Τετάρτη 21 Νοεμβρίου 2012

ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ:OΓΚΟΜΕΤΡΗΣΗ ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗΣ ΑΛΚΑΛΙΜΕΤΡΙΑ

ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ:OΓΚΟΜΕΤΡΗΣΗ ΕΞΟΥΔΕΤΕΡΩΣΗΣ
ΑΛΚΑΛΙΜΕΤΡΙΑ


ΔΙΔΑΚΤΙΚΟΙ ΣΤΟΧΟΙ
Στο τέλος αυητής της διδακτικής ώρας ο μαθητής πρέπει να είναι σε θέση:
Να αναγνωρίζει τη δυνατότητα ποσοτικού προσδιορισμού ενός διαλύματος οξέος ή βάσης χρησιμοποιώντας πρότυπο διάλυμα βάσης και οξέος αντίστοιχα.
Να κατασκευάζει καμπύλες ογκομέτρησης εξουδετέρωσης, δηλαδή τη γραφική παράσταση μεταβολής του PH του ογκομετρούμενου διαλύματος συναρτήσει του προστιθέμενου όγκου προτύπου διαλύματος PH=f(Vπροσ).
Να μπορεί να επιλέγει κατάλληλο δείκτη μέσα από την καμπύλη ογκομέτρησης και το ισοδύναμο σημείο.
ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΡΟΗΣ-ΦΑΣΕΙΣ
ΦΑΣΗ 1
Κάνουμε μια θεωρητική προσέγγιση του θέματος για το τι είναι γενικά η ογκομέτρηση αναφέροντας ότι πρόκειται για μια μέθοδο ποσοτικού προσδιορισμού μιας ουσίας που πραγματοποιείται με μέτρηση του όγκου ενός διαλύματος γνωστής συγκέντρωσης, ο οποίος απαιτείται για πλήρη αντίδραση με την αρχική ουσία.
Στη συνέχεια δεδομένου ότι θέλουμε να επικεντρωθούμε στις ογκομετρήσεις εξουδετέρωσης εισάγουμε στους μαθητές ένα απλό ερώτημα: π.χ   αν για την εξουδετέρωση 25ml διαλύματος HCl καταναλώθηκαν 50 ml διαλύματος NaOH 0.2M ,ποια είναι η αρχική συγκέντρωση του HCl; Δίνουμε τις δύο διαστάσεις του θέματος, την υπολογιστική και την πειραματική.
Αναφέρουμε ότι η πειραματική τεχνική είναι γνωστή ως ογκομέτρηση εξουδετέρωσης και ότι περιλαμβάνει δύο είδη,την αλκαλιμετρία στην οποία προσδιορίζεται η άγνωστη συγκέντρωση ενός διαλύματος οξέος μετρώντας τον όγκο διαλύματος ισχυρής  βάσης, που απαιτείται για πλήρη εξουδετέρωση με το οξύ και την οξυμετρία, στην οποία προσδιορίζεται η άγνωστη συγκέντρωση ενός διαλύματος βάσης μετρώντας τον όγκο διαλύματος ισχυρού οξέος, που απαιτείται για πλήρη εξουδετέρωση με τη βάση.
Στο σημείο αυτό περιγράφουμε την πειραματική διάταξη μιας ογκομέτρησης εξουδετέρωσης περιγράφοντας ότι χρησιμοποιείται ευρύτατα σε ποσοτικούς προσδιορισμούς όξινων και βασικών διαλυμάτων. Συγχρόνως, εισάγουμε τους όρους ισοδύναμο σημείο, τελικό σημείο, πρότυπο διάλυμα.
Πρότυπο λέγεται το διάλυμα γνωστής συγκέντρωσης , το οποίο προστίθεται στην προχοΐδα.
Ισοδύναμο λέγεται το σημείο της ογκομέτρησης όπου έχουν αντιδράσει στοιχειομετρικά η ογκομετρούμενη ουσία με το πρότυπο διάλυμα.
Τελικό είναι το σημείο της ογκομέτρησης όπου παρατηρείται χρωματική μεταβολή  του ογκομετρούμενου διαλύματος, οπότε σταματάμε την προσθήκη προτύπου διαλύματος. Η παρατηρούμενη χρωματική μεταβολή οφείλεται στη χρήση του κατάλληλου δείκτη, ο οποίος προστίθεται εκ των προτέρων στο ογκομετρούμενο διάλυμα και ο οποίος παρουσιάζει ορατή χρωματική μεταβολή στην περιοχή PH  του Ι.Σ



ΚΤ ισοδύναμο σημείο προσδιορίζεται στοιχειομετρικά (θεωρητικό ), ενώ το τελικό πειραματικά με την αλλαγή χρώματος δείκτη.Η διαφορά μεταξύ του ισοδύναμου και του τελικού σημείου αποτελεί το σφάλμα της ογκομέτρησης. Όσο πιο κοντά είναι οι δύο παραπάνω τιμές τόσο πιο ακριβής είναι η ογκομέτρηση. Ιδανική είναι η περίπτωση όπου τα δύο σημεία συμπίπτουν.
Η χημική αντίδραση στην οποία στηρίζεται η ογκομέτρηση πρέπει να είναι ποσοτική, ταχεία και να υπάρχει τρόπος προσδιορισμού του ισοδυνάμου σημείου.
Η αλκαλιμετρία και η οξυμετρία είναι ογκομετρήσεις εξουδετέρωσης και περιγράφονται από την εξίσωση:
                      H3O+ (aq) +OH- (aq) →2H2O (aq)
Φάση2
Στη φάση αυτή θα γίνει σύνδεση των θεωρητικών δεδομένων με το πείραμα. Το πείραμα θα πραγματοποιηθεί στο εικονικό εργαστήρι χησιμοποιώντας κατάλληλο λογισμικό.(http://www.kentchemistry.com/links/AcidsBases/flash/titration.swf)
Σκοπός της πειραματικής διαδικασίας είναι να προσδιοριστεί η άγνωστη συγκέντρωση 60 ml διαλύματος HCl με πρότυπο διάλυμα βάσης NaOH 0.2M.
Πρόκειται για ογκομέτρηση εξουδετέρωσης ισχυρού οξεός με ισχυρή βάση.Η διαδικασία ογκομέτρησης στο εικονικό εργαστήρι είναι απλή.Η ογκομέτρηση ξεκινά με το πλήκτρο start tritation , ενώ παράλληλα στα δεξιά μας παρατηρούμε όχι μόνο να σχηματίζεται η καμπύλη ογκομέτρησης αλλά και να σημειώνεται το PH του ογκομετρούμενου διαλύματος μετά από κάθε προσθήκη συγκεκριμένης ποσότητας βάσης. Για το λόγο αυτό ζητάμε από τους μαθητές να συγκρίνουν τις θεωρητικές τιμές PH που βρίσκουν μετά από προσθήκη συγκεκριμένων ποσοτήτων Βάσης με αυτές που αναγράφονται στο λογισμικό (συνήθως επιλέγουμε σημεία πριν τα ισοδύναμο σημείο, στο ισοδύναμο σημείο και μετά από αυτό).
 Τα αποτελέσματα της εικονικής ογκομέτρησης καταγράφονται σε μορφή καμπύλης ογκομέτρησης στο οποίο φαίνεται το ισοδύναμο σημείο καθώς και η χρωματική μεταβολή του ογκομετρούμενου διαλύματος. Ζητείται από τους μαθητές να επιλέξουν τη σωστή απάντηση για την άγνωστη συγκέντρωση του διαλύματος HCl. Στο συκεκριμένο λογισμικό φαίνεται και η μεταβολή της συγκέντρωσης των ιόντων που υπάρχουν στο ογκομετρούμενο διάλυμα.
ΦΑΣΗ 3
Στη φάση αυτή δίνουμε στους μαθητές έναν κατάλογο περιοχής χρωματικής μεταβολής δεικτών και ζητούμε από τους μαθητές να επιλέξουν τους κατάλληλους δείκτες για την ογκομέτρηση που πραγματοποίησαν.
Χρόνος διδασκαλίας : 45 λεπτά.
Πείραμα-ογκομέτρηση διαλύματος ισχυρού οξέος με πρότυπο διάλυμα βάσης
ΔΙΔΑΚΤΙΚΟΙ ΣΤΟΧΟΙ
Στο τέλος της εικονικής πειραματικής διαδικασίας ο μαθητής πρέπει να μπορεί:
Να  υπολογίζει την άγνωστη συγκέντρωση διαλύματος ισχυρού οξέος με ογκομέτρηση.
Να συγκρίνει τις τιμές PH του ογκομετρούμενου διαλύματος που βρίσκει θεωρητικά με αυτές του λογισμικού κατά την προσθήκη συγκεκριμένων ποσοτήτων διαλύματος ισχυρής βάσης.
Να βλέπει πως κατασκευάζεται μια καμπύλη ογκομέτρησης ή βάσει των πειραματικών δεδομένων να κατασκευάζει σε Πρόγραμμα Excel  δική του καμπύλη ογκομέτρησης
Να επιλέγει τον κατάλληλο δείκτη για την ογκομέτρηση

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟ ΘΕΜΑ
Έστω ότι θέλουμε να προσδιορίσουμε την άγνωστη συγκέντρωση ενός διαλύματος ισχυρού οξέος π.χ HCl.  Σε μια κωνική φιάλη εισάγουμε ορισμένο όγκο από το διάλυμα του οξέος και προσθέτουμε μερικές σταγόνες κατάλληλου δείκτη.Στο διάλυμα αυτό προσθέτουμε σιγά σιγά με την προχοΐδα πρότυπο διάλυμα βάσης π.χ NaOH. Η ογκομέτρηση αυτή είναι περίπτωση αλκαλιμετρίας.
Κατά τη διάρκεια της  προσθήκης του προτύπου διαλύματος στο οξύ, το τελευταίο εξουδετερώνεται οπότε παρατηρείται αύξηση στο PH του ογκομετρούμενου διαλύματος. Όταν γίνει πλήρης εξουδετέρωση προκαλείται απότομη μεταβολή στο PH του διαλύματος, η οποία γίνεται αντιληπτή από την αλλαγή του χρώματος του δείκτη μέσα στο διάλυμα. Στο σημείο αυτό σταματά η προσθήκη του προτύπου διαλύματος και με την προχοΐδα μετράμε τον όγκο του διαλύματος βάσης που καταναλώθηκε.
Όπως προκύπτει από τη στοιχειομετρία στο ισοδύναμο σημείο ισχύει:
nHCl=nNaOH οπότε   CHClVHCl=CNaOHVNaOH οπότε CHCl=CNaOHVNaOH /VHCl



Στην παραπάνω καμπύλη ογκομέτρησης διακρίνουμε τις εξής χαρακτηριστικές περιοχές:
Πριν το ισοδύναμο σημείο το του διαλύματος είναι όξινο γιατί το ισχυρό οξύ είναι σε περίσσεια.(PH<7 στους 25ο C).
Στο ισοδύναμο σημείο το PH=7 αφού καθορίζεται μόνο από το άλας NaCl
το οποίο δημιουργεί ουδέτερο διάλυμα (προκύπτει από εξουδετέρωση ισχυρού οξέος και ισχυρής βάσης). Στην περιοχή γύρω από το Ι.Σ παρατηρείται πολύ απότομη μεταβολή του PH με αποτέλεσμα η καμπύλη στην περιοχή γύρω από το Ι.Σ να είναι σχεδόν κατακόρυφη.
Μετά το Ι.Σ το PH του διαλύματος είναι βασικό αφού είναι σε περίσσεια η βάση και καθορίζεται από τα ΟΗ-   που προέρχονται από τη διάσταση της βάσης.
Ο δείκτης που χρησιμοποιείται πρέπει να έχει περιοχή αλλαγής χρώματος  κοντά στο Ι.Σ. Θεωρητικά κατάλληλος δείκτης είναι το μπλε της βρωμοθυμόλης με Pka=7.3. Eπειδή όμως η καμπύλη είναι σχεδόν κατακόρυφη γύρω από το ισοδύναμο μπορούν να χρησιμοποιηθούν και άλλοι δείκτες όπως η φαινολοφθαλεΐνη, η βρωμοκρεσόλη. Στην περίπτωση αυτή το σφάλμα είναι αμελητέο και βρίσκεται μέσα στα όρια ανάγνωσης της προχοΐδας. 
ΕΙΚΟΝΙΚΟ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ

Στη φάση αυτή θα γίνει σύνδεση των θεωρητικών δεδομένων με το πείραμα. Το πείραμα θα πραγματοποιηθεί στο εικονικό εργαστήρι χησιμοποιώντας κατάλληλο λογισμικό.(http://www.kentchemistry.com/links/AcidsBases/flash/titr
Σε κωνική φιάλη προστίθενται 60 ml διαλύματος HCl  άγνωστης συγκέντρωσης , τα οποία ογκομετρούνται με πρότυπο διάλυμα NaOH 0.2M. Πατάμε το πλήκτρο Βegin titration οπότε κάθε φορά προστίθενται στο διάλυμα 5 ml βάσης.
Ρωτάμε τους μαθητές να γράψουν την αντίδραση των ηλεκτρολυτών.
Να υπολογίσουν θεωρητικά την τιμή του PH μετά την προσθήκη 20 ml βάσης και να την συγκρίνουν με αυτή του λογισμικού.
Να βρουν το ισοδύναμο σημείο και να υπολογίσουν τη συγκέντρωση του οξέος.
Να εξετάσουν αν το διάλυμα στο Ι.Σ είναι όξινο, βασικό ή ουδέτερο και να αιτιολογήσουν την απάντησή τους.
Να υπολογίσουν θεωρητικά την τιμή του PH μετά την προσθήκη 40 ml βάσης και να τη συγκρίνουν με αυτή του λογισμικού.
Να υπολογίσουν τις συγκεντρώσεις όλων των ιόντων που υπάρχουν στο διάλυμα στο ισοδύναμο σημείο.
Να επιλέξουν μέσα από μία λίστα δεικτών τον κατάλληλο δείκτκη.
ΦΥΛΛΟ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΜΑΘΗΤΗ
ΟΝΟΜ/ΝΥΜΟ
:
Σε κωνική φιάλη προστίθενται 60 ml διαλύματος HCl άγνωστης συγκέντρωσης που ογκομετρούνται με πρότυπο διάλυμα NaOH 0.2M. Πατάμε το πλήκτρο Βegin titration οπότε κάθε φορά προστίθενται στο διάλυμα 5 ml βάσης.
1)Ποια αντίδραση λαμβάνει χώρα:
……………………………………………………………………………………
2)Πόσα ml βάσης καταναλώθηκαν για πλήρη εξουδετέρωση του οξέος:
…………………………………………………………………………………………………
3)Ποια είναι η άγνωστη συγκέντρωση του οξέος:
…………………………………………………………………………………………………
4)To PH μετά την προσθήκη 20ml βάσης βρέθηκε ίσο με 1,6. Να αποδείξετε κάνοντας στοιχειομετρικούς υπολογισμούς ότι η παραπάνω τιμή είναι ακριβής…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………
5) Το PH στο Ι.Σ βρέθηκε ίσο με 7.Γιατί:

……………………………………………………………………………………………………………
6)Ποια είναι η συγκέντρωση όλων των ιόντων που υπάρχουν στο διάλυμα  στο ισοδύναμο σημείο:
…………………………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………………………………………
7) Μετά την προσθήκη 40 ml βάσης το PH του λογισμικού προγράμματος βρέθηκε ίσο με12,3. 
    Να επαληθεύσετε θεωρητικά την απάντησή σας…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….

8)Ποιοι θεωρούνται κατάλληλοι δείκτες για την ογκομέτρηση:Δίνεται κατάλογος δεικτών.



Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου