Relazione3 (preparazione soluzione standard di HCl e titolazione potenziometrica di una soluzione di NH3)

Titolazione e calcoli

Prima titolazione Massa (g): 0.1140g Volume (ml): 21.7ml [HCl] ≈ 0.099M Seconda titolazione Massa (g): 0.1191g Volume (ml): 22.4ml [HCl] ≈ 0.100M (=0.09913M) [HCl] media ≈ 0.100 M (=0.09973M) n.b. il valore medio di [HCl], fornito dai docenti e che verrà utilizzato nei calcoli successivi è 0.0975M. Conclusioni Il volume misurato in tutte e due le titolazioni è un dato che concorda con il volume atteso, calcolato supponendo la molarità dell'acido cloridrico pari a 0.1M. Anche il valore medio di molarità calcolato si avvicina al valore supposto di HCl. 3.2 titolazione potenziometrica L'obiettivo dell'esperienza è la determinazione della concentrazione di una soluzione di NH3, mediante una soluzione standard di HCl, ricavando dalla curva di titolazione il punto di equivalenza e dunque le moli di titolante necessarie a reagire con NH3. Calcoli stechiometrici ed elaborazione dati: Prima titolazione e formule utilizzate: L'ammoniaca in soluzione

acquosa da luogo alla seguente reazione:⇌ 4+(aq) -(aq)NH + H₂O NH₄+ OH^-

3(aq) 2 (l)-5K = 1,8*10^-5; NH₄+ una base debole.

3(aq)È possibile pensare alla neutralizzazione dell’ammoniaca come il diretto trasferimento+di protoni dallo ione H₂O alla molecola NH₃. La reazione nella quale viene prodotto3 3+H₂O è la seguente:

3 +(aq) -(aq)HCl + H₂O H₃O⁺ + Cl^-(aq) 2 (l) 3

Essendo HCl un acido forte la reazione andrà a completamento, pertanto a fine+reazione [H₃O⁺] = [HCl]₃ iniziale

La reazione di titolazione per lo svolgimento dei calcoli stechiometrici necessari adeterminare il punto di equivalenza è la seguente:

+(aq) 4+(aq)NH₄+ H₂O NH₃ + H₃O₊3(aq) 3 2 (l)

9K =1.8*10^-9 >> 1 quindi la reazione di titolazione è molto spostata verso destra

ne si può considerare che vada a completamento4+NH₄: base debole; NH₃: acido coniugato

3 +H₂O: acido ; H₃O₊: base coniugata

[HCl] = [H₃O₊] = 0.0975 M // in base al valore medio ricavato in laboratorio

V =

1. 25.0 ml // prelevato con pipetta tarata
2. slzV = 22.5 ml // è pari al volume della soluzione di HCl usata come titolante
3. titviene misurato tramire la buretta
4. Al punto di equivalenza vale che:
   +n NH = n HCl (= n H O ) (i)
5. 3 3n HCl = V *[HCl] (ii)
6. titn NH = V *[NH ] (iii)
7. 3 slz 3n NH = V *[HCl] (iv)
8. 3 titV *[NH ] = V *[HCl] (v) // si ottiene sostituendo (ii) e (iii) in (i)
9. slz 3 tit[NH ] = (V *[HCl])/ V (vi) // formula inversa di (v)
10. 3 tit slzConoscendo le relazioni tra concentrazioni è ora possibile determinare preliminarmente il punto di equivalenza.
11. +(aq) 4+(aq)NH + H O NH + H O3(aq) 3 2 (l)n(mol) 2.19*10 2.19*10 /-3 -3I. (Calcoli nella paginaseguente)n(mol) - - +2.19*1-3C. 2.19*10 2.19*10 0-3 -3 -3n(mol) / / 2.19*10E. -3 -3 -3n NH = V *[HCl] = (22.5*10 L) * ( 0.0975 M ) = 2.19375*10 mol ≈ 2.19*10
12. 3 titmol -3 -3[NH ] = (V *[HCl])/ V = (22.5*10 * 0.0975)mol / (25.0*10 )L = 0.08775 M
13. 3 tit slz≈0.088 M
14. Il titolo iniziale della soluzione,

prima che venisse portata a volume, una volta prelevata e posta nel matraccio tarato può essere calcolato considerando che è stata diluita:

V *[NH₄⁺] = [NH₄⁺] *V // vengono prelevati 25ml e si porta a volume

prelevato 3 iniz. 3 dil slz. raggiungendo un volume finale di 100ml quindi:

[NH₄⁺] = ([NH₄⁺] *V )/ V = (0.08775 M *0.100L)/0.025L = 0.35088M ≈ 0.35M

3 iniz. 3 dil slz. prelevato 0.351 M -3 -3nNH₄⁺ =([NH₄⁺] *V )=0.351M*0.025L = 8.775*10^-3 mol ≈ 8.80*10^-3 mol

3 iniz. 3 iniz prelevato

Si conclude che la concentrazione di NH₄⁺ nella soluzione iniziale (quella prelevata sotto cappa) è pari a 0.351 M e che nNH₄⁺ presenti in 25ml della soluzione iniziale è pari a circa 8.80*10^-3 mol

Una volta che tutte le molecole di ammoniaca hanno reagito con gli ioni idronio si ha che il numero di moli di ammoniaca presenti prima della reazione è uguale al numero di moli di ioni ammonio al termine della reazione. vale quindi che:

n NH₄⁺ = n NH₄⁺ = 2.19*10^-3 mol

3 (iniziali)V

V + V = 22.5 ml + 25 ml = 47.5 ml // si considerano i volumi additivi

[NH4+] = n NH4+ / V = 2.19*10 mol / 47.5 *10 L = 0.046 M

La soluzione iniziale totale è NH4+ + NH3

NH4+ è l'acido coniugato di NH3, una base debole. Per questo motivo NH4+ darà una reazione di idrolisi acida con l'acqua, determinando il pH della soluzione al punto equivalente.

È possibile calcolare la costante di ionizzazione acida dello ione ammonio come: K = [NH3][H3O+]/[NH4+]

La reazione di idrolisi che avviene tra lo ione ammonio e l'acqua è la seguente:

NH4+(aq) + H2O ⇌ NH3(aq) + H3O+(aq)

0.046 - x / x = K

[NH3] = 0.046 M iniziale

K = (x)/(0.046-x) = 5.56*10^-10 // La K della reazione ha il valore appena calcolato

[H3O+] = (x)/(0.046-x)

Ka = [H3O+][NH3]/[NH4+]

Ka = (x)/(0.046-x) = 5.56*10^-5 (*)

In (*)

È possibile considerare 0.046-x ≈ 0.046, e risolvere rispetto a x utilizzando tale approssimazione: ¿NH4+ ¿NH4Ka*+ -10 -6 -6x=[H2O]= √(5.56*10^-10 *0.046)= 5.055*10^-6 ≈ 5.06*10^-6 M· 3Kw *¿Kb ¿√ + -6Si trova che pH = -log([H2O]) = -log([5.055*10^-6]) = 5.296 ≈ 5.30· 3Per verificare che l'approssimazione sia corretta risolvo (*) senza approssimare 0.046-x ≈ 0.046:2 -10i)(x )/(0.046-x) = 5.56*10^2 -10 -11ii)x + (5.56*10^-11)x – 2.5576*10^-10 =0iii)Trovo x applicando la formula risolutiva per le equazioni di secondo grado1,2 √(2-b ± √(b^2-4ac)) ponendo:x1,2= 2 aa=1· -10b=5.56*10^-11c=2.5576*10^-6 -6 -6Si ottiene x =5.057*10^-6 ≈ 5.06*10^-6 M; x = -5.057*10^-6 M. In questo caso x <0, non è un risultato avente fisicamente senso, quindi considero come soluzione x=-6x =5.06*10^-6 M. L'approssimazione 0.046-x ≈ 0.046 non ha determinato.

differenze1significative nel calcolo di x.In base a quanto appena calcolato il pH al punto di equivalenza vale:+ -6pH=-log[H_O]= -log(5.06*10^M)=5.296 ≈ 5.30 3Calcoli titolazioni potenziometriche (seconda e terza):Per ottenere dei valori dai dati forniti dalla seconda e dalla terza titolazione si svolgonogli stessi calcoli che si sono svolti per la prima titolazione. L’unica differenza è l’utilizzodel pHmetro necessario a disegnare la curva di titolazione determinante per trovare ilpunto equivalente, il quale non viene più individuato tramite la variazione di coloredell’indicatore colorimetrico metilarancio.Applicando il metodo delle tangenti parallele alle curve di titolazione si legge:V =21.2 ml = 0.0212 L; pH≈5.5 // punto di equivalenza seconda titolazione 2(potenziometrica)V =23.0 ml = 0.0230 L; pH≈5.6 // punto di equivalenza terza titolazione 3(potenziometrica)Calcoli: -3 -3n HCl = [HCl]* V = 0.0975M*(21.2*10 L) = 2.07

10 mol (2) 2 -3 -3n HCl = [HCl]* V = 0.0975M*(23.0*10 L) = 2.24*10 mol

(3) 3In base a quanto detto precedentemente al punto di equivalenza vale che n NH =3nHCl Il numero di moli di NH è uguale al numero iniziale (previa4+titolazione) di moli di NH , in quanto l’ammoniaca reagisce3completamente con gli ioni idronio.-3n NH = n HCl = 2.07*10 mol

(2) (2) -3n NH = n HCl = 2.24*10 mol

(3) (3) -3[NH ] = n NH / V = 2.07*10 mol /0.025 L = 0.0828 M ≈ 0.083 M

(2) 3 (2) slz -3[NH ] = n NH / V = 2.24*10 mol /0.025 L = 0.0897 M ≈ 0.090 M

(3) 3 (3) slzPer conoscere il titolo iniziale della soluzione prelevata da sotto cappa e prima chevenisse portata a volume, si applica la formula della diluizione e si trova che[NH ] = ([NH ] *V )/ V = (0.0828 M *0.100L)/0.025L = 0.3312 M ≈

3 iniz.(2) 3 dil(2) slz. prelevato0.331 M -3nNH =([NH ] *V )=0.3312M*0.025L = 8.28*10 mol

3 iniz. 3 iniz(2) prelevato[NH ] = ([NH ] *V )/ V = (0.0897 M

0.100L)/0.025L = 0.3588 M ≈ 3 iniz.(3) 3 dil(3) slz. prelevato0.359 M -3nNH =([NH4+]*V)=0.3588M*0.025L = 8.97*10 mol

3 iniz. 3 iniz(3) prelevatopH

Calcolando il teorico al punto di equivalenza, si ottiene come nella primatitolazione : Per quanto precedentemente verificato l'approssimazione4+ 4+[NH4+]-x ≈ [NH4+] è legittima?NH4+Kw *?Kb √pH=-log ⁡? pH

Prima di procedere a calcolare il teorico al punto di equivalenza si devecalcolare la concentrazione dello ione ammonio nelle due soluzioni:

4+ 4+(2) 4+(2) -3[NH4+] = nNH4+ / V = nNH4+ / (V + V ) = 2.07*10 mol /(2) totale(2) slz.2 tit.2-3(25.0+21.2)*10 L=0.0448M

4+ 4+(3) 4+(2) -3[NH4+] = nNH4+ / V = nNH4+ / (V + V ) = 2.24*10 mol /(3) totale(3) slz.2 tit.2-3(25.0+23.0) *10 L=0.0467M

pH

Procedo a calcolare il teorico al punto di equivalenza:√( )-141*10pH = 5.30

-log *0.04482 -51.8*10√(

⁻141∗10pH = 5.29 ¿−log ∗0.04673 −51.8∗10n.b. Il calcolo teorico di pH e pH , appena effettuato, si basa sulla supposizione che la2 3soluzione di NH , una volta prelevata dal matraccio tarato e posta nel becher per3essere titolata, non venga ulteriormente diluita ( di fatti nei calcoli viene consideratoV = 25ml ), e che i volumi di titolante e analita siano additivi.slzTabella riassuntiva dei calcoli:Titolazione 1 Titolazione 2 Titolazione 3V HCl (punto eq.) 22.5 ml 21.0 ml 23.0 ml(mL) -3 -3 -3n HCl 2.19*10 mol 2.05*10 mol 2.24*10 mol(mol) -3 -3 -3n NH 2.19*10 mol 2.07*10 mol 2.24*10 mol(mol) 3[NH ] (previa 0.351 M 0.331 M 0.359 M3diluizione)pH ≈5.5 ≈5.6(punto eq.da grafico)pH 5.30 5.30 5.29(punto eq.calcolato)Analisi critica dei datipHSi nota che il al punto di equivalenza calcola