IChO 1987 · Theory problem 2
Identification of a hydrated sodium phosphate by acid-base titration
500 mg of a hydrated sodium salt of phosphoric acid are dissolved in 50.0 cm³ of 0.1 molar sulphuric acid. This solution is diluted with distilled water to 100.0 cm³ and 20.0 cm³ of it are titrated with 0.100 molar \(\ce{NaOH}\) solution using thymolphthalein as indicator. The average of the burette reading is 26.53 cm³. The pH at the end-point is 10.00.
Problems:
2.1 Calculate the percentage distribution by moles of all protonated \(\ce{H_{n}PO4^{n-3}}\) species at the end-point.
2.2 What is the stoichiometric formula of the salt?
The cumulative protonation constants are given by
\[ \beta_n= \frac{[\ce{H_{n}PO4^{n-3}}]} {[\ce{PO4^3-}][\ce{H+}]^n} \]
where \(\log\beta_1=11.70;\quad \log\beta_2=18.6;\quad \log\beta_3=20.6.\)
The relative atomic masses are: Na = 23.0; P = 31.0; H = 1.0; O = 16.0.
Official English text of the problem.
Answers
- 2.1: The endpoint distribution, including unprotonated phosphate, is approximately:
| Species | Name | SMILES | Mole percentage |
|---|---|---|---|
| \(\ce{PO4^3-}\) | Phosphate | O=P([O-])([O-])[O-] |
\(1.95\%\) |
| \(\ce{HPO4^2-}\) | Hydrogen phosphate | O=P(O)([O-])[O-] |
\(97.97\%\) |
| \(\ce{H2PO4-}\) | Dihydrogen phosphate | O=P(O)(O)[O-] |
\(0.078\%\) |
| \(\ce{H3PO4}\) | Phosphoric acid | O=P(O)(O)O |
\(7.8\times10^{-10}\%\) |
- 2.2: Sodium dihydrogen phosphate dihydrate,
\[
\boxed{\ce{NaH2PO4 * 2H2O}}
\]
SMILES:
[Na+].O=P(O)(O)[O-].O.O. This represents the ionic composition and two waters of crystallization; crystal packing is unspecified.
Solution
2.1 — Phosphate distribution
The successive protonation equilibria are
\[ \begin{aligned} \ce{PO4^3- + H+ &<=> HPO4^2-}\\ \ce{HPO4^2- + H+ &<=> H2PO4-}\\ \ce{H2PO4- + H+ &<=> H3PO4}. \end{aligned} \]
Here the hydrogen ion, or proton, has SMILES [H+].
At pH 10.00,
\[ h=[\ce{H+}]=10^{-10.00}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
Taking \(\beta_0=1\), the mole fraction of the species containing \(n\) bound protons is
\[ \alpha_n=\frac{\beta_nh^n}{D}, \qquad D=1+\beta_1h+\beta_2h^2+\beta_3h^3. \]
The relative amounts are therefore
\[ \begin{aligned} \ce{PO4^3-}:&\quad 1,\\ \ce{HPO4^2-}:&\quad 10^{11.70-10.00}=50.1187,\\ \ce{H2PO4-}:&\quad 10^{18.6-20.00}=0.0398107,\\ \ce{H3PO4}:&\quad 10^{20.6-30.00}=3.98107\times10^{-10}. \end{aligned} \]
Thus \(D=51.1585\). Dividing each relative amount by \(D\) and multiplying by \(100\) gives the percentages listed above.
For the titration calculation, the mean number of bound protons per phosphate group is
\[ \begin{aligned} \bar n &=\alpha_1+2\alpha_2+3\alpha_3\\ &=0.979674736+2(0.000778183)+3(7.78183\times10^{-12})\\ &=0.981231. \end{aligned} \]
2.2 — Identification of the hydrated salt
Write the salt as
\[ \ce{Na_{x}H_{3-x}PO4 * yH2O}, \qquad x=1,\ 2,\ \text{or }3. \]
The 20.0 cm³ aliquot contains
\[ m=0.500\ \mathrm{g}\times\frac{20.0}{100.0} =0.100\ \mathrm{g} \]
of the original salt, together with
\[ n_{\mathrm S} =(0.1\ \mathrm{mol\,L^{-1}})(0.0500\ \mathrm L) \frac{20.0}{100.0} =1.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol} \]
of sulphuric acid.
At pH 10, sulphuric acid (O=S(=O)(O)O) has lost both acidic protons, forming sulfate (O=S(=O)([O-])[O-]):
\[ \ce{H2SO4 + 2OH- -> SO4^2- + 2H2O}. \]
Sodium hydroxide ([Na+].[OH-]) supplies hydroxide ions ([OH-]), which form water (O) on neutralization. The phosphate neutralization equilibria are
\[ \begin{aligned} \ce{H3PO4 + OH- &<=> H2PO4- + H2O}\\ \ce{H2PO4- + OH- &<=> HPO4^2- + H2O}\\ \ce{HPO4^2- + OH- &<=> PO4^3- + H2O}. \end{aligned} \]
The amount of sodium hydroxide added is
\[ n_{\mathrm B} =(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}) (0.02653\ \mathrm L) =2.653\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
After accounting for the two acidic protons of sulphuric acid, the remaining base consumption is
\[ n_{\mathrm B}-2n_{\mathrm S} =2.653\times10^{-3}-2.000\times10^{-3} =6.530\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
Each phosphate group initially carries \(3-x\) acidic protons and retains, on average, \(\bar n=0.981231\) at the endpoint. Neglecting free hydrogen and hydroxide ions in the endpoint balance, the net base consumption per mole of phosphate is consequently
\[ (3-x)-\bar n=2.018769-x. \]
If \(n_{\mathrm P}\) is the amount of phosphate in the aliquot,
\[ \boxed{6.530\times10^{-4} =(2.018769-x)n_{\mathrm P}}. \]
The hydrated salt’s molar mass must therefore be
\[ M=\frac{0.100\ \mathrm g}{n_{\mathrm P}} =\frac{(0.100\ \mathrm g)(2.018769-x)} {6.530\times10^{-4}\ \mathrm{mol}}. \]
The three possible sodium contents give:
| \(x\) | Inferred molar mass | Assessment |
|---|---|---|
| 1 | \(156.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) | Possible |
| 2 | \(2.874\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) | Impossible: the anhydrous salt alone has molar mass \(142.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) |
| 3 | Would require a negative phosphate amount | Impossible |
Hence \(x=1\). The anhydrous part has molar mass
\[ M_{\mathrm{anhydrous}} =23.0+2(1.0)+31.0+4(16.0) =120.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
The hydration number is
\[ y=\frac{156.0-120.0}{18.0}=2.00. \]
Therefore,
\[ \boxed{\text{sodium dihydrogen phosphate dihydrate, }\ce{NaH2PO4 * 2H2O}}. \]
As a check, this formula predicts
\[ n_{\mathrm P}=\frac{0.100}{156.0} =6.41026\times10^{-4}\ \mathrm{mol}, \]
and hence
\[ V_{\mathrm B} =\frac{2.000\times10^{-3} +(1.018769)(6.41026\times10^{-4})} {0.100} =0.0265306\ \mathrm L =26.53\ \mathrm{cm^3}, \]
in agreement with the reported titre.
The solution was checked against the official solution.
IChO 1987 · Theorieaufgabe 2
Identifizierung eines hydratisierten Natriumphosphats durch Säure-Base-Titration
500 mg eines hydratisierten Natriumsalzes der Phosphorsäure werden in 50.0 cm³ 0.1-molarer Schwefelsäure gelöst. Diese Lösung wird mit destilliertem Wasser auf 100.0 cm³ verdünnt, und 20.0 cm³ davon werden mit 0.100-molarer \(\ce{NaOH}\)-Lösung unter Verwendung von Thymolphthalein als Indikator titriert. Der Mittelwert der Bürettenablesungen beträgt 26.53 cm³. Der pH-Wert am Endpunkt beträgt 10.00.
Aufgaben:
2.1 Berechnen Sie die prozentuale Stoffmengenverteilung aller protonierten \(\ce{H_{n}PO4^{n-3}}\)-Spezies am Endpunkt.
2.2 Wie lautet die stöchiometrische Formel des Salzes?
Die kumulativen Protonierungskonstanten sind gegeben durch
\[ \beta_n= \frac{[\ce{H_{n}PO4^{n-3}}]} {[\ce{PO4^3-}][\ce{H+}]^n} \]
wobei \(\log\beta_1=11.70;\quad \log\beta_2=18.6;\quad \log\beta_3=20.6.\)
Die relativen Atommassen sind: Na = 23.0; P = 31.0; H = 1.0; O = 16.0.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 2.1: Die Verteilung am Endpunkt unter Einbeziehung des unprotonierten Phosphats beträgt näherungsweise:
| Spezies | Name | SMILES | Stoffmengenanteil in Prozent |
|---|---|---|---|
| \(\ce{PO4^3-}\) | Phosphat | O=P([O-])([O-])[O-] |
\(1.95\%\) |
| \(\ce{HPO4^2-}\) | Hydrogenphosphat | O=P(O)([O-])[O-] |
\(97.97\%\) |
| \(\ce{H2PO4-}\) | Dihydrogenphosphat | O=P(O)(O)[O-] |
\(0.078\%\) |
| \(\ce{H3PO4}\) | Phosphorsäure | O=P(O)(O)O |
\(7.8\times10^{-10}\%\) |
- 2.2: Natriumdihydrogenphosphat-Dihydrat,
\[
\boxed{\ce{NaH2PO4 * 2H2O}}
\]
SMILES:
[Na+].O=P(O)(O)[O-].O.O. Dies stellt die ionische Zusammensetzung und zwei Kristallwassermoleküle dar; die Anordnung im Kristall ist nicht angegeben.
Lösung
2.1 — Phosphatverteilung
Die aufeinanderfolgenden Protonierungsgleichgewichte lauten
\[ \begin{aligned} \ce{PO4^3- + H+ &<=> HPO4^2-}\\ \ce{HPO4^2- + H+ &<=> H2PO4-}\\ \ce{H2PO4- + H+ &<=> H3PO4}. \end{aligned} \]
Hier hat das Wasserstoffion, also das Proton, die SMILES-Darstellung [H+].
Bei pH 10.00 gilt
\[ h=[\ce{H+}]=10^{-10.00}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
Mit \(\beta_0=1\) ist der Stoffmengenanteil der Spezies mit \(n\) gebundenen Protonen
\[ \alpha_n=\frac{\beta_nh^n}{D}, \qquad D=1+\beta_1h+\beta_2h^2+\beta_3h^3. \]
Die relativen Stoffmengen betragen daher
\[ \begin{aligned} \ce{PO4^3-}:&\quad 1,\\ \ce{HPO4^2-}:&\quad 10^{11.70-10.00}=50.1187,\\ \ce{H2PO4-}:&\quad 10^{18.6-20.00}=0.0398107,\\ \ce{H3PO4}:&\quad 10^{20.6-30.00}=3.98107\times10^{-10}. \end{aligned} \]
Somit ist \(D=51.1585\). Division jeder relativen Stoffmenge durch \(D\) und Multiplikation mit \(100\) ergibt die oben aufgeführten Prozentanteile.
Für die Titrationsrechnung beträgt die mittlere Anzahl gebundener Protonen pro Phosphatgruppe
\[ \begin{aligned} \bar n &=\alpha_1+2\alpha_2+3\alpha_3\\ &=0.979674736+2(0.000778183)+3(7.78183\times10^{-12})\\ &=0.981231. \end{aligned} \]
2.2 — Identifizierung des hydratisierten Salzes
Die Formel des Salzes wird geschrieben als
\[ \ce{Na_{x}H_{3-x}PO4 * yH2O}, \qquad x=1,\ 2,\ \text{oder }3. \]
Das Aliquot von 20.0 cm³ enthält
\[ m=0.500\ \mathrm{g}\times\frac{20.0}{100.0} =0.100\ \mathrm{g} \]
des ursprünglichen Salzes sowie
\[ n_{\mathrm S} =(0.1\ \mathrm{mol\,L^{-1}})(0.0500\ \mathrm L) \frac{20.0}{100.0} =1.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol} \]
Schwefelsäure.
Bei pH 10 hat Schwefelsäure (O=S(=O)(O)O) beide sauren Protonen abgegeben, wobei Sulfat (O=S(=O)([O-])[O-]) entsteht:
\[ \ce{H2SO4 + 2OH- -> SO4^2- + 2H2O}. \]
Natriumhydroxid ([Na+].[OH-]) liefert Hydroxidionen ([OH-]), die bei der Neutralisation Wasser (O) bilden. Die Neutralisationsgleichgewichte des Phosphats lauten
\[ \begin{aligned} \ce{H3PO4 + OH- &<=> H2PO4- + H2O}\\ \ce{H2PO4- + OH- &<=> HPO4^2- + H2O}\\ \ce{HPO4^2- + OH- &<=> PO4^3- + H2O}. \end{aligned} \]
Die Stoffmenge des zugegebenen Natriumhydroxids beträgt
\[ n_{\mathrm B} =(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}) (0.02653\ \mathrm L) =2.653\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Nach Berücksichtigung der beiden sauren Protonen der Schwefelsäure beträgt der verbleibende Basenverbrauch
\[ n_{\mathrm B}-2n_{\mathrm S} =2.653\times10^{-3}-2.000\times10^{-3} =6.530\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
Jede Phosphatgruppe trägt ursprünglich \(3-x\) saure Protonen und behält am Endpunkt im Mittel \(\bar n=0.981231\) Protonen. Werden freie Wasserstoff- und Hydroxidionen in der Bilanz am Endpunkt vernachlässigt, beträgt der Nettobasenverbrauch pro Mol Phosphat folglich
\[ (3-x)-\bar n=2.018769-x. \]
Ist \(n_{\mathrm P}\) die Stoffmenge des Phosphats im Aliquot, gilt
\[ \boxed{6.530\times10^{-4} =(2.018769-x)n_{\mathrm P}}. \]
Die molare Masse des hydratisierten Salzes muss daher betragen:
\[ M=\frac{0.100\ \mathrm g}{n_{\mathrm P}} =\frac{(0.100\ \mathrm g)(2.018769-x)} {6.530\times10^{-4}\ \mathrm{mol}}. \]
Die drei möglichen Natriumgehalte ergeben:
| \(x\) | Abgeleitete molare Masse | Beurteilung |
|---|---|---|
| 1 | \(156.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) | Möglich |
| 2 | \(2.874\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) | Unmöglich: Bereits das wasserfreie Salz hat eine molare Masse von \(142.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) |
| 3 | Würde eine negative Phosphatstoffmenge erfordern | Unmöglich |
Somit ist \(x=1\). Der wasserfreie Anteil hat die molare Masse
\[ M_{\mathrm{anhydrous}} =23.0+2(1.0)+31.0+4(16.0) =120.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Die Hydratationszahl beträgt
\[ y=\frac{156.0-120.0}{18.0}=2.00. \]
Damit ergibt sich
\[ \boxed{\text{Natriumdihydrogenphosphat-Dihydrat, }\ce{NaH2PO4 * 2H2O}}. \]
Zur Kontrolle ergibt sich aus dieser Formel
\[ n_{\mathrm P}=\frac{0.100}{156.0} =6.41026\times10^{-4}\ \mathrm{mol}, \]
und damit
\[ V_{\mathrm B} =\frac{2.000\times10^{-3} +(1.018769)(6.41026\times10^{-4})} {0.100} =0.0265306\ \mathrm L =26.53\ \mathrm{cm^3}, \]
in Übereinstimmung mit dem angegebenen Titrationsverbrauch.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 1987 · Teori sorusu 2
Hidratlı bir sodyum fosfatın asit-baz titrasyonuyla belirlenmesi
Fosforik asidin hidratlı bir sodyum tuzundan 500 mg, 50.0 cm³ 0.1 molar sülfürik asitte çözülür. Bu çözelti damıtılmış suyla 100.0 cm³ hacme seyreltilir ve çözeltinin 20.0 cm³ hacmindeki bir kısmı, indikatör olarak timolftalein kullanılarak 0.100 molar \(\ce{NaOH}\) çözeltisiyle titre edilir. Büret okumalarının ortalaması 26.53 cm³'tür. Dönüm noktasındaki pH 10.00'dır.
Sorular:
2.1 Dönüm noktasında protonlanmış tüm \(\ce{H_{n}PO4^{n-3}}\) türlerinin molce yüzde dağılımını hesaplayınız.
2.2 Tuzun stokiyometrik formülü nedir?
Kümülatif protonlanma sabitleri aşağıdaki bağıntıyla verilmektedir:
\[ \beta_n= \frac{[\ce{H_{n}PO4^{n-3}}]} {[\ce{PO4^3-}][\ce{H+}]^n} \]
Burada \(\log\beta_1=11.70;\quad \log\beta_2=18.6;\quad \log\beta_3=20.6.\)
Bağıl atom kütleleri: Na = 23.0; P = 31.0; H = 1.0; O = 16.0.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 2.1: Protonlanmamış fosfat da dahil olmak üzere dönüm noktasındaki dağılım yaklaşık olarak şöyledir:
| Tür | Adı | SMILES | Molce yüzde |
|---|---|---|---|
| \(\ce{PO4^3-}\) | Fosfat | O=P([O-])([O-])[O-] |
\(1.95\%\) |
| \(\ce{HPO4^2-}\) | Hidrojen fosfat | O=P(O)([O-])[O-] |
\(97.97\%\) |
| \(\ce{H2PO4-}\) | Dihidrojen fosfat | O=P(O)(O)[O-] |
\(0.078\%\) |
| \(\ce{H3PO4}\) | Fosforik asit | O=P(O)(O)O |
\(7.8\times10^{-10}\%\) |
- 2.2: Sodyum dihidrojen fosfat dihidrat,
\[
\boxed{\ce{NaH2PO4 * 2H2O}}
\]
SMILES:
[Na+].O=P(O)(O)[O-].O.O. Bu gösterim, iyonik bileşimi ve iki kristal suyu molekülünü temsil eder; kristaldeki yerleşim belirtilmemiştir.
Çözüm
2.1 — Fosfat dağılımı
Ardışık protonlanma dengeleri şöyledir:
\[ \begin{aligned} \ce{PO4^3- + H+ &<=> HPO4^2-}\\ \ce{HPO4^2- + H+ &<=> H2PO4-}\\ \ce{H2PO4- + H+ &<=> H3PO4}. \end{aligned} \]
Burada hidrojen iyonunun, diğer adıyla protonun, SMILES gösterimi [H+] şeklindedir.
pH 10.00'da,
\[ h=[\ce{H+}]=10^{-10.00}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
\(\beta_0=1\) alınırsa, \(n\) bağlı proton içeren türün mol kesri şöyledir:
\[ \alpha_n=\frac{\beta_nh^n}{D}, \qquad D=1+\beta_1h+\beta_2h^2+\beta_3h^3. \]
Dolayısıyla bağıl miktarlar şöyledir:
\[ \begin{aligned} \ce{PO4^3-}:&\quad 1,\\ \ce{HPO4^2-}:&\quad 10^{11.70-10.00}=50.1187,\\ \ce{H2PO4-}:&\quad 10^{18.6-20.00}=0.0398107,\\ \ce{H3PO4}:&\quad 10^{20.6-30.00}=3.98107\times10^{-10}. \end{aligned} \]
Böylece \(D=51.1585\) bulunur. Her bir bağıl miktar \(D\)'ye bölünüp \(100\) ile çarpıldığında yukarıda listelenen yüzdeler elde edilir.
Titrasyon hesabında kullanılmak üzere, fosfat grubu başına ortalama bağlı proton sayısı şöyledir:
\[ \begin{aligned} \bar n &=\alpha_1+2\alpha_2+3\alpha_3\\ &=0.979674736+2(0.000778183)+3(7.78183\times10^{-12})\\ &=0.981231. \end{aligned} \]
2.2 — Hidratlı tuzun belirlenmesi
Tuzu şu şekilde yazalım:
\[ \ce{Na_{x}H_{3-x}PO4 * yH2O}, \qquad x=1,\ 2,\ \text{veya }3. \]
20.0 cm³ hacmindeki alikot, başlangıçtaki tuzdan
\[ m=0.500\ \mathrm{g}\times\frac{20.0}{100.0} =0.100\ \mathrm{g} \]
ve bunun yanında
\[ n_{\mathrm S} =(0.1\ \mathrm{mol\,L^{-1}})(0.0500\ \mathrm L) \frac{20.0}{100.0} =1.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol} \]
sülfürik asit içerir.
pH 10'da sülfürik asit (O=S(=O)(O)O), her iki asidik protonunu da kaybederek sülfat (O=S(=O)([O-])[O-]) oluşturmuştur:
\[ \ce{H2SO4 + 2OH- -> SO4^2- + 2H2O}. \]
Sodyum hidroksit ([Na+].[OH-]), nötralleşme sırasında su (O) oluşturan hidroksit iyonlarını ([OH-]) sağlar. Fosfatın nötralleşme dengeleri şöyledir:
\[ \begin{aligned} \ce{H3PO4 + OH- &<=> H2PO4- + H2O}\\ \ce{H2PO4- + OH- &<=> HPO4^2- + H2O}\\ \ce{HPO4^2- + OH- &<=> PO4^3- + H2O}. \end{aligned} \]
Eklenen sodyum hidroksit miktarı şöyledir:
\[ n_{\mathrm B} =(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}) (0.02653\ \mathrm L) =2.653\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Sülfürik asidin iki asidik protonu hesaba katıldıktan sonra geriye kalan baz tüketimi şöyledir:
\[ n_{\mathrm B}-2n_{\mathrm S} =2.653\times10^{-3}-2.000\times10^{-3} =6.530\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
Her fosfat grubu başlangıçta \(3-x\) asidik proton taşır ve dönüm noktasında ortalama \(\bar n=0.981231\) protonu bağlı tutar. Dönüm noktasındaki bilançoda serbest hidrojen ve hidroksit iyonları ihmal edildiğinde, fosfatın molü başına net baz tüketimi dolayısıyla şöyledir:
\[ (3-x)-\bar n=2.018769-x. \]
Alikottaki fosfat miktarı \(n_{\mathrm P}\) ise,
\[ \boxed{6.530\times10^{-4} =(2.018769-x)n_{\mathrm P}}. \]
Bu nedenle hidratlı tuzun molar kütlesi şu olmalıdır:
\[ M=\frac{0.100\ \mathrm g}{n_{\mathrm P}} =\frac{(0.100\ \mathrm g)(2.018769-x)} {6.530\times10^{-4}\ \mathrm{mol}}. \]
Olası üç sodyum içeriği şu sonuçları verir:
| \(x\) | Hesaplanan molar kütle | Değerlendirme |
|---|---|---|
| 1 | \(156.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) | Mümkün |
| 2 | \(2.874\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) | İmkânsız: yalnızca susuz tuzun molar kütlesi bile \(142.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) değerindedir |
| 3 | Fosfat miktarının negatif olmasını gerektirir | İmkânsız |
Dolayısıyla \(x=1\) olur. Susuz kısmın molar kütlesi şöyledir:
\[ M_{\mathrm{anhydrous}} =23.0+2(1.0)+31.0+4(16.0) =120.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Hidratasyon sayısı şöyledir:
\[ y=\frac{156.0-120.0}{18.0}=2.00. \]
Dolayısıyla,
\[ \boxed{\text{sodyum dihidrojen fosfat dihidrat, }\ce{NaH2PO4 * 2H2O}}. \]
Kontrol amacıyla, bu formülden
\[ n_{\mathrm P}=\frac{0.100}{156.0} =6.41026\times10^{-4}\ \mathrm{mol}, \]
ve dolayısıyla
\[ V_{\mathrm B} =\frac{2.000\times10^{-3} +(1.018769)(6.41026\times10^{-4})} {0.100} =0.0265306\ \mathrm L =26.53\ \mathrm{cm^3}, \]
elde edilir; bu da bildirilen titrasyon hacmiyle uyumludur.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1987 · Problema teórico 2
Identificación de un fosfato de sodio hidratado mediante valoración ácido-base
Se disuelven 500 mg de una sal de sodio hidratada del ácido fosfórico en 50.0 cm³ de ácido sulfúrico 0.1 molar. Esta disolución se diluye con agua destilada hasta 100.0 cm³ y se valoran 20.0 cm³ de ella con una disolución de \(\ce{NaOH}\) 0.100 molar utilizando timolftaleína como indicador. La lectura media de la bureta es de 26.53 cm³. El pH en el punto final es 10.00.
Cuestiones:
2.1 Calcule la distribución porcentual en moles de todas las especies protonadas \(\ce{H_{n}PO4^{n-3}}\) en el punto final.
2.2 ¿Cuál es la fórmula estequiométrica de la sal?
Las constantes acumulativas de protonación vienen dadas por
\[ \beta_n= \frac{[\ce{H_{n}PO4^{n-3}}]} {[\ce{PO4^3-}][\ce{H+}]^n} \]
donde \(\log\beta_1=11.70;\quad \log\beta_2=18.6;\quad \log\beta_3=20.6.\)
Las masas atómicas relativas son: Na = 23.0; P = 31.0; H = 1.0; O = 16.0.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 2.1: La distribución en el punto final, incluido el fosfato no protonado, es aproximadamente:
| Especie | Nombre | SMILES | Porcentaje molar |
|---|---|---|---|
| \(\ce{PO4^3-}\) | Fosfato | O=P([O-])([O-])[O-] |
\(1.95\%\) |
| \(\ce{HPO4^2-}\) | Hidrogenofosfato | O=P(O)([O-])[O-] |
\(97.97\%\) |
| \(\ce{H2PO4-}\) | Dihidrogenofosfato | O=P(O)(O)[O-] |
\(0.078\%\) |
| \(\ce{H3PO4}\) | Ácido fosfórico | O=P(O)(O)O |
\(7.8\times10^{-10}\%\) |
- 2.2: Dihidrogenofosfato de sodio dihidrato,
\[
\boxed{\ce{NaH2PO4 * 2H2O}}
\]
SMILES:
[Na+].O=P(O)(O)[O-].O.O. Esta representación indica la composición iónica y dos moléculas de agua de cristalización; no se especifica el empaquetamiento cristalino.
Solución
2.1 — Distribución del fosfato
Los equilibrios sucesivos de protonación son
\[ \begin{aligned} \ce{PO4^3- + H+ &<=> HPO4^2-}\\ \ce{HPO4^2- + H+ &<=> H2PO4-}\\ \ce{H2PO4- + H+ &<=> H3PO4}. \end{aligned} \]
Aquí, el ion hidrógeno, o protón, tiene la representación SMILES [H+].
A pH 10.00,
\[ h=[\ce{H+}]=10^{-10.00}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
Tomando \(\beta_0=1\), la fracción molar de la especie que contiene \(n\) protones unidos es
\[ \alpha_n=\frac{\beta_nh^n}{D}, \qquad D=1+\beta_1h+\beta_2h^2+\beta_3h^3. \]
Por tanto, las cantidades relativas son
\[ \begin{aligned} \ce{PO4^3-}:&\quad 1,\\ \ce{HPO4^2-}:&\quad 10^{11.70-10.00}=50.1187,\\ \ce{H2PO4-}:&\quad 10^{18.6-20.00}=0.0398107,\\ \ce{H3PO4}:&\quad 10^{20.6-30.00}=3.98107\times10^{-10}. \end{aligned} \]
Así, \(D=51.1585\). Al dividir cada cantidad relativa entre \(D\) y multiplicar por \(100\), se obtienen los porcentajes indicados anteriormente.
Para el cálculo de la valoración, el número medio de protones unidos por grupo fosfato es
\[ \begin{aligned} \bar n &=\alpha_1+2\alpha_2+3\alpha_3\\ &=0.979674736+2(0.000778183)+3(7.78183\times10^{-12})\\ &=0.981231. \end{aligned} \]
2.2 — Identificación de la sal hidratada
Escribimos la sal como
\[ \ce{Na_{x}H_{3-x}PO4 * yH2O}, \qquad x=1,\ 2,\ \text{o }3. \]
La alícuota de 20.0 cm³ contiene
\[ m=0.500\ \mathrm{g}\times\frac{20.0}{100.0} =0.100\ \mathrm{g} \]
de la sal original, junto con
\[ n_{\mathrm S} =(0.1\ \mathrm{mol\,L^{-1}})(0.0500\ \mathrm L) \frac{20.0}{100.0} =1.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol} \]
de ácido sulfúrico.
A pH 10, el ácido sulfúrico (O=S(=O)(O)O) ha perdido sus dos protones ácidos y ha formado sulfato (O=S(=O)([O-])[O-]):
\[ \ce{H2SO4 + 2OH- -> SO4^2- + 2H2O}. \]
El hidróxido de sodio ([Na+].[OH-]) aporta iones hidróxido ([OH-]), que forman agua (O) durante la neutralización. Los equilibrios de neutralización del fosfato son
\[ \begin{aligned} \ce{H3PO4 + OH- &<=> H2PO4- + H2O}\\ \ce{H2PO4- + OH- &<=> HPO4^2- + H2O}\\ \ce{HPO4^2- + OH- &<=> PO4^3- + H2O}. \end{aligned} \]
La cantidad de hidróxido de sodio añadida es
\[ n_{\mathrm B} =(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}) (0.02653\ \mathrm L) =2.653\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Tras descontar el consumo correspondiente a los dos protones ácidos del ácido sulfúrico, el consumo restante de base es
\[ n_{\mathrm B}-2n_{\mathrm S} =2.653\times10^{-3}-2.000\times10^{-3} =6.530\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
Cada grupo fosfato posee inicialmente \(3-x\) protones ácidos y conserva, en promedio, \(\bar n=0.981231\) en el punto final. Despreciando los iones hidrógeno e hidróxido libres en el balance en el punto final, el consumo neto de base por mol de fosfato es, por consiguiente,
\[ (3-x)-\bar n=2.018769-x. \]
Si \(n_{\mathrm P}\) es la cantidad de fosfato en la alícuota,
\[ \boxed{6.530\times10^{-4} =(2.018769-x)n_{\mathrm P}}. \]
Por tanto, la masa molar de la sal hidratada debe ser
\[ M=\frac{0.100\ \mathrm g}{n_{\mathrm P}} =\frac{(0.100\ \mathrm g)(2.018769-x)} {6.530\times10^{-4}\ \mathrm{mol}}. \]
Los tres posibles contenidos de sodio dan:
| \(x\) | Masa molar deducida | Evaluación |
|---|---|---|
| 1 | \(156.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) | Posible |
| 2 | \(2.874\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) | Imposible: la sal anhidra por sí sola tiene una masa molar de \(142.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) |
| 3 | Requeriría una cantidad negativa de fosfato | Imposible |
Por lo tanto, \(x=1\). La parte anhidra tiene una masa molar de
\[ M_{\mathrm{anhydrous}} =23.0+2(1.0)+31.0+4(16.0) =120.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
El número de hidratación es
\[ y=\frac{156.0-120.0}{18.0}=2.00. \]
Por tanto,
\[ \boxed{\text{dihidrogenofosfato de sodio dihidrato, }\ce{NaH2PO4 * 2H2O}}. \]
Como comprobación, esta fórmula predice
\[ n_{\mathrm P}=\frac{0.100}{156.0} =6.41026\times10^{-4}\ \mathrm{mol}, \]
y, por tanto,
\[ V_{\mathrm B} =\frac{2.000\times10^{-3} +(1.018769)(6.41026\times10^{-4})} {0.100} =0.0265306\ \mathrm L =26.53\ \mathrm{cm^3}, \]
en concordancia con el volumen de valorante indicado.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 1987 · 理论题 2
通过酸碱滴定鉴定含结晶水的磷酸钠盐
将 500 mg 某种含结晶水的磷酸钠盐溶解于 50.0 cm³ 浓度为 0.1 mol/L 的硫酸中。用蒸馏水将此溶液稀释至 100.0 cm³,取其中 20.0 cm³,以百里酚酞为指示剂,用浓度为 0.100 mol/L 的 \(\ce{NaOH}\) 溶液滴定。滴定管读数的平均值为 26.53 cm³。终点时的 pH 为 10.00。
问题:
2.1 计算终点时所有质子化物种 \(\ce{H_{n}PO4^{n-3}}\) 按物质的量计的百分比分布。
2.2 该盐的化学计量式是什么?
累积质子化常数定义为
\[ \beta_n= \frac{[\ce{H_{n}PO4^{n-3}}]} {[\ce{PO4^3-}][\ce{H+}]^n} \]
其中 \(\log\beta_1=11.70;\quad \log\beta_2=18.6;\quad \log\beta_3=20.6.\)
相对原子质量为:Na = 23.0;P = 31.0;H = 1.0;O = 16.0。
题目译自官方英文原文。
答案
- 2.1: 终点时的物种分布(包括未质子化的磷酸根离子)近似为:
| 物种 | 名称 | SMILES | 物质的量百分比 |
|---|---|---|---|
| \(\ce{PO4^3-}\) | 磷酸根离子 | O=P([O-])([O-])[O-] |
\(1.95\%\) |
| \(\ce{HPO4^2-}\) | 磷酸氢根离子 | O=P(O)([O-])[O-] |
\(97.97\%\) |
| \(\ce{H2PO4-}\) | 磷酸二氢根离子 | O=P(O)(O)[O-] |
\(0.078\%\) |
| \(\ce{H3PO4}\) | 磷酸 | O=P(O)(O)O |
\(7.8\times10^{-10}\%\) |
- 2.2: 二水合磷酸二氢钠,
\[
\boxed{\ce{NaH2PO4 * 2H2O}}
\]
SMILES:
[Na+].O=P(O)(O)[O-].O.O。这表示其离子组成以及两个结晶水分子;未指定晶体堆积方式。
解答
2.1 — 磷酸体系的物种分布
逐级质子化平衡为
\[ \begin{aligned} \ce{PO4^3- + H+ &<=> HPO4^2-}\\ \ce{HPO4^2- + H+ &<=> H2PO4-}\\ \ce{H2PO4- + H+ &<=> H3PO4}. \end{aligned} \]
这里,氢离子(即质子)的 SMILES 为 [H+]。
在 pH 为 10.00 时,
\[ h=[\ce{H+}]=10^{-10.00}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
取 \(\beta_0=1\),结合了 \(n\) 个质子的物种的摩尔分数为
\[ \alpha_n=\frac{\beta_nh^n}{D}, \qquad D=1+\beta_1h+\beta_2h^2+\beta_3h^3. \]
因此,各物种的相对物质的量为
\[ \begin{aligned} \ce{PO4^3-}:&\quad 1,\\ \ce{HPO4^2-}:&\quad 10^{11.70-10.00}=50.1187,\\ \ce{H2PO4-}:&\quad 10^{18.6-20.00}=0.0398107,\\ \ce{H3PO4}:&\quad 10^{20.6-30.00}=3.98107\times10^{-10}. \end{aligned} \]
由此得 \(D=51.1585\)。将各相对物质的量除以 \(D\),再乘以 \(100\),即可得到上表所列的百分比。
为进行滴定计算,每个磷酸基团结合的平均质子数为
\[ \begin{aligned} \bar n &=\alpha_1+2\alpha_2+3\alpha_3\\ &=0.979674736+2(0.000778183)+3(7.78183\times10^{-12})\\ &=0.981231. \end{aligned} \]
2.2 — 含结晶水的盐的鉴定
将该盐写为
\[ \ce{Na_{x}H_{3-x}PO4 * yH2O}, \qquad x=1,\ 2,\ \text{或 }3. \]
分取的 20.0 cm³ 溶液中含有的原盐质量为
\[ m=0.500\ \mathrm{g}\times\frac{20.0}{100.0} =0.100\ \mathrm{g} \]
以及物质的量为
\[ n_{\mathrm S} =(0.1\ \mathrm{mol\,L^{-1}})(0.0500\ \mathrm L) \frac{20.0}{100.0} =1.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol} \]
的硫酸。
在 pH 为 10 时,硫酸(O=S(=O)(O)O)已失去两个酸性质子,形成硫酸根离子(O=S(=O)([O-])[O-]):
\[ \ce{H2SO4 + 2OH- -> SO4^2- + 2H2O}. \]
氢氧化钠([Na+].[OH-])提供氢氧根离子([OH-]),后者在中和时生成水(O)。磷酸体系的中和平衡为
\[ \begin{aligned} \ce{H3PO4 + OH- &<=> H2PO4- + H2O}\\ \ce{H2PO4- + OH- &<=> HPO4^2- + H2O}\\ \ce{HPO4^2- + OH- &<=> PO4^3- + H2O}. \end{aligned} \]
加入的氢氧化钠的物质的量为
\[ n_{\mathrm B} =(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}) (0.02653\ \mathrm L) =2.653\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
扣除中和硫酸的两个酸性质子所消耗的碱后,剩余的碱消耗量为
\[ n_{\mathrm B}-2n_{\mathrm S} =2.653\times10^{-3}-2.000\times10^{-3} =6.530\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
每个磷酸基团最初带有 \(3-x\) 个酸性质子,在终点时平均保留 \(\bar n=0.981231\) 个质子。在终点的物料衡算中忽略游离氢离子和氢氧根离子,因此每摩尔磷酸基团的净耗碱量为
\[ (3-x)-\bar n=2.018769-x. \]
若 \(n_{\mathrm P}\) 为分取溶液中磷酸基团的物质的量,则
\[ \boxed{6.530\times10^{-4} =(2.018769-x)n_{\mathrm P}}. \]
因此,该含结晶水的盐的摩尔质量必为
\[ M=\frac{0.100\ \mathrm g}{n_{\mathrm P}} =\frac{(0.100\ \mathrm g)(2.018769-x)} {6.530\times10^{-4}\ \mathrm{mol}}. \]
三种可能的钠含量分别给出:
| \(x\) | 推算的摩尔质量 | 判断 |
|---|---|---|
| 1 | \(156.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) | 可能 |
| 2 | \(2.874\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) | 不可能:仅无水盐的摩尔质量就已达 \(142.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) |
| 3 | 将要求磷酸基团的物质的量为负值 | 不可能 |
因此 \(x=1\)。无水部分的摩尔质量为
\[ M_{\mathrm{anhydrous}} =23.0+2(1.0)+31.0+4(16.0) =120.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
结晶水数为
\[ y=\frac{156.0-120.0}{18.0}=2.00. \]
因此,
\[ \boxed{\text{二水合磷酸二氢钠, }\ce{NaH2PO4 * 2H2O}}. \]
作为核验,由此化学式可推算出
\[ n_{\mathrm P}=\frac{0.100}{156.0} =6.41026\times10^{-4}\ \mathrm{mol}, \]
从而
\[ V_{\mathrm B} =\frac{2.000\times10^{-3} +(1.018769)(6.41026\times10^{-4})} {0.100} =0.0265306\ \mathrm L =26.53\ \mathrm{cm^3}, \]
与题目给出的滴定体积一致。
解答已与官方解答核对。
IChO 1987 · Теоретическая задача 2
Идентификация кристаллогидрата фосфата натрия методом кислотно-основного титрования
500 mg кристаллогидрата натриевой соли фосфорной кислоты растворяют в 50.0 cm³ 0.1-молярной серной кислоты. Этот раствор разбавляют дистиллированной водой до 100.0 cm³, а затем 20.0 cm³ полученного раствора титруют 0.100-молярным раствором \(\ce{NaOH}\), используя тимолфталеин в качестве индикатора. Среднее значение отсчёта по бюретке составляет 26.53 cm³. pH в конечной точке титрования равен 10.00.
Вопросы:
2.1 Рассчитайте распределение всех протонированных форм \(\ce{H_{n}PO4^{n-3}}\) в конечной точке титрования в мольных процентах.
2.2 Какова стехиометрическая формула соли?
Суммарные константы протонирования определяются выражением
\[ \beta_n= \frac{[\ce{H_{n}PO4^{n-3}}]} {[\ce{PO4^3-}][\ce{H+}]^n} \]
где \(\log\beta_1=11.70;\quad \log\beta_2=18.6;\quad \log\beta_3=20.6.\)
Относительные атомные массы: Na = 23.0; P = 31.0; H = 1.0; O = 16.0.
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 2.1: Распределение в конечной точке титрования, включая непротонированный фосфат-ион, приблизительно следующее:
| Форма | Название | SMILES | Мольная доля в процентах |
|---|---|---|---|
| \(\ce{PO4^3-}\) | Фосфат-ион | O=P([O-])([O-])[O-] |
\(1.95\%\) |
| \(\ce{HPO4^2-}\) | Гидрофосфат-ион | O=P(O)([O-])[O-] |
\(97.97\%\) |
| \(\ce{H2PO4-}\) | Дигидрофосфат-ион | O=P(O)(O)[O-] |
\(0.078\%\) |
| \(\ce{H3PO4}\) | Фосфорная кислота | O=P(O)(O)O |
\(7.8\times10^{-10}\%\) |
- 2.2: Дигидрат дигидрофосфата натрия,
\[
\boxed{\ce{NaH2PO4 * 2H2O}}
\]
SMILES:
[Na+].O=P(O)(O)[O-].O.O. Эта запись отражает ионный состав и наличие двух молекул кристаллизационной воды; расположение частиц в кристалле не указано.
Решение
2.1 — Распределение фосфатных форм
Последовательные равновесия протонирования имеют вид
\[ \begin{aligned} \ce{PO4^3- + H+ &<=> HPO4^2-}\\ \ce{HPO4^2- + H+ &<=> H2PO4-}\\ \ce{H2PO4- + H+ &<=> H3PO4}. \end{aligned} \]
Здесь ион водорода, или протон, имеет запись SMILES [H+].
При pH 10.00
\[ h=[\ce{H+}]=10^{-10.00}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
Принимая \(\beta_0=1\), мольную долю формы, содержащей \(n\) связанных протонов, записываем как
\[ \alpha_n=\frac{\beta_nh^n}{D}, \qquad D=1+\beta_1h+\beta_2h^2+\beta_3h^3. \]
Следовательно, относительные количества равны
\[ \begin{aligned} \ce{PO4^3-}:&\quad 1,\\ \ce{HPO4^2-}:&\quad 10^{11.70-10.00}=50.1187,\\ \ce{H2PO4-}:&\quad 10^{18.6-20.00}=0.0398107,\\ \ce{H3PO4}:&\quad 10^{20.6-30.00}=3.98107\times10^{-10}. \end{aligned} \]
Таким образом, \(D=51.1585\). Разделив каждое относительное количество на \(D\) и умножив на \(100\), получаем приведённые выше процентные содержания.
Для расчётов по результатам титрования среднее число связанных протонов на одну фосфатную группу равно
\[ \begin{aligned} \bar n &=\alpha_1+2\alpha_2+3\alpha_3\\ &=0.979674736+2(0.000778183)+3(7.78183\times10^{-12})\\ &=0.981231. \end{aligned} \]
2.2 — Идентификация кристаллогидрата соли
Запишем формулу соли в виде
\[ \ce{Na_{x}H_{3-x}PO4 * yH2O}, \qquad x=1,\ 2,\ \text{или }3. \]
Аликвота объёмом 20.0 cm³ содержит
\[ m=0.500\ \mathrm{g}\times\frac{20.0}{100.0} =0.100\ \mathrm{g} \]
исходной соли, а также
\[ n_{\mathrm S} =(0.1\ \mathrm{mol\,L^{-1}})(0.0500\ \mathrm L) \frac{20.0}{100.0} =1.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol} \]
серной кислоты.
При pH 10 серная кислота (O=S(=O)(O)O) отдаёт оба кислотных протона, образуя сульфат-ион (O=S(=O)([O-])[O-]):
\[ \ce{H2SO4 + 2OH- -> SO4^2- + 2H2O}. \]
Гидроксид натрия ([Na+].[OH-]) служит источником гидроксид-ионов ([OH-]), которые при нейтрализации образуют воду (O). Равновесия нейтрализации фосфатных форм имеют вид
\[ \begin{aligned} \ce{H3PO4 + OH- &<=> H2PO4- + H2O}\\ \ce{H2PO4- + OH- &<=> HPO4^2- + H2O}\\ \ce{HPO4^2- + OH- &<=> PO4^3- + H2O}. \end{aligned} \]
Количество добавленного гидроксида натрия равно
\[ n_{\mathrm B} =(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}) (0.02653\ \mathrm L) =2.653\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
После учёта двух кислотных протонов серной кислоты оставшийся расход основания составляет
\[ n_{\mathrm B}-2n_{\mathrm S} =2.653\times10^{-3}-2.000\times10^{-3} =6.530\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
Каждая фосфатная группа первоначально содержит \(3-x\) кислотных протонов и в конечной точке титрования сохраняет в среднем \(\bar n=0.981231\) протона. Следовательно, если пренебречь свободными ионами водорода и гидроксид-ионами в балансе для конечной точки титрования, результирующий расход основания на один моль фосфата составляет
\[ (3-x)-\bar n=2.018769-x. \]
Если \(n_{\mathrm P}\) — количество фосфата в аликвоте, то
\[ \boxed{6.530\times10^{-4} =(2.018769-x)n_{\mathrm P}}. \]
Таким образом, молярная масса кристаллогидрата соли должна быть равна
\[ M=\frac{0.100\ \mathrm g}{n_{\mathrm P}} =\frac{(0.100\ \mathrm g)(2.018769-x)} {6.530\times10^{-4}\ \mathrm{mol}}. \]
Для трёх возможных значений содержания натрия получаем:
| \(x\) | Рассчитанная молярная масса | Оценка |
|---|---|---|
| 1 | \(156.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) | Возможно |
| 2 | \(2.874\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) | Невозможно: уже сама безводная соль имеет молярную массу \(142.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) |
| 3 | Потребовалось бы отрицательное количество фосфата | Невозможно |
Следовательно, \(x=1\). Молярная масса безводной части равна
\[ M_{\mathrm{anhydrous}} =23.0+2(1.0)+31.0+4(16.0) =120.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
Число молекул кристаллизационной воды равно
\[ y=\frac{156.0-120.0}{18.0}=2.00. \]
Таким образом,
\[ \boxed{\text{дигидрат дигидрофосфата натрия, }\ce{NaH2PO4 * 2H2O}}. \]
Для проверки по этой формуле получаем
\[ n_{\mathrm P}=\frac{0.100}{156.0} =6.41026\times10^{-4}\ \mathrm{mol}, \]
и, следовательно,
\[ V_{\mathrm B} =\frac{2.000\times10^{-3} +(1.018769)(6.41026\times10^{-4})} {0.100} =0.0265306\ \mathrm L =26.53\ \mathrm{cm^3}, \]
что согласуется с указанным объёмом титранта.
Решение проверено по официальному решению.
IChO 1987 · مسألة نظرية 2
تعيين هوية فوسفات صوديوم مميّهة بمعايرة حمضية قاعدية
تُذاب 500 mg من أحد أملاح الصوديوم المميّهة لحمض الفوسفوريك في 50.0 cm³ من حمض الكبريتيك بتركيز 0.1 مولاري. يُخفَّف هذا المحلول بالماء المقطر إلى 100.0 cm³، وتُعايَر 20.0 cm³ منه بمحلول \(\ce{NaOH}\) بتركيز 0.100 مولاري باستخدام الثيمولفثالين دليلًا. يبلغ متوسط قراءة السحاحة 26.53 cm³. وتبلغ قيمة pH عند نقطة النهاية 10.00.
المطلوب:
2.1 احسب التوزيع بالنسبة المئوية المولية لجميع الأنواع المبرتنة \(\ce{H_{n}PO4^{n-3}}\) عند نقطة النهاية.
2.2 ما الصيغة الستوكيومترية للملح؟
تُعطى ثوابت البروتنة التراكمية بالعلاقة
\[ \beta_n= \frac{[\ce{H_{n}PO4^{n-3}}]} {[\ce{PO4^3-}][\ce{H+}]^n} \]
حيث \(\log\beta_1=11.70;\quad \log\beta_2=18.6;\quad \log\beta_3=20.6.\)
الكتل الذرية النسبية هي: Na = 23.0; P = 31.0; H = 1.0; O = 16.0.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 2.1: يكون التوزيع عند نقطة النهاية، بما في ذلك الفوسفات غير المبرتنة، تقريبًا كما يلي:
| النوع | الاسم | SMILES | النسبة المئوية المولية |
|---|---|---|---|
| \(\ce{PO4^3-}\) | فوسفات | O=P([O-])([O-])[O-] |
\(1.95\%\) |
| \(\ce{HPO4^2-}\) | هيدروجين فوسفات | O=P(O)([O-])[O-] |
\(97.97\%\) |
| \(\ce{H2PO4-}\) | ثنائي هيدروجين فوسفات | O=P(O)(O)[O-] |
\(0.078\%\) |
| \(\ce{H3PO4}\) | حمض الفوسفوريك | O=P(O)(O)O |
\(7.8\times10^{-10}\%\) |
- 2.2: ثنائي هيدروجين فوسفات الصوديوم ثنائي الهيدرات،
\[
\boxed{\ce{NaH2PO4 * 2H2O}}
\]
SMILES:
[Na+].O=P(O)(O)[O-].O.O. يمثّل هذا التركيب الأيوني وجزيئَي ماء التبلور؛ أما التراص البلوري فغير محدَّد.
الحل
2.1 — توزيع الفوسفات
اتزانات البروتنة المتتالية هي
\[ \begin{aligned} \ce{PO4^3- + H+ &<=> HPO4^2-}\\ \ce{HPO4^2- + H+ &<=> H2PO4-}\\ \ce{H2PO4- + H+ &<=> H3PO4}. \end{aligned} \]
هنا يُمثَّل أيون الهيدروجين، أو البروتون، بترميز SMILES [H+].
عند قيمة pH تساوي 10.00،
\[ h=[\ce{H+}]=10^{-10.00}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
بأخذ \(\beta_0=1\)، يكون الكسر المولي للنوع الذي يحتوي على \(n\) من البروتونات المرتبطة هو
\[ \alpha_n=\frac{\beta_nh^n}{D}, \qquad D=1+\beta_1h+\beta_2h^2+\beta_3h^3. \]
وعليه، تكون الكميات النسبية
\[ \begin{aligned} \ce{PO4^3-}:&\quad 1,\\ \ce{HPO4^2-}:&\quad 10^{11.70-10.00}=50.1187,\\ \ce{H2PO4-}:&\quad 10^{18.6-20.00}=0.0398107,\\ \ce{H3PO4}:&\quad 10^{20.6-30.00}=3.98107\times10^{-10}. \end{aligned} \]
إذن \(D=51.1585\). وبقسمة كل كمية نسبية على \(D\) وضربها في \(100\)، نحصل على النسب المئوية المدرجة أعلاه.
لحساب المعايرة، يكون متوسط عدد البروتونات المرتبطة بكل مجموعة فوسفات هو
\[ \begin{aligned} \bar n &=\alpha_1+2\alpha_2+3\alpha_3\\ &=0.979674736+2(0.000778183)+3(7.78183\times10^{-12})\\ &=0.981231. \end{aligned} \]
2.2 — تعيين هوية الملح المميّه
نكتب صيغة الملح على النحو الآتي
\[ \ce{Na_{x}H_{3-x}PO4 * yH2O}, \qquad x=1,\ 2,\ \text{أو }3. \]
تحتوي الحصة المأخوذة البالغ حجمها 20.0 cm³ على
\[ m=0.500\ \mathrm{g}\times\frac{20.0}{100.0} =0.100\ \mathrm{g} \]
من الملح الأصلي، إلى جانب
\[ n_{\mathrm S} =(0.1\ \mathrm{mol\,L^{-1}})(0.0500\ \mathrm L) \frac{20.0}{100.0} =1.00\times10^{-3}\ \mathrm{mol} \]
من حمض الكبريتيك.
عند قيمة pH تساوي 10، يكون حمض الكبريتيك (O=S(=O)(O)O) قد فقد كلا بروتونيه الحمضيين، مكوِّنًا الكبريتات (O=S(=O)([O-])[O-]):
\[ \ce{H2SO4 + 2OH- -> SO4^2- + 2H2O}. \]
يوفّر هيدروكسيد الصوديوم ([Na+].[OH-]) أيونات الهيدروكسيد ([OH-])، التي تكوّن الماء (O) عند التعادل. واتزانات تعادل الفوسفات هي
\[ \begin{aligned} \ce{H3PO4 + OH- &<=> H2PO4- + H2O}\\ \ce{H2PO4- + OH- &<=> HPO4^2- + H2O}\\ \ce{HPO4^2- + OH- &<=> PO4^3- + H2O}. \end{aligned} \]
كمية هيدروكسيد الصوديوم المضافة هي
\[ n_{\mathrm B} =(0.100\ \mathrm{mol\,L^{-1}}) (0.02653\ \mathrm L) =2.653\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
بعد احتساب البروتونين الحمضيين لحمض الكبريتيك، يكون استهلاك القاعدة المتبقي هو
\[ n_{\mathrm B}-2n_{\mathrm S} =2.653\times10^{-3}-2.000\times10^{-3} =6.530\times10^{-4}\ \mathrm{mol}. \]
تحمل كل مجموعة فوسفات في البداية \(3-x\) من البروتونات الحمضية، وتحتفظ عند نقطة النهاية بمتوسط قدره \(\bar n=0.981231\). وبإهمال أيونات الهيدروجين والهيدروكسيد الحرة في موازنة نقطة النهاية، يكون صافي استهلاك القاعدة لكل مول من الفوسفات، تبعًا لذلك، هو
\[ (3-x)-\bar n=2.018769-x. \]
إذا كانت \(n_{\mathrm P}\) كمية الفوسفات في الحصة المأخوذة، فإن
\[ \boxed{6.530\times10^{-4} =(2.018769-x)n_{\mathrm P}}. \]
وعليه، يجب أن تكون الكتلة المولية للملح المميّه
\[ M=\frac{0.100\ \mathrm g}{n_{\mathrm P}} =\frac{(0.100\ \mathrm g)(2.018769-x)} {6.530\times10^{-4}\ \mathrm{mol}}. \]
تعطي القيم الثلاث الممكنة لمحتوى الصوديوم ما يلي:
| \(x\) | الكتلة المولية المستنتجة | التقييم |
|---|---|---|
| 1 | \(156.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) | ممكن |
| 2 | \(2.874\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) | مستحيل: الكتلة المولية للملح اللامائي وحده هي \(142.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) |
| 3 | يستلزم كمية سالبة من الفوسفات | مستحيل |
إذن \(x=1\). وتكون الكتلة المولية للجزء اللامائي
\[ M_{\mathrm{anhydrous}} =23.0+2(1.0)+31.0+4(16.0) =120.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
عدد جزيئات ماء التبلور هو
\[ y=\frac{156.0-120.0}{18.0}=2.00. \]
لذلك،
\[ \boxed{\text{ثنائي هيدروجين فوسفات الصوديوم ثنائي الهيدرات، }\ce{NaH2PO4 * 2H2O}}. \]
للتحقق، تتنبأ هذه الصيغة بأن
\[ n_{\mathrm P}=\frac{0.100}{156.0} =6.41026\times10^{-4}\ \mathrm{mol}, \]
ومن ثم
\[ V_{\mathrm B} =\frac{2.000\times10^{-3} +(1.018769)(6.41026\times10^{-4})} {0.100} =0.0265306\ \mathrm L =26.53\ \mathrm{cm^3}, \]
وهو ما يتفق مع حجم محلول المعايِر المذكور.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.