Một nhóm học sinh nghiên cứu về phương pháp chuẩn độ acid – base và nhận thấy: Khi chuẩn độ NaOH bằng HCl với chỉ thị phenolphthalein hoặc chuẩn độ Na2CO3 bằng HCl với chỉ thị methyl orange đều cho kết quả có độ chính xác cao. Nhóm học sinh đưa ra giả thuyết: “Có thể xác định được nồng độ NaOH và Na2CO3 trong dung dịch hỗn hợp của chúng bằng phương pháp chuẩn độ acid – base với các chỉ thị phenolphthalein và methyl orange với sai số không vượt quá 5%”. Để kiểm tra giả thuyết của mình, nhóm học sinh tiến hành như sau:
• Bước 1: Lấy 50,0 mL dung dịch chuẩn NaOH 1M và 10,0 mL dung dịch chuẩn Na2CO3 1M cho vào bình định mực 500 mL, thêm tiếp nước cất và lắc đều cho đến vạch định mức thu được dung dịch X. Cho dung dịch X vào chai polyethylene có nút kín
• Bước 2: Dùng pipette hút 10,0 mL dung dịch X cho vào bình tam giác dung tích 200 mL, thêm 10 mL nước cất sau đó thêm 3 giọt phenolphthalein. Dùng dung dịch chuẩn HCl 0,1M chuẩn độ đến dung dịch mất màu (CO32- chuyển hết sang HCO3-) thể tích dung dịch HCl tiêu tốn là V1 mL. Thêm tiếp vào bình tam giác 2 giọt methyl orange rồi tiếp tục chuẩn độ đến khi dung dịch ở bình tam giác chuyển từ màu vàng sang màu đỏ cam (HCO3- chuyển hết thành CO2), tổng thể tích dung dịch HCl tiêu tốn là V2 mL. Lặp lại quá trình chuẩn độ 3 lần, thu được giá trị V1, V2 trung bình lần lượt là 11,93 mL và 13,97 mL. (Biết phenolphthalein có màu hồng khi pH > 8,3 và không màu khi pH < 8,3; methyl orange có màu vàng khi pH > 4,4 và màu đỏ hoặc cam khi pH < 4,4)
a) Nếu cho chỉ thị methyl orange cùng với phenolphthalein vào bình tam giác ngay từ đầu thì không ảnh hưởng đến độ chính xác của phép chuẩn độ.
b) Nếu cho HCl 0,1M và methyl orange vào bình tam giác, dung dịch X vào burette rồi nhỏ từ từ dung dịch X vào dung dịch HCl đến khi dung dịch chuyển từ màu đỏ cam sang màu vàng, sau đó thêm phenolphthalein và tiếp tục chuẩn độ đến khi dung dịch chuyến sang màu đỏ. Dựa vào thể tích dung dịch X tiêu tốn thì vẫn xác định chính xác nồng độ NaOH và Na2CO3.
c) Trong phép chuẩn độ trên, xác định được nồng độ NaOH thấp hơn thực tế còn nồng độ Na2CO3 cao hơn thực tế.
d) Kết quả của thí nghiệm ủng hộ giả thuyết của nhóm học sinh.
Câu trả lời tốt nhất
Tóm tắt câu chuyện: Có dung dịch hỗn hợp NaOH, Na2CO3 đã biết nồng độ nhưng ta giả bộ chưa biết để đi chuẩn độ, sau đó dùng kết quả chuẩn độ đối chiếu với nồng độ đã biết trước để xem giả thuyết “sai số không vượt quá 5%” có đúng hay không.
Diễn biến:
Giai đoạn 1: Chuẩn độ NaOH + ½Na2CO3 với chất chỉ thị phenolphthalein, điểm dừng: hồng chuyển không màu.
NaOH + HCl —> NaCl + H2O
Na2CO3 + HCl —> NaHCO3 + NaCl2
Giai đoạn 2: Chuẩn độ NaHCO3 với chất chỉ thị methyl orange, điểm dừng: vàng sang đỏ hoặc cam.
NaHCO3 + HCl —> NaCl + CO2 + H2O
(a) Sai, giai đoạn 1 pH giảm dần và điểm dừng mong muốn là pH = 8,3, suốt quá trình này methyl orange có màu vàng khiến ta không quan sát đúng được sự đổi màu của phenolphthalein (hồng sang không màu), gây sai số, vì vậy ta phải cho methyl orange vào sau. Khi pH < 8,3 thì phenolphthalein không màu nên nó vô hại ở giai đoạn 2.
(b) Sai, methyl orange luôn có màu (vàng, đỏ hoặc cam tùy pH), điều này khiến nó trở thành kẻ phá bĩnh nếu dùng trước trong chuẩn độ 2 chất chỉ thị. Tuy nhiên lý do lớn hơn khiến cách (b) không ổn bởi phản ứng diễn ra khi chuẩn độ ngược như vậy là:
NaOH + HCl —> NaCl + H2O
Na2CO3 + 2HCl —> 2NaCl + CO2 + H2O
Hai phản ứng này xảy ra đồng thời và theo đúng tỉ lệ NaOH : Na2CO3 ban đầu, như vậy cho dù có bỏ qua sự lèm nhèm màu mè của methyl orange để tới được điểm dừng của phenolphthalein thì kết quả cũng không đi tới đâu khi ta chỉ có được tổng NaOH + 2Na2CO3.
(c) Đúng
Giai đoạn 1: nHCl(V1) = nNaOH + nNa2CO3
Giai đoạn 1: nHCl(V2) = nNaOH + 2nNa2CO3
—> nNa2CO3 = nHCl(V2) – nHCl(V1)
và nNaOH = 2nHCl(V1) – nHCl(V2)
Thực tế giai đoạn 1 phải dùng HCl dư một chút để pH tụt dưới 8,3 (mất màu hồng) ta mới dừng lại, như vậy V1 lớn hơn thực tế một chút. Giai đoạn 2 là câu chuyện khác, điểm tương đương (chỉ có NaCl với pH = 7) cách điểm dừng khá xa (pH < 4,4 cho methyl orange đổi màu), tức là V2 lớn hơn thực tế khá nhiều.
Như vậy cả 2 lần đo HCl đều bị dư, nhưng lần 1 dư ít, lần 2 dư khá nhiều, đối chiếu công thức tính số mol từng chất ở trên, ta thấy nNa2CO3 đã bị tăng lên, nNaOH lại bị giảm xuống, đúng với nhận xét “nồng độ NaOH thấp hơn thực tế còn nồng độ Na2CO3 cao hơn thực tế”
Lưu ý: Đánh giá “lớn hơn thực tế khá nhiều” giúp các bạn nhìn tương quan sai lệch của V1 và V2 chứ không có hàm ý V1, V2 này không ổn. Cảm quan có thể khiến nhận định sai lầm là dùng HCl dư khiến pH tụt từ 7 xuống 4,4 gây sai số rất lớn, nhưng thật ra nó không lớn, các bạn có thể tính thử lượng HCl cần để 23,97 mL dung dịch có pH = 7 giảm đến 4,4 là bao nhiêu.
(d) Đúng
Thay số vào công thức đã xây dựng ở (c) trên, trong 10 mL X có:
nNa2CO3 = nHCl(V2) – nHCl(V1) = 0,204 mmol
nNaOH = 2nHCl(V1) – nHCl(V2) = 0,989 mmol
Trong 500 mL X có Na2CO3 (10,2 mmol), NaOH (49,45 mmol)
Nồng độ trong X: CM Na2CO3 = 0,0204M; CM NaOH = 0,0989M
Thực tế nồng độ trong X là:
CM Na2CO3 = 10.1/500 = 0,02M
CM NaOH = 50.1/500 = 0,1M
Sai số:
+ Với Na2CO3 = |0,0204 – 0,02|/0,02 = 2%
+ Với NaOH = |0,0989 – 0,1|/0,1 = 1,1%
Sai số đều nhỏ hơn 5%, đúng như giả thuyết ban đầu.