IChO 1994 · Theory problem 2
Kjeldahl determination of nitrogen
Nitrogen in agricultural materials is often determined by the Kjeldahl method. The method involves a treatment of the sample with hot concentrated sulphuric acid, to convert organically bound nitrogen to ammonium ion. Concentrated sodium hydroxide is then added, and the ammonia formed is distilled into hydrochloric acid of known volume and concentration. The excess hydrochloric acid is then back-titrated with a standard solution of sodium hydroxide, to determine nitrogen in the sample.
2.1 0.2515 g of a grain sample was treated with sulphuric acid, sodium hydroxide was then added and the ammonia distilled into \(50.00\ \mathrm{cm^3}\) of 0.1010 M hydrochloric acid. The excess acid was back-titrated with \(19.30\ \mathrm{cm^3}\) of 0.1050 M sodium hydroxide.
Calculate the concentration of nitrogen in the sample, in percent by mass.
2.2 Calculate the pH of the solution which is titrated in 2.1 when \(0\ \mathrm{cm^3}\), \(9.65\ \mathrm{cm^3}\), \(19.30\ \mathrm{cm^3}\) and \(28.95\ \mathrm{cm^3}\) of sodium hydroxide have been added. Disregard any volume change during the reaction of ammonia gas with hydrochloric acid. \(K_a\) for ammonium ion is \(5.7\times10^{-10}\).
2.3 Draw the titration curve based on the calculations in b).
2.4 What is the pH transition range of the indicator which could be used for the back titration.
2.5 The Kjeldahl method can also be used to determine the molecular weight of amino acids. In a given experiment, the molecular weight of a naturally occurring amino acid was determined by digesting 0.2345 g of the pure acid and distilling ammonia released into \(50.00\ \mathrm{cm^3}\) of 0.1010 M hydrochloric acid. A titration volume of \(17.50\ \mathrm{cm^3}\) was obtained for the back titration with 0.1050 M sodium hydroxide.
Calculate the molecular weight of the amino acid based on one and two nitrogen groups in the molecule, respectively.
Official English text of the problem.
Answers
- 2.1: \(\boxed{16.84\%}\) nitrogen by mass.
- 2.2: At added sodium hydroxide volumes \(0,\ 9.65,\ 19.30,\ 28.95\ \mathrm{cm^3}\), respectively: \[ \boxed{\mathrm{pH}=1.39,\quad1.77,\quad5.30,\quad8.95.} \]
- 2.3: A smooth, increasing pH–volume curve through these four points, rising sharply around \(19.30\ \mathrm{cm^3}\), then becoming less steep in the ammonium–ammonia buffer region.
- 2.4: A transition interval approximately \(\boxed{\mathrm{pH}\ 4\text{–}6}\), encompassing the endpoint at pH \(5.30\), is suitable.
- 2.5: The molar masses are \(\boxed{73.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\) for one nitrogen atom per molecule and \(\boxed{146.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\) for two. The corresponding relative molecular masses are \(73.00\) and \(146.0\).
Solution
2.1 — Nitrogen content
The species involved in the ionic reactions are ammonium ion, \(\ce{NH4+}\) ([NH4+]); ammonia, \(\ce{NH3}\) (N); hydroxide ion, \(\ce{OH-}\) ([OH-]); water, \(\ce{H2O}\) (O); and aqueous hydrogen ion, \(\ce{H+}\) ([H+], representing a hydrated proton).
Digestion converts the nitrogen into ammonium ion. Addition of hydroxide releases ammonia:
\[ \ce{NH4+ + OH- -> NH3 + H2O}. \]
The distilled ammonia consumes acid in a \(1:1\) molar ratio:
\[ \ce{NH3 + H+ -> NH4+}. \]
The remaining acid is determined by neutralization:
\[ \ce{H+ + OH- -> H2O}. \]
The initial amount of acid is
\[ n_{\text{acid,initial}} =(0.05000\ \mathrm{dm^3})(0.1010\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) =5.050\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
The amount left after ammonia absorption equals the amount of back-titrant:
\[ n_{\text{acid,remaining}} =(0.01930\ \mathrm{dm^3})(0.1050\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) =2.0265\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Thus, retaining guard digits,
\[ n_{\mathrm N}=n_{\text{ammonia}} =(5.050-2.0265)\times10^{-3} =3.0235\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Using the nitrogen atomic molar mass \(14.01\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\),
\[ m_{\mathrm N} =(3.0235\times10^{-3})(14.01) =0.0423592\ \mathrm g. \]
Therefore,
\[ \boxed{ w_{\mathrm N} =\frac{0.0423592}{0.2515}\times100\% =16.84\%. } \]
2.2 — pH during the back titration
Before titration, the \(50.00\ \mathrm{cm^3}\) solution contains:
\[ n_{\text{excess strong acid}}=2.0265\ \mathrm{mmol}, \qquad n_{\text{ammonium}}=3.0235\ \mathrm{mmol}. \]
The strong acid dominates the pH before its neutralization. At \(19.30\ \mathrm{cm^3}\), ammonium determines the pH. Subsequent hydroxide converts some ammonium into ammonia, forming a buffer.
At \(0\ \mathrm{cm^3}\)
Ammonium dissociation is negligible in the presence of excess strong acid:
\[ [\ce{H+}] =\frac{2.0265\times10^{-3}\ \mathrm{mol}} {0.05000\ \mathrm{dm^3}} =0.04053\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Hence,
\[ \boxed{\mathrm{pH}=-\log_{10}(0.04053)=1.39.} \]
At \(9.65\ \mathrm{cm^3}\)
The added hydroxide neutralizes
\[ n_{\text{hydroxide}} =(0.00965)(0.1050) =1.01325\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
The remaining strong acid is therefore also \(1.01325\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\). Including dilution,
\[ [\ce{H+}] =\frac{1.01325\times10^{-3}} {0.05000+0.00965} =0.0169866\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}, \]
so
\[ \boxed{\mathrm{pH}=1.77.} \]
At \(19.30\ \mathrm{cm^3}\)
The excess strong acid has been neutralized. Ammonium acts as a weak acid:
\[ \ce{NH4+ <=> NH3 + H+}. \]
Its analytical concentration is
\[ C=\frac{3.0235\times10^{-3}} {0.05000+0.01930} =0.0436291\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Writing \(x=[\ce{H+}]\), the weak-acid equilibrium gives
\[ K_a=\frac{x^2}{C-x}. \]
Because dissociation is small, \(C-x\approx C\), and therefore
\[ [\ce{H+}] \approx\sqrt{K_aC} =\sqrt{(5.7\times10^{-10})(0.0436291)} =4.99\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Thus,
\[ \boxed{\mathrm{pH}=5.30.} \]
The approximation is justified because \(x/C\approx1.1\times10^{-4}\).
At \(28.95\ \mathrm{cm^3}\)
The hydroxide added beyond strong-acid neutralization reacts with ammonium:
\[ \ce{NH4+ + OH- -> NH3 + H2O}. \]
The amount reacting in this stage is
\[ n_{\text{hydroxide,additional}} =(0.02895-0.01930)(0.1050) =1.01325\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Consequently,
\[ n_{\text{ammonia}}=1.01325\ \mathrm{mmol}, \]
\[ n_{\text{ammonium}} =3.02350-1.01325 =2.01025\ \mathrm{mmol}. \]
Rearranging the ammonium acid-dissociation expression,
\[ \mathrm{pH} =\mathrm{p}K_a+ \log_{10}\frac{[\ce{NH3}]}{[\ce{NH4+}]}. \]
Both species occupy the same volume, so their concentration ratio equals their mole ratio:
\[ \begin{aligned} \mathrm{pH} &=-\log_{10}(5.7\times10^{-10}) +\log_{10}\left(\frac{1.01325}{2.01025}\right)\\ &=9.2441-0.2975. \end{aligned} \]
Therefore,
\[ \boxed{\mathrm{pH}=8.95.} \]
2.3 — Description of the titration curve
Draw the horizontal axis as volume of 0.1050 M sodium hydroxide added, from \(0\) to approximately \(30\ \mathrm{cm^3}\), and the vertical axis as pH, from approximately \(0\) to \(10\).
Mark these points:
| Added volume / \(\mathrm{cm^3}\) | pH |
|---|---|
| 0.00 | 1.39 |
| 9.65 | 1.77 |
| 19.30 | 5.30 |
| 28.95 | 8.95 |
Draw a smooth curve that:
- Begins at pH \(1.39\) and rises gradually through \((9.65,\ 1.77)\).
- Becomes increasingly steep as the excess strong acid approaches exhaustion.
- Passes through the steep endpoint region at \((19.30,\ 5.30)\).
- Bends toward a gentler rise beyond the endpoint as the ammonium–ammonia buffer forms, reaching \((28.95,\ 8.95)\).
Label \(19.30\ \mathrm{cm^3}\) as the excess strong-acid equivalence volume.
2.4 — Indicator transition range
The indicator should change colour within the steep part of the curve surrounding the equivalence pH of \(5.30\). A transition interval approximately
\[ \boxed{\mathrm{pH}\ 4\text{–}6} \]
is suitable. This detects neutralization of the excess strong acid before an appreciable fraction of the ammonium has been converted into ammonia.
2.5 — Molecular weight of the amino acid
The amount of acid initially present is again
\[ n_{\text{acid,initial}}=5.050\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
The back titration measures the remaining acid:
\[ n_{\text{acid,remaining}} =(0.01750)(0.1050) =1.8375\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Hence the amino-acid sample produces
\[ n_{\text{ammonia}} =(5.050-1.8375)\times10^{-3} =3.2125\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
If each amino-acid molecule contains \(z\) nitrogen atoms, then
\[ n_{\text{amino acid}}=\frac{n_{\text{ammonia}}}{z}, \]
so its molar mass is
\[ M=\frac{m}{n_{\text{amino acid}}} =\frac{zm}{n_{\text{ammonia}}}. \]
For one nitrogen atom per molecule,
\[ \boxed{ M=\frac{0.2345\ \mathrm g} {3.2125\times10^{-3}\ \mathrm{mol}} =73.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. } \]
For two nitrogen atoms per molecule,
\[ \boxed{ M=\frac{2(0.2345\ \mathrm g)} {3.2125\times10^{-3}\ \mathrm{mol}} =146.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. } \]
The corresponding dimensionless relative molecular masses are \(73.00\) and \(146.0\), respectively.
The solution was checked against the official solution.
IChO 1994 · Theorieaufgabe 2
Stickstoffbestimmung nach Kjeldahl
Stickstoff in landwirtschaftlichen Materialien wird häufig nach der Kjeldahl-Methode bestimmt. Bei diesem Verfahren wird die Probe mit heißer konzentrierter Schwefelsäure behandelt, um organisch gebundenen Stickstoff in Ammoniumionen umzuwandeln. Anschließend wird konzentrierte Natronlauge zugegeben, und das gebildete Ammoniak wird in Salzsäure mit bekanntem Volumen und bekannter Konzentration destilliert. Die überschüssige Salzsäure wird dann mit einer Natriumhydroxid-Maßlösung zurücktitriert, um den Stickstoffgehalt der Probe zu bestimmen.
2.1 0.2515 g einer Getreideprobe wurden mit Schwefelsäure behandelt. Anschließend wurde Natronlauge zugegeben und das Ammoniak in \(50.00\ \mathrm{cm^3}\) 0.1010 M Salzsäure destilliert. Die überschüssige Säure wurde mit \(19.30\ \mathrm{cm^3}\) 0.1050 M Natronlauge zurücktitriert.
Berechnen Sie den Stickstoffgehalt der Probe in Massenprozent.
2.2 Berechnen Sie den pH-Wert der in 2.1 titrierten Lösung nach Zugabe von \(0\ \mathrm{cm^3}\), \(9.65\ \mathrm{cm^3}\), \(19.30\ \mathrm{cm^3}\) und \(28.95\ \mathrm{cm^3}\) Natronlauge. Vernachlässigen Sie jegliche Volumenänderung bei der Reaktion von gasförmigem Ammoniak mit Salzsäure. \(K_a\) für das Ammoniumion beträgt \(5.7\times10^{-10}\).
2.3 Zeichnen Sie die Titrationskurve auf der Grundlage der Berechnungen in b).
2.4 Welchen pH-Umschlagsbereich sollte ein Indikator haben, der für die Rücktitration verwendet werden könnte?
2.5 Die Kjeldahl-Methode kann auch zur Bestimmung der Molekülmasse von Aminosäuren verwendet werden. In einem Versuch wurde die Molekülmasse einer natürlich vorkommenden Aminosäure bestimmt, indem 0.2345 g der reinen Säure aufgeschlossen und das freigesetzte Ammoniak in \(50.00\ \mathrm{cm^3}\) 0.1010 M Salzsäure destilliert wurden. Bei der Rücktitration mit 0.1050 M Natronlauge wurde ein Titrationsvolumen von \(17.50\ \mathrm{cm^3}\) erhalten.
Berechnen Sie die Molekülmasse der Aminosäure unter der Annahme von einer beziehungsweise zwei stickstoffhaltigen Gruppen im Molekül.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 2.1: \(\boxed{16.84\%}\) Stickstoff als Massenanteil.
- 2.2: Bei zugegebenen Natronlaugevolumina von \(0,\ 9.65,\ 19.30,\ 28.95\ \mathrm{cm^3}\) ergeben sich jeweils: \[ \boxed{\mathrm{pH}=1.39,\quad1.77,\quad5.30,\quad8.95.} \]
- 2.3: Eine glatte, ansteigende pH-Volumen-Kurve durch diese vier Punkte, die um \(19.30\ \mathrm{cm^3}\) steil ansteigt und anschließend im Ammonium-Ammoniak-Pufferbereich flacher verläuft.
- 2.4: Geeignet ist ein Umschlagsbereich von ungefähr \(\boxed{\mathrm{pH}\ 4\text{–}6}\), der den Endpunkt bei pH \(5.30\) einschließt.
- 2.5: Die molaren Massen betragen \(\boxed{73.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\) für ein Stickstoffatom pro Molekül und \(\boxed{146.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\) für zwei. Die entsprechenden relativen Molekülmassen sind \(73.00\) und \(146.0\).
Lösung
2.1 — Stickstoffgehalt
Die an den Ionenreaktionen beteiligten Spezies sind das Ammoniumion, \(\ce{NH4+}\) ([NH4+]); Ammoniak, \(\ce{NH3}\) (N); das Hydroxidion, \(\ce{OH-}\) ([OH-]); Wasser, \(\ce{H2O}\) (O); und das Wasserstoffion in wässriger Lösung, \(\ce{H+}\) ([H+], als Darstellung eines hydratisierten Protons).
Durch den Aufschluss wird der Stickstoff in Ammoniumionen umgewandelt. Die Zugabe von Hydroxid setzt Ammoniak frei:
\[ \ce{NH4+ + OH- -> NH3 + H2O}. \]
Das abdestillierte Ammoniak verbraucht Säure im Stoffmengenverhältnis \(1:1\):
\[ \ce{NH3 + H+ -> NH4+}. \]
Die verbleibende Säure wird durch Neutralisation bestimmt:
\[ \ce{H+ + OH- -> H2O}. \]
Die anfängliche Stoffmenge der Säure beträgt
\[ n_{\text{Säure,anfänglich}} =(0.05000\ \mathrm{dm^3})(0.1010\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) =5.050\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Die nach der Absorption des Ammoniaks verbleibende Stoffmenge entspricht der Stoffmenge des bei der Rücktitration verbrauchten Titrationsmittels:
\[ n_{\text{Säure,verbleibend}} =(0.01930\ \mathrm{dm^3})(0.1050\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) =2.0265\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Damit ergibt sich unter Beibehaltung zusätzlicher Stellen zur Vermeidung von Rundungsfehlern:
\[ n_{\mathrm N}=n_{\text{Ammoniak}} =(5.050-2.0265)\times10^{-3} =3.0235\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Mit der molaren Masse der Stickstoffatome von \(14.01\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) folgt:
\[ m_{\mathrm N} =(3.0235\times10^{-3})(14.01) =0.0423592\ \mathrm g. \]
Somit gilt:
\[ \boxed{ w_{\mathrm N} =\frac{0.0423592}{0.2515}\times100\% =16.84\%. } \]
2.2 — pH-Wert während der Rücktitration
Vor der Titration enthält die \(50.00\ \mathrm{cm^3}\) umfassende Lösung:
\[ n_{\text{überschüssige starke Säure}}=2.0265\ \mathrm{mmol}, \qquad n_{\text{Ammonium}}=3.0235\ \mathrm{mmol}. \]
Vor ihrer Neutralisation bestimmt die starke Säure den pH-Wert. Bei \(19.30\ \mathrm{cm^3}\) bestimmt Ammonium den pH-Wert. Weiter zugegebenes Hydroxid wandelt einen Teil des Ammoniums in Ammoniak um, wodurch ein Puffer entsteht.
Bei \(0\ \mathrm{cm^3}\)
Die Dissoziation von Ammonium ist in Gegenwart überschüssiger starker Säure vernachlässigbar:
\[ [\ce{H+}] =\frac{2.0265\times10^{-3}\ \mathrm{mol}} {0.05000\ \mathrm{dm^3}} =0.04053\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Daraus folgt:
\[ \boxed{\mathrm{pH}=-\log_{10}(0.04053)=1.39.} \]
Bei \(9.65\ \mathrm{cm^3}\)
Das zugegebene Hydroxid neutralisiert folgende Stoffmenge:
\[ n_{\text{Hydroxid}} =(0.00965)(0.1050) =1.01325\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Die verbleibende Stoffmenge der starken Säure beträgt daher ebenfalls \(1.01325\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\). Unter Berücksichtigung der Verdünnung gilt:
\[ [\ce{H+}] =\frac{1.01325\times10^{-3}} {0.05000+0.00965} =0.0169866\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}, \]
also
\[ \boxed{\mathrm{pH}=1.77.} \]
Bei \(19.30\ \mathrm{cm^3}\)
Die überschüssige starke Säure ist neutralisiert worden. Ammonium wirkt als schwache Säure:
\[ \ce{NH4+ <=> NH3 + H+}. \]
Seine analytische Konzentration beträgt
\[ C=\frac{3.0235\times10^{-3}} {0.05000+0.01930} =0.0436291\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Mit \(x=[\ce{H+}]\) ergibt sich aus dem Gleichgewicht der schwachen Säure
\[ K_a=\frac{x^2}{C-x}. \]
Da die Dissoziation gering ist, gilt \(C-x\approx C\) und damit
\[ [\ce{H+}] \approx\sqrt{K_aC} =\sqrt{(5.7\times10^{-10})(0.0436291)} =4.99\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Somit gilt:
\[ \boxed{\mathrm{pH}=5.30.} \]
Die Näherung ist gerechtfertigt, da \(x/C\approx1.1\times10^{-4}\).
Bei \(28.95\ \mathrm{cm^3}\)
Das über die Neutralisation der starken Säure hinaus zugegebene Hydroxid reagiert mit Ammonium:
\[ \ce{NH4+ + OH- -> NH3 + H2O}. \]
Die in diesem Schritt reagierende Stoffmenge beträgt
\[ n_{\text{Hydroxid,zusätzlich}} =(0.02895-0.01930)(0.1050) =1.01325\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Folglich gilt:
\[ n_{\text{Ammoniak}}=1.01325\ \mathrm{mmol}, \]
\[ n_{\text{Ammonium}} =3.02350-1.01325 =2.01025\ \mathrm{mmol}. \]
Durch Umstellen des Ausdrucks für die Säuredissoziation von Ammonium erhält man:
\[ \mathrm{pH} =\mathrm{p}K_a+ \log_{10}\frac{[\ce{NH3}]}{[\ce{NH4+}]}. \]
Beide Spezies befinden sich im selben Volumen, sodass ihr Konzentrationsverhältnis ihrem Stoffmengenverhältnis entspricht:
\[ \begin{aligned} \mathrm{pH} &=-\log_{10}(5.7\times10^{-10}) +\log_{10}\left(\frac{1.01325}{2.01025}\right)\\ &=9.2441-0.2975. \end{aligned} \]
Somit gilt:
\[ \boxed{\mathrm{pH}=8.95.} \]
2.3 — Beschreibung der Titrationskurve
Zeichnen Sie die waagerechte Achse als Volumen der zugegebenen 0.1050 M Natronlauge, von \(0\) bis ungefähr \(30\ \mathrm{cm^3}\), und die senkrechte Achse als pH-Wert, von ungefähr \(0\) bis \(10\).
Markieren Sie diese Punkte:
| Zugegebenes Volumen / \(\mathrm{cm^3}\) | pH |
|---|---|
| 0.00 | 1.39 |
| 9.65 | 1.77 |
| 19.30 | 5.30 |
| 28.95 | 8.95 |
Zeichnen Sie eine glatte Kurve, die:
- Bei pH \(1.39\) beginnt und allmählich durch \((9.65,\ 1.77)\) ansteigt.
- Zunehmend steiler wird, während die überschüssige starke Säure nahezu vollständig verbraucht wird.
- Den steilen Endpunktbereich bei \((19.30,\ 5.30)\) durchläuft.
- Hinter dem Endpunkt in einen flacheren Anstieg übergeht, während sich der Ammonium-Ammoniak-Puffer bildet, und \((28.95,\ 8.95)\) erreicht.
Kennzeichnen Sie \(19.30\ \mathrm{cm^3}\) als Äquivalenzvolumen der überschüssigen starken Säure.
2.4 — Umschlagsbereich des Indikators
Der Indikator sollte seine Farbe innerhalb des steilen Kurvenabschnitts um den Äquivalenz-pH-Wert von \(5.30\) ändern. Ein Umschlagsbereich von ungefähr
\[ \boxed{\mathrm{pH}\ 4\text{–}6} \]
ist geeignet. Damit wird die Neutralisation der überschüssigen starken Säure erfasst, bevor ein nennenswerter Anteil des Ammoniums in Ammoniak umgewandelt worden ist.
2.5 — Molekülmasse der Aminosäure
Die anfänglich vorhandene Stoffmenge der Säure beträgt wiederum
\[ n_{\text{Säure,anfänglich}}=5.050\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Die Rücktitration bestimmt die verbleibende Säure:
\[ n_{\text{Säure,verbleibend}} =(0.01750)(0.1050) =1.8375\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Die Aminosäureprobe liefert somit
\[ n_{\text{Ammoniak}} =(5.050-1.8375)\times10^{-3} =3.2125\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Wenn jedes Aminosäuremolekül \(z\) Stickstoffatome enthält, gilt
\[ n_{\text{Aminosäure}}=\frac{n_{\text{Ammoniak}}}{z}, \]
sodass sich für seine molare Masse ergibt:
\[ M=\frac{m}{n_{\text{Aminosäure}}} =\frac{zm}{n_{\text{Ammoniak}}}. \]
Für ein Stickstoffatom pro Molekül gilt:
\[ \boxed{ M=\frac{0.2345\ \mathrm g} {3.2125\times10^{-3}\ \mathrm{mol}} =73.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. } \]
Für zwei Stickstoffatome pro Molekül gilt:
\[ \boxed{ M=\frac{2(0.2345\ \mathrm g)} {3.2125\times10^{-3}\ \mathrm{mol}} =146.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. } \]
Die entsprechenden dimensionslosen relativen Molekülmassen betragen \(73.00\) beziehungsweise \(146.0\).
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 1994 · Teori sorusu 2
Kjeldahl yöntemiyle azot tayini
Tarımsal materyallerdeki azot genellikle Kjeldahl yöntemiyle tayin edilir. Bu yöntem, organik olarak bağlı azotu amonyum iyonuna dönüştürmek için numunenin sıcak derişik sülfürik asitle işleme tabi tutulmasını içerir. Ardından derişik sodyum hidroksit eklenir ve oluşan amonyak, hacmi ve derişimi bilinen hidroklorik asit içine damıtılır. Daha sonra, numunedeki azotu tayin etmek için fazla hidroklorik asit, standart bir sodyum hidroksit çözeltisiyle geri titre edilir.
2.1 0.2515 g tahıl numunesi sülfürik asitle işleme tabi tutulmuş, ardından sodyum hidroksit eklenmiş ve amonyak, \(50.00\ \mathrm{cm^3}\) 0.1010 M hidroklorik asit içine damıtılmıştır. Fazla asit, \(19.30\ \mathrm{cm^3}\) 0.1050 M sodyum hidroksitle geri titre edilmiştir.
Numunedeki azot derişimini kütlece yüzde olarak hesaplayınız.
2.2 2.1'de titre edilen çözeltinin pH değerini, \(0\ \mathrm{cm^3}\), \(9.65\ \mathrm{cm^3}\), \(19.30\ \mathrm{cm^3}\) ve \(28.95\ \mathrm{cm^3}\) sodyum hidroksit eklendiğinde hesaplayınız. Amonyak gazının hidroklorik asitle tepkimesi sırasında meydana gelebilecek hacim değişimini ihmal ediniz. Amonyum iyonunun \(K_a\) değeri \(5.7\times10^{-10}\)'dur.
2.3 b)'deki hesaplamalara dayanarak titrasyon eğrisini çiziniz.
2.4 Geri titrasyonda kullanılabilecek indikatörün pH geçiş aralığı nedir?
2.5 Kjeldahl yöntemi, amino asitlerin molekül ağırlığını belirlemek için de kullanılabilir. Bir deneyde, doğal olarak bulunan bir amino asidin molekül ağırlığı, saf asitten 0.2345 g alınarak yaş yakma işlemine tabi tutulması ve açığa çıkan amonyağın \(50.00\ \mathrm{cm^3}\) 0.1010 M hidroklorik asit içine damıtılmasıyla belirlenmiştir. 0.1050 M sodyum hidroksitle yapılan geri titrasyonda \(17.50\ \mathrm{cm^3}\) titrasyon hacmi elde edilmiştir.
Molekülde sırasıyla bir ve iki azot grubu bulunduğunu esas alarak amino asidin molekül ağırlığını hesaplayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 2.1: Kütlece \(\boxed{16.84\%}\) azot.
- 2.2: Eklenen sodyum hidroksit hacimleri sırasıyla \(0,\ 9.65,\ 19.30,\ 28.95\ \mathrm{cm^3}\) olduğunda: \[ \boxed{\mathrm{pH}=1.39,\quad1.77,\quad5.30,\quad8.95.} \]
- 2.3: Bu dört noktadan geçen, \(19.30\ \mathrm{cm^3}\) civarında keskin biçimde yükselen, ardından amonyum–amonyak tampon bölgesinde eğimi azalan, düzgün ve artan bir pH–hacim eğrisi.
- 2.4: pH \(5.30\)'daki dönüm noktasını kapsayan, yaklaşık \(\boxed{\mathrm{pH}\ 4\text{–}6}\) geçiş aralığı uygundur.
- 2.5: Mol kütleleri, molekül başına bir azot atomu için \(\boxed{73.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\), iki azot atomu için \(\boxed{146.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\)'dir. Bunlara karşılık gelen bağıl molekül kütleleri \(73.00\) ve \(146.0\)'dır.
Çözüm
2.1 — Azot içeriği
İyonik tepkimelerde yer alan türler amonyum iyonu, \(\ce{NH4+}\) ([NH4+]); amonyak, \(\ce{NH3}\) (N); hidroksit iyonu, \(\ce{OH-}\) ([OH-]); su, \(\ce{H2O}\) (O); ve sulu çözeltideki hidrojen iyonudur, \(\ce{H+}\) ([H+], hidratlanmış bir protonu temsil eder).
Yaş yakma işlemi azotu amonyum iyonuna dönüştürür. Hidroksit eklenmesi amonyağı açığa çıkarır:
\[ \ce{NH4+ + OH- -> NH3 + H2O}. \]
Damıtılan amonyak, asidi \(1:1\) mol oranında tüketir:
\[ \ce{NH3 + H+ -> NH4+}. \]
Kalan asit, nötralleşme yoluyla belirlenir:
\[ \ce{H+ + OH- -> H2O}. \]
Başlangıçtaki asit miktarı
\[ n_{\text{asit,başlangıç}} =(0.05000\ \mathrm{dm^3})(0.1010\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) =5.050\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Amonyağın soğurulmasından sonra kalan miktar, geri titrasyonda kullanılan titrantın miktarına eşittir:
\[ n_{\text{asit,kalan}} =(0.01930\ \mathrm{dm^3})(0.1050\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) =2.0265\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Böylece, ara hesaplamalarda ek basamaklar korunarak,
\[ n_{\mathrm N}=n_{\text{amonyak}} =(5.050-2.0265)\times10^{-3} =3.0235\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Azotun atomik mol kütlesi \(14.01\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\) kullanılarak,
\[ m_{\mathrm N} =(3.0235\times10^{-3})(14.01) =0.0423592\ \mathrm g. \]
Dolayısıyla,
\[ \boxed{ w_{\mathrm N} =\frac{0.0423592}{0.2515}\times100\% =16.84\%. } \]
2.2 — Geri titrasyon sırasında pH
Titrasyondan önce, \(50.00\ \mathrm{cm^3}\) çözelti şunları içerir:
\[ n_{\text{fazla kuvvetli asit}}=2.0265\ \mathrm{mmol}, \qquad n_{\text{amonyum}}=3.0235\ \mathrm{mmol}. \]
Kuvvetli asit nötralleşmeden önce pH'ı belirleyen baskın etkendir. \(19.30\ \mathrm{cm^3}\)'te pH'ı amonyum belirler. Daha sonra eklenen hidroksit, amonyumun bir kısmını amonyağa dönüştürerek bir tampon oluşturur.
\(0\ \mathrm{cm^3}\)'te
Fazla kuvvetli asit varlığında amonyumun ayrışması ihmal edilebilir:
\[ [\ce{H+}] =\frac{2.0265\times10^{-3}\ \mathrm{mol}} {0.05000\ \mathrm{dm^3}} =0.04053\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Buna göre,
\[ \boxed{\mathrm{pH}=-\log_{10}(0.04053)=1.39.} \]
\(9.65\ \mathrm{cm^3}\)'te
Eklenen hidroksidin nötralleştirdiği miktar
\[ n_{\text{hidroksit}} =(0.00965)(0.1050) =1.01325\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Dolayısıyla kalan kuvvetli asit miktarı da \(1.01325\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\)'dür. Seyrelme hesaba katıldığında,
\[ [\ce{H+}] =\frac{1.01325\times10^{-3}} {0.05000+0.00965} =0.0169866\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}, \]
böylece
\[ \boxed{\mathrm{pH}=1.77.} \]
\(19.30\ \mathrm{cm^3}\)'te
Fazla kuvvetli asit nötralleşmiştir. Amonyum zayıf bir asit gibi davranır:
\[ \ce{NH4+ <=> NH3 + H+}. \]
Analitik derişimi
\[ C=\frac{3.0235\times10^{-3}} {0.05000+0.01930} =0.0436291\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
\(x=[\ce{H+}]\) yazılırsa, zayıf asit dengesinden
\[ K_a=\frac{x^2}{C-x}. \]
Ayrışma az olduğundan \(C-x\approx C\) olur ve dolayısıyla
\[ [\ce{H+}] \approx\sqrt{K_aC} =\sqrt{(5.7\times10^{-10})(0.0436291)} =4.99\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Böylece,
\[ \boxed{\mathrm{pH}=5.30.} \]
\(x/C\approx1.1\times10^{-4}\) olduğundan bu yaklaşım geçerlidir.
\(28.95\ \mathrm{cm^3}\)'te
Kuvvetli asidin nötralleşmesinden sonra eklenen hidroksit, amonyumla tepkimeye girer:
\[ \ce{NH4+ + OH- -> NH3 + H2O}. \]
Bu aşamada tepkimeye giren miktar
\[ n_{\text{hidroksit,ek}} =(0.02895-0.01930)(0.1050) =1.01325\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Sonuç olarak,
\[ n_{\text{amonyak}}=1.01325\ \mathrm{mmol}, \]
\[ n_{\text{amonyum}} =3.02350-1.01325 =2.01025\ \mathrm{mmol}. \]
Amonyumun asit ayrışma ifadesi yeniden düzenlenirse,
\[ \mathrm{pH} =\mathrm{p}K_a+ \log_{10}\frac{[\ce{NH3}]}{[\ce{NH4+}]}. \]
Her iki tür de aynı hacimde bulunduğundan derişimlerinin oranı, mol sayılarının oranına eşittir:
\[ \begin{aligned} \mathrm{pH} &=-\log_{10}(5.7\times10^{-10}) +\log_{10}\left(\frac{1.01325}{2.01025}\right)\\ &=9.2441-0.2975. \end{aligned} \]
Dolayısıyla,
\[ \boxed{\mathrm{pH}=8.95.} \]
2.3 — Titrasyon eğrisinin betimlenmesi
Yatay ekseni \(0\)'dan yaklaşık \(30\ \mathrm{cm^3}\)'e kadar eklenen 0.1050 M sodyum hidroksit hacmi, düşey ekseni ise yaklaşık \(0\)'dan \(10\)'a kadar pH olarak çiziniz.
Şu noktaları işaretleyiniz:
| Eklenen hacim / \(\mathrm{cm^3}\) | pH |
|---|---|
| 0.00 | 1.39 |
| 9.65 | 1.77 |
| 19.30 | 5.30 |
| 28.95 | 8.95 |
Şu özellikleri taşıyan düzgün bir eğri çiziniz:
- pH \(1.39\)'dan başlar ve \((9.65,\ 1.77)\) noktasından geçerek yavaşça yükselir.
- Fazla kuvvetli asit tükenmeye yaklaştıkça giderek dikleşir.
- \((19.30,\ 5.30)\) noktasındaki dik dönüm noktası bölgesinden geçer.
- Dönüm noktasından sonra amonyum–amonyak tamponu oluştukça daha az eğimli bir yükselişe geçerek \((28.95,\ 8.95)\) noktasına ulaşır.
\(19.30\ \mathrm{cm^3}\)'ü fazla kuvvetli asidin eşdeğerlik hacmi olarak etiketleyiniz.
2.4 — İndikatörün geçiş aralığı
İndikatör, eğrinin \(5.30\) olan eşdeğerlik pH'ı çevresindeki dik bölümünde renk değiştirmelidir. Yaklaşık
\[ \boxed{\mathrm{pH}\ 4\text{–}6} \]
geçiş aralığı uygundur. Bu aralık, amonyumun kayda değer bir kısmı amonyağa dönüşmeden önce fazla kuvvetli asidin nötralleşmesini saptamayı sağlar.
2.5 — Amino asidin molekül ağırlığı
Başlangıçta bulunan asit miktarı yine
\[ n_{\text{asit,başlangıç}}=5.050\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Geri titrasyon, kalan asit miktarını ölçer:
\[ n_{\text{asit,kalan}} =(0.01750)(0.1050) =1.8375\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Buna göre amino asit numunesinin oluşturduğu amonyak miktarı
\[ n_{\text{amonyak}} =(5.050-1.8375)\times10^{-3} =3.2125\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Her amino asit molekülü \(z\) azot atomu içeriyorsa,
\[ n_{\text{amino asit}}=\frac{n_{\text{amonyak}}}{z}, \]
dolayısıyla mol kütlesi
\[ M=\frac{m}{n_{\text{amino asit}}} =\frac{zm}{n_{\text{amonyak}}}. \]
Molekül başına bir azot atomu için,
\[ \boxed{ M=\frac{0.2345\ \mathrm g} {3.2125\times10^{-3}\ \mathrm{mol}} =73.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. } \]
Molekül başına iki azot atomu için,
\[ \boxed{ M=\frac{2(0.2345\ \mathrm g)} {3.2125\times10^{-3}\ \mathrm{mol}} =146.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. } \]
Bunlara karşılık gelen boyutsuz bağıl molekül kütleleri sırasıyla \(73.00\) ve \(146.0\)'dır.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1994 · Problema teórico 2
Determinación de nitrógeno por el método de Kjeldahl
El nitrógeno en materiales agrícolas se determina a menudo mediante el método de Kjeldahl. El método consiste en tratar la muestra con ácido sulfúrico concentrado caliente para convertir el nitrógeno unido a compuestos orgánicos en ion amonio. A continuación, se añade hidróxido de sodio concentrado y el amoníaco formado se destila y se recoge en ácido clorhídrico de volumen y concentración conocidos. Después, el exceso de ácido clorhídrico se valora por retroceso con una disolución patrón de hidróxido de sodio para determinar el nitrógeno de la muestra.
2.1 Se trataron 0.2515 g de una muestra de grano con ácido sulfúrico; a continuación, se añadió hidróxido de sodio y el amoníaco se destiló y se recogió en \(50.00\ \mathrm{cm^3}\) de ácido clorhídrico 0.1010 M. El exceso de ácido se valoró por retroceso con \(19.30\ \mathrm{cm^3}\) de hidróxido de sodio 0.1050 M.
Calcule la concentración de nitrógeno en la muestra, en porcentaje en masa.
2.2 Calcule el pH de la disolución que se valora en 2.1 cuando se han añadido \(0\ \mathrm{cm^3}\), \(9.65\ \mathrm{cm^3}\), \(19.30\ \mathrm{cm^3}\) y \(28.95\ \mathrm{cm^3}\) de hidróxido de sodio. Desprecie cualquier cambio de volumen durante la reacción del amoníaco gaseoso con el ácido clorhídrico. El valor de \(K_a\) del ion amonio es \(5.7\times10^{-10}\).
2.3 Dibuje la curva de valoración a partir de los cálculos de b).
2.4 ¿Cuál es el intervalo de viraje de pH del indicador que podría utilizarse para la valoración por retroceso?
2.5 El método de Kjeldahl también puede utilizarse para determinar el peso molecular de los aminoácidos. En un experimento, se determinó el peso molecular de un aminoácido de origen natural mediante la digestión de 0.2345 g del ácido puro y la destilación del amoníaco liberado, que se recogió en \(50.00\ \mathrm{cm^3}\) de ácido clorhídrico 0.1010 M. Se obtuvo un volumen de valoración de \(17.50\ \mathrm{cm^3}\) en la valoración por retroceso con hidróxido de sodio 0.1050 M.
Calcule el peso molecular del aminoácido suponiendo que la molécula contiene uno y dos grupos nitrogenados, respectivamente.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 2.1: \(\boxed{16.84\%}\) de nitrógeno en masa.
- 2.2: Para volúmenes añadidos de hidróxido de sodio de \(0,\ 9.65,\ 19.30,\ 28.95\ \mathrm{cm^3}\), respectivamente: \[ \boxed{\mathrm{pH}=1.39,\quad1.77,\quad5.30,\quad8.95.} \]
- 2.3: Una curva suave y creciente de pH frente al volumen que pase por estos cuatro puntos, ascienda bruscamente alrededor de \(19.30\ \mathrm{cm^3}\) y luego se vuelva menos pronunciada en la región amortiguadora amonio–amoníaco.
- 2.4: Es adecuado un intervalo de viraje de aproximadamente \(\boxed{\mathrm{pH}\ 4\text{–}6}\), que incluya el punto final a pH \(5.30\).
- 2.5: Las masas molares son \(\boxed{73.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\) para un átomo de nitrógeno por molécula y \(\boxed{146.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\) para dos. Las masas moleculares relativas correspondientes son \(73.00\) y \(146.0\).
Solución
2.1 — Contenido de nitrógeno
Las especies que intervienen en las reacciones iónicas son el ion amonio, \(\ce{NH4+}\) ([NH4+]); el amoníaco, \(\ce{NH3}\) (N); el ion hidróxido, \(\ce{OH-}\) ([OH-]); el agua, \(\ce{H2O}\) (O); y el ion hidrógeno acuoso, \(\ce{H+}\) ([H+], que representa un protón hidratado).
La digestión convierte el nitrógeno en ion amonio. La adición de hidróxido libera amoníaco:
\[ \ce{NH4+ + OH- -> NH3 + H2O}. \]
El amoníaco destilado consume ácido en una proporción molar de \(1:1\):
\[ \ce{NH3 + H+ -> NH4+}. \]
El ácido restante se determina mediante neutralización:
\[ \ce{H+ + OH- -> H2O}. \]
La cantidad inicial de ácido es
\[ n_{\text{ácido,inicial}} =(0.05000\ \mathrm{dm^3})(0.1010\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) =5.050\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
La cantidad que queda tras la absorción del amoníaco es igual a la cantidad de valorante empleada en la valoración por retroceso:
\[ n_{\text{ácido,restante}} =(0.01930\ \mathrm{dm^3})(0.1050\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) =2.0265\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Así, conservando cifras adicionales para evitar errores de redondeo,
\[ n_{\mathrm N}=n_{\text{amoníaco}} =(5.050-2.0265)\times10^{-3} =3.0235\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Utilizando la masa molar atómica del nitrógeno, \(14.01\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\),
\[ m_{\mathrm N} =(3.0235\times10^{-3})(14.01) =0.0423592\ \mathrm g. \]
Por tanto,
\[ \boxed{ w_{\mathrm N} =\frac{0.0423592}{0.2515}\times100\% =16.84\%. } \]
2.2 — pH durante la valoración por retroceso
Antes de la valoración, la disolución de \(50.00\ \mathrm{cm^3}\) contiene:
\[ n_{\text{ácido fuerte en exceso}}=2.0265\ \mathrm{mmol}, \qquad n_{\text{amonio}}=3.0235\ \mathrm{mmol}. \]
El ácido fuerte domina el pH antes de su neutralización. A los \(19.30\ \mathrm{cm^3}\), el amonio determina el pH. El hidróxido añadido posteriormente convierte parte del amonio en amoníaco, formando una disolución amortiguadora.
A los \(0\ \mathrm{cm^3}\)
La disociación del amonio es despreciable en presencia de un exceso de ácido fuerte:
\[ [\ce{H+}] =\frac{2.0265\times10^{-3}\ \mathrm{mol}} {0.05000\ \mathrm{dm^3}} =0.04053\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Por consiguiente,
\[ \boxed{\mathrm{pH}=-\log_{10}(0.04053)=1.39.} \]
A los \(9.65\ \mathrm{cm^3}\)
El hidróxido añadido neutraliza
\[ n_{\text{hidróxido}} =(0.00965)(0.1050) =1.01325\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Por tanto, la cantidad de ácido fuerte restante es también \(1.01325\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\). Teniendo en cuenta la dilución,
\[ [\ce{H+}] =\frac{1.01325\times10^{-3}} {0.05000+0.00965} =0.0169866\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}, \]
de modo que
\[ \boxed{\mathrm{pH}=1.77.} \]
A los \(19.30\ \mathrm{cm^3}\)
El exceso de ácido fuerte se ha neutralizado. El amonio actúa como un ácido débil:
\[ \ce{NH4+ <=> NH3 + H+}. \]
Su concentración analítica es
\[ C=\frac{3.0235\times10^{-3}} {0.05000+0.01930} =0.0436291\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Si se escribe \(x=[\ce{H+}]\), el equilibrio del ácido débil da
\[ K_a=\frac{x^2}{C-x}. \]
Como la disociación es pequeña, \(C-x\approx C\), y por tanto
\[ [\ce{H+}] \approx\sqrt{K_aC} =\sqrt{(5.7\times10^{-10})(0.0436291)} =4.99\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Así,
\[ \boxed{\mathrm{pH}=5.30.} \]
La aproximación está justificada porque \(x/C\approx1.1\times10^{-4}\).
A los \(28.95\ \mathrm{cm^3}\)
El hidróxido añadido después de la neutralización del ácido fuerte reacciona con el amonio:
\[ \ce{NH4+ + OH- -> NH3 + H2O}. \]
La cantidad que reacciona en esta etapa es
\[ n_{\text{hidróxido,adicional}} =(0.02895-0.01930)(0.1050) =1.01325\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
En consecuencia,
\[ n_{\text{amoníaco}}=1.01325\ \mathrm{mmol}, \]
\[ n_{\text{amonio}} =3.02350-1.01325 =2.01025\ \mathrm{mmol}. \]
Reordenando la expresión de disociación ácida del amonio,
\[ \mathrm{pH} =\mathrm{p}K_a+ \log_{10}\frac{[\ce{NH3}]}{[\ce{NH4+}]}. \]
Ambas especies ocupan el mismo volumen, por lo que la relación entre sus concentraciones es igual a la relación entre sus cantidades en moles:
\[ \begin{aligned} \mathrm{pH} &=-\log_{10}(5.7\times10^{-10}) +\log_{10}\left(\frac{1.01325}{2.01025}\right)\\ &=9.2441-0.2975. \end{aligned} \]
Por tanto,
\[ \boxed{\mathrm{pH}=8.95.} \]
2.3 — Descripción de la curva de valoración
Dibuje el eje horizontal como volumen de hidróxido de sodio 0.1050 M añadido, desde \(0\) hasta aproximadamente \(30\ \mathrm{cm^3}\), y el eje vertical como pH, desde aproximadamente \(0\) hasta \(10\).
Marque estos puntos:
| Volumen añadido / \(\mathrm{cm^3}\) | pH |
|---|---|
| 0.00 | 1.39 |
| 9.65 | 1.77 |
| 19.30 | 5.30 |
| 28.95 | 8.95 |
Dibuje una curva suave que:
- Comience a pH \(1.39\) y ascienda gradualmente pasando por \((9.65,\ 1.77)\).
- Se vuelva cada vez más pronunciada a medida que el exceso de ácido fuerte se aproxima a su agotamiento.
- Pase por la región de pendiente pronunciada del punto final en \((19.30,\ 5.30)\).
- Se curve hacia un ascenso más suave después del punto final a medida que se forma la disolución amortiguadora amonio–amoníaco, hasta alcanzar \((28.95,\ 8.95)\).
Etiquete \(19.30\ \mathrm{cm^3}\) como el volumen de equivalencia del exceso de ácido fuerte.
2.4 — Intervalo de viraje del indicador
El indicador debe cambiar de color dentro de la parte de pendiente pronunciada de la curva que rodea el pH de equivalencia de \(5.30\). Un intervalo de viraje de aproximadamente
\[ \boxed{\mathrm{pH}\ 4\text{–}6} \]
es adecuado. Esto permite detectar la neutralización del exceso de ácido fuerte antes de que una fracción apreciable del amonio se haya convertido en amoníaco.
2.5 — Peso molecular del aminoácido
La cantidad de ácido inicialmente presente es de nuevo
\[ n_{\text{ácido,inicial}}=5.050\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
La valoración por retroceso mide el ácido restante:
\[ n_{\text{ácido,restante}} =(0.01750)(0.1050) =1.8375\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Por consiguiente, la muestra de aminoácido produce
\[ n_{\text{amoníaco}} =(5.050-1.8375)\times10^{-3} =3.2125\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Si cada molécula de aminoácido contiene \(z\) átomos de nitrógeno, entonces
\[ n_{\text{aminoácido}}=\frac{n_{\text{amoníaco}}}{z}, \]
por lo que su masa molar es
\[ M=\frac{m}{n_{\text{aminoácido}}} =\frac{zm}{n_{\text{amoníaco}}}. \]
Para un átomo de nitrógeno por molécula,
\[ \boxed{ M=\frac{0.2345\ \mathrm g} {3.2125\times10^{-3}\ \mathrm{mol}} =73.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. } \]
Para dos átomos de nitrógeno por molécula,
\[ \boxed{ M=\frac{2(0.2345\ \mathrm g)} {3.2125\times10^{-3}\ \mathrm{mol}} =146.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. } \]
Las masas moleculares relativas adimensionales correspondientes son \(73.00\) y \(146.0\), respectivamente.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 1994 · 理论题 2
凯氏定氮法
农业物料中的氮通常采用凯氏定氮法测定。该方法用热浓硫酸处理样品,将以有机形式结合的氮转化为铵离子。随后加入浓氢氧化钠溶液,将生成的氨蒸馏至已知体积和浓度的盐酸中。再用氢氧化钠标准溶液返滴定过量的盐酸,从而测定样品中的氮含量。
2.1 用硫酸处理 0.2515 g 谷物样品,随后加入氢氧化钠,将氨蒸馏至 \(50.00\ \mathrm{cm^3}\) 0.1010 M 盐酸中。返滴定过量的酸消耗了 \(19.30\ \mathrm{cm^3}\) 0.1050 M 氢氧化钠溶液。
计算样品中氮的质量百分含量。
2.2 计算 2.1 中的被滴定溶液在分别加入 \(0\ \mathrm{cm^3}\)、\(9.65\ \mathrm{cm^3}\)、\(19.30\ \mathrm{cm^3}\) 和 \(28.95\ \mathrm{cm^3}\) 氢氧化钠溶液时的 pH。忽略氨气与盐酸反应过程中的任何体积变化。铵离子的 \(K_a\) 为 \(5.7\times10^{-10}\)。
2.3 根据 b) 中的计算结果绘制滴定曲线。
2.4 可用于该返滴定的指示剂的 pH 变色范围是多少?
2.5 凯氏定氮法也可用于测定氨基酸的相对分子质量。在某次实验中,为测定一种天然氨基酸的相对分子质量,消解了 0.2345 g 该纯氨基酸,并将释放的氨蒸馏至 \(50.00\ \mathrm{cm^3}\) 0.1010 M 盐酸中。用 0.1050 M 氢氧化钠溶液返滴定,消耗的体积为 \(17.50\ \mathrm{cm^3}\)。
分别按分子中含有一个和两个含氮基团计算该氨基酸的相对分子质量。
题目译自官方英文原文。
答案
- 2.1: 氮的质量百分含量为 \(\boxed{16.84\%}\)。
- 2.2: 加入的氢氧化钠溶液体积分别为 \(0,\ 9.65,\ 19.30,\ 28.95\ \mathrm{cm^3}\) 时: \[ \boxed{\mathrm{pH}=1.39,\quad1.77,\quad5.30,\quad8.95.} \]
- 2.3: 一条经过这四个点、平滑上升的 pH–体积曲线,在 \(19.30\ \mathrm{cm^3}\) 附近急剧上升,随后在铵离子–氨缓冲区内趋于平缓。
- 2.4: 变色范围约为 \(\boxed{\mathrm{pH}\ 4\text{–}6}\)、涵盖 pH 为 \(5.30\) 的终点的指示剂是合适的。
- 2.5: 每个分子含一个氮原子时,摩尔质量为 \(\boxed{73.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\);含两个氮原子时,摩尔质量为 \(\boxed{146.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\)。相应的相对分子质量为 \(73.00\) 和 \(146.0\)。
解答
2.1 — 氮含量
离子反应中涉及的物种有铵离子 \(\ce{NH4+}\)([NH4+])、氨 \(\ce{NH3}\)(N)、氢氧根离子 \(\ce{OH-}\)([OH-])、水 \(\ce{H2O}\)(O)以及水溶液中的氢离子 \(\ce{H+}\)([H+],表示水合质子)。
消解将氮转化为铵离子。加入氢氧根离子后释放出氨:
\[ \ce{NH4+ + OH- -> NH3 + H2O}. \]
蒸馏出的氨按 \(1:1\) 的物质的量之比消耗酸:
\[ \ce{NH3 + H+ -> NH4+}. \]
通过中和反应测定剩余的酸:
\[ \ce{H+ + OH- -> H2O}. \]
酸的初始物质的量为
\[ n_{\text{酸,初始}} =(0.05000\ \mathrm{dm^3})(0.1010\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) =5.050\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
吸收氨后剩余酸的物质的量等于返滴定所消耗的滴定剂的物质的量:
\[ n_{\text{酸,剩余}} =(0.01930\ \mathrm{dm^3})(0.1050\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) =2.0265\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
因此,保留用于避免舍入误差的额外位数,得
\[ n_{\mathrm N}=n_{\text{氨}} =(5.050-2.0265)\times10^{-3} =3.0235\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
采用氮原子的摩尔质量 \(14.01\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\),
\[ m_{\mathrm N} =(3.0235\times10^{-3})(14.01) =0.0423592\ \mathrm g. \]
因此,
\[ \boxed{ w_{\mathrm N} =\frac{0.0423592}{0.2515}\times100\% =16.84\%. } \]
2.2 — 返滴定过程中的 pH
滴定前,\(50.00\ \mathrm{cm^3}\) 溶液中含有:
\[ n_{\text{过量强酸}}=2.0265\ \mathrm{mmol}, \qquad n_{\text{铵离子}}=3.0235\ \mathrm{mmol}. \]
强酸被中和之前,溶液的 pH 主要由强酸决定。加入 \(19.30\ \mathrm{cm^3}\) 时,pH 由铵离子决定。随后加入的氢氧根离子将部分铵离子转化为氨,形成缓冲溶液。
加入 \(0\ \mathrm{cm^3}\) 时
存在过量强酸时,铵离子的电离可以忽略:
\[ [\ce{H+}] =\frac{2.0265\times10^{-3}\ \mathrm{mol}} {0.05000\ \mathrm{dm^3}} =0.04053\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
所以,
\[ \boxed{\mathrm{pH}=-\log_{10}(0.04053)=1.39.} \]
加入 \(9.65\ \mathrm{cm^3}\) 时
所加入的氢氧根离子中和酸的物质的量为
\[ n_{\text{氢氧根离子}} =(0.00965)(0.1050) =1.01325\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
因此,剩余强酸的物质的量也为 \(1.01325\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\)。考虑稀释作用,
\[ [\ce{H+}] =\frac{1.01325\times10^{-3}} {0.05000+0.00965} =0.0169866\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}, \]
所以
\[ \boxed{\mathrm{pH}=1.77.} \]
加入 \(19.30\ \mathrm{cm^3}\) 时
过量强酸已被中和。铵离子作为弱酸发生电离:
\[ \ce{NH4+ <=> NH3 + H+}. \]
其分析浓度为
\[ C=\frac{3.0235\times10^{-3}} {0.05000+0.01930} =0.0436291\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
令 \(x=[\ce{H+}]\),由弱酸电离平衡得
\[ K_a=\frac{x^2}{C-x}. \]
由于电离程度很小,\(C-x\approx C\),因此
\[ [\ce{H+}] \approx\sqrt{K_aC} =\sqrt{(5.7\times10^{-10})(0.0436291)} =4.99\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
于是,
\[ \boxed{\mathrm{pH}=5.30.} \]
由于 \(x/C\approx1.1\times10^{-4}\),这一近似是合理的。
加入 \(28.95\ \mathrm{cm^3}\) 时
强酸完全中和后,继续加入的氢氧根离子与铵离子反应:
\[ \ce{NH4+ + OH- -> NH3 + H2O}. \]
这一阶段参加反应的氢氧根离子的物质的量为
\[ n_{\text{氢氧根离子,额外加入}} =(0.02895-0.01930)(0.1050) =1.01325\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
因此,
\[ n_{\text{氨}}=1.01325\ \mathrm{mmol}, \]
\[ n_{\text{铵离子}} =3.02350-1.01325 =2.01025\ \mathrm{mmol}. \]
将铵离子的酸电离平衡表达式变形,得
\[ \mathrm{pH} =\mathrm{p}K_a+ \log_{10}\frac{[\ce{NH3}]}{[\ce{NH4+}]}. \]
两种物种处于同一体积的溶液中,因此其浓度之比等于物质的量之比:
\[ \begin{aligned} \mathrm{pH} &=-\log_{10}(5.7\times10^{-10}) +\log_{10}\left(\frac{1.01325}{2.01025}\right)\\ &=9.2441-0.2975. \end{aligned} \]
因此,
\[ \boxed{\mathrm{pH}=8.95.} \]
2.3 — 滴定曲线的描述
以加入的 0.1050 M 氢氧化钠溶液的体积为横轴,范围从 \(0\) 至约 \(30\ \mathrm{cm^3}\);以 pH 为纵轴,范围约从 \(0\) 至 \(10\)。
标出以下各点:
| 加入体积 / \(\mathrm{cm^3}\) | pH |
|---|---|
| 0.00 | 1.39 |
| 9.65 | 1.77 |
| 19.30 | 5.30 |
| 28.95 | 8.95 |
绘制一条符合以下特征的平滑曲线:
- 从 pH 为 \(1.39\) 处开始,缓慢上升并经过 \((9.65,\ 1.77)\)。
- 随着过量强酸接近耗尽,曲线越来越陡。
- 经过位于 \((19.30,\ 5.30)\) 的陡峭终点区域。
- 越过终点后,随着铵离子–氨缓冲体系的形成,曲线弯曲并转为较平缓地上升,到达 \((28.95,\ 8.95)\)。
将 \(19.30\ \mathrm{cm^3}\) 标注为过量强酸的化学计量点体积。
2.4 — 指示剂的变色范围
指示剂应在化学计量点 pH \(5.30\) 附近的曲线陡峭区间内变色。变色范围约为
\[ \boxed{\mathrm{pH}\ 4\text{–}6} \]
是合适的。这样可在铵离子有相当一部分转化为氨之前,检测到过量强酸的中和终点。
2.5 — 氨基酸的相对分子质量
酸的初始物质的量仍为
\[ n_{\text{酸,初始}}=5.050\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
返滴定测得剩余酸的物质的量:
\[ n_{\text{酸,剩余}} =(0.01750)(0.1050) =1.8375\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
所以,该氨基酸样品产生的氨的物质的量为
\[ n_{\text{氨}} =(5.050-1.8375)\times10^{-3} =3.2125\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
若每个氨基酸分子含有 \(z\) 个氮原子,则
\[ n_{\text{氨基酸}}=\frac{n_{\text{氨}}}{z}, \]
所以其摩尔质量为
\[ M=\frac{m}{n_{\text{氨基酸}}} =\frac{zm}{n_{\text{氨}}}. \]
对于每个分子含一个氮原子的情况,
\[ \boxed{ M=\frac{0.2345\ \mathrm g} {3.2125\times10^{-3}\ \mathrm{mol}} =73.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. } \]
对于每个分子含两个氮原子的情况,
\[ \boxed{ M=\frac{2(0.2345\ \mathrm g)} {3.2125\times10^{-3}\ \mathrm{mol}} =146.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. } \]
相应的无量纲相对分子质量分别为 \(73.00\) 和 \(146.0\)。
解答已与官方解答核对。
IChO 1994 · Теоретическая задача 2
Определение азота по методу Кьельдаля
Азот в сельскохозяйственных материалах часто определяют по методу Кьельдаля. Метод включает обработку пробы горячей концентрированной серной кислотой для перевода органически связанного азота в ион аммония. Затем добавляют концентрированный раствор гидроксида натрия, а образовавшийся аммиак отгоняют в соляную кислоту известного объёма и концентрации. После этого избыток соляной кислоты определяют обратным титрованием стандартным раствором гидроксида натрия, чтобы установить содержание азота в пробе.
2.1 Пробу зерна массой 0.2515 г обработали серной кислотой, затем добавили гидроксид натрия и отогнали аммиак в \(50.00\ \mathrm{cm^3}\) 0.1010 М соляной кислоты. На обратное титрование избытка кислоты израсходовали \(19.30\ \mathrm{cm^3}\) 0.1050 М раствора гидроксида натрия.
Рассчитайте массовую долю азота в пробе в процентах.
2.2 Рассчитайте pH раствора, титруемого в 2.1, после добавления \(0\ \mathrm{cm^3}\), \(9.65\ \mathrm{cm^3}\), \(19.30\ \mathrm{cm^3}\) и \(28.95\ \mathrm{cm^3}\) раствора гидроксида натрия. Пренебрегите изменением объёма при реакции газообразного аммиака с соляной кислотой. Значение \(K_a\) для иона аммония равно \(5.7\times10^{-10}\).
2.3 Постройте кривую титрования на основании расчётов в b).
2.4 Каков интервал pH перехода окраски индикатора, который можно использовать для обратного титрования?
2.5 Метод Кьельдаля можно также использовать для определения молекулярной массы аминокислот. В одном из опытов молекулярную массу встречающейся в природе аминокислоты определяли, подвергая минерализации 0.2345 г чистой кислоты и отгоняя выделившийся аммиак в \(50.00\ \mathrm{cm^3}\) 0.1010 М соляной кислоты. На обратное титрование израсходовали \(17.50\ \mathrm{cm^3}\) 0.1050 М раствора гидроксида натрия.
Рассчитайте молекулярную массу аминокислоты, исходя из наличия в молекуле одной и двух азотсодержащих групп соответственно.
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 2.1: \(\boxed{16.84\%}\) азота по массе.
- 2.2: При добавленных объёмах раствора гидроксида натрия \(0,\ 9.65,\ 19.30,\ 28.95\ \mathrm{cm^3}\) соответственно: \[ \boxed{\mathrm{pH}=1.39,\quad1.77,\quad5.30,\quad8.95.} \]
- 2.3: Плавная возрастающая кривая зависимости pH от объёма, проходящая через эти четыре точки, резко поднимающаяся вблизи \(19.30\ \mathrm{cm^3}\), а затем становящаяся менее крутой в области буферной системы аммоний–аммиак.
- 2.4: Подходит интервал перехода окраски приблизительно \(\boxed{\mathrm{pH}\ 4\text{–}6}\), охватывающий конечную точку титрования при pH \(5.30\).
- 2.5: Молярные массы равны \(\boxed{73.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\) при одном атоме азота в молекуле и \(\boxed{146.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\) при двух. Соответствующие относительные молекулярные массы равны \(73.00\) и \(146.0\).
Решение
2.1 — Содержание азота
В ионных реакциях участвуют ион аммония, \(\ce{NH4+}\) ([NH4+]); аммиак, \(\ce{NH3}\) (N); гидроксид-ион, \(\ce{OH-}\) ([OH-]); вода, \(\ce{H2O}\) (O); и ион водорода в водном растворе, \(\ce{H+}\) ([H+], обозначающий гидратированный протон).
При минерализации азот переходит в ион аммония. Добавление гидроксид-ионов приводит к выделению аммиака:
\[ \ce{NH4+ + OH- -> NH3 + H2O}. \]
Отогнанный аммиак расходует кислоту в молярном соотношении \(1:1\):
\[ \ce{NH3 + H+ -> NH4+}. \]
Оставшуюся кислоту определяют нейтрализацией:
\[ \ce{H+ + OH- -> H2O}. \]
Исходное количество вещества кислоты равно
\[ n_{\text{кислота,исходное}} =(0.05000\ \mathrm{dm^3})(0.1010\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) =5.050\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Количество вещества кислоты, оставшееся после поглощения аммиака, равно количеству вещества титранта, израсходованного при обратном титровании:
\[ n_{\text{кислота,оставшееся}} =(0.01930\ \mathrm{dm^3})(0.1050\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) =2.0265\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Таким образом, сохраняя дополнительные цифры в промежуточных расчётах,
\[ n_{\mathrm N}=n_{\text{аммиак}} =(5.050-2.0265)\times10^{-3} =3.0235\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Используя молярную массу атомов азота \(14.01\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\), получаем
\[ m_{\mathrm N} =(3.0235\times10^{-3})(14.01) =0.0423592\ \mathrm g. \]
Следовательно,
\[ \boxed{ w_{\mathrm N} =\frac{0.0423592}{0.2515}\times100\% =16.84\%. } \]
2.2 — pH в ходе обратного титрования
Перед титрованием раствор объёмом \(50.00\ \mathrm{cm^3}\) содержит:
\[ n_{\text{избыток сильной кислоты}}=2.0265\ \mathrm{mmol}, \qquad n_{\text{аммоний}}=3.0235\ \mathrm{mmol}. \]
До нейтрализации сильной кислоты именно она определяет pH. При \(19.30\ \mathrm{cm^3}\) pH определяется ионами аммония. При дальнейшем добавлении гидроксид-ионы превращают часть ионов аммония в аммиак, образуя буферную систему.
При \(0\ \mathrm{cm^3}\)
В присутствии избытка сильной кислоты диссоциацией ионов аммония можно пренебречь:
\[ [\ce{H+}] =\frac{2.0265\times10^{-3}\ \mathrm{mol}} {0.05000\ \mathrm{dm^3}} =0.04053\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Отсюда
\[ \boxed{\mathrm{pH}=-\log_{10}(0.04053)=1.39.} \]
При \(9.65\ \mathrm{cm^3}\)
Добавленные гидроксид-ионы нейтрализуют кислоту в количестве
\[ n_{\text{гидроксид}} =(0.00965)(0.1050) =1.01325\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Следовательно, оставшееся количество вещества сильной кислоты также равно \(1.01325\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\). С учётом разбавления
\[ [\ce{H+}] =\frac{1.01325\times10^{-3}} {0.05000+0.00965} =0.0169866\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}, \]
поэтому
\[ \boxed{\mathrm{pH}=1.77.} \]
При \(19.30\ \mathrm{cm^3}\)
Избыток сильной кислоты нейтрализован. Ион аммония проявляет свойства слабой кислоты:
\[ \ce{NH4+ <=> NH3 + H+}. \]
Его аналитическая концентрация равна
\[ C=\frac{3.0235\times10^{-3}} {0.05000+0.01930} =0.0436291\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Обозначив \(x=[\ce{H+}]\), из условия равновесия диссоциации слабой кислоты получаем
\[ K_a=\frac{x^2}{C-x}. \]
Поскольку степень диссоциации мала, \(C-x\approx C\), и поэтому
\[ [\ce{H+}] \approx\sqrt{K_aC} =\sqrt{(5.7\times10^{-10})(0.0436291)} =4.99\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Таким образом,
\[ \boxed{\mathrm{pH}=5.30.} \]
Приближение обоснованно, поскольку \(x/C\approx1.1\times10^{-4}\).
При \(28.95\ \mathrm{cm^3}\)
Гидроксид-ионы, добавленные после нейтрализации сильной кислоты, реагируют с ионами аммония:
\[ \ce{NH4+ + OH- -> NH3 + H2O}. \]
Количество вещества, реагирующего на этой стадии, равно
\[ n_{\text{гидроксид,дополнительное}} =(0.02895-0.01930)(0.1050) =1.01325\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Следовательно,
\[ n_{\text{аммиак}}=1.01325\ \mathrm{mmol}, \]
\[ n_{\text{аммоний}} =3.02350-1.01325 =2.01025\ \mathrm{mmol}. \]
Преобразуя выражение для константы кислотной диссоциации иона аммония, получаем
\[ \mathrm{pH} =\mathrm{p}K_a+ \log_{10}\frac{[\ce{NH3}]}{[\ce{NH4+}]}. \]
Обе частицы находятся в одном и том же объёме, поэтому отношение их концентраций равно отношению их количеств вещества:
\[ \begin{aligned} \mathrm{pH} &=-\log_{10}(5.7\times10^{-10}) +\log_{10}\left(\frac{1.01325}{2.01025}\right)\\ &=9.2441-0.2975. \end{aligned} \]
Следовательно,
\[ \boxed{\mathrm{pH}=8.95.} \]
2.3 — Описание кривой титрования
По горизонтальной оси отложите объём добавленного 0.1050 М раствора гидроксида натрия, от \(0\) до приблизительно \(30\ \mathrm{cm^3}\), а по вертикальной оси — pH, приблизительно от \(0\) до \(10\).
Отметьте следующие точки:
| Добавленный объём / \(\mathrm{cm^3}\) | pH |
|---|---|
| 0.00 | 1.39 |
| 9.65 | 1.77 |
| 19.30 | 5.30 |
| 28.95 | 8.95 |
Проведите плавную кривую, которая:
- Начинается при pH \(1.39\) и постепенно поднимается, проходя через точку \((9.65,\ 1.77)\).
- Становится всё более крутой по мере того, как избыток сильной кислоты приближается к полному исчерпанию.
- Проходит через крутой участок в области конечной точки титрования \((19.30,\ 5.30)\).
- После конечной точки титрования изгибается, переходя к более пологому подъёму по мере образования буферной системы аммоний–аммиак, и достигает точки \((28.95,\ 8.95)\).
Обозначьте \(19.30\ \mathrm{cm^3}\) как объём, соответствующий точке эквивалентности при нейтрализации избытка сильной кислоты.
2.4 — Интервал перехода окраски индикатора
Индикатор должен изменять окраску на крутом участке кривой вблизи pH точки эквивалентности, равного \(5.30\). Подходит интервал перехода окраски приблизительно
\[ \boxed{\mathrm{pH}\ 4\text{–}6} \]
Это позволяет зафиксировать нейтрализацию избытка сильной кислоты до того, как заметная доля ионов аммония превратится в аммиак.
2.5 — Молекулярная масса аминокислоты
Исходное количество вещества кислоты вновь равно
\[ n_{\text{кислота,исходное}}=5.050\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Обратным титрованием определяют оставшуюся кислоту:
\[ n_{\text{кислота,оставшееся}} =(0.01750)(0.1050) =1.8375\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Следовательно, из пробы аминокислоты образуется
\[ n_{\text{аммиак}} =(5.050-1.8375)\times10^{-3} =3.2125\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
Если каждая молекула аминокислоты содержит \(z\) атомов азота, то
\[ n_{\text{аминокислота}}=\frac{n_{\text{аммиак}}}{z}, \]
поэтому её молярная масса равна
\[ M=\frac{m}{n_{\text{аминокислота}}} =\frac{zm}{n_{\text{аммиак}}}. \]
Для одного атома азота в молекуле
\[ \boxed{ M=\frac{0.2345\ \mathrm g} {3.2125\times10^{-3}\ \mathrm{mol}} =73.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. } \]
Для двух атомов азота в молекуле
\[ \boxed{ M=\frac{2(0.2345\ \mathrm g)} {3.2125\times10^{-3}\ \mathrm{mol}} =146.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. } \]
Соответствующие безразмерные относительные молекулярные массы равны \(73.00\) и \(146.0\) соответственно.
Решение проверено по официальному решению.
IChO 1994 · مسألة نظرية 2
تقدير النيتروجين بطريقة كيلدال
غالبًا ما يُقدَّر النيتروجين في المواد الزراعية بطريقة كيلدال. تتضمن هذه الطريقة معالجة العينة بحمض الكبريتيك المركَّز الساخن لتحويل النيتروجين المرتبط عضويًا إلى أيون الأمونيوم. ثم يُضاف هيدروكسيد الصوديوم المركَّز، وتُقطَّر الأمونيا المتكوِّنة إلى حمض الهيدروكلوريك معلوم الحجم والتركيز. وبعد ذلك يُعايَر حمض الهيدروكلوريك الزائد معايرةً راجعةً بمحلول قياسي من هيدروكسيد الصوديوم لتقدير النيتروجين في العينة.
2.1 عولجت 0.2515 g من عينة حبوب بحمض الكبريتيك، ثم أُضيف هيدروكسيد الصوديوم وقُطِّرت الأمونيا إلى \(50.00\ \mathrm{cm^3}\) من حمض الهيدروكلوريك بتركيز 0.1010 M. وعُويِر الحمض الزائد معايرةً راجعةً باستخدام \(19.30\ \mathrm{cm^3}\) من هيدروكسيد الصوديوم بتركيز 0.1050 M.
احسب تركيز النيتروجين في العينة بالنسبة المئوية الكتلية.
2.2 احسب الأسّ الهيدروجيني pH للمحلول الذي تجري معايرته في 2.1 عند إضافة \(0\ \mathrm{cm^3}\) و\(9.65\ \mathrm{cm^3}\) و\(19.30\ \mathrm{cm^3}\) و\(28.95\ \mathrm{cm^3}\) من هيدروكسيد الصوديوم. أهمل أي تغيّر في الحجم أثناء تفاعل غاز الأمونيا مع حمض الهيدروكلوريك. قيمة \(K_a\) لأيون الأمونيوم هي \(5.7\times10^{-10}\).
2.3 ارسم منحنى المعايرة استنادًا إلى الحسابات في b).
2.4 ما مجال تغيّر pH للدليل الذي يمكن استخدامه في المعايرة الراجعة؟
2.5 يمكن أيضًا استخدام طريقة كيلدال لتحديد الوزن الجزيئي للأحماض الأمينية. في تجربة معينة، حُدِّد الوزن الجزيئي لحمض أميني موجود في الطبيعة بهضم 0.2345 g من الحمض النقي وتقطير الأمونيا المتحررة إلى \(50.00\ \mathrm{cm^3}\) من حمض الهيدروكلوريك بتركيز 0.1010 M. وكان حجم المعايِر المستهلك في المعايرة الراجعة بهيدروكسيد الصوديوم بتركيز 0.1050 M هو \(17.50\ \mathrm{cm^3}\).
احسب الوزن الجزيئي للحمض الأميني على أساس وجود مجموعة نيتروجينية واحدة ومجموعتين نيتروجينيتين في الجزيء، على الترتيب.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 2.1: \(\boxed{16.84\%}\) نيتروجين بالكتلة.
- 2.2: عند أحجام هيدروكسيد الصوديوم المضافة \(0,\ 9.65,\ 19.30,\ 28.95\ \mathrm{cm^3}\)، على الترتيب: \[ \boxed{\mathrm{pH}=1.39,\quad1.77,\quad5.30,\quad8.95.} \]
- 2.3: منحنى أملس ومتزايد للأسّ الهيدروجيني بدلالة الحجم، يمر بهذه النقاط الأربع ويرتفع بشدة حول \(19.30\ \mathrm{cm^3}\)، ثم يقل انحداره في منطقة المحلول المنظِّم المكوَّن من الأمونيوم والأمونيا.
- 2.4: يُعدّ مجال تغيّر يقارب \(\boxed{\mathrm{pH}\ 4\text{–}6}\)، ويشمل نقطة النهاية عند pH يساوي \(5.30\)، مناسبًا.
- 2.5: الكتلتان الموليتان هما \(\boxed{73.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\) عند وجود ذرة نيتروجين واحدة في كل جزيء و\(\boxed{146.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}\) عند وجود ذرتين. والكتلتان الجزيئيتان النسبيتان المقابلتان هما \(73.00\) و\(146.0\).
الحل
2.1 — محتوى النيتروجين
الأنواع الكيميائية المشاركة في التفاعلات الأيونية هي أيون الأمونيوم، \(\ce{NH4+}\) ([NH4+])؛ والأمونيا، \(\ce{NH3}\) (N)؛ وأيون الهيدروكسيد، \(\ce{OH-}\) ([OH-])؛ والماء، \(\ce{H2O}\) (O)؛ وأيون الهيدروجين في المحلول المائي، \(\ce{H+}\) ([H+]، الذي يمثّل بروتونًا مميَّهًا).
يحوّل الهضم النيتروجين إلى أيون الأمونيوم. وتؤدي إضافة الهيدروكسيد إلى تحرير الأمونيا:
\[ \ce{NH4+ + OH- -> NH3 + H2O}. \]
تستهلك الأمونيا المقطَّرة الحمض بنسبة مولية \(1:1\):
\[ \ce{NH3 + H+ -> NH4+}. \]
تُحدَّد كمية الحمض المتبقية بالتعادل:
\[ \ce{H+ + OH- -> H2O}. \]
كمية مادة الحمض الابتدائية هي
\[ n_{\text{الحمض، الابتدائية}} =(0.05000\ \mathrm{dm^3})(0.1010\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) =5.050\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
تساوي الكمية المتبقية بعد امتصاص الأمونيا كمية مادة المعايِر المستخدم في المعايرة الراجعة:
\[ n_{\text{الحمض، المتبقية}} =(0.01930\ \mathrm{dm^3})(0.1050\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) =2.0265\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
إذن، مع الاحتفاظ بأرقام إضافية لتجنّب أخطاء التقريب،
\[ n_{\mathrm N}=n_{\text{الأمونيا}} =(5.050-2.0265)\times10^{-3} =3.0235\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
باستخدام الكتلة المولية الذرية للنيتروجين \(14.01\ \mathrm{g\,mol^{-1}}\)،
\[ m_{\mathrm N} =(3.0235\times10^{-3})(14.01) =0.0423592\ \mathrm g. \]
وعليه،
\[ \boxed{ w_{\mathrm N} =\frac{0.0423592}{0.2515}\times100\% =16.84\%. } \]
2.2 — الأسّ الهيدروجيني أثناء المعايرة الراجعة
قبل المعايرة، يحتوي المحلول البالغ حجمه \(50.00\ \mathrm{cm^3}\) على:
\[ n_{\text{الحمض القوي الزائد}}=2.0265\ \mathrm{mmol}, \qquad n_{\text{الأمونيوم}}=3.0235\ \mathrm{mmol}. \]
يتحكم الحمض القوي في الأسّ الهيدروجيني قبل تعادله. وعند \(19.30\ \mathrm{cm^3}\)، يحدّد الأمونيوم الأسّ الهيدروجيني. ويحوّل الهيدروكسيد المضاف بعد ذلك بعض الأمونيوم إلى أمونيا، مكوِّنًا محلولًا منظِّمًا.
عند \(0\ \mathrm{cm^3}\)
يكون تفكك الأمونيوم مهملًا في وجود فائض من الحمض القوي:
\[ [\ce{H+}] =\frac{2.0265\times10^{-3}\ \mathrm{mol}} {0.05000\ \mathrm{dm^3}} =0.04053\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
ومن ثم،
\[ \boxed{\mathrm{pH}=-\log_{10}(0.04053)=1.39.} \]
عند \(9.65\ \mathrm{cm^3}\)
يعادل الهيدروكسيد المضاف كميةً مقدارها
\[ n_{\text{الهيدروكسيد}} =(0.00965)(0.1050) =1.01325\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
لذلك تكون كمية مادة الحمض القوي المتبقية أيضًا \(1.01325\times10^{-3}\ \mathrm{mol}\). ومع أخذ التخفيف في الحسبان،
\[ [\ce{H+}] =\frac{1.01325\times10^{-3}} {0.05000+0.00965} =0.0169866\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}, \]
وبالتالي
\[ \boxed{\mathrm{pH}=1.77.} \]
عند \(19.30\ \mathrm{cm^3}\)
يكون الحمض القوي الزائد قد تعادل. ويتصرف الأمونيوم بوصفه حمضًا ضعيفًا:
\[ \ce{NH4+ <=> NH3 + H+}. \]
تركيزه التحليلي هو
\[ C=\frac{3.0235\times10^{-3}} {0.05000+0.01930} =0.0436291\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
بوضع \(x=[\ce{H+}]\)، يعطي اتزان الحمض الضعيف
\[ K_a=\frac{x^2}{C-x}. \]
لأن التفكك ضئيل، فإن \(C-x\approx C\)، ومن ثم
\[ [\ce{H+}] \approx\sqrt{K_aC} =\sqrt{(5.7\times10^{-10})(0.0436291)} =4.99\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
إذن،
\[ \boxed{\mathrm{pH}=5.30.} \]
هذا التقريب مبرَّر لأن \(x/C\approx1.1\times10^{-4}\).
عند \(28.95\ \mathrm{cm^3}\)
يتفاعل الهيدروكسيد المضاف بعد تعادل الحمض القوي مع الأمونيوم:
\[ \ce{NH4+ + OH- -> NH3 + H2O}. \]
كمية المادة المتفاعلة في هذه المرحلة هي
\[ n_{\text{الهيدروكسيد، الإضافية}} =(0.02895-0.01930)(0.1050) =1.01325\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
وبناءً على ذلك،
\[ n_{\text{الأمونيا}}=1.01325\ \mathrm{mmol}, \]
\[ n_{\text{الأمونيوم}} =3.02350-1.01325 =2.01025\ \mathrm{mmol}. \]
بإعادة ترتيب تعبير ثابت التفكك الحمضي للأمونيوم،
\[ \mathrm{pH} =\mathrm{p}K_a+ \log_{10}\frac{[\ce{NH3}]}{[\ce{NH4+}]}. \]
يشغل النوعان الكيميائيان الحجم نفسه، لذا فإن نسبة تركيزيهما تساوي نسبة عدد مولاتهما:
\[ \begin{aligned} \mathrm{pH} &=-\log_{10}(5.7\times10^{-10}) +\log_{10}\left(\frac{1.01325}{2.01025}\right)\\ &=9.2441-0.2975. \end{aligned} \]
وعليه،
\[ \boxed{\mathrm{pH}=8.95.} \]
2.3 — وصف منحنى المعايرة
ارسم المحور الأفقي ليمثّل حجم هيدروكسيد الصوديوم المضاف بتركيز 0.1050 M، من \(0\) إلى نحو \(30\ \mathrm{cm^3}\)، والمحور الرأسي ليمثّل الأسّ الهيدروجيني pH، من نحو \(0\) إلى \(10\).
حدّد هذه النقاط:
| الحجم المضاف / \(\mathrm{cm^3}\) | pH |
|---|---|
| 0.00 | 1.39 |
| 9.65 | 1.77 |
| 19.30 | 5.30 |
| 28.95 | 8.95 |
ارسم منحنى أملس يتصف بما يلي:
- يبدأ عند pH يساوي \(1.39\) ويرتفع تدريجيًا مارًّا بالنقطة \((9.65,\ 1.77)\).
- يزداد انحداره مع اقتراب الحمض القوي الزائد من النفاد.
- يمر بمنطقة نقطة النهاية الشديدة الانحدار عند \((19.30,\ 5.30)\).
- ينحني نحو ارتفاع أقل انحدارًا بعد نقطة النهاية مع تكوّن المحلول المنظِّم من الأمونيوم والأمونيا، ليصل إلى \((28.95,\ 8.95)\).
ضع عند \(19.30\ \mathrm{cm^3}\) تسمية حجم التكافؤ للحمض القوي الزائد.
2.4 — مجال تغيّر لون الدليل
ينبغي أن يتغيّر لون الدليل ضمن الجزء الشديد الانحدار من المنحنى حول الأسّ الهيدروجيني عند التكافؤ، وهو \(5.30\). ويُعدّ مجال تغيّر يقارب
\[ \boxed{\mathrm{pH}\ 4\text{–}6} \]
مناسبًا. ويكشف ذلك عن تعادل الحمض القوي الزائد قبل أن يتحوّل جزء يُعتدّ به من الأمونيوم إلى أمونيا.
2.5 — الوزن الجزيئي للحمض الأميني
كمية مادة الحمض الموجودة في البداية هي مجددًا
\[ n_{\text{الحمض، الابتدائية}}=5.050\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
تقيس المعايرة الراجعة كمية الحمض المتبقية:
\[ n_{\text{الحمض، المتبقية}} =(0.01750)(0.1050) =1.8375\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
ومن ثم تنتج عينة الحمض الأميني
\[ n_{\text{الأمونيا}} =(5.050-1.8375)\times10^{-3} =3.2125\times10^{-3}\ \mathrm{mol}. \]
إذا احتوى كل جزيء من الحمض الأميني على \(z\) من ذرات النيتروجين، فإن
\[ n_{\text{الحمض الأميني}}=\frac{n_{\text{الأمونيا}}}{z}, \]
وبالتالي تكون كتلته المولية
\[ M=\frac{m}{n_{\text{الحمض الأميني}}} =\frac{zm}{n_{\text{الأمونيا}}}. \]
عند وجود ذرة نيتروجين واحدة في كل جزيء،
\[ \boxed{ M=\frac{0.2345\ \mathrm g} {3.2125\times10^{-3}\ \mathrm{mol}} =73.00\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. } \]
عند وجود ذرتي نيتروجين في كل جزيء،
\[ \boxed{ M=\frac{2(0.2345\ \mathrm g)} {3.2125\times10^{-3}\ \mathrm{mol}} =146.0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. } \]
الكتلتان الجزيئيتان النسبيتان المقابلتان، وهما بلا أبعاد، هما \(73.00\) و\(146.0\)، على الترتيب.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.