KEMIA

10.1 Perustutkimuksia
Kemiallinen reaktio
Liukeneminen


10.2 Elintarvikekemiaa
Kolajuoman happamuuden tutkiminen
Maitotuotteiden happanemisen tutkiminen
Vichyn happamuuden tutkiminen

10.3 Lääkekemiaa
Närästystabletin tutkiminen
Aspiriinisynteesin tutkiminen

10.4 Ympäristökemiaa
Hiilidioksidin ja veden välinen reaktio
Rikkidioksidin ja veden välinen reaktio
Typen oksidien ja veden välinen reaktio
Luonnonvesien happamoitumisalttiuksien tutkiminen
Taustatietoa happamoitumisesta

10.5 Sähkökemiaa
Sähkökemiallinen pari ja vastusten rinnankytkentä
Sähkökemiallisen parin kuormittaminen

 


   

 

10. Kemia

10.1 Perustutkimuksia

Kemiallinen reaktio

Vahvan hapon titraus vahvalla emäksellä

Happo-emästitraus on eräs keino määrittää kvantitatiivisesti happojen ja emästen määriä. Se perustuu happojen ja emästen väliseen neutraloitumisreaktioon. 

Titrauksissa ja muissa pH -anturin avulla tapahtuvissa mittauksissa käytetään magneettisekoittajaa. Ennen mittauksia pH -anturi on pestävä huolellisesti tislatulla vedellä.

Kuvan koejärjestelyn avulla tutkitaan happo-emästitrausta. 250 ml keitinlasiin laitetaan 100 ml noin 0,01 M HCl -liuosta. Liuosta tulee olla niin paljon, että pH-anturin pää on kokonaisuudessaan liuoksessa. Byretti täytetään yläviivaan asti 0,1 M NaOH-liuoksella. Keitinlasiin voidaan lisätä indikaattoria (bromitymolisinistä), jos pH-muutosta halutaan havainnollistaa värinmuutoksen avulla. Ennen mittausta käynnistetään magneettisekoitin.

Suolahapon titraus natriumhydroksidilla

Byretin hana avataan samanaikaisesti mittauksen aloituksen kanssa siten, että emästä tippuu tipottain happoliuokseen. Emästä annetaan tippua koko mittauksen ajan. Saadaan kuvan mukainen mittauskäyrä.

pH ajan funktiona

Jos aika-akselin tilalle halutaan vaihtaa emäksen kulutusta kuvaava ml-akseli, byretin hana suljetaan samalla hetkellä kun mittausaika päättyy. Empirica ohjelmassa akseli vaihdetaan ml-akseliksi nimeämällä X-akseli uudelleen. Emästä kului 24 ml 100 sekunnin mittauksessa. Näin ollen ohjelmassa kertoimeksi asetetaan 24/100 = 0,24.

pH natriumhydroksidin kulutuksen funktiona

Ekvivalenttikohdassa on titrauskäyrän käännekohta, jossa käyrän derivaatta saa suurimman arvonsa. Tarkastelemalla käyrän derivaattaa havaitaan, että ekvivalenttikohta on 27,8 sekunnin kohdalla (pH = 5,85).

Ekvivalenttikohdan määrittäminen derivaatan avulla 

Titrattaessa vahvaa happoa vahvalla emäksellä tulisi ekvivalenttikohdalla liuoksen pH:n olla seitsemän. Saatu arvo (5,85) poikkeaa näin ollen selvästi teoreettisesta arvosta. Suurin syy tähän on käytetyssä mittaustavassa. Emästä ei nimittäin todellisuudessa tipu happoliuokseen tasaisella nopeudella, vaan "tiputusnopeus" pienenee vähitellen koko mittauksen ajan. Tästä johtuen titrauskäyrän muoto vääristyy hieman, mistä puolestaan seuraa ekvivalenttikohdan pH:n poikkeaminen seitsemästä. Laadulliseen tarkasteluun käytetty menetelmä sopii kuitenkin hyvin. Kvantitatiivisissa määrityksissä kannattaa puolestaan lisätä emästä aina tunnettu määrä ja mitata liuoksen pH jokaisen lisäyksen jälkeen. Näin menetellen titrauksen tarkkuus paranee huomattavasti. 

Mielenkiintoinen lisätutkimus on tutkia titrauskäyrän muodon riippuvuutta reagoivien aineiden konsentraatioista, mittaamalla useita mittauksia samaan kuvaan. Tarkastellaan esimerkkinä noin 0,01 M natriumhydroksidiliuoksen (100 ml) titraamista 0,1 M suolahappoliuoksella. Kun molemmat, sekä titrattava liuos että titrausliuos laimennetaan esimerkiksi kolmasosaan alkuperäisestä, titrauskäyrä lähtee pienemmästä pH-luvusta ja päätyy suurempaan, mutta käyrän muoto ei muutu. Myös ekvivalenttikohdan pH:n tulisi pysyä samana. Titrauskäyrä on symmetrinen ainoastaan silloin, kun molempien aineiden konsentraatiot ovat samoja. Tässä esimerkkitapauksessa emäksen konsentraatio on selvästi pienempi kuin hapon.

Reagoivien aineiden konsentraatioiden vaikutus titrauskäyrän muotoon

Titrauskäyrien vertailtavuus paranee, jos laimennettujen liuoksien mittaus suoritetaan käyttämällä liipaisua. Liipaisutasoksi asetetaan 7 (titrauksen ekvivalenttikohdalla pH on n. 7) ja liipaisun suuntana käytetään tason alitusta. Esiliipaisuksi/ennakoksi asetetaan 50%. Näin menetellen mittausajan tultua täyteen näytössä näytetään ennen liipaisua tehtyjä mittauksia 50% koko mittausajasta ja laimennettujen liuosten mittauskäyrä asettuu alla olevan kuvan mukaisesti.

Liipaisun avulla käyrien vertailtavuus paranee

Titrausta voidaan tutkia myös lämpötila-anturilla ja johtokykyanturilla.Titrauksen yhteydessä voidaan esimerkiksi mitata samanaikaisesti johtokykyä ja/tai lämpötilaa. Näin saadaan uutta tietoa titrausilmiöstä.

Heikon hapon titraus vahvalla emäksellä

Titrataan noin 0,1 M etikkahappoa 0,1 M natriumhydroksidilla.Titraus suoritetaan vastaavalla tavalla kuin suoritettiin suolahapon titraus natriumhydroksidilla. 

0,1 M etikkahappoliuoksen valmistus: 2,9 ml väk. etikkahappoa / 500 ml

Laitetaan 100 ml:n keitinlasiin noin 20 ml 0,1 M etikkahappoliuosta ja täytetään byretti 0,1 M natriumhydroksidilla. Ekvivalenttikohdan pH:ksi saadaan 8,12.

Etikkahapon titraus natriumhydroksidilla

Heikon emäksen titraus vahvalla hapolla

Titrataan noin 0,1 M ammoniakkiliuosta  0,1 M suolahapolla. Titraus suoritetaan vastaavalla tavalla kuin suoritettiin suolahapon titraus natriumhydroksidilla.

0,1 M ammoniakkiliuoksen valmistus: 3,8 ml väk. ammoniakkia (25%)/500 ml

Laitetaan 100 ml:n keitinlasiin noin 20 ml 0,1 M ammoniakkiliuosta ja täytetään byretti 0,1 M suolahappoliuoksella. Ekvivalentikohdan pH:ksi saadaan 4,94.

Ammoniakin titraus suolahapolla

Polyproottisten happojen titraaminen

Polyproottisten happojen titrauskäyrän muoto riippuu peräkkäisten pka-arvojen erotuksesta. Ainoastaan silloin, kun happovakioiden arvot eroavat tarpeeksi paljon toisistaan voidaan käyrällä todeta eri protonien dissosioitumisia vastaavat ekvivalenttikohdat. 

Tarkastellaan esimerkkinä fosforihapon titraamista natriumhydroksidilla. Titraus suoritetaan vastaavalla tavalla kuin suoritettiin suolahapon titraus natriumhydroksidilla.

Laitetaan 100 ml:n keitinlasiin 20 ml 0,1 M fosforihappoa ja täytetään byretti 0,1 M natriumhydroksidilla. Titrauskäyrältä erottuu kaksi eri ekvivalenttikohtaa mutta kolmatta ekvivalenttikohtaa ei voida enää havaita.

Fosforihapon titraaminen natriumhydroksidilla

Etikkahapon happovakion määrittäminen

Lisättäessä natriumhydroksidia etikkahappoliuokseen etikkahappo neutraloituu muodostaen natriumasetaattia ja vettä alla olevan reaktioyhtälön mukaisesti:

CH 3COOH + NaOH -> CH 3COONa + H2O          (1)

Edellä esitetyn reaktioyhtälön mukaisesti voidaan valmistaa puskuriliuos jossa heikkona happona on etikkahappo ja sen suolana natriumasetaatti. Puskuriliuoksille on voimassa ns. puskuriliuosyhtälö. Etikkahappo-asetaattipuskuriliuoksen puskuriliuosyhtälö voidaan esittää seuraavasti:

pH  =  pK a(CH 3COOH) + log( [CH 3COONa] / [CH 3COOH] )        (2)

Mikäli natriumasetaatin ja etikkahapon konsentraatiot ovat yhtäsuuret, häviää yhtälöstä (2) logaritmitermi ja puskuriliuosyhtälö saa seuraavan muodon:

pH  =  pK a(CH 3COOH)          (3)

Etikkahapon happovakio on mahdollista määrittää käyttämällä hyväksi edellä mainittuja puskuriliuoksen ominaisuuksia. Laitetaan 250 ml:n keitinlasiin 50 ml 0,1 M etikkahappoa ja byrettiin 25 ml 0,1 M natriumhydroksidia. Asetetaan pH-anturi kuvan mukaisesti keitinlasiin ja kytketään magneettisekoittaja päälle. Aloitetaan mittaaminen. Seuraavaksi avataan byretin hana siten, että natriumhydroksidia tippuu tipoittain etikkahappoliuokseen. Annetaan natriumhydroksidin kokonaisuudessaan (25 ml) tippua liuokseen.

Etikkahapon happovakion määrittäminen

Alla olevassa kuvaajassa on esitetty pH:n muuttuminen natriumhydroksidin lisäyksen aikana.

Etikkahappoliuoksen pH:n muuttuminen lisättäessä liuokseen natriumhydroksidia

Mittaustuloksista voidaan havaita pH:n päättyvän arvoon 4,72. Tämä arvo vastaa siis tilannetta, jossa 25 ml 0,1 M natriumhydroksidia on lisätty 50 ml:aan 0,1 M etikkahappoa. Näin ollen lisätyn natriumhydroksidin ainemäärä on puolet etikkahappoliuoksen sisältämän etikkahapon ainemäärästä. Edelleen yhtälön (1) avulla voidaan päätellä, että natriumhydroksidin lisäyksen jälkeen etikkahapon ja natriumasetaatin konsentraatiot liuoksessa ovat yhtä suuret. Tällöin on siis yhtälön (3) perusteella pK a(CH 3COOH) = pH = 4,72. Etikkahapon happovakion arvoksi saadaan siis K a(CH 3COOH) = 10 -pK a (CH 3 COOH) = 10 -4,72 = 1,9*10 -5 mol/dm3. Vastaava kirjallisuusarvo on 1,8*10 -5 mol/dm 3, joten tulosta voidaan pitää suhteellisen hyvänä. On huomattava, että tässä työssä pH-anturin tulee olla huolellisesti kalibroitu ja liuosten konsentraatioiden tulee olla tarkkaan tunnettuja.

Natriumvetykarbonaatin hajoamisreaktio ja reaktiolämpö

Magnesiumin palamislämmön määrittäminen

Puskuriliuostutkimus

Etikkahapon ja muurahaishapon reaktioita

Liukeneminen

Natriunhydroksidin liukeneminen ja liukenemislämpö

Ammoniumnitraatin liukeneminen ja liukenemislämpö

Natriunkloridin liukeneminen ja liukenemiseen vaikuttavat tekijät

Kuparisulfaatin liukeneminen

Eri kloridisuolojen liukenemisen vertailua

10.2 Elintarvikekemiaa

Kolajuoman happamuuden tutkiminen

Maitotuotteiden happanemisen tutkiminen

Vichyn happamuuden tutkiminen

10.3 Lääkekemiaa

Närästystabletin tutkiminen

Aspiriinisynteesin tutkiminen

10.4 Ympäristökemiaa

Hiilidioksidin ja veden välinen reaktio

Rikkidioksidin ja veden välinen reaktio

Typen oksidien ja veden välinen reaktio

Luonnonvesien happamoitumisalttiuksien tutkiminen

Taustatietoa happamoitumisesta

10.5 Sähkökemiaa

Sähkökemiallinen pari ja vastusten rinnankytkentä

Sähkökemiallisen parin kuormittaminen