Przed przystąpieniem do wykonywania zajęć laboratoryjnych RR1 należy opanować podstawy teoretyczne przedstawione poniżej, przeanalizować kolejne etapy wykonania ćwiczenia opisane w instrukcji oraz rozwiązać zadania przygotowujące.

(1)

RR1 – H

YDROLIZA

. R

OZTWORY BUFOROWE

. I

LOCZYN ROZPUSZCZALNOŚCI

.

Przed przystąpieniem do wykonywania zajęć laboratoryjnych RR1 należy opanować podstawy teoretyczne przedstawione poniżej, przeanalizować kolejne etapy wykonania ćwiczenia opisane w instrukcji oraz rozwiązać zadania przygotowujące.

1. Podstawy teoretyczne do opracowania:

− Woda jako rozpuszczalnik; iloczyn jonowy wody;

− Rola wody jako kwasu lub zasady Brönsteda;

− Dysocjacja elektrolityczna;

− Protoliza zasady Brönsteda;

− Reakcje hydrolizy – równowagi ustalające się w roztworze wodnym; stała hydrolizy;

− Wpływ stężenia, temperatury i innych czynników na reakcje hydrolizy;

− Wskaźniki pH – zasada działania;

− Zasada działania buforu; przykłady roztworów buforowych;

− Reakcje równowagowe ustalające się w roztworze buforowym;

− Równowagi ustalające się pomiędzy fazą stała a roztworem nasyconym;

− Iloczyn rozpuszczalności;

− Rozpuszczalność związków trudno rozpuszczalnych;

− Strącanie związków trudnorozpuszczalnych;

− Wpływ temperatury, siły jonowej, pH roztworu na rozpuszczalność związku trudnorozpuszczalnego.

Literatura:

Skrypt „Równowagi chemiczne w roztworach wodnych”

A. Hulanicki, Reakcje kwasów i zasad w chemii analitycznej, PWN, 2012 Z. Galus (red.), Ćwiczenia rachunkowe z chemii analitycznej, PWN, 2005

Podstawowy sprzęt laboratoryjny: probówki, łaźnia wodna, łapa laboratoryjna, bagietka, tryskawka, palnik gazowy, pipetka polietylenowa, wirówka laboratoryjna.

Podstawowe czynności laboratoryjne: mycie szkła laboratoryjnego, przeprowadzanie reakcji chemicznych w małej skali, dekantacja, ogrzewanie probówek bezpośrednio w płomieniu palnika oraz w łaźni wodnej.

Literatura:

Skrypt „Podstawy techniki pracy laboratoryjnej”

2. Analiza instrukcji wykonania ćwiczenia RR1

Przeanalizuj sposób wykonania poszczególnych doświadczeń i zastanów się nad następującymi

aspektami: w jaki sposób można eksperymentalnie potwierdzić, że w roztworze danej soli zachodzą

reakcje hydrolizy (zaproponuj co najmniej dwa sposoby); jakimi reagentami w myśl definicji

Br

ø

nsteda są poszczególne drobiny ulegające reakcji hydrolizy; jak działa wskaźnik pH; jakie

czynniki wpływają na przebieg reakcji hydrolizy; oblicz i porównaj stopień hydrolizy w roztworach

CH

3

COONa o stężeniach 0,10 mol/dm

³

oraz 1,0 mol/dm

³

; czy obecność innych jonów może

wpływać na przebieg hydrolizy (np. jonów oksoniowych / wodorotlenowych lub jonów o

(2)

właściwościach zasady Lewisa); jaki związek powstaje w wyniku hydrolizy octanu żelaza(III) w podwyższonej temperaturze; w jaki sposób doświadczalnie można wykazać, że roztwór buforowy działa; czy roztwór kwasu solnego o stężeniu 2 mol/dm

³

posiada wszystkie cechy roztworu buforowego; czy dysponując roztworem octanu sodu i kwasu solnego o stężeniach 0,5 mol/dm

³

można przygotować roztwór buforowy; jakie warunki muszą zostać spełnione, aby osad związku trudnorozpuszczalnego strącił się; co to jest roztwór nasycony oraz przesycony; w jaki sposób można przygotować roztwór nasycony chromianu(VI) srebra(I); jakie czynniki wpływają na rozpuszczalność związku trudnorozpuszczalnego?

3. Przykładowe zadania do samodzielnego rozwiązania

1. Który z kationów Al

³⁺

czy Pb

²⁺

ma silniejsze własności kwasowe w roztworze wodnym?

Odpowiedź uzasadnij. Napisz zbilansowane równania hydrolizy obu akwajonów dla równowag opisanych poniższymi wartościami stałych K

a1

.

pK

a1

([Al(OH

2

)

63+

] = 5,1; pK

a2

[Pb(OH

2

)

62+

] = 7,8;

2. Napisz równania protolizy kwasowej i zasadowej anionów w poniższych solach. Dla każdej reakcji podaj wartość stałej równowagi i na tej podstawie określ odczyny roztworów tych soli:

a) Na

2

HAsO

4

; b) NaH

2

AsO

4

.

pK

a1

[H

3

AsO

4

] = 2,25; pK

a2

[H

3

AsO

4

] = 6,76; pK

a3

[H

3

AsO

4

] = 11,60

3. Do 1 ml roztworu azotanu(V) baru o stężeniu 0,001M dodano 1 ml roztworu siarczanu(VI) potasu o stężeniu 0,2M. Oszacuj stężeniu jonów baru w tak otrzymanym roztworze.

K

so

(BaSO

4

) = 1,0·10

⁻¹⁰

4. Opisz sposób otrzymania nasyconego roztworu PbI

2

(o sile jonowej I < 0,01) mając do dyspozycji: 0,1 M roztwór Pb(NO

3

)

2

, 1M roztwór KI, wodę destylowaną i dowolnie wybrany sprzęt laboratoryjny (np. probówki, tryskawkę, cylinder miarowy, wirówkę laboratoryjną).

Krótko uzasadnij kolejność wykonywanych czynności. Oblicz siłę jonową otrzymanego roztworu. K

so

(PbI

2

) = 8,5·10

⁻⁹

4. Zadania fakultatywne do samodzielnego rozwiązania

1. W roztworze soli glinu(III) oprócz reakcji hydrolizy opisanej stałą równowagi K

a1

ustala się szereg bardziej złożonych równowag, prowadzących do powstania polikationów o różnej budowie, m.in. kationu Keggina o stechiometrii [AlO

4

Al

12

(OH)

24

(OH

2

)

12

]

⁷⁺

. Podaj zbilansowane równanie reakcji powstawania takiego kationu z akwajonu Al(OH

2

)

63+

.

Dla dociekliwych: omów wielościany koordynacyjne z jakich zbudowany jest ten kation oraz

budowę samego kationu.

(3)

2. Zaproponuj sposób przygotowania roztworu buforowego mając do dyspozycji 0,1 M roztwór Na

2

HPO

4

oraz 0,1 M roztwór HCl. Wyjaśnij, które z jonów w otrzymanym roztworze będą pełniły funkcje kwasu, a które sprzężonej z nim zasady. Podaj równanie podstawowej równowagi ustalającej się w tym roztworze.

3. Oszacuj pH roztworu otrzymanego z 0,1 M roztworów H

2

C

2

O

4

i KHC

2

O

4

zmieszanych w stosunku objętościowym 1:3.

pK

a1

[H

2

C

2

O

4

] = 1,27; pK

a2

[H

2

C

2

O

4

] = 4,28

4. Do 100 ml roztworu 0,2M NaOH dodano 0,147 g stałego H

3

PO

4

. Zapisz reakcje zachodzące w układzie w formie jonowej i oszacuj pH otrzymanego roztworu.

pK

a1

[H

3

PO

4

] = 2,15; pK

a2

[H

3

PO

4

] = 7,21; pK

a3

[H

3

PO

4

] = 12,34

5. Do probówki wprowadzono po 5 cm

³

roztworów 0,1M Pb(NO

3

)

2

oraz 2M Na

2

SO

4

. Wytrącony biały osad oddzielono od roztworu i przemyto dwukrotnie wodą destylowaną. Następnie do probówki z osadem dolano 2 cm

³

wody destylowanej i zawartość probówki wytrząsano przez dłuższy czas. Do czystej probówki pobrano 1 cm

³

roztworu znad osadu i dodano 0,03 cm

³

0,1M K

2

CrO

4

. Czy wytrącił się osad PbCrO

4

? Odpowiedź uzasadnij wykonując stosowne obliczenia.

6. W dziennikach laboratoryjnych dwóch studentów znalazły się schematyczne zapisy z wykonania doświadczenia nr 6 (opisanego w instrukcji do ćwiczenia RR1), które można przedstawić w formie opisowej następująco:

Student 1: do dużej probówki dodano 1 kroplę 0,1 M K

2

CrO

4

, 1 kroplę 0,1 M NaCl oraz 10 cm

³

wody destylowanej. Następnie do probówki dodano 1 kroplę 0,1 M AgNO

3

i zaobserwowano wytrącenie się niewielkiej ilości wielokolorowego osadu w postaci barwnej smugi, która u góry była ciemnobrunatna, a w dolnej części probówki jasna – jasnożółta lub biała (jednoznaczne określenie barwy było trudne ze względu na małą ilość osadu oraz żółtą barwę roztworu). Po pewnym czasie osady zanikły, a w probówce można było zauważyć jedynie lekkie zmętnienie (o trudnej do ustalenia barwie). Dodawanie kolejnych kropli roztworu AgNO

3

dawało podobny efekt, przy czym roztwór stawał się coraz bardziej mętny, a jego barwa była coraz ciemniejsza.

Po dodaniu 10-ej kropli AgNO

3

w roztworze był widoczny jedynie ciemnobrunatny osad.

Student 2: do dużej probówki dodano 1 kroplę 0,1 M K

2

CrO

4

, 1 kroplę 0,1 M NaCl oraz 10 cm

³

wody destylowanej. Roztwór wymieszano za pomocą bagietki uzyskując klarowny roztwór o

barwie żółtej. Następnie do probówki dodano 1 kroplę 0,1 M AgNO

3

i roztwór wymieszano

bardzo dokładnie za pomocą bagietki w całej objętości. W probówce zaobserwowano lekkie

zmętnienie roztworu, przy czym jednoznaczne ustalenie barwy zmętnienia było trudno, ale bez

wątpienia osad miał jasną barwę. Dodanie kolejnych dwóch kropli roztworu AgNO

3

i obserwacja

dokonana po ujednorodnieniu roztworu w całej objętości probówki pozwoliła ustalić, że strącony

osad ma barwę białą. Po dodaniu 5 kropli AgNO

3

i wymieszaniu zawartości probówki

(4)

stwierdzono, że osad zaczyna przyjmować ciemniejszą barwę. Po dodaniu 10-ej kropli AgNO

3

i wymieszaniu zawartości probówki widoczny był jedynie ciemnobrunatny osad.

a) Wyjaśnij, który student poprawnie wykonał doświadczenie. Odpowiedź uzasadnij i omów przyczyny różnic w dokonanych obserwacjach.

b) O czym świadczy obserwacja smugi wielobarwnego osadu w roztworze u studenta nr 1?

c) Czy na podstawie opisów obserwacji dokonanych przez obu studentów można ustalić, który osad strącił się jako pierwszy? Sformułuj na tej podstawie odpowiedni wniosek.

d) Oblicz stężenia jonów chlorkowych i chromianowych w roztworze uzyskanym po zmieszaniu 1 kropli 0,1 M K

2

CrO

4

, 1 kropli 0,1 M NaCl oraz 10 cm

³

wody destylowanej.

Oblicz przy jakim stężeniu jonów srebra(I) strącą się osady – AgNO

3

i Ag

2

CrO

4

? Załóż addytywność objętości i przyjmij, że objętość jednej kropli wynosi około 0,05 cm

³

. Czy wyniki uzyskane w oparciu o obliczenia teoretyczne potwierdzają obserwacje wykonane przez studenta, który poprawnie wykonał doświadczenie? Odpowiedź uzasadnij.

e) Zaproponuj doświadczenie, które pozwoliłoby ustalić „który osad strąci się przy mniejszym stężeniu jonów Ba

²⁺

– BaSO

4

czy BaC

2

O

4

”.

7. Do 20,0 cm

³

roztworu Pb(NO

3

)

2

o stężeniu 0,150 mol·dm

⁻³

dodawano porcjami po 2,0 cm

³

roztwór CaCl

2

o stężeniu 0,020 mol·dm

⁻³

. W sumie dodano 20,0 cm

³

roztworu CaCl

2

. Przedstaw na papierze milimetrowym wykres iloczynu jonowego PbCl

2

w funkcji objętości dodawanego roztworu CaCl

2

. Załóż addytywność objętości. Na podstawie wykresu wyznacz graficznie objętość roztworu CaCl

2

, przy której zaczął strącać się osad PbCl

2

. Zweryfikuj otrzymaną wartość, obliczając ją w sposób analityczny na podstawie iloczynu rozpuszczalności.

K

so

(PbCl

2

) = 1,60·10

⁻⁵