Esperienza n. 1 Laboratorio di Chimica Generale Preparazione di soluzioni a titolo approssimato e a titolo noto OBBIETTIVI Lo scopo di questa esperienza è quello di preparare una soluzione a concentrazione nota sia attraverso la pesata e successiva dissoluzione del campione nel solvente, sia diluendo soluzioni concentrate. INTRODUZIONE Le soluzioni a titolo noto sono soluzioni di cui si conosce con esattezza la concentrazione che viene espressa, in genere, come moli di soluto per litro di soluzione (molarità). Le soluzioni a titolo noto possono essere preparate a) per pesata diretta, sciogliendo la quantità pesata di soluto in un volume noto di soluzione, b) per diluizione, diluendo con il solvente puro un volume di soluzione a titolo noto. Per preparare soluzioni a titolo noto direttamente per pesata, il campione solido deve avere particolari caratteristiche: 1) non deve contenere impurezze maggiori dello 0.01 %, l umidità è l unica impurezza ammessa in quanto può essere facilmente eliminata riscaldando il campione a 105 C. 2) Non deve essere igroscopico nè deliquescente. 3) Non deve reagire con il solvente o con sostanze presenti in esso come CO2, O2. 4) Dovrebbe avere un peso equivalente elevato per ridurre l'errore nella pesata. Queste caratteristiche consentono di conoscere con esattezza la quantità del composto mediante la sua massa ottenuta con una bilancia analitica. Le sostanze che possiedono queste caratteristiche vengono dette standard primari (o sostanze madri). Se il composto in esame non ha le caratteristiche sopra elencate non possiamo preparare una sua soluzione a titolo noto direttamente per pesata. Prendiamo come esempio la preparazione di una soluzione di idrossido di sodio. L idrossido di sodio è un solido bianco che viene commercializzato in pastiglie; se si tiene esposto per breve tempo all aria si può notare sulla superficie della pastiglia un sottilissimo velo di acqua.
L idrossido di sodio solido è infatti una sostanza che assorbe l acqua presente nell aria sotto forma di umidità ed assorbe CO2, anch essa presente nell aria, in seguito alla reazione 2NaOH + CO2 Na2CO3 + H2O Quindi quando pesiamo una pastiglia di idrossido di sodio, per quanto possa essere veloce l operazione di pesata, nel nostro campione non ci sarà solo idrossido di sodio, ma anche un po di acqua e di Na2CO3 in quantità variabili e non note in funzione al tempo di esposizione del campione all aria. In questo caso la massa del campione ci fornisce solo un valore approssimato di quanto idrossido di sodio abbiamo nel campione e di conseguenza la soluzione che prepariamo per pesata diretta di NaOH avrà un titolo approssimato. In generale per tutte quelle sostanze che non sono standard primari è possibile preparare solo soluzioni a titolo approssimato. Solo attraverso l operazione di standardizzazione si può conoscere con esattezza la concentrazione delle soluzioni preparate. La standardizzazione di una soluzione viene effettuata facendo reagire il composto con uno standard primario. In questa esperienza preparerete una soluzione a titolo noto di carbonato di sodio (standard primario) per pesata diretta e una soluzione a titolo approssimato di acido cloridrico, che non è uno standard primario, per diluizione di soluzioni più concentrate. a) Preparazione di una soluzione a titolo noto per pesata diretta Per preparare una soluzione a titolo noto per pesata diretta, si pesa con una bilancia analitica la quantità di sostanza e, mediante un piccolo imbuto, si trasferisce il campione, aiutandosi eventualmente con una spatola, in un matraccio tarato di opportuna capacità riempito per circa la metà del suo volume con il solvente.
Gli oggetti utilizzati nel travaso della sostanza (contenitore per la pesata, spatola) devono essere lavati con piccole porzioni di solvente per far in modo che non ci sia alcuna perdita del campione pesato. I lavaggi vanno eseguiti sopra l imbuto in modo che le acque di lavaggio cadano direttamente nel matraccio. Per finire conviene lavare più volte (3 o 4) con piccole porzioni di solvente anche le pareti ed il gambo dell imbuto. Trasferito il campione nel matraccio si agita la soluzione muovendo il polso in modo tale da far compiere al matraccio un movimento circolare. Una volta disciolto completamente il solido si termina l operazione portando a volume, cioè aggiungendo la quantità di solvente necessario per portare il menisco della soluzione ad essere tangente con il segno indicato sul collo del matraccio. Si aggiunge il solvente con una spruzzetta fino ad avere il livello della soluzione circa mezzo centimetro sotto la tacca del matraccio, si completa l operazione aggiungendo goccia a goccia il solvente fino ad arrivare alla tacca. Una volta terminata l aggiunta del solvente si inserisce il tappo e si agita la soluzione ruotando verticalmente il matraccio. b) Preparazione di una soluzione per diluizione di una soluzione più concentrata Un secondo metodo per preparare le soluzioni a concentrazione nota è diluire, aggiungendo acqua, o più in generale il solvente, una soluzione concentrata fino ad ottenere la soluzione desiderata con concentrazione inferiore rispetto a quella di partenza. Il volume della soluzione concentrata viene prelevato con una pipetta tarata e trasferito nel matraccio che servirà per preparare la soluzione; infine si porta a volume aggiungendo il solvente. PROCEDURA SPERIMENTALE a) Preparazione di una soluzione di Na2CO3 0.1 M Il carbonato di sodio è uno standard primario, è quindi possibile prepararne una soluzione a titolo noto per pesata diretta. Per preparare 100 ml di soluzione di Na2CO3 0.1 M pesare accuratamente, con una bilancia analitica, la quantità necessaria del sale. Utilizzando un imbuto, trasferire il campione pesato nel matraccio da 100 ml e lavare sia il contenitore utilizzato per la pesata sia l imbuto con acqua deionizzata. Aggiungere al matraccio
acqua fino a circa metà del suo volume e agitare orizzontalmente il matraccio fino a completa dissoluzione del solido. Una volta che tutto il carbonato di sodio si è sciolto in acqua, portare a volume con acqua deionizzata. b) Preparazione di una soluzione di HCl 0.1 M Preparare 250 ml di soluzione di acido cloridrico con concentrazione circa 0.1 M a partire da una soluzione 1 M di acido cloridrico preparata in precedenza. Aggiungere, nel matraccio tarato da 250 ml, circa 100 ml di acqua deionizzata e il volume necessario della soluzione 1 M di HCl agitando il matraccio con cautela. Portare a volume il matraccio con acqua deionizzata e, una volta inserito il tappo, agitare la soluzione ruotando verticalmente il matraccio. La soluzione di acido cloridrico così preparata ha una concentrazione circa 0.1 M DATI E RISULTATI a) Preparazione di una soluzione di Na2CO3 Riportare sul quaderno di Laboratorio * Data * Titolo dell esperienza * Descrizione delle operazioni effettuate * Risultati Calcolare i grammi di Na2CO3 da pesare per preparare 100 ml della soluzione 0.1 M. Pesare la quantità di carbonato alla bilancia analitica e segnare il peso. Calcolare la molarità della soluzione. b) Preparazione di una soluzione di HCl 0.1 M * Descrizione delle operazioni effettuate * Risultati Calcolare i ml di HCl da prelevare per ottenere la soluzione 0.1 M
PRE-LAB TECNICHE DI LABORATORIO Per eseguire l esperienza di laboratorio in modo appropriato è importante aver appreso le tecniche per la determinazione della massa e del prelievo dei volumi. ESEMPI NUMERICI Esempio svolto i) Si deve preparare 1 L di soluzione 0.5 M di dicromato di potassio. La massa che occorre pesare si calcola come segue: per prima cosa calcoliamo le moli di dicromato di potassio richieste, ovvero quelle contenute in 1 L di soluzione moli di K -1 2Cr2O7 necesarie = M K Cr O VK Cr O = 0.5 mol L 1L = 0.5 mol di K 2Cr2O7 2 2 7 2 2 7 dal numero di moli e conoscendo la massa molare di K2Cr2O7 si ricava la massa del sale g K Cr O 2 2 7 = n M (K Cr O ) = 0.5 mol 294.19 g mol K Cr O 2 2 7 m 2 2 7-1 = 124.6 g di K Cr O 2 2 7 per preparare 1 L di soluzione 0.5 M di K2Cr2O7 è necessario quindi pesare 124.6 g del sale e aggiungere, in un matraccio tarato, acqua fino ad ottenere 1 L di soluzione. ii) Si devono preparare 100 ml di una soluzione 0.25 M di acido solforico avendo a disposizione una soluzione 1.4 M di H2SO4. Il volume della soluzione concentrata che dobbiamo prelevare si calcola come segue: anche in questo caso calcoliamo le moli di H2SO4 che dobbiamo avere nella soluzione finale moli di H = = -1 2SO4 necesarie M H SO VH SO 0.25 mol L 0.1L 0.025 mol di H 2SO4 2 4 2 4 dalla molarità della soluzione concentrata calcoliamo il volume da prelevare per ottenere il numero di moli di acido desiderato = volume di H SO n 0.025 mol H 2 4 da prelevare 2 SO = 4 = = 0.0179 L di H -1 2SO4 MH 2 SO 4 1.4 mol L sarà necessario prelevare 17.9 ml della soluzione concentrata di acido solforico (1.4 M) e diluirli con acqua fino ad un volume della soluzione di 100 ml.
Esempi da svolgere Quale massa di NaHCO3 è necessaria per preparare 2.5 L di soluzione 1.2 M? Si deve preparare una soluzione circa 0.12 M di cloruro di sodio puro al 97.4 %. Calcolare quanti grammi del campione devo essere pesati per preparare 100 ml di soluzione. Una soluzione concentrata di acido cloridrico al 25.22 % (p/p) ha una densità di 1.125 g ml -1. Quanti ml di questa soluzione devono essere prelevati per preparare 250 ml di soluzione 0.125 M? Quale volume di soluzione 0.25 M di permanganato di potassio deve essere diluito per preparare una soluzione 0.05 M? POST-LAB Preparare la relazione relativa all esperienza nella quale si riporta: a) Titolo dell esperienza, b) breve introduzione, c) procedura sperimentale utilizzata, d) risultati ottenuti e) conclusioni.
Esperienza n. 2 Laboratorio di Chimica Generale Titolazioni acido-base OBBIETTIVI Lo scopo di questa esperienza è quello di acquisire familiarità con la tecnica della titolazione per la determinazione della concentrazione di una soluzione titolata con una soluzione a concentrazione nota di reagente. INTRODUZIONE La titolazione è un operazione analitica con cui al quantità di sostanza contenuta in un campione viene determinata misurando il volume di una soluzione a concentrazione nota necessario per raggiungere il punto equivalente. In base al tipo di reazione le titolazioni possono essere classificate in base al meccanismo della reazione utilizzata come a) titolazioni acido-base: reazione che coinvolge un acido e una base, b) titolazioni per precipitazione: reazione in cui si ha la formazione di un precipitato c) titolazioni complessometrcihe: reazione in cui si ha la formazione di ioni complessi, d) titolazioni di ossidoriduzione: reazione in cui si ha trasferimento di elettroni. Se si considera la tecnica con cui le titolazioni vengono effettuate è possibile distinguere tra a) titolazioni dirette in cui il titolante è aggiunto direttamente alla sostanza da titolare; b) retrotitolazioni o titolazioni di ritorno in cui si aggiunge un eccesso noto di reagente alla soluzione da titolare e quindi si titola il reagente in eccesso Affinché una reazione possa essere utilizzata per una titolazione occorre che soddisfi le seguenti condizioni: a) la reazione deve raggiungere istantaneamente l'equilibrio; b) la reazione deve essere quantitativa; c) la reazione deve essere unica ovvero avvenire esclusivamente tra titolante e titolato; d) la reazione deve essere stechiometrica; e) al punto di equivalenza deve mostrarsi una variazione di una proprietà chimica o chimico-fisica tale da permetterne la determinazione. La soluzione di titolante viene aggiunta alla soluzione a concentrazione incognita facendola colare da una buretta fino a quando le moli della specie titolante non sono uguali alle moli della specie che deve essere titolata. Arrivati a questo punto, detto punto equivalente, la titolazione viene interrotta e dal volume di titolante utilizzato, nota la sua concentrazione, si ricavano le moli di specie titolata presente nella soluzione incognita.
Equivalentititolante = Equivalentititolato (punto equivalente) Per poter rilevare il punto finale in una titolazione in genere si utilizza una sostanza ausiliaria che, aggiunta alla soluzione in quantità trascurabile rispetto alle concentrazioni dei reagenti, è in grado fornire un marcato cambio di colore in corrispondenza del punto equivalente. Queste sostanze vengono dette indicatori e vanno scelti a seconda del tipo di reazione che si intende utilizzare per la titolazione e dei reagenti coinvolti nella stessa reazione. Nel caso delle titolazioni acido-base gli indicatori, (indicatori acido-base) sono delle specie acide o basiche con struttura più o meno complessa capaci di impartire alla soluzione in cui vengono disciolti una colorazione che dipende dalla concentrazione degli ioni H + e OH - presenti. Ad esempio il metilarancio è un indicatore acido-base la cui struttura è riportata qui di seguito: SO 3 - Na + SO 3 - Na + N N OH - N N H + H 3 C N + CH 3 H H 3 C N CH3 metilarancio + HCl metilarancio + NaOH (rosso, ambiente acido) (giallo, ambiente basico) Se il metilaracio viene sciolto in una soluzione di un acido, ad esempio acido cloridrico (in cui in soluzione sono presenti ioni H + ), impartisce alla soluzione una colorazione rossa mentre se viene sciolto in una soluzione di una base, ad esempio idrossido di sodio (in cui sono presenti ioni OH - ) impartisce alla soluzione una colorazione gialla. Utilizzando questo indicatore acidobase in una titolazione, al punto equivalente, dove nh+ = noh-, il colore della soluzione sarà intermedio tra il rosso ed il giallo (arancione). In questa esperienza si utilizzerà la titolazione per standardizzare la soluzione di acido cloridrico circa 0.1 M, preparata nell esperienza precedente, che verrà titolata con la soluzione di carbonato di sodio utilizzando come indicatore acido-base il metilarancio.
Norme sull'uso della buretta nelle titolazioni 1) Iniziare la titolazione con la buretta piena ed azzerata in modo da favorire la riproducibilità. 2) Far fluire la soluzione di titolante goccia a goccia con velocità costante. 3) Durante la titolazione agitare in modo continuo la beuta contenente la soluzione da titolare. 4) Non lasciare la punta della buretta con gocce sospese. 5) Al termine dell'esperienza lavare accuratamente la buretta che va conservata piena di acqua distillata. PROCEDURA SPERIMENTALE a) Preparazione della buretta Preparare sul sostegno munito di pinza per burette, la buretta da 25 ml e posizionare sotto la buretta un becher da 100 ml. Versare, utilizzando un imbuto, qualche millilitro di soluzione di acido cloridrico nella buretta avendo cura di far bagnare completamente le pareti della buretta. Ripetere l operazione un paio di volte ed infine riempire la buretta con la soluzione di HCl circa 0.1 M. Assicurarsi che non ci siano bolle d aria all estremità inferiore della buretta sotto il rubinetto e azzerare la buretta. Svuotare il contenuto del becher nell apposito contenitore per lo smaltimento delle soluzioni acide. b) titolazione Prelevare con una pipetta tarata 10 ml di soluzione di Na2CO3 a titolo noto preparata in precedenza e porli in una beuta da 250 ml. Aggiungere acqua deionizzata fino a un volume finale di circa 100 ml. Aggiungere 1-2 gocce di metilarancio; la soluzione assumerà una colorazione gialla. Tenendo la beuta con la mano destra posizionarla sotto la buretta contenente la soluzione di HCl e, aprendo il rubinetto della buretta con la mano sinistra, far colare lentamente la soluzione di acido cloridrico. Fare in modo che la punta della buretta non sia troppo lontana dalla superficie della soluzione per evitare eventuali schizzi di soluzione. Durante l aggiunta agitare la soluzione muovendo la beuta con moto circolare. Inizialmente, l aggiunta di titolante provoca una variazione di colore che subito scompare. Con il procedere della titolazione il colore della soluzione impiegherà sempre più tempo per tornare al colore iniziale (giallo). Quando la
soluzione nella beuta assume una colorazione arancione chiudere il rubinetto, annotare il volume di HCl utilizzato e ripetere la titolazione per altre due volte. Dal volume di soluzione a titolo noto di Na2CO3 e dal volume di soluzione di HCl si ricava la concentrazione della soluzione acido cloridrico. DATI E RISULTATI Riportare sul quaderno di Laboratorio * Titolo dell esperienza * Descrizione delle operazioni effettuate * Risultati Per ogni titolazione annotare il volume di soluzione di acido cloridrico utilizzata e calcolare la molarità. Esprimere il risultato come valore medio delle diverse titolazioni e calcolare l errore come semidispersione. PRE-LAB TECNICHE DI LABORATORIO Per eseguire l esperienza di laboratorio in modo appropriato è importante aver appreso le tecniche per la determinazione della massa e del prelievo dei volumi. ESEMPI NUMERICI Esempio svolto i) supponiamo di avere una soluzione di idrossido di sodio della quale vogliamo conoscere la concentrazione avendo a disposizione una soluzione di acido cloridrico 0.124 M. 35.0 ml di soluzione di idrossido di sodio vengono titolati con la soluzione di acido cloridrico 0.124 M facendo colare da una buretta la soluzione di acido. La reazione tra il titolante (HCl) ed il titolato (NaOH) è la seguente: HCl(aq) + NaOH(aq) NaCl + H2O al punto equivalente le moli della base sono uguali alle moli di acido aggiunto moli di OH - (del titolato) = moli di H + (del titolante) quindi se sulla buretta leggiamo di aver usato 36.7 ml di acido cloridrico possiamo calcolarci la molarità dell idrossido di sodio come segue: moli di HCl usato = MHCl VHCl = 0.124 mol L -1 0.0367 L = 4.56 10-3 mol di HCl moli di NaOH = nhcl = 4.56 10-3 mol di NaOH queste moli di NaOH sono contenute in un volume di 35.0 ml, quindi la molarità di NaOH è:
M NaOH n = [NaOH] = V NaOH NaOH -3 4.56 10 mol = 0.035 L = 0.130 mol L -1 di NaOH Esempi da svolgere 20 ml di una soluzione di acido solforico hanno richiesto 30.45 ml di una soluzione 0.124 M di idrossido di sodio. Che molatirà ha la soluzione di acido solforico? 10 ml di una soluzione di idrossido di potassio (A) vengono diluiti con acqua in un matraccio tarato per ottenere una soluzione (B) del volume finale di 250 ml. 25 ml della soluzione B vengono titolati con 38.32 ml di una soluzione di acido cloridrico 0.154. Qual è la molarità della soluzione? POST-LAB Preparare la relazione relativa all esperienza nella quale si riporta: a) Titolo dell esperienza, b) breve introduzione, c) procedura sperimentale utilizzata, d) risultati ottenuti e e) conclusioni.