DENEY 4 KUVVETLİ ASİT İLE KUVVETLİ BAZ TİTRASYONU 4.1. AMAÇ Asit ve baz çözeltilerinin hazırlanması, nötralleşme tepkimelerinin yapılışlarının öğrenilmesi. 4.2.TEORİ Asit ve baz kavramı günlük hayatta çok sık karşılaşılan kavramlardandır. Örneğin; güncel bir çevre sorunu olan "asit yağmurları" bilinen bir olgudur. Asit ve bazlar konusu kimyanın da en önemli konularından birini oluşturmaktadır; çünkü, kimyasal reaksiyonların büyük bir çoğunluğu asit ve baz reaksiyonlarıdır. Asit ve bazların çok çeşitli tanımları yapılmış olmasına rağmen bugün Arrhenius, Lowery-Bronsted ve Lewis tarafından yapılan tanımlar kullanılmaktadır. Arrhenius Asit-Baz Tanımı: Asit: Mavi turnusolü kırmızı yapan, bazı metallerle (aktif metaller) hidrojen gazı açığa çıkaran, tadı ekşi, su ortamında hidrojen iyonu veren maddedir. Cl 2 O + + Cl - NO 2 O 3 + NO - + 3 2 SO 2 O 4 2 + -2 + SO 4 Baz: Kırmızı turnusolü mavi yapan, asitleri nötürleştiren ve su ortamına O - veren maddedir. Bu tanımın turnusolle ilgili kısmı zamanımızda çok kullanılmaktadır. Ayrıca, bazlar karbondioksit ile tepkimeye girerek su ve karbonatlı bileşik oluştururlar. Çoğu metalle tepkime vermezler (Amfoter metaller hariç). NaO 2 O Na + + O - Ca(O) 2 O 2 Ca +2 + 2O - Al(O) 2 O 3 Al +3 + 3O -
Lowery-Bronsted Asit-Baz Tanımı: Asitler proton veren, bazlar ise proton alan maddelerdir. Diğer bir deyişle asit ve bazlar sırasıyla proton verici ve proton alıcı maddelerdir. Yine bu bilim adamlarına göre bir asit proton verdiği zaman kendisinin konjüge çifti veya konjüge bazı, bir baz proton aldığı zaman kendisinin konjüge asidi meydana gelir. Asit Proton + Baz Baz + Proton Asit N 3 2 O N + + 4 + O - Baz (1) Asit (2) Asit (1) Baz (2) Konjüge Asit Konjüge Baz Lewis Asit-Baz Tanımı: Bu tanıma göre, asit elektron alabilen, veya elektron çiftine katılabilen, baz ise elektron verebilen veya elektron çifti taşıyabilen maddedir. B: + A BA A = Lewis Asiti B: = Lewis Bazi N: + B N B Lewis Bazi Lewis Asiti Bu tanımlar her ne kadar asit ve baz özelliklerini ortaya koyuyorsa da bir maddenin asit ve baz özelliği karşısında bulunan maddeye bağlıdır. Bilim adamları kavram kargaşalığına meydan vermemek için, saf suyu kıyas maddesi olarak almışlar ve saf suda çözüldükleri zaman hidrojen iyonunu artıran maddelere asit, azaltan maddeler de baz demişlerdir. Asit ve bazlar molekül başına verdikleri veya aldıkları protonların sayısına göre sınıflandırılabilirler. Eğer bir asit sadece bir proton verebilirse "monoprotik", "mono fonksiyonel", "mono bazik" 2
veya "mono ekivalent" olarak çeşitli şekillerde tanınır. Eğer iki, üç, dört v.s. proton verebilirlerse di, tri, tetra örnekleri mono yerine kullanılabilir. Birden fazla fakat sayısı belli olmayan miktarda proton verebilen veya alabilen asit ve bazlar için poli örnekleri kullanılabilirler. Asitler ve bazların sulu çözeltilerinde (0.1-0.01 M) iyonlarına ayrılma derecesine göre: a. Kuvvetli b. Zayıf c. Çok zayıf diye üçe ayrılırlar. a) Kuvvetli Asitler ve Bazlar: Sulu çözeltilerinde %100 iyonlaşabilen asit ya da bazlara "kuvvetli asit ya da baz" denir. Kuvvetli asitlerin çözeltilerinde 3O + iyonunun hemen tümüyle asitten; kuvvetli bazların çözeltilerinde ise O - iyonunun hemen hemen tamamen bazdan geldiği kabul edilir. Cl 2 O 3 O + Cl - + + NaO 2 O Na + O - + b) Zayıf Asitler ve Bazlar: Sulu çözeltilerinde %100 iyonlaşmayan asit ya da bazlar "zayıf asit ya da baz" olarak tanımlanır. Bu tür asit veya bazların iyonlaşmaları denge reaksiyonu şeklinde gösterilir ve asitlik sabiti (Ka) veya bazlık sabiti (Kb) kavramları kullanılır. Ka C 3 COO + 2 O 3 O + + C 3 COO - Kb N 3 + N + 4 + O - 2 O Ka = 1,8. 10-5 Kb = 1,8. 10-5 c) Çok Zayıf Asitler ve Bazlar: Sulu çözeltilerinde çok az iyonlaşan asit ya da bazlar "çok zayıf asit ya da baz" olarak tanımlanır. Bu tür asit veya bazların Ka veya Kb'leri çok düşüktür, pka veya pkb'leri ise tam tersine büyüktür. 3 C C O Ka = 1,3. 10-16 2 N pkb = 9,13 3
Volumetrik Analiz Bir maddenin sentezlenmesi ve sonrasında analiz edilmesi kimyanın temel konularından birini oluşturmaktadır. Yapılan kimyasal analizde, bir maddenin cinsinin tayin edilmesi kalitatif (nitel) analiz, miktarının tayin edilmesi ise kantitatif (nicel) analiz olarak adlandırılır. erhangi bir cihazın kullanılmadığı kantitatif analiz işlemlerinde, iki temel işlem uygulanır: gravimetri ve volümetri. Gravimetrik işlemlerde, cinsi bilinen fakat miktarı bilinmeyen maddenin istenilen miktarı tartım yoluyla bulunur. Bunun için söz konusu maddenin bir kimyasal reaksiyon yolu ile genellikle suda çözünmeyen bir bileşiği hazırlanır ve çözünmeyen bu maddenin tartımından hesap yolu ile istenilen maddenin miktarına geçilir. Volümetride ise, belirli hacimdeki bilinmeyen madde çözeltisi ile tam olarak reaksiyona girebilecek, konsantrasyonu tam olarak bilinen çözeltinin hacmi ölçülür. Buradan hesap yolu ile çözeltideki maddenin bilinmeyen konsantrasyonu veya doğrudan ağırlığı hesaplanır. Şekil 4.1. Titrasyon düzeneği Volümetrik işlemlerde miktarı belirlenecek olan maddenin belirli hacimdeki çözeltisi bir erlene konur. Konsantrasyonu bilinen çözelti ise büret içerisine alınır. Büretteki çözelti, reaksiyon bitinceye kadar damla damla ve erlen yavaşça çalkalanarak erlene ilave edilir. Reaksiyon bittiğinde; bürette bulunan reaktifin, reaksiyon için ne kadarının harcandığı hacim olarak (genellikle ml) okunur. Bu işleme titrasyon adı verilir. Titrasyon işleminde, reaksiyonun bittiği noktaya eşdeğer nokta adı verilir. er iki metodda da kullanılan reaksiyonun tam olarak (kantitatif olarak) gerçekleşmesi gerekir. Böylece reaksiyon 4
denkleminden faydalanarak hesap yapmak mümkün olur. Reaksiyonun tamamen bittiği veya bazen, belirli bir aşamaya geldiği noktayı gösteren maddelere indikatör adı verilir. İndikatörler, bu fonksiyonlarını renk değiştirme, çökelti oluşturma veya fluoresan özellik gösterme gibi çeşitli yollarla yerine getirirler (indikatörlerin sınıflandırılması). Çözelti p ının belirli değişimlerinde renk değiştiren maddeler, p indikatörü olarak adlandırılırlar. Bürette bulunan konsantrasyonu belirli çözeltiye titrant adı verilir. Bu çözeltinin konsantrasyonunun kesin ve hassas olarak bilinmesi gerekir. Kimyasal maddelerin çoğu, çeşitli sebeplerden ötürü safsızlıklar içerirler. Bunun yanı sıra çözelti hazırlama sırasında oluşabilen hatalar nedeni ile titrant konsantrasyonu çok doğru olarak bilinmeyebilir. Bu durumda titrant; çözelti hazırlandıktan sonra, birincil standart denilen maddelerle reaksiyona sokulmak sureti ile ayarlanır. Bu işleme standart çözelti hazırlama da denilir. Bütün kimyasal maddelerin kuvvetli veya zayıf da olsa asit veya baz özelliği göstermesi dolayısı ile; çözeltilerde sık karşılaşılan reaksiyonların başında, bir asidin hidrojeni ile bir bazın hidroksit iyonunun birleşerek su oluşturduğu nötralleşme (asit-baz) reaksiyonları gelir. Konsantrasyonu bilinmeyen bir asidin (veya bazın) miktarının, konsantrasyonu bilinen bir baz (veya asit) ile titrasyonuna asit-baz titrasyonu adı verilir ve bu şekilde miktarı bilinmeyen asit veya bazın istenilen miktarı volümetrik metotla bulunmuş olur. Asit-baz reaksiyonlarındaki temel reaksiyon şöyledir: + (aq) + O - (aq) 2 O(s) Ksu= 10-14 Reaksiyon aslında bir denge reaksiyonudur. Ancak oda sıcaklığında ve tamamen iyonlar halinde, denge sabiti 10 14 olduğundan, reaksiyonun sağ taraf lehine yürüdüğü kabul edilir. Reaksiyona giren asit ve bazın ikisinin de kuvvetli olması halinde, titrasyonun tamamlandığı andaki p, 7 olur. Ancak ikisinden birinin veya her ikisinin zayıf olması durumunda; eşdeğer noktadaki p, 7 den farklı olur. Titrasyonda kullanılan maddelerin bu özellikleri dolayısı ile eşdeğer noktanın p ı önceden bilinmeli ve indikatör seçimi buna göre yapılmalıdır. Volümetrik işlemlerde konsantrasyon birimi olarak normalitenin kullanılması büyük kolaylık sağlar. Eşdeğerlik prensibine göre, reaksiyon tamamlandığı anda reaksiyona giren iki reaktifin eşdeğer gram sayıları birbirine eşit olur. Bu da hesaplamalarda kolaylık sağlar. Buradaki temel tanımlar şöyledir: Tesir değeri: Asit ve bazlar için yer değiştirebilen hidrojen veya hidroksit iyonu sayısı (e). Eşdeğer (ekivalent) ağırlık: Mol ağırlığının, tesir değerine oranı (E). 5
Eşdeğer gram sayısı: Maddenin gram miktarının, eşdeğer ağırlığa oranı (EA). Normalite: Çözeltinin her bir litresinde çözünmüş bulunan maddenin eşdeğer gram sayısı (N). Çözelti hacmi : litre (V). Çözünen madde miktarı : gram (m). Mol ağırlığı : g/mol (MA) Bu tanımlar kullanıldığında; Bu durumda normalitenin çözelti hacmi ile çarpımı eşdeğer gram sayısını verir ve titrasyondaki reaksiyon tamamlandığında eşdeğerlik prensibine göre: Na. Va = Nb. Vb eşitliği bulunur. Titre edilen maddenin doğrudan gram miktarı bulunabilir. Bunun için aynı bağıntı dikkate alınır. Yine aynı kavramlar kullanılarak molarite ve normalite arasındaki ilişki de çıkarılır. Bu bağıntıları çıkarınız. Öğrenciler 25 ml 1M sodyum hidroksiti nötralize etmek için gereken asit miktarını bulurlar. Bu deneyde olan tepkime ; 4.3 MADDE VE MALZEMELER Cl + NaO NaCl + 2O Malzemeler Erlen (250 ml) Büret tutucu Büret (50 ml yada 100 ml) Dereceli silindir (25 ml yada daha büyük) Kimyasallar 1 M hidroklorik asit çözeltisi 1 M sodyum hidroksit çözeltisi Metil oranj (indikatör 6
4.4. DENEYİN YAPILIŞI Şekil 4.2. p Titrasyonu için kullanılan deney düzeneği Bu deneyde sodyum hidroksit, hidroklorik asitle nötralleşerek çözünen bir tuz olan sodyum klorürü oluştururlar. 1) 25 ml 1 M NaO çözeltisi hazırlayınız. 2) 25 ml sodyum hidroksit çözeltisini bir erlen içerisine koyunuz ve iki damla metil oranj indikatörünü (geçiş aralığı, p; 3.1-4.4) ilave edip karıştırınız. 3) Büreti 0 noktasına kadar molaritesi belli olmayan hidroklorik asit çözeltisi ile doldurunuz. 4) idroklorik asit çözeltisini sodyum hidroksit çözeltisi üzerine küçük hacimlerde ilave ediniz ve her ilave sonrasında çalkalayınız. Çözelti kırmızı oluncaya kadar asit ilavesine devam ediniz. 5) Eklenen asit hacmini büret üzerinden okuyunuz. 6) Titrasyon işlemini (4. Basamak) 2 kez daha tekrar ediniz. Sonuç hesaplarken 3 titrasyonun ortalamasını kullanınız. 7
4.5. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Tablo 4.1. Nötralleştirme için gereken Cl miktarı: Kullanılan Cl nin hacmi (ml) 1.titrasyon 2.titrasyon 3.titrasyon Cl çözeltisinin normalitesi NaO çözeltisinin normalitesi Kullanılan Cl nin miliekivalent gramı Kullanılan NaO in miliekivalent gramı 4.6. SORULAR 1. Arrhenius, Lowry-Bronsted ve Lewis asit-bazlıklarını açıklayınız. 2. Titrasyon, eş değer nokta, indikatör, titrant ifadelerini kısaca tanımlayınız 3. 0.5 M 25 ml NaO çözeltisi nötralleştirilmek üzere 50 ml Cl çözeltisi ile titre ediliyor. Cl çözeltisinin konsantrasyonu nedir? 8