Experiment8.BuffersI...

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Experiment 8. Buffers I 19 March 2020 Weak acid + conjugate weak base = buffer. Photo: Science in Hydroponics

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Experiment  8.  Buffers  I  19  March  2020  

Weak  acid  +  conjugate  weak  base  =  buffer.  

Photo:  Science  in  Hydroponics  

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Objec&ve:  To  prepare  a  buffer  of  a  specific  assigned  pH  from  a  weak  acid  and  its  conjugate  weak  base.  

Overview:  1.  Review  making  buffers  and  the  Henderson  

Hasselbalch  Buffer  Equa&on  2.  Choosing  the  best  weak  acid  +  conjugate  base  pair  3.  The  Math  4.  Making  the  buffer  5.  Procedure:  What  we  do  today  6.  Your  lab  report  

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This  week  and  next  week  we  will  be  making  buffers!    This  could  be  

fun…  

…and  educaEonal.  

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1.  Review  making  buffers  and  the  Henderson  Hasselbalch  Buffer  Equa&on    

There  are  three  recipes  for  making  buffers.    This  week  we  will  be  using  the  

first  recipe.  

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And  next  week  we  will  use  either  Recipe  2  or  3.  

The  3  recipes  for  making  a  buffer:    1.  Mix  a  weak  acid  with  its  conjugate  

weak  base  2.  React  a  weak  acid  with  OH-­‐  as  the  

limi&ng  reagent  3.  React  a  weak  base  with  H3O+  as  the  

limi&ng  reagent  

What  could  possibly  go  wrong?  

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pH  =  pKa  +  log(                        )  nwb  nwa  

So  looking  at  the  Henderson,  we  see  that  the  pH  depends  on  the  

number  of  moles  of  weak  acid  and  moles  of  weak  base…  and  the  pKa,  of  

course.      

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1.  Review  making  buffers  and  the  Henderson  Hasselbalch  Buffer  Equa&on    

Usually  there  is  more  of  one  than  the  other  in  order  

to  get  the  desired  pH.  

NoEce  that  if  the  moles  of  weak  base  equals  the  moles  of  weak  acid,  the  log  term  equals  zero…  and  pH  =  pKa.      

Info  for  IntroducFon  

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2.  Choosing  the  best  weak  acid  +  conjugate  base  pair  

pH  =  pKa  +  log(                        )  nwb  nwa  

HA        pKa  =  4.75  HB        pKa  =  5.15  HC        pKa  =  6.05  HD        pKa  =  7.45  

Then  we  can  mix  similar  moles  of  weak  acid  and  weak  base.  

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So  the  strategy  is  to  pick  an  acid  with  a  pKa  similar  to  

the  desired  pH.    

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pH  =  pKa  +  log(                        )  nwb  nwa  

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2.  Choosing  the  best  weak  acid  +  conjugate  base  pair  

So  if  the  assigned  pH  was  6.00,  for  example,  the  best  acid  for  the  job  would  be  HC  and  its  conjugate  base  C-­‐.  

HA        pKa  =  4.75  HB        pKa  =  5.15  HC        pKa  =  6.05  HD        pKa  =  7.45   And  now  we  do  

a  liVle  math.  

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3.  The  math  

nwb  nwa  nC-­‐  nHC  

=  0.8913  nC-­‐  nHC  

ConEnuing  on  with  this  pH  6.00  example,  we  need  to  make  a  

soluEon  in  which  the  mole  raEo  of  weak  base  to  weak  acid  is  0.891    

First  solve  for  log(wb/wa).    It’s  -­‐0.05.  And  then  take  the  inverse  log10.    

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-­‐0.05  =  log(                      )  nC-­‐  nHC  

So  with  log  numbers,  every  digit  to  the  right  of  the  decimal  is  significant.    The  number  -­‐0.05  has  two  significant  figures.  I  know!  Crazy.    For  sig  figs,  we  get  0.89,  but  we  should  use  

0.8913  through  to  the  end  of  the  calculaEons.  

6.00  =  6.05  +  log(                    )  

pH  =  pKa  +  log(                      )  

Try  this  calculaEon  yourself.    See  if  you  

get  0.8913.    

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=  0.891  nC-­‐  nHC  

The  instrucEons  said  to  make  50.0  mL  of  0.100  M  buffer.    

nC-­‐  +  nHC  =  0.0050  moles  

From  n  =  MV,  that  means  we  want  to  make  0.0050  total  moles  of  buffer  (moles  weak  

acid  +  moles  of  conjugate  base)  

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3.  The  math  

Wait.    Two  equaEons  and  two  

variables!  

Info  for  IntroducFon  

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=  0.891  nC-­‐  nHC  

We  solve  for  nHC  using  a  liVle  trick  called  math.  

nC-­‐  +  nHC  =  0.0050  moles  

0.891nHC  +  nHC  =  0.0050  moles  1.891nHC  =  0.0050  moles  total  nHC  =  0.00264  moles  HC    

nC-­‐  =  0.891nHC  

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3.  The  math  

Two  equaEons  …two  variables…  

Hmmm...  

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Then  subtract.  Boom.  Done.  

nC-­‐  +  nHC  =  0.0050  moles  

nHC  =  0.00264  moles  HC  nC-­‐  =  0.00236  moles  C-­‐    

nHC  =  0.00264  moles  HC  

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3.  The  math  

So  this  is  our  plan  –  to  measure  out  this  many  moles  of  HC  and  C-­‐.    Dissolve  them  together  in  water.  Voila!      

ntotal  =  0.00500  moles    

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Of  course  each  pair  of  us  will  have  a  different  

assigned  pH,  so  let’s  start  with  picking  the  

appropriate  weak  acid  –  the  one  with  the  pKa  that  matches  our  assigned  pH.  

Easy  peasy.  Convert  from  moles  to  mass  and  mass  out  the  weak  acid  and  weak  base  and  dissolve  them  in  about  50  

mL  water!  

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4.  Making  the  buffer  

To  review  the  process:  1.  Use  Henderson  to  solve  for  the  raEo  nwb/nwa.  2.  Given  nwb  +  nwa  =  0.0050  mol,  solve  for  nwb  and  nwa.    3.  Convert  the  moles  to  

masses  and  4.  Dissolve  in  deionized  water!  

Nothing  going  wrong  so  far…  

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Weak  Acid    pKa          MM                        Weak  Base        MM  NaHSO4                            1.990        120.06  g/mol      Na2SO4                                    142.04  g/mol  (sodium  hydrogen  sulfate                              (sodium  sulfate)  or  sodium  bisulfate)  

NaH2PO4                        7.198        119.98  g/mol      Na2HPO4.7  H2O        268.07  g/mol  

(sodium  dihydrogen  phosphate              (sodium  hydrogen  phosphate  or  sodium  phosphate  monobasic)                                                                  or  sodium  phosphate  dibasic)  

NaHCO3                        10.320        84.01  g/mol          Na2CO3                                  105.99  g/mol  (sodium  hydrogen  carbonate              (sodium  sulfate)    or  sodium  bicarbonate)  

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4.  Making  the  buffer  

These  are  our  choices  today  for  weak  acids  and  conjugate  bases.    

Start  by  picking  the  best  one  for  your  assigned  pH.  

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B.  Use  Henderson  to  figure  out  mole  raEo  and  moles  of  each   C.  Convert  moles  

to  masses.  

D.  Make  the  buffer  –  the  exact  amount  of  water  doesn’t  maVer,  but  should  be  around  50  mL.  

A.  Pick  the  best  wa  +  wb  from  previous  slide  for  your  

assigned  buffer.  

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4.  Making  the  buffer  

Info  for  IntroducFon  

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4.  Making  the  buffer  

The  buffer  probably  won’t  work  out  like  the  math  –  it’ll  be  close.  We  can  make  adjustments  quite  easily,  however.  

If  the  pH  is  too  high,  we  can  add  drops  of  1  M  

HCl(aq)  unEl  it’s  perfect.    

Hmmm…  What  should  I  do  if  the  pH  is  too  low?  

See?  Something  went  wrong.  

Info  for  IntroducFon  

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TWEEK  THE  pH  ‘TIL  IT’S  PERFECT!  

 DONE!  

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5.  Procedure:  What  we  do  today  

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Today  we  follow  the  procedure  as  described  in  the  lab  manual  starEng  

on  page  53.  

Almost  seems  a  liVle  too  easy…  

Yup.    Nothing  to  add.  

Then  come  back  here  for  the  calculaEons  starEng  on  Slide  5.  

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TWEEK  THE  pH  ‘TIL  IT’S  PERFECT!  

 DONE!  

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5.  Procedure:  What  we  do  today  

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Stuff  to  do  today….  

①  Wear  your  safety  glasses.  Dress  for  a  mess.  

②  Take  Eme  wriEng  an  introducEon  in  your  own  words  before  lab.  

③  Record  observaEons  and  details  as  carefully  as  possible.      ④  Once  you  are  ready  to  make  your  buffer,  use  the  pocket  

balances  at  your  staEon.    They  are  good  to  the  hundredths  place.    

⑤  When  your  buffer  is  ready,  ask  your  TA  to  check  it  for  accuracy.  She/he  will  iniEal  the  cover  sheet  if  it’s  ok.    Then  clean  up  and  complete  your  on-­‐line  submission!  

⑥  The  cover  sheet  summarizes  everything  that  you  need  to  include  with  your  report.      

⑦  Store  the  pH  probes  in  the  0.01  M  HCl  provided  at  the  middle  table  common  area.    Goldfish,  prefer  clean  fishbowl  water.    

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   17  Chem  Lab  with  the  S.ck  People  and  Bird  was  created  and  produced  by  Dr.  Bruce  

MaVson,  Creighton  Chemistry.  Enjoy  it  and  share  it  if  you  wish.  

6.  Your  Lab  Report  

①  First,  the  cover  page  with  TA  ini&als.  ②  Next,  the  trimmed  copy  pages  from  your  lab  

notebook  stapled  together.    ③  Staple  together  –  nothing  to  print  today.      ④   On-­‐line  results  due  at  the  end  of  class  today.    Late  

submissions  are  not  graded  –  see  the  syllabus.  ⑤  Turn  in  lab  report  today  or  before  the  start  of  

class  tomorrow.    Late  labs  may  not  be  graded  –  see  the  syllabus.  

S&ck  people  inspired  by  xkcd  cartoons  by  Randall  Munroe  

(www.xkcd.com)  

Hope  your  St  PaVy’s  is  enjoyable.  Umm,  what  

was  I  thinking?  This  is  

embarrassing…