Zapoznaj się z opisem eksperymentu w laboratorium chemicznym – problemem badawczym i zweryfikowaną hipotezą oraz obserwacjami, a także wynikami i z wyciągniętymi na ich podstawie wnioskami.

Analiza eksperymentu: Badanie odczynu wodnych roztworów soli otrzymanych w reakcjach zobojętniania.

Problem badawczy: Czy po zmieszaniu zasady z wodnym roztworem kwasu zawsze powstaje sól, której wodny roztwór ma odczyn obojętny?

Hipoteza: Odczyn wodnego roztworu otrzymanego po zmieszaniu zasady z wodnym roztworem kwasu zależy od rodzaju użytych odczynników (kwasu i zasady).

Sprzęt laboratoryjny:

• statyw – prostokątny sprzęt laboratoryjny z rzędami otworów, w których umieszczane są probówki;

• probówki – podłużne naczynie szklane do przeprowadzania prostych reakcji chemicznych;

• pipety – wąska rurka do pobierania i przenoszenia niewielkiej ilości cieczy przy pomocy ssawki;

• smoczki – gumowe ssawki umożliwiające zassanie cieczy z pomocą pipety;

• uniwersalne papierki wskaźnikowe – kawałki bibuły najczęściej w kształcie paska, nasączonej roztworem substancji chemicznej będącej indykatorem; uniwersalne papierki wskaźnikowe służą do wykrywania różnych substancji.

Odczynniki chemiczne:

• wodny roztwór kwasu siarkowego$\left(\text{VI}\right)$, $2 \frac{\text{mol}}{{\text{dm}}^3}$;

• wodny roztwór chlorowodoru, $2 \frac{\text{mol}}{{\text{dm}}^3}$;

• wodny roztwór kwasu octowego (etanowego), $2 \frac{\text{mol}}{{\text{dm}}^3}$;

• wodny roztwór kwasu azotowego$\left(\text{V}\right)$, $2 \frac{\text{mol}}{{\text{dm}}^3}$;

• wodny roztwór wodorotlenku potasu, $2 \frac{\text{mol}}{{\text{dm}}^3}$;

• wodny roztwór wodorotlenku sodu, $2 \frac{\text{mol}}{{\text{dm}}^3}$;

• wodny roztwór wodorotlenku baru, $2 \frac{\text{mol}}{{\text{dm}}^3}$

• wodny roztwór amoniaku, $2 \frac{\text{mol}}{{\text{dm}}^3}$;

• uniwersalne papierki wskaźnikowe.

Przebieg doświadczenia:

1. W czterech probówkach umieszczono po $2 {\text{cm}}^3$ wodnego roztworu chlorowodoru.

2. Do pierwszej z probówek wprowadzono $2 {\text{cm}}^3$ wodnego roztworu wodorotlenku sodu.

3. Do drugiej z probówek wprowadzono $2 {\text{cm}}^3$ wodnego roztworu wodorotlenku potasu.

4. Do trzeciej z probówek wprowadzono $2 {\text{cm}}^3$ wodnego roztworu wodorotlenku baru.

5. Do czwartej z probówek wprowadzono $2 {\text{cm}}^3$ wodnego roztworu amoniaku.

6. Za pomocą uniwersalnego papierka wskaźnikowego sprawdzono odczyn każdego z roztworów otrzymanych w probówkach (od pierwszej do czwartej). W tym celu, za pomocą bagietki szklanej naniesiono kroplę badanego roztworu na uniwersalny papierek wskaźnikowy.

7. Powtórzono punkty od pierwszego do szóstego dla pozostałych dostępnych w laboratorium kwasów.

Obserwacje:

Po zmieszaniu wodnego roztworu wodorotlenku baru z wodnym roztworem kwasu siarkowego$\left(\text{VI}\right)$ wytrącił się biały osad. W pozostałych przypadkach, po zmieszaniu kwasu z zasadą otrzymano klarowny, bezbarwny roztwór. Poniżej zebrano barwy uniwersalnych papierków wskaźnikowych, po zbadania odczynu każdego z otrzymanych roztworów.

1. Dla kwasu chlorowodorowego:

Probówka $\text{I}$: po dodaniu roztworu wodorotlenku sodu kolor papierka się nie zmienił, pozostał żółty.

Probówka $\text{II}$: po dodaniu roztworu wodorotlenku potasu kolor papierka się nie zmienił, pozostał żółty.

Probówka $\text{III}$: po dodaniu roztworu wodorotlenku baru papierek zabarwił się na ciemnoniebiesko.

Probówka $\text{IV}$: po dodaniu roztworu amoniaku papierek zabarwił się na czerwonopomarańczowo.

2. Dla kwasu siarkowego$\left(\text{VI}\right)$:

Probówka $\text{I}$: po dodaniu roztworu wodorotlenku sodu papierek zabarwił się na czerwono.

Probówka $\text{II}$: po dodaniu roztworu wodorotlenku potasu papierek zabarwił się na czerwono.

Probówka $\text{III}$: po dodaniu roztworu wodorotlenku baru kolor papierka się nie zmienił, pozostał żółty.

Probówka $\text{IV}$: po dodaniu roztworu amoniaku papierek zabarwił się na czerwono.

3. Dla kwasu azotowego$\left(\text{V}\right)$:

Probówka $\text{I}$: po dodaniu roztworu wodorotlenku sodu kolor papierka się nie zmienił, pozostał żółty.

Probówka $\text{II}$: po dodaniu roztworu wodorotlenku potasu kolor papierka się nie zmienił, pozostał żółty.

Probówka $\text{III}$: po dodaniu roztworu wodorotlenku baru papierek zabarwił się na ciemnoniebiesko.

Probówka $\text{IV}$: po dodaniu roztworu amoniaku papierek zabarwił się na czerwonopomarańczowo.

4. Dla kwasu octowego:

Probówka $\text{I}$: po dodaniu roztworu wodorotlenku sodu papierek zabarwił się na zielono.

Probówka $\text{II}$: po dodaniu roztworu wodorotlenku potasu papierek zabarwił się na zielono.

Probówka $\text{III}$: po dodaniu roztworu wodorotlenku baru papierek zabarwił się na ciemnoniebiesko.

Probówka $\text{IV}$: po dodaniu roztworu amoniaku kolor papierka nie zmienił się, pozostał żółty.

Wyniki:

Poniżej zebrano wyniki dotyczące odczynu wodnych roztworów, uzyskanych po zmieszaniu jednakowych objętości wskazanych kwasów i zasad, o takich samych stężeniach.

1. Dla kwasu chlorowodorowego:

Probówka $\text{I}$: odczyn obojętny.

Probówka $\text{II}$: odczyn obojętny.

Probówka $\text{III}$: odczyn zasadowy.

Probówka $\text{IV}$: odczyn kwasowy.

2. Dla kwasu siarkowego$\left(\text{VI}\right)$:

Probówka $\text{I}$: odczyn kwasowy.

Probówka $\text{II}$: odczyn kwasowy.

Probówka $\text{III}$: odczyn obojętny.

Probówka $\text{IV}$: odczyn kwasowy.

3. Dla kwasu azotowego$\left(\text{V}\right)$:

Probówka $\text{I}$: odczyn obojętny.

Probówka $\text{II}$: odczyn obojętny.

Probówka $\text{III}$: odczyn zasadowy.

Probówka $\text{IV}$: odczyn kwasowy.

4. Dla kwasu octowego:

Probówka $\text{I}$: odczyn zasadowy.

Probówka $\text{II}$: odczyn zasadowy.

Probówka $\text{III}$: odczyn zasadowy.

Probówka $\text{IV}$: odczyn obojętny.

Równania zachodzących reakcji:

$\text{NaOH} + \text{HCl} \to \text{NaCl} + {\text{H}}_2\text{O}$
${\text{H}}_3{\text{O}}^{+} + {\text{OH}}^{-}\to 2{\text{H}}_2\text{O}$

$\text{KOH} + \text{HCl} \to \text{KCl} + {\text{H}}_2\text{O}$
${\text{H}}_3{\text{O}}^{+} + {\text{OH}}^{-}\to 2{\text{H}}_2\text{O}$

$\text{Ba}{\left(\text{OH}\right)}_2+2 \text{HCl}\to {\text{BaCl}}_2+2 {\text{H}}_2\text{O}$
${\text{H}}_3{\text{O}}^{+} + {\text{OH}}^{-}\to 2{\text{H}}_2\text{O}$

${\text{NH}}_3 + \text{HCl} \to {\text{NH}}_4\text{Cl}$
${\text{NH}}_3 + {\text{H}}_3{\text{O}}^{+} \to {{\text{NH}}_4}^{+} + {\text{H}}_2\text{O}$
hydroliza: ${{\text{NH}}_4}^{+} + {\text{H}}_2\text{O} \rightleftarrows {\text{NH}}_3 + {\text{H}}_3{\text{O}}^{+}$

$\text{NaOH} + {\text{HNO}}_3 \to {\text{NaNO}}_3 + {\text{H}}_2\text{O}$
${\text{H}}_3{\text{O}}^{+} + {\text{OH}}^{-}\to 2{\text{H}}_2\text{O}$

$\text{KOH} + {\text{HNO}}_3 \to {\text{KNO}}_3 + {\text{H}}_2\text{O}$
${\text{H}}_3{\text{O}}^{+} + {\text{OH}}^{-}\to 2{\text{H}}_2\text{O}$

$\text{Ba}{\left(\text{OH}\right)}_2+2 {\text{HNO}}_3 \to \text{Ba}{\left({\text{NO}}_3\right)}_2+2 {\text{H}}_2\text{O}$
${\text{H}}_3{\text{O}}^{+} + {\text{OH}}^{-}\to 2{\text{H}}_2\text{O}$

${\text{NH}}_3 + {\text{HNO}}_3 \to {\text{NH}}_4{\text{NO}}_3$
${\text{NH}}_3 + {\text{H}}_3{\text{O}}^{+} \to {{\text{NH}}_4}^{+} + {\text{H}}_2\text{O}$
hydroliza: ${{\text{NH}}_4}^{+} + {\text{H}}_2\text{O} \rightleftarrows {\text{NH}}_3 + {\text{H}}_3{\text{O}}^{+}$

$2\text{NaOH} + {\text{H}}_2{\text{SO}}_4 \to {\text{Na}}_2{\text{SO}}_4 + 2{\text{H}}_2\text{O}$
${\text{H}}_3{\text{O}}^{+} + {\text{OH}}^{-}\to 2{\text{H}}_2\text{O}$

$2\text{KOH} + {\text{H}}_2{\text{SO}}_4 \to {\text{K}}_2{\text{SO}}_4 + 2{\text{H}}_2\text{O}$
${\text{H}}_3{\text{O}}^{+} + {\text{OH}}^{-}\to 2{\text{H}}_2\text{O}$

$\text{Ba}{\left(\text{OH}\right)}_2+{\text{H}}_2{\text{SO}}_4\to {\text{BaSO}}_4\downarrow +2 {\text{H}}_2\text{O}$
${\text{Ba}}^{2+} +\hspace{0.17em}{\text{OH}}^{-} + {\text{H}}_3{\text{O}}^{+} + {{\text{SO}}_4}^{2-} \to {\text{BaSO}}_4\downarrow + 2{\text{H}}_2\text{O}$

$2 {\text{NH}}_3 + {\text{H}}_2{\text{SO}}_4 \to {\left({\text{NH}}_4\right)}_2{\text{SO}}_4$
${\text{NH}}_3 + {\text{H}}_3{\text{O}}^{+} \to {{\text{NH}}_4}^{+} + {\text{H}}_2\text{O}$
hydroliza: ${{\text{NH}}_4}^{+} + {\text{H}}_2\text{O} \rightleftarrows {\text{NH}}_3 + {\text{H}}_3{\text{O}}^{+}$

$\text{NaOH} + {\text{CH}}_3\text{COOH} \to {\text{CH}}_3\text{COONa} + {\text{H}}_2\text{O}$
${\text{CH}}_3\text{COOH} + {\text{OH}}^{-} \to {\text{CH}}_3{\text{COO}}^{-} + {\text{H}}_2\text{O}$
hydroliza: ${\text{CH}}_3{\text{COO}}^{-} + {\text{H}}_2\text{O} \rightleftarrows {\text{CH}}_3\text{COOH} + {\text{OH}}^{-}$

$\text{KOH} + {\text{CH}}_3\text{COOH} \to {\text{CH}}_3\text{COOK} + {\text{H}}_2\text{O}$
${\text{CH}}_3\text{COOH} + {\text{OH}}^{-} \to {\text{CH}}_3{\text{COO}}^{-} + {\text{H}}_2\text{O}$
hydroliza: ${\text{CH}}_3{\text{COO}}^{-} + {\text{H}}_2\text{O} \rightleftarrows {\text{CH}}_3\text{COOH} + {\text{OH}}^{-}$

$\text{Ba}{\left(\text{OH}\right)}_2 + 2{\text{CH}}_3\text{COOH} \to {\left({\text{CH}}_3\text{COO}\right)}_2\text{Ba} + 2{\text{H}}_2\text{O}$
${\text{CH}}_3\text{COOH} + {\text{OH}}^{-} \to {\text{CH}}_3{\text{COO}}^{-} + {\text{H}}_2\text{O}$
hydroliza: ${\text{CH}}_3{\text{COO}}^{-} + {\text{H}}_2\text{O} \rightleftarrows {\text{CH}}_3\text{COOH} + {\text{OH}}^{-}$

${\text{NH}}_3 + {\text{CH}}_3\text{COOH} \to {\text{CH}}_3{\text{COONH}}_4$
${\text{NH}}_3 + {\text{CH}}_3\text{COOH} \to {{\text{NH}}_4}^{+} + {\text{CH}}_3{\text{COO}}^{-}$
hydroliza: ${{\text{NH}}_4}^{+} + {\text{H}}_2\text{O} \rightleftarrows {\text{NH}}_3 + {\text{H}}_3{\text{O}}^{+}$; ${\text{CH}}_3{\text{COO}}^{-} + {\text{H}}_2\text{O} \rightleftarrows {\text{CH}}_3\text{COOH} + {\text{OH}}^{-}$

Analiza uzyskanych wyników:

Przeprowadzając eksperyment każdorazowo używano takich samych objętości roztworów kwasów i zasad ($2 {\text{cm}}^3$), o takich samych stężeniach ($2 \frac{\text{mol}}{{\text{dm}}^3}$). W oparciu o odpowiednie obliczenia stwierdzono, że nie w każdym przypadku zmieszano stechiometryczne ilości kwasu i zasady.Poniżej zaprezentowano przykładowe obliczenia dla dwóch uzyskanych roztworów.

Obliczenia dla reakcji między wodorotlenkiem potasu i kwasem azotowym$\left(\text{V}\right)$:

Z równania reakcji wynika, że $1$ mol $\text{KOH}$ reaguje z $1$ molem ${\text{HNO}}_3$. Oznacza to, że $\mathrm{0,004}$ mola $\text{KOH}$ przereaguje z $\mathrm{0,004}$ mola ${\text{HNO}}_3$. Substraty zmieszano zatem w stosunku stechiometrycznym.

Obliczenia dla reakcji między wodorotlenkiem baru i kwasem chlorowodorowym:

Z równania reakcji wynika, że $1$ mol $\text{Ba}{\left(\text{OH}\right)}_2$ reaguje z $2$ molami $\text{HCl}$.

Z powyższych obliczeń wynika, że do reakcji użyto nadmiaru $\text{Ba}{\left(\text{OH}\right)}_2$.

Poniżej zebrano komentarze dotyczące ilości zmieszanych substratów (stechiometrycznej/niestechiometrycznej).

1. Dla kwasu chlorowodorowego:

Probówka $\text{I}$: stechiometrycznie.

Probówka $\text{II}$: stechiometrycznie.

Probówka $\text{III}$: niestechiometrycznie (nadmiar kwasu).

Probówka $\text{IV}$: stechiometrycznie.

2. Dla kwasu siarkowego($\text{VI}$):

Probówka $\text{I}$: niestechiometrycznie (nadmiar kwasu).

Probówka $\text{II}$: niestechiometrycznie (nadmiar kwasu).

Probówka $\text{III}$: stechiometrycznie.

Probówka $\text{IV}$: niestechiometrycznie (nadmiar kwasu).

3. Dla kwasu azotowego$\left(\text{V}\right)$:

Probówka $\text{I}$: stechiometrycznie.

Probówka $\text{II}$: stechiometrycznie.

Probówka $\text{III}$: niestechiometrycznie (nadmiar wodorotlenku).

Probówka $\text{IV}$: stechiometrycznie.

4. Dla kwasu octowego:

Probówka $\text{I}$: stechiometrycznie.

Probówka $\text{II}$: stechiometrycznie.

Probówka $\text{III}$: niestechiometrycznie (nadmiar wodorotlenku).

Probówka $\text{IV}$: stechiometrycznie.

W przypadkach, w których użyto nadmiaru zasady lub kwasu, pomimo, że w układzie zaszła reakcja zobojętniania, otrzymany roztwór miał odczyn inny niż obojętny. W przypadku nadmiaru zasady – odczyn zasadowy (duże stężenie anionów wodorotlenków pochodzących z dysocjacji zasady), a w przypadku nadmiaru kwasu – odczyn kwasowy (duże stężenie kationów oksoniowych pochodzących z dysocjacji kwasu).Po zmieszaniu stechiometrycznej ilości mocnego kwasu (${\text{HCl}}_{\left(\text{aq}\right)}$, ${\text{H}}_2{{\text{SO}}_4}_{\left(\text{aq}\right)}$, ${{\text{HNO}}_3}_{\left(\text{aq}\right)}$), ze stechiometryczną ilością mocnej zasady (${\text{NaOH}}_{\left(\text{aq}\right)}$,${\text{KOH}}_{\left(\text{aq}\right)}$, ${\text{Ba}{\left(\text{OH}\right)}_2}_{\left(\text{aq}\right)}$), otrzymane roztwory miały odczyn obojętny. Powstające w wyniku zachodzących reakcji sole nie ulegały bowiem hydrolizie. Po zmieszaniu kwasu chlorowodorowego z wodnym roztworem zawierającym stechiometryczną ilość amoniaku, otrzymano roztwór o odczynie kwasowym. Powstała sól ulega bowiem hydrolizie kationowej. Podobna sytuacja miała miejsce jeśli zamiast kwasu chlorowodorowego użyto kwasu azotowego$\left(\text{V}\right)$. Po zmieszaniu kwasu octowego (etanowego) z wodnym roztworem zawierającym stechiometryczną ilość wodorotlenku sodu, otrzymano roztwór o odczynie zasadowym. Powstała sól ulega bowiem hydrolizie anionowej. Podobna sytuacja miała miejsce jeśli zamiast roztworu wodorotlenku sodu użyto roztworu wodorotlenku potasu. Po zmieszaniu stechiometrycznych ilości kwasu octowego (etanowego) i amoniaku otrzymano roztwór o odczynie obojętnym. Powstała sól ulega hydrolizie kationowo‑anionowej, ale stałe równowagi reakcji hydrolizy kationu amonu i anionu octanowego są równe.

Wnioski:

W oparciu o uzyskane wyniki można stwierdzić, że postawiona hipoteza jest prawdziwa. Odczyn wodnego roztworu otrzymanego po zmieszaniu zasady z wodnym roztworem kwasu zależy od rodzaju użytych odczynników (kwasu i zasady). Nie zawsze roztwór ten będzie miał odczyn obojętny.