμα, έλθει σε επαφή με οποιαδήποτε χημική ουσία ξεπλένουμε αμέσως και συνεχώς, ΧΩΡΙΣ ΝΑ ΣΤΑΜΑΤΑΜΕ, με άφθονο νερό. 9 Φοράμε πάντοτε τα προστατευτικά ΓΥΑΛΙΑ.