In quest’unità si cercherà di definire quantitativamente il rapporto di reattività acido-base attraverso delle titolazioni. In particolare gli studenti dovranno eseguire delle titolazioni con una soluzione di NaOH (a concentrazione nota) di tre soluzioni di acidi ($HCl,\ H_2SO_4\ e\ H_2C_2O_4\ 0,05$ M).
La determinazione delle quantità in peso (e quindi le moli) di base necessaria alla titolazione saranno argomento di discussione per evidenziare:
l'importanza del numero di siti acidi in una reazione acido-base
dedurre delle proprietà di un acido incognito per confronto di dati sperimentali
dimostrare l’indipendenza, in una reazione acido-base, dal peso molecolare a parità di siti acidi
Questa scheda fa parte di un percorso di didattica laboratoriale su acidi e basidiviso in 2 parti (10-Scienze e 25-Scienze) che possono essere adottate singolarmente o come percorso completo al fine di definire il concetto di acido e base attraverso l’analisi delle loro proprietà e reattività. Nella prima scheda (10-Scienze)) si è analizzato il comportamento di varie sostanze di uso comune dividendole operativamente in sostanze acide, neutre o basiche in base alla loro interazione con due diversi indicatori di pH.
Scheda sintetica delle attività
In questa esperienza si andrà a determinare il volume di una soluzione di NaOH 0,1M necessaria per titolare differenti soluzioni di acidi forti, dei quali uno totalmente incognito. Gli acidi utilizzati sono HCl, H2SO4 e acido ossalico (H2C2O4) 0,05 M, dei quali l'ultimo è incognito agli studenti.
L’indicatore necessario alla determinazione del punto di viraggio sarà il blue di bromotimolo.
Gli studenti dovranno poi determinare le concentrazioni delle soluzioni di acidi noti e sucessivamente dedurre le proprietà dell’acido ossalico per confronto con gli altri acidi titolati.
Risorse necessarie
Buretta graduata (in alternativa cilindro con pipetta);
sostegno per buretta con pinza a ragno;
beuta da 100 ml;
soluzione di $NaOH$ 1M;
soluzione di Blue di bromotimolo;
soluzioni di $HCl,\ H_2SO_4$ e acido ossalico ($H_2C_2O_4$) 0,05 M.
Prerequisiti necessari
Saper preparare una soluzione e calcolarne la concentrazione, le moli di soluto e il volume della soluzione da una concentrazione nota;
definizione di acido e base;
saper bilanciare una reazione acido base e calcolarne i rapporti stechiometrici;
saper calcolare il pH di una soluzione;
conoscere la definizione di indicatore di pH.
Obiettivi di apprendimento
Determinare il volume equivalente attraverso una titolazione acido-base;
determinare quantitativamente la concentrazione di una soluzione incognita tramite titolazione acido-base;
comprendere l’importanza dei rapporti stechiometrici in una reazione acido-base;
dimostrare l’indipendenza del peso molecolare per una reazione acido-base, a parità di siti acidi presenti;
saper calcolare e rappresentare una curva di titolazione teorica.
Dotazioni di sicurezza
Gli acidi e le basi forti sono corrosivi e caustici. E' consigliabile tenere a portata di mano soluzioni di acido acetico 0,1 M e bicarbonato di sodio in modo da neutralizzare eventuali perdite di prodotti sui banconi o favorire la neutralizzazione della pelle, dopo preliminare lavaggio con acqua, nel caso gli studenti siano venuti a contatto accidentale con soluzioni caustiche.
Svolgimento
Prerequisiti e discussione iniziale
L’esperienza deve dare agli studenti la possibilità di determinare quantitativamente la concentrazione di acido in una soluzione incognita mediante una titolazione e, sulla base dei risultati ottenuti da composti noti, dedurre il numero di siti acidi presenti in un campione incognito.
È quindi necessario impostare la discussione iniziale dell’esperienza sugli aspetti pratici di una titolazione, andando a definire dei concetti fondamentali quali il volume equivalente, il calcolo del pH di una soluzione a titolo noto, calcolo di una curva di titolazione teorica e l’approccio laboratoriale che ne consegue, andando a controllare le conoscenze di base che i ragazzi hanno sugli argomenti.
È importante ribadire ulteriormente i concetti di sicurezza in laboratorio con particolare enfasi sulla pericolosità di acidi e basi.
Attività di laboratorio
Si procede quindi nel suddividere i ragazzi in gruppi, preferibilmente di 2/3 persone l’uno.
A ciascun gruppo saranno assegnate 3 soluzioni da titolare, 30 ml per soluzione, precedentemente preparate dal docente (ai ragazzi non sono rivelate le concentrazioni degli acidi):
$HCl$ 0,05 M (Soluzione A)
$H_2SO_4$ 0,05 M (Soluzione B)
$H_2C_2O_4$ 0,05 M (Soluzione C)
Ai ragazzi non deve però essere rivelato quale acido è presente nella soluzione C, ma unicamente quelli delle soluzioni A e B al fine di poter calcolare quantitativamente le concentrazioni delle soluzioni di acidi noti e di dedurre, per confronto, se l’acido nella terza soluzione è monoprotico e diprotico.
Figura 1: preparazione della postazione di lavoro.
Verrà aggiunta a ciascuna delle soluzioni assegnate qualche goccia dell’indicatore di pH blue di bromo timolo (figura 2). Questo particolare indicatore presenta l’intervallo di viraggio cromatico a pH compreso tra 6 e 7,6, passando da colorazione gialla a blu. Figura 2: aggiunta dell'indicatore
I ragazzi dovranno aggiungere nella buretta un volume di 50 mL di NaOH, preparata precedentemente dal docente, quindi a titolo apprezzabilmente esatto. Le burette (o i cilindri in alternativa) andranno precedentemente avvinati per diminuire errori di valutazione del volume equivalente di titolante aggiunto.
A questo punto i ragazzi procederanno ad aggiungere goccia a goccia il titolante fino al punto di viraggio, agitando vigorosamente per evitare gradienti di concentrazione locali. Dovranno quindi andare ad annotare il volume equivalente (vedi Tabella 1) e, successivamente, calcolare la concentrazione dell’acido all’interno delle soluzioni di acidi noti (A e B).
Figura 3: colorazione prima del punto equivalente, al punto equivalente, a viraggio completo.
In Tabella 1 sono espressi dei valori approssimati di volume equivalente in funzione dell’acido nelle tre soluzioni che i ragazzi dovrebbero registrare.
Tabella 1
Far procedere i ragazzi con le aggiunte rapidamente fino ad avvicinarsi al punto equivalente, per poi farli procedere lentamente fino a viraggio completo. Senza però dare il valore esatto di volume equivalente.
Discussione finale
A questo punto è possibile procedere con i ragazzi alla discussione sui risultati sperimentalmente ottenuti, partendo dal calcolo delle concentrazioni degli acidi noti.
È possibile calcolare la concentrazione, ad esempio, di $HCl$ (Soluzione A) con la seguente formula: $$ C_{NaOH} \cdot V_{eq} = mol_{NaOH} = mol_{OH^-} = mol_{H^+}= mol_{HCl}$$ $$0,01 \frac{mol}{L} \cdot 0,015L = 0,0015 mol_{NaOH} = 0,0015 mol_{HCl}$$ $$\frac{0,00151 mol_{HCl}}{0,030\ L} = 0,05\ M$$ In modo del tutto analogo è possibile calcolare la concentrazione di acido solforico della Soluzione B.
È importante a questo livello far ragionare i ragazzi sulla dipendenza dei rapporti molari, dei reagenti acido-base presenti in soluzione, dal numero di siti acidi presenti in una specie. Gli studenti dovrebbero dedurre che il volume equivalente per titolare completamente la Soluzione B è il doppio del volume equivalente per la Soluzione A, data la presenza di 2 siti acidi (ioni idrogeno) nell’acido solforico.
Sulla base di queste considerazioni è possibile discutere la natura dell’acido incognito con gli studenti. Infatti il volume di titolante aggiunto per raggiungere il viraggio è esattamente identico a quello utilizzato per la Soluzione B, quindi deve essere presente un acido con comportamento analogo all’acido solforico: un acido diprotico forte.
A questo punto è possibile rivelare ai ragazzi l’identità dell’acido incognito così da ricavare considerazioni sull’indipendenza dal peso molecolare, in una reazione acido-base, a parità di siti acidi presenti all’interno della molecola.
Sarà ora possibile andare a calcolare le curve di titolazione teoriche per i tre acidi titolati nell’esperienza. A titolo di esempio è riportata la curva di titolazione teorica per la Soluzione A, 30 mL di $HCl$ 0,05 M.
Il valore del pH può essere calcolato mediante tre formule, a seconda se ci troviamo prima, dopo o al punto equivalente, in funzione del volume di titolante aggiunto.
Se $V_b < V_{eq}$ $$[H_3O^+] = \frac{C_aV_a-C_bV_b}{V_a+V_b}$$ dove $V_a$ e $V_b$ sono i volumi rispettivamente di acido e base aggiunta e $C_a$ e $C_b$ le loro rispettive concentrazioni.
Se $V_b = V_{eq}$ $$[H_3O^+] = 10^{-7}$$ in quanto stiamo trattando acidi e basi forti.
Se $V_b > V_{eq}$ $$[H_3O^+] = \frac{k_w}{\frac{C_b(V_b-V_{eq})}{V_a+V_b}}$$
Da questi valori è possibile andare a graficare l’andamento del pH in funzione della concentrazione della base aggiunta e tracciare la curva di titolazione teorica.
Per quanto riguarda gli acidi diprotico, solforico e ossalico, per questi due acidi si noterà un solo punto equivalente.
Nel caso dell’acido solforico la motivazione risiede nel fatto che il primo protone è ceduto quantitativamente e il secondo protone presenta una costante di dissociazione pari a: $$K_{a2} = 1,2 \cdot 10^{-2}$$ Quindi non si avrà una sostanziale differenziazione dei due punti equivalenti, ma se ne registrerà uno solo a pH neutro.
Per quanto riguarda, invece, l’acido ossalico, questo presenta due costanti di dissociazione: $$K_{a1} = 5,36 \cdot 10^{-2}; \ \ \ \ \ \ \ \ \ K_{a2} = 5,42 \cdot 10^{-5}$$ Dato che per un acido diprotico si noteranno due punti equivalenti se e solo se: $$\frac{K_{a1}}{K_{a2}} \geq 10^4$$
e per l’acido ossalico questo rapporto è inferiore a $10^4$, si registrerà un unico punto equivalente.
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