Ογκομέτρηση – Δείκτες
Άσκηση τύπου ESCAPE -ROOM: κάθε ερώτημα ανοίγει μόνο όταν «ξεκλειδώσεις» το προηγούμενο,
γράφοντας σωστά το αποτέλεσμα και στη συνέχεια τον κωδικό κλειδαριάς. Οι λύσεις εμφανίζονται
μόνο αν πατήσεις το αντίστοιχο κουμπί.
Υδατικό διάλυμα ασθενούς μονοπρωτικού οξέος ΗΑ (διάλυμα Δ1) ογκομετρείται με πρότυπο διάλυμα NaOH 1M.
Κατά την ογκομέτρηση 40 mL διαλύματος Δ1 απαιτούνται 10 mL πρότυπου διαλύματος, ώστε να φτάσουμε στο
ισοδύναμο σημείο της ογκομέτρησης. Είναι γνωστό επίσης ότι, αραιώνοντας κάποιον όγκο διαλύματος Δ1 με
τετραπλάσιο όγκο νερού (4V), προκύπτει διάλυμα Δ2 με pH = 3.
Επίπεδο Α
Α.
Ποια η συγκέντρωση του οξέος ΗΑ στο ογκομετρούμενο διάλυμα Δ1;
Λύση Α:
Στο ισοδύναμο σημείο ισχύει: mol NaOH = mol HA.
Για το NaOH: c·V = 1 mol/L · 0,010 L = 0,010 mol.
Άρα στο διάλυμα Δ1 περιέχονται 0,010 mol HA σε 40 mL = 0,040 L.
Συγκέντρωση: c(HA) = 0,010 / 0,040 = 0,25 mol/L.
Στο ισοδύναμο σημείο ισχύει: mol NaOH = mol HA.
Για το NaOH: c·V = 1 mol/L · 0,010 L = 0,010 mol.
Άρα στο διάλυμα Δ1 περιέχονται 0,010 mol HA σε 40 mL = 0,040 L.
Συγκέντρωση: c(HA) = 0,010 / 0,040 = 0,25 mol/L.
Κωδικός κλειδαριάς για το επόμενο επίπεδο:
Γράψε τον κωδικό για να ξεκλειδώσεις το επίπεδο Β:
Επίπεδο Β
Β.
Ποια η τιμή του pH του διαλύματος Δ3 που προκύπτει κατά την ογκομέτρηση,
όταν έχουμε φτάσει στο ισοδύναμο σημείο;
Λύση Β (σε συνδυασμό με τα δεδομένα):
Από την αραίωση Δ1 → Δ2 με τελικό pH = 3 και συγκέντρωση μετά την αραίωση cΔ2 = 0,25 / 5 = 0,05 mol/L, προκύπτει για το ασθενές οξύ HA:
[H⁺] = 10⁻³ mol/L, άρα Ka ≈ [H⁺]² / cΔ2 = 10⁻⁶ / 0,05 = 2·10⁻⁵.
Στο ισοδύναμο σημείο έχουμε μόνο το άλας A⁻ (βάση συζυγής του HA).
Συγκέντρωση άλατος: c(A⁻) = 0,010 mol / 0,050 L = 0,20 mol/L.
Kb = Kw / Ka = 10⁻¹⁴ / (2·10⁻⁵) = 5·10⁻¹⁰.
Για ασθενή βάση: [OH⁻] ≈ √(Kb·c) = √(5·10⁻¹⁰ · 0,20) = √(10⁻¹⁰) = 10⁻⁵ mol/L.
pOH = 5 ⇒ pH = 14 − 5 = 9.
Από την αραίωση Δ1 → Δ2 με τελικό pH = 3 και συγκέντρωση μετά την αραίωση cΔ2 = 0,25 / 5 = 0,05 mol/L, προκύπτει για το ασθενές οξύ HA:
[H⁺] = 10⁻³ mol/L, άρα Ka ≈ [H⁺]² / cΔ2 = 10⁻⁶ / 0,05 = 2·10⁻⁵.
Στο ισοδύναμο σημείο έχουμε μόνο το άλας A⁻ (βάση συζυγής του HA).
Συγκέντρωση άλατος: c(A⁻) = 0,010 mol / 0,050 L = 0,20 mol/L.
Kb = Kw / Ka = 10⁻¹⁴ / (2·10⁻⁵) = 5·10⁻¹⁰.
Για ασθενή βάση: [OH⁻] ≈ √(Kb·c) = √(5·10⁻¹⁰ · 0,20) = √(10⁻¹⁰) = 10⁻⁵ mol/L.
pOH = 5 ⇒ pH = 14 − 5 = 9.
Κωδικός κλειδαριάς για το επόμενο επίπεδο:
Γράψε τον κωδικό για να ξεκλειδώσεις το επίπεδο Γ:
Επίπεδο Γ
Γ.
Διαθέτουμε τους παρακάτω πρωτολυτικούς δείκτες:
Δείκτης Α: ασθενές μονοπρωτικό οξύ με Ka = 10⁻⁵, χρώμα όξινης μορφής κόκκινο, χρώμα βασικής μορφής κίτρινο.
Δείκτης Β: ασθενές μονοπρωτικό οξύ με K′a = 10⁻⁸, χρώμα όξινης μορφής πράσινο, χρώμα βασικής μορφής μπλε.
Εξηγήστε ποιον από τους δύο δείκτες θα επιλέξετε για να προσδιορίσετε το πέρας της ογκομέτρησης (τελικό σημείο) και περιγράψτε το χρώμα και τη μεταβολή του χρώματος του ογκομετρούμενου διαλύματος με αυτόν το δείκτη.
Δείκτης Α: ασθενές μονοπρωτικό οξύ με Ka = 10⁻⁵, χρώμα όξινης μορφής κόκκινο, χρώμα βασικής μορφής κίτρινο.
Δείκτης Β: ασθενές μονοπρωτικό οξύ με K′a = 10⁻⁸, χρώμα όξινης μορφής πράσινο, χρώμα βασικής μορφής μπλε.
Εξηγήστε ποιον από τους δύο δείκτες θα επιλέξετε για να προσδιορίσετε το πέρας της ογκομέτρησης (τελικό σημείο) και περιγράψτε το χρώμα και τη μεταβολή του χρώματος του ογκομετρούμενου διαλύματος με αυτόν το δείκτη.
Λύση Γ:
Στο ισοδύναμο σημείο βρήκαμε pH ≈ 9 (βασικό περιβάλλον).
Για δείκτες που είναι ασθενή οξέα, η περιοχή μετάβασης είναι περίπου pKa ± 1.
Για τον δείκτη Α: Ka = 10⁻⁵ ⇒ pKa = 5 ⇒ περιοχή μετάβασης περίπου 4–6.
Για τον δείκτη Β: K′a = 10⁻⁸ ⇒ pKa = 8 ⇒ περιοχή μετάβασης περίπου 7–9.
Επειδή το pH στο ισοδύναμο σημείο είναι γύρω στο 9, ο κατάλληλος δείκτης είναι ο δείκτης Β.
Χρώματα:
• Σε πιο όξινο περιβάλλον (πριν το ισοδύναμο σημείο) κυριαρχεί η όξινη μορφή του δείκτη Β → πράσινο χρώμα.
• Καθώς το pH περνάει από την περιοχή μετάβασης προς βασικές τιμές, η βασική μορφή επικρατεί → μπλε χρώμα.
Άρα το διάλυμα θα αλλάξει χρώμα από πράσινο σε μπλε κοντά στο τελικό σημείο της ογκομέτρησης.
Στο ισοδύναμο σημείο βρήκαμε pH ≈ 9 (βασικό περιβάλλον).
Για δείκτες που είναι ασθενή οξέα, η περιοχή μετάβασης είναι περίπου pKa ± 1.
Για τον δείκτη Α: Ka = 10⁻⁵ ⇒ pKa = 5 ⇒ περιοχή μετάβασης περίπου 4–6.
Για τον δείκτη Β: K′a = 10⁻⁸ ⇒ pKa = 8 ⇒ περιοχή μετάβασης περίπου 7–9.
Επειδή το pH στο ισοδύναμο σημείο είναι γύρω στο 9, ο κατάλληλος δείκτης είναι ο δείκτης Β.
Χρώματα:
• Σε πιο όξινο περιβάλλον (πριν το ισοδύναμο σημείο) κυριαρχεί η όξινη μορφή του δείκτη Β → πράσινο χρώμα.
• Καθώς το pH περνάει από την περιοχή μετάβασης προς βασικές τιμές, η βασική μορφή επικρατεί → μπλε χρώμα.
Άρα το διάλυμα θα αλλάξει χρώμα από πράσινο σε μπλε κοντά στο τελικό σημείο της ογκομέτρησης.
Τελικός κωδικός κλειδαριάς της άσκησης:
Γράψε τον τελικό κωδικό για να ολοκληρώσεις την άσκηση: