ESERCITAZIONI ) Standardizzazione di una soluzione di HCl mediante Na 2 CO 3 2) Dosaggio dei carbonati mediante titolazione con HCl

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1 ESERCITAZIONI 4+5 1) Standardizzazione di una soluzione di HCl mediante Na 2 2) Dosaggio dei carbonati mediante titolazione con HCl Viene eseguita in primo luogo la standardizzazione di una soluzione di HCl con standard primario Na 2 (titolazione diretta di una quantità esattamente nota di Na 2 solido). In seguito, la soluzione di HCl, così standardizzata, viene usata per il dosaggio del bicarbonato in acqua potabile incognito.

2 1) Standardizzazione della soluzione di HCl - Preparazione della soluzione di HCl circa 0.1 N da titolare. Si prepara una soluzione circa 0.1N prelevando 2.1 ml di HCl (PM = g/mole) concentrato e portandoli al volume di 250 ml con acqua distillata. a) Qual è la concentrazione di HCl concentrato di partenza, sapendo che è al 37% (w/w) e ha una densità di 1.19 g/ml? b) Dimostrare il calcolo per la preparazione circa HCl 0.1 N? Si riempie con circa 100 c.c. di acqua deionizzata il pallone tarato da 250 ml Si aggiunge HCl concentrato e si porta a volume.

3 Preparazione di Na 2 Per la standardizzazione dell HCl si impiega il Na 2, che è una sostanza madre. Il carbonato è stato precedentemente essiccato in stufa a 110 C ed il pesafiltri dovrà essere trasferito nell essiccatore e lasciato raffreddare prima di effettuare le pesate. Una volta raffreddato si possono effettuare le pesate di Na 2. Si pesano su bilancia analitica circa 0.2g (tra 0.18 e 0.22 g) di carbonato di sodio essiccato. Questa quantità consente di impiegare un volume di titolante (HCl 0.1 M) compresa tra 35 e 45 ml, cioè un volume sufficientemente elevato da minimizzare l errore percentuale di lettura sul volume e per il quale non sia necessario ricaricare la buretta (PM Na2CO3 = 106). Nelle operazioni di pesata occorrerà prestare particolare attenzione ad evitare il contatto prolungato con l aria del carbonato, allo scopo di ridurre al minimo la possibilità di idratazione del sale. La quantità pesata dovrà quindi essere trasferita quantitativamente in una beuta con l aiuto di un imbuto, lavando l imbuto con circa 50 ml di acqua distillata ed agitando poi fino a completa dissoluzione (attenzione a non usare la spatola umida per successivi prelievi di carbonato!). Si aggiungono quindi 3 gocce d indicatore (fenolftaleina) e si inizia la titolazione (la soluzione, basica, diventa viola).

4 Titolazione Si tratta di una titolazione di una base debole diprotica ( ) mediante un acido forte (HCl) e viene effettuata per determinare la quantità del sale presente in una soluzione. Il carbonato di sodio è un sale completamente dissociato secondo la reazione: Na 2 2 Na + + Lo ione sodio derivante dalla base forte non idrolizza mentre lo ione carbonato reagisce con lo ione H 3 O + secondo l equilibrio: + H 3 O + H - (1) Lo ione bicarbonato reagisce con H 3 O + secondo l equilibrio: H- + H 3 O + H 2 (2)

5 Le espressioni relative alla dissociazione dell acido carbonico e del bicarbonato sono rispettivamente: H 2 + H 2 O H- + H 3 O + K a1 = [H 3 O + ][H- ]/[H 2 ] = 3.5 x 10-7 H- + H 2 O + H 3 O + K a2 = [H 3 O + ][ ]/[H- ] = 5.0 x Essendo K a1 e K a2 le costanti di prima e seconda dissociazione dell acido carbonico. Si supponga avere una concentrazione M della soluzione di carbonato di sodio All inizio della titolazione, ovvero quando il volume di titolante aggiunto è pari a zero, il ph della soluzione di carbonato di sodio si può calcolare: consideriamo la reazione di idrolisi del carbonato: + H 2 O H- + OH - (3) (C-x) x x la costante di idrolisi è: K h = H OH 2

6 K w = [H 3 O + ][OH - ] = 1,0 x a 25 C K h = H Kw 2 H 3 O + K w = K a x K b K b = K w K a K b = K w / K a2 = 1,00 x ,0 x = 2.0 x 10-4 all equilibrio: [H- ] = [OH - ] e [ ]= x si può assumere che [ ] (Conc iniziale di carbonato di sodio) quindi K h = H OH 2 = 2.0 x 10-4 = OH 2 0,100 da cui [OH - ] 2 = 2.0 x 10-5 e [OH - ] = 2.0 x 10-5 = quindi poh = log = 2.3 e quindi ph = 14 poh = = 11.7

7 Supponiamo che il volume della soluzione di carbonato di sodio sia pari a 50.0 ml; le moli di carbonato sono pari a L x M = Dopo l aggiunta di /2 = moli di HCl ci si trova a metà del primo punto equivalente (half-equivalence point): si verifica la reazione + H 3 O + H - A questo punto la metà del carbonato si è trasformata in carbonato acido ovvero [H- ] = [ ] Prendiamo in considerazione l espressione K a2 = H 3O + 2 da cui [H 3 O + ] = K a2 H 2 poiché [H- ] = [ ] si ha H = 5.0 x [H 3 O + ] = K a2 = 5.0 x da cui ph = log 5.0 x = 10.3

8 Dopo l aggiunta di moli di HCl si è raggiunto il primo punto equivalente e tutto il carbonato si è trasformato in carbonato acido ph = ½ ( pk a1 + pk a2 ) = 8.4 Dopo l aggiunta di moli di HCl metà del bicarbonato si è trasformata in acido carbonico e, con ragionamento del tutto analogo a quello fatto per la metà del primo punto equivalente si ha: [H 3 O + ] = K a1 = 3.5 x 10-7 ph = 6.5 Dopo l aggiunta di moli di HCl tutto il bicarbonato si è trasformato in acido carbonico e [H 3 O + ] = K a1 C e per una titolazione di carbonato di sodio M con HCl M il valore del ph = 3.8 Nella pratica, l individuazione dei due punti equivalenti viene rilevata con l utilizzo di due indicatori: la soluzione a volume noto di carbonato di sodio viene messa nella beuta e l acido cloridrico standardizzato nella buretta. Alla soluzione vengono aggiunte 3-4 gocce di fenolftaleina e si titola fino al viraggio dell indicatore a incolore. Si legge il volume di titolante occorso (corrispondente al primo punto equivalente), quindi si aggiungono 4-5 gocce di metilarancio e si titola fino al viraggio del secondo indicatore a rosso (corrispondente al secondo punto equivalente). Il volume di titolante viene così letto nuovamente.

9 Riportando in grafico il ph in funzione del volume di titolante aggiunto si ottiene la seguente curva di titolazione:

10 Procedimento - Si riempie la buretta con la soluzione di HCl, dopo averla preventivamente lavata e avvinata. - Si procede all azzeramento della buretta tipo Shellback (evitare l errore di parallasse ponendosi alla stessa altezza del punto di lettura); spurgare le bolle d aria intrappolate nel rubinetto. - Si colloca la beuta contenente il carbonato al di sotto della buretta, in modo che la punta del rubinetto sia vicina alla parete del becher e disti poco più di un centimetro dalla superficie della soluzione (così da evitare schizzi durante le aggiunte); - Si titola il carbonato fino al viraggio ad incolore della fenolftaleina (Incolore/fucsia) che segnala, grossolanamente, che gli ioni carbonato sono stati titolati al primo punto di equivalenza (ossia portati a H- ). Il volume di HCl aggiunto dovrà essere segnato e servirà per avere una indicazione (orientativa) del titolo dell HCl, che verrà poi calcolato in base al secondo punto equivalente. Attenzione, non riazzerate la buretta a questo punto, limitatevi a chiudere per un momento il rubinetto, la titolazione non è finita; quello che è stato identificato è solo un punto intermedio che segnala che siamo giunti approssimativamente a metà strada nella titolazione: si può così prevedere approssimativamente quanto HCl vada ancora aggiunto per arrivare al secondo punto equivalente della titolazione. Alla soluzione divenuta incolore si aggiungeranno 3 gocce del secondo indicatore (rosso metile (rosso/giallo), la soluzione è gialla). Si continua a titolare sino ad avere aggiunto una ulteriore quantità di titolante per far virare la fenolftaleina (si stanno titolando gli H- a H 2 ); a questo punto si rallenta e si continua la titolazione fino a quando la soluzione inizia a cambiare colore (da giallo a rosso). Il volume di titolante necessario per il raggiungimento del secondo punto equivalente sarà circa uguale al doppio di quello impiegato per il raggiungimento del primo punto equivalente.

11 In corrispondenza del secondo punto equivalente si ha una soluzione di acido carbonico. H 2 H - + H 3 O + [3] Il salto di ph non dovrebbe essere molto netto, ma in questo caso può essere evidenziato con una buona precisione perché è possibile sfruttare la reazione H 2 CO 2 + H 2 O [4] Che può essere spostata verso destra allontanando l anidride carbonica per riscaldamento. Quando inizierete a notare il viraggio dell indicatore (da giallo a rosso) dovrete fermare la titolazione, annotare il volume di titolante aggiunto e far bollire la soluzione per qualche minuto. L allontamento di CO 2 dalla soluzione sposterà verso sinistra l equilibrio [3], con conseguente consumo di ioni H 3 O + ed il ph della soluzione tenderà quindi ad aumentare (l indicatore tornerà nella forma di colore giallo). La soluzione dovrà quindi essere raffreddata sotto acqua corrente e dovranno essere aggiunte ancora alcune gocce di HCl per raggiungere nuovamente il viraggio dell indicatore (appare come un rosso-fucsia). Se è stato necessario aggiungere più di 5-6 gocce di titolante, occorrerà ripetere l operazione di riscaldamento. Raggiunto il viraggio si dovrà segnare il volume esatto di titolante impiegato ed utilizzare questo valore per il calcolo del titolo esatto della soluzione di HCl. Sarà necessario eseguire almeno tre titolazioni e calcolare il valore del titolo medio, che deve essere trascritto sull etichetta della bottiglia insieme alla data di standardizzazione. Nella relazione indicare sommariamente i punti salienti dell esperienza, indicando chiaramente le reazioni chimiche, i calcoli stechiometrici e commentando l impiego dei diversi indicatori per la stessa titolazione.

12 2) Dosaggio del bicarbonato in acqua potabile Nell acqua minerale il ph è neutro o debolmente acido, quindi il carbonato è presente nella forma parzialmente protonata H-. 1) Diluire esattamente 1:10 la soluzione di HCl titolata, prelevandone 25 ml con la pipetta, trasferendoli nel matraccio da 250 ml e portando a volume con acqua distillata. Calcolare la nuova molarità dell HCl. 2) Mettere l acido diluito in una delle due burette. Prelevare con l altra buretta 25 ml per acqua ACEA o 50 ml per acqua XXXXXXX, trasferire il volume di acqua misurata nella beuta e il rosso metile come indicatore. Titolare con HCl. Ripetere almeno tre volte la titolazione e mediare i risultati. Calcolare la concentrazione di H- ed esprimerla in mg HCO3- /L.