Διάλεξη 7 / Διάλεξη 7 / Εργαστηριακή άσκηση 7 - Ακριβός Περικλής (ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ, 2015)
Εργαστηριακή άσκηση 7: Πείραμα με τη μέτρηση του ΠΧ με στόχο τον προσδιορισμό της σταθεράς διάστασης ασθενούς ηλεκτρολίτης. Είπαμε κάποια πράγματα για το ΠΧ και έχουν πει κάποια πράγματα για τα οξέα και τις βάσεις. Έχουμε πει επίσης κάποια πράγματα για τη χημική ισορροπία. Εκείνο που γνωρίζουμε ήδη από τα γυμνασιακά μας χρόνια είναι πως τα οξέα και οι βάσεις μπορούν να διακριθούν σε διάφορες κατηγορίες. Μπορούν οπωσδήποτε όμως να διακριθούν στη σειρά και ασθενεί. Εδώ θα γράψω την διάσταση ενός ασθενούς οξέος. Είναι λοιπόν αυτό εδώ. Συμβατικά το κατιών του ιδρογόνου που είναι το θετικό μέρος που προηγείται ακολουθεί το αρνητικό μέρος. Δεν θέλω να δείξω κάτι συγκεκριμένο. Συνεπώς ένα ο οποιοδήποτε ενιών. Η απλή περιγραφή του φαινομένου, όπως θα μπορούσε κάποιος να την δώσει τον καιρό του αρένιος, είναι αυτή εδώ. Η συμβατική αλλά πιο σωστή περιγραφή του ίδιου φαινομένου είναι αυτή που περιλαμβάνει εδώ ένα οξόνιο και περιλαμβάνει επίσης και ένα μόριο νερό. Συμπερίπτωση αυτή θα έλεγε κάποιος ότι αυτό για το οποίο μιλάμε είναι η υδρόληση αυτού του οξέως και όχι η διάστασή του. Έχω λοιπόν εδώ ένα στενές οξύ, η τάλφα, το οποίο δύσταται εν μέρη. Ή θα πει εν μέρη. Θα πει ότι αν εγώ προτιμάσω ένα διάλειμμα συγκέντρωσης σε, δεν περιμένω να έχω συγκέντρωση σε από ανιών τα άλφα και από κατιών τα οξονίου. Όπως μου λέει η συγχειομετρία. Η συγχειομετρία αυτό μου λέει, για κάθε ένα τέτοιο μόριο έχω ένα τέτοιο κατιών και ένα τέτοιο ανιών. Για αντίστοιχα και κάθε μολ από το οξύ έχω ένα μολ από κατιών τα ιντρογόνου και ένα μολ από ανιών τα άλφα. Δεν υπάρχει λοιπόν αυτό σαν αποτέλεσμα, αλλά παίρνω εδώ κάποια άλλη συγκέντρωση, διαφορετική. Αυτή τη διαφορετική συγκέντρωση μπορεί να την ονομάσω x και να προσπαθήσω να την βρω, οπότε βεβαίως αφού αυτό είναι x μπορώ να ονομάσω και αυτό x. Μπορώ όμως να κάνω και κάτι έξυπνο, να την εκφράσω σαν ποσοστό αυτής εδώ πέρα της αρχικής συγκέντρωσης. Αν την εκφράσω σαν ποσοστό της αρχικής συγκέντρωσης, τότε αυτή η συγκέντρωση μπορεί να γραφτεί ως α επί σε και αυτή ως α επί σε, όπου αυτό το α είναι κάτι ανάμεσα στο μηδέν και στο ένα. Αν είναι πρόκειτο για ένα ισχυρό οξύ, αυτό το πράγμα θα ήταν ισομένα, έτσι δεν είναι, φαίνεται από εδώ. Έβαλα συγκέντρωση σε και πήρα συγκέντρωση σε από κάτιόντα υδρογόνο. Στην ουσία από κάτιόντα οξονίου, εντάξει. Αν, λοιπόν, το περιγράψω έτσι, τι είναι αυτό το α. Για θυμηθείτε ότι έχω τη στιχημική σωροπία, παίρνω αυτή την ποσότητα από προϊόν, ενώ ανέμενα αυτή την ποσότητα από προϊόν. Κατά συνέπεια, αυτό εδώ είναι, για μας εδώ, ο βαθμός διάστασης του οξέως, πρακτικό όμως για κάποια οποιαδήποτε αντίδραση, η απόδοση της. Πόση απόδοση είχε. Πήρα ποσότητα α της σε, ενώ ανέμενα ποσότητα σε. Εντάξει. Η απόδοση λοιπόν της αντίδρασης είναι αυτό το νούμερο. Τον πείτε και τι μας βοηθάει αυτό. Μας βοηθάει στο εξής. Μπορώ γενικά να γράψω τη σταθερά της διάστασης αυτού του οξέως. Φυσικά, η σταθερά της διάστασης αυτού του οξέως έχει να κάνει με τη συγκέντρωση των οξονίων, τη συγκέντρωση των αλμινιών των α, τη συγκέντρωση του οξέως και τη συγκέντρωση του μορειών του νερό, που, στην περίπτωση που αυτά τα διαλήματα είναι αραιά, δηλαδή αυτή τη συγκέντρωση δεν είναι πάρα πολύ μεγάλη, είναι το πολύ-πολύ ένα μόνο αντίδρο. Η συγκέντρωση του νερού σε διαλήματα τόσο αραιά, πρακτικά θεωρείται σταθερή, είναι της τάξης των 55 και κάτι μόνο αντιδρο, κατά συνέπεια ενσωματώνεται στη σταθερά διάσταση και δεν περιγράφεται εδώ. Θα μου πείτε, λοιπόν, τι κερδίσαμε εδώ πέρα και θα είμαστε με το εξής. Μπορούμε να εκφράσουμε τώρα αυτές τις συγκεντρώσεις συναρτήσει αυτού του βαθμού διάστασης του οξέως. Αυτή εδώ η συγκέντρωση είναι α' επί σε και αυτή εδώ η συγκέντρωση είναι επίσης α' επί σε. Και προφανώς στη θέση ισορροπίας, αφού ξεκινήσαμε μία συγκέντρωση σε και α' επί σε είναι αυτά τα μόρια που διαστάθηκαν, σε μίον α' επί σε είναι η συγκέντρωση των μωρίων του οξέως που έχουν παραμένει στο τέλος. Από εδώ και πέρα αρχίζουμε να κάνουμε λίγοι απλοί άλγευρα. Βγάζουμε έναν κοινό παράγοντα στον παρονομαστή. Κάνουμε κάποιες απαλυφές. Και στην περίπτωση στην οποία είμαστε ο γνωστός φυσικοχημικός Βίλχερμ Όσβαλτ και στην περίπτωση στην οποία οι ηλεκτρολίτες τους τους οποίους αναφερόμαστε είναι ασθενείς, που σημαίνει αυτό το α είναι αρκετά μικρό, της τάξης του 1% του τελείως του, σε σχέση με τη μονάδα, με το τότο το νούμερο είναι περίπου ίσο με α' επί σε. Αυτή η εξίσωση της σταθεράς κάπα της διάστασης του οξέως με το α' επί σε, όπου α είναι ο βαθμός διαστασίστου, είναι γνωστός ως ο νόμος της αρέωσης του Όσβαλτ. Ισχύει επαναλαμβάνω για αραιά διαλήματα, όπου μπορούμε να γράψουμε τέτοιού τους εξισώσεις πολύ εύκολα, μπορούμε κύριως να βάλουμε τη συγκέντρωση των μορειών του νερού μέσα εδώ πέρα σταθερά και μπορούμε να κάνουμε εδώ πέρα την προσέγγιση. Εφόσον είναι αρκετά ασθενείς αυτός οι ηλεκτρολίτες, αυτό το α είναι πολύ μικρό. Σε πόσο προσταγιστικά ισχύει αυτό το δό. Γιατί λέγεται νόμος της αρέωσης, για τον εξής απλό λόγο. Τι είναι αυτό το δό, η σταθερά κ της διάστασης αυτού του οξέως, σταθερά. Καθώς συνέπειε αυτό το αποτέλεσμα είναι σταθερά, ανεξαρτήτως του τι διακύμαση έχω σε τα μεγαίδια αυτά εδώ πέρα. Ωραία, αν πάρω λοιπόν εγώ και κάνω διάλειμμα μιας ορισμής συγκέντρωσης, θα πάρω μια σταθερά. Αναρεώσω αυτό το διάλειμμα, το οξέως τι θα πάρω, τι είναι και τα σταθερά. Για να παραμείνει σταθερά ή σταθερά, τι πρέπει να γίνει, να αυξηθεί ο βαθμός διάστησης. Αναρεώσω κι άλλο, δηλαδή μικρίνει, συγκέντρωσω κι άλλο, θα αυξηθεί ο βαθμός διάστησης. Ο νόμος της αρέωσης είναι αυτό το πέρα το πράγμα. Όσο αρεώνω εγώ το διάλειμμα, δηλαδή όσο μικραίνω το σε, τόσο αυξάνει ο βαθμός διάστησης του οξέως. Πρακτικά, λοιπόν, σε πάρα πολύ μεγάλη αρέωση, όλα τα οξεία συμπεριφέρονται σαν να είναι ισχυρά. Ωραία. Αυτό μένει κάπως να το αποδείξουμε. Θα το αποδείξουμε κάνοντας κάποιο πείραμα. Θα χρησιμοποιήσουμε κάποιο γνωστό οξύ, στην περίπτωση μας το οξικό οξύ. Θα ξεκινήσουμε χρησιμοποιώντας ένα αρχικό του διάλειμμα που το έχουμε παρασκευάσει με κάποιο τρόπο. Θα παρασκευάσουμε κάποια άλλα διαλείμματα με μικρότερη συγκέντρωση και θα μετρήσουμε τον ΠΧ τους. Και εσείς τι θα μας βοηθήσει μέσα στο ΠΧ. Με τι έχουμε συσχετίσει εμείς στη συγκέντρωση των κατεών των τοξονίων στο διάλειμμά μας. Με το ΑΠΣ. Ά, λοιπόν, για ένα διάλειμμα. Ξέρω την αρχική συγκέντρωση Σ. Και για αυτή τη συγκέντρωση Σ μετρήσω το ΠΧ. Αυτό το ΠΧ σχετίζεται με το ΑΠΣ. Μα γνωρίζοντας το Σ τι μπορώ να βγάλω από εδώ πέρα. Το Α. Κατά συνέπεια γνωρίζοντας το Α μπορώ να πάω και να υπολογίσω το ΑΠΣ που είναι η σταθερά διαστάσεως. Πρακτικά, λοιπόν, αν μετρήσω 4-5 διαφορετική συγκέντρωσης διαλείμματα οξυκού-οξέως γνωρίζοντας τις αρχικές συγκεντρώσεις μετρώντας τα ΠΧ, σε κάθε περίπτωση μπορώ να προσδιορίσω τον βαθμό διάστασης α, κατά συνέπεια να υπολογίσω το ΑΠΣ, κατά συνέπεια να έχω μια εκτίμηση για τη σταθερά διαστάσεως του οξυκού-οξέως. Αυτό που θα κάνουμε λοιπόν θα ξεκινήσουμε από διάλειμμα οξυκού-οξέως σε ένα μή που βρίσκεται έτοιμο. Αυτό που θα κάνουμε είναι να χρησιμοποιήσουμε ογκομετρική φυάλλη και συφώνει ο πληρώσεως και θα κάνουμε μία αρέωση, ένα προς 10. Θα παρασκευάσουμε δηλαδή ένα διάλειμμα συγκέντρωσης 0,1 μή. Και βεβαίως μπορούμε στη συνέχεια να παρασκευάσουμε από αυτό με αρέωση πάλι ένα προς 10, ένα διάλειμμα συγκέντρωσης 0,1 μή. Θα μπορούσαμε βέβαια να το συνεχίσουμε και λίγο ακόμη, αυτό όλα δεν έχει έννοια. Αυτές εδώ οι τρεις συμμετρήσεις θα είναι αρκετές για να μας δείξουν πρώτα απ' όλα ότι ισχύει αυτή η σχέση, αυτός ο νόμος της αρέωσης του Ωσβαλτ, με αυτή την έννοια δηλαδή το πείραμα θα είναι επιβεβαιωτικό της θεωρίας και σε ένα δεύτερο βαθμό θα μας δώσουν μια εκτίμηση για τη σταθερά Κ της διάστασης του οξυκού-οξέως. Θεωρητικά θα πρέπει οι τρεις τιμές της σταθεράς που θα υπολογήσουμε να είναι ίδιες. Πρακτικά όλο εκεί υπάρχουν κάποιες μικροδιαφορομίσεις. Υπάρχουν σφάλματα στις αρεώσεις. Υπάρχουν σφάλματα στη μέτρηση του οργάνου. Μπορεί το όργανο να μην το έχουμε συμπεριφερθεί καλά και να αρχίσει να απορριθμίζεται. Κατά συνέπεια, εκείνο που εκτιμώ ότι θα δούμε θα είναι κάποια σταθερές Κ, οι οποίες θα είναι πολύ κοντά η μία στην άλλη. Κατά συνέπεια, σε αυτή την περίπτωση, το πλέον που θα κάνουμε είναι να βγάλουμε τον μέσο όροντος και θα χρησιμοποιήσουμε αυτόν στον αποτέλεσμα. Αυτό λοιπόν είναι ένα σχετικά απλό πείραμα που μπορεί να μας δείξει πώς μπορούμε να υπολογίσουμε τη σταθερά Κ της διάστασης ενός ασθενούς ηλεκτρολίτη, στην περίπτωση μας οξυκού οξέως. Μπορεί να μας δώσει όμως και κάτι πρακτικό. Ποιο είναι το πρακτικό που θα μπορούσετε να φαντεστείτε. Δηλαδή να χρησιμοποιήσουμε αυτού του είδους τη μέτρηση και αυτού του είδους τη γνώση για να κάνουμε κάτι πρακτικό. Εγώ θα έλεγα θα μπορούσαμε να κάνουμε μια αναλυτική εφαρμογή. Έχουμε τα διαλήματα τα εμπορικά του εξιδιών. Έτσι μπορείς να μπεις σε οποιοδήποτε μάρκετ, μίνι, μίκρο, μάκρο, πώς τα λένε, και να πάρεις ένα μπουκάλι εξίδη. Αυτό το μπουκάλι εξίδη τι είναι. Είναι στην ουσία ένα διάλειμμα οξυκού, οξέως ενερό. Φυσικά έχει κάποια άλλα πραγματάκια. Εντάξει. Φόσον προέρχεται από ζύμωση. Έχει κάποια άλλα πραγματάκια και φόσον προέρχεται από χημική, έτσι, καθαρά διαδικασία. Θα είσαι να το κάνεις να μοιάζει με εξίδη. Δηλαδή να έχει εκείνο το χρώμα, εκείνη τη δημιουργία όλα σχετικά. Μπορούμε να προσδιορίσουμε πόση είναι η συγκέντρωση τοξικού-οξέως αυτού του διάλειμμα μας. Άρχει να μετρήσουμε το ΠΧ αυτού του διάλειμματος. Είναι σταθερά διάσταση τοξικού-οξέως. Κατά συνέπεια υπολογίζοντας το ΠΧ έχουμε μια εκτίμηση για το Α και το Σ. Και κατά συνέπεια μπορούμε να εντοπίσουμε σε ποια περιοχή τιμών βρισκόμαστε, διότι γνωρίζουμε για διάφορες μετρήσεις που έχουμε κάνει τις στιγμές που θα μπορούσε να έχει το Α. Μπορούμε να έχουμε μια αστοπούμε αναλυτική εφαρμογή. Με ποια μορφή? Με τοξίδι. Τοξίδι το οποίο μπορούμε να βρούμε σε οποιοδήποτε σιδόν παντοπολείο, μινι-μάρκετ, σούπερ-μάρκετ, χάιπερ-μάρκετ. Είναι διάλειμμα, οξυκό, οξέως, νερό. Βεβαίως, αφόσον πρόκειται για τοξίδι που υπορέχεται από ζύμωση, έχει και κάποια άλλα συσθετικά μέσα που του δίνουν αυτή τη συγκεκριμένη υφή και χρώμα και γεύση. Ακόμα και αν πρόκειται για τεχνητό προϊόν, υπάρχουν κάποια πρόσθετα που θα του δίνουν αυτό το χρώμα και αυτή την υφή και αυτή τη γεύση. Γνωρίζουμε πάντως την περιοχή των συγκεντρώσεων που κοιμένονται αυτά τα εμπορικά ξυδιά. Επίσης, από μετρήσεις, όπως και αυτές που κάναμε προηγουμένως, γνωρίζουμε την περιοχή στην οποία κοιμένονται αυτή η βαθμή διάστησης Α. Κατά συνέπεια, αν μετρήσουμε το ΠΧ αυτού του ξυδιού, το οποίο θα έχουμε πάρει, μπορούμε να κάνουμε μια εκτίμηση καταρχήν για το γινόμενο και στη συνέχεια έχοντας υπόψη τη σχέση ανάμεσα σ' αυτές τις δύο μεταβλητές, να προσδιορίσουμε με σχετική ακρίβεια την περιεκτικότητα του εμπορικού δείγματος ξυδιού που έχουμε στα χέρια μας. Τώρα θα μετρήσω και το ΠΧ, περιεκτικότητας το ξέρος. Αυτό ήδη από μόνο του κάτι μας υποδεικνύει, εφόσον γνωρίζουμε τη συγκέντρωση του ξέρος όπως εμείς την ετοιμάσαμε. Αλλά ακόμα δεν μπορούμε να κάνουμε κάτι, απλώς είναι μία μέτρηση, μία παρατήρηση. Θα δούμε τι θα κάνουμε στη συνέχεια. Το δεύτερο διάλειμμα, επίσης γνωρίζουμε τη συγκεντρωσή του, δεν μπορούμε όμως να κάνουμε μια εκτίμηση για το ΠΧ. Αν ήταν ηθροχλωρικό οξύ, θα σας έλεγα 3,24. Δεν είναι όμως. Το τρίτο διάλειμμα, το ΠΧ είναι 3,44. Φυσικά αυτά τα νούμερα αυτή τη στιγμή είναι απλώς νούμερα. Θα πραγματοποιήσουμε εμείς την επεξεργασία που λίγο πολύ εξηγήσαμε προηγουμένως και θα προσδιορίσουμε τη σταθερά διάσταση του οξυκού οξέως.