120
SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULUNATAL DURBAN CENTRE General Principles of Chemistry CHEM 110 LABORATORY MANUAL 1 st SEMESTER 2009

SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

 

  

SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU‐NATAL 

DURBAN CENTRE    

General Principles of Chemistry CHEM 110 

     

LABORATORY MANUAL 1st SEMESTER 2009 

 

Page 2: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

 

 

1

UNIVERSITY OF KWAZULU‐NATAL DURBAN CENTRE 

SCHOOL OF CHEMISTRY   

 I, the undersigned (please print your full name):  ___________________________________________________________________  Student Number:  ____________________  do hereby acknowledge having read and understood the documents headed Occupational Health  and Safety and Laboratory Regulations. Furthermore,  I accept  that  contravention of these rules and regulations may lead to my expulsion from the laboratory class, or classes, with subsequent loss of my Duly Performed (DP) certificate.  I  agree  to  abide  by  any  additional  laboratory  regulations  or  safety  rules  presented  in writing  in  the  laboratory manuals/books or  issued verbally by  the  lecturer‐in‐charge, or other responsible member of staff, during pre‐laboratory lectures or in the laboratory.  In  addition,  I  understand  that  I must  attend  at  least  80%  of  the  scheduled  laboratory classes and that failure to do so, irrespective of the reasons, may result in the loss of my DP certificate.    DATE:    ___________________________  SIGNATURE:  ___________________________ 

Page 3: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

 

2

Table of contents  Occupational Health And Safety .................................................................................................... 3 Laboratory Regulations .................................................................................................................... 4 General Advice .................................................................................................................................. 4 Safety Precautions ............................................................................................................................. 6 General Fire Orders .......................................................................................................................... 8 Experiment 1:  Introductory laboratory techniques ................................................................... 9 Experiment 2:  Preparation of copper metal from copper sulfate pentahydrate ................. 17 Experiment 3:  An introduction to volumetric analysis ........................................................... 21 Experiment 4:  Determination of carbonate in an antacid tablet ............................................ 27 Experiment 5:  Preparation of a primary standard solution ................................................... 34 Experiment 6:  Determination of acetic acid in vinegar ........................................................... 42 Experiment 7:  Determination of the concentration of a solution of an ammonium salt .... 48 Experiment 8:  Determination of the percentage purity of a sample of Mohr’s salt ........... 54 Experiment 9:  Determination of the molar mass of magnesium ........................................... 60 Experiment 10a:  The absolute zero of temperature ................................................................. 67 Experiment 10b:  Calorimetry: Determination of the heat of neutralisation ........................ 75 Experiment 11:  pH and indicators ........................................................................................... 85 Experiment 12:  Chemical Kinetics: Rates of chemical reactions .......................................... 94 Appendix 1:  Laboratory apparatus ........................................................................................... 100 Appendix 2:  The laboratory balance ......................................................................................... 103 Appendix 3:  Volumetric apparatus ........................................................................................... 104 Appendix 4:  Experimental errors .............................................................................................. 109 Appendix 5:  The elements .......................................................................................................... 117    

Page 4: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Health and Safety 

 

3

Occupational Health and Safety  You  are  warned  that  all  substances  handled  and  all  operations  performed  in  a laboratory can be hazardous or potentially hazardous. All substances must be handled with  care  and  disposed  of  according  to  laid  down  procedures.  All  operations  and manipulations must be carried out in an organised and attentive manner.  In  order  to  assist  you  in  developing  good  and  safe  laboratory  techniques,  a  set  of Laboratory Rules  and Regulations  is  attached. You  are  required  to  read  these  and  to acknowledge that you have read and understood them. Additionally, in the laboratory manuals/books  and/or  pre‐laboratory  lectures  your  attention  will  be  drawn  to  the correct and safe handling of specific chemicals/reagents/solvents, and to the correct/safe manner  in which  specified  laboratory operations must be  carried out. These  specific instructions and/or warnings must never be ignored. 

It is a legal requirement that  

SAFETY GLASSES, LABORATORY COATS and CLOSED SHOES 

 are worn in the laboratory at all times. 

  Note:  1.  Sunglasses  (normal  or prescription) may NOT be worn  as  a  substitute  for  safety glasses. Prescription glasses (except sunglasses) are acceptable, but MUST be worn at ALL TIMES. 

 2.  Some  types of contact  lenses should not be worn  in  the  laboratory.   Students who wear contact lenses must check the risk factor with their lens supplier. 

 3.  In addition  to being closed, shoes must be sensible – HIGH HEELED SHOES are HAZARDOUS. 

 4.  The School requires students to remove, or to make safe, headgear that is considered dangerous or a potential hazard. 

 5.  The School requires students with long hair to tie it back. 

Page 5: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Health and Safety 

 

4

Laboratory Regulations  

1. Students shall present themselves ten minutes before the start of each scheduled laboratory session. Latecomers will be refused entry to the laboratory. 

 2. No student is permitted to work in the laboratory outside scheduled laboratory 

hours.  

3. Students are not allowed to enter the preparation room, which is located along the  side  of  the  laboratory.  If  reagent  bottles  need  to  be  refilled,  broken apparatus  replaced,  etc.,  students  should  request  assistance  from  a demonstrator.  

4. Apparatus and chemicals are NOT to be removed from the laboratory.  

5. You will  find  the  laboratory bench  clean upon your arrival, and  it  should be clean  when  you  leave  the  laboratory.  Bench  tops  should  be  wiped  and glassware and other apparatus should be left clean and dry.  

6. All solids must be discarded in the bins at the outer ends of each bench. Do not throw matches, paper, or any insoluble chemicals into the sink. Liquids must be discarded into the ceramic sinks or designated disposal bottles.  

7. All  students  are  required  to wear  a  laboratory  coat,  and  no  student will  be permitted to work in the laboratory without one.  

8. All  students who  do  not wear  conventional  spectacles must wear  a  pair  of safety  spectacles.  No  student  will  be  permitted  to  work  in  the  laboratory without eye protection. 

 9. No  food or drink  is  allowed  in  the  laboratory. Eating  is not permitted  in  the 

laboratory.  10. Cell phones must be switched off whilst you are in the laboratory.  

  

General Advice  In order to work quickly and accurately, students should carefully plan their work before coming into the laboratory. A schedule of the experiments to be performed will be posted 

Page 6: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Health and Safety 

 

5

on the notice board and students are expected to read the relevant portions of the notes in their laboratory manuals before their practical session.  The pre‐laboratory problems on  the green sheets should be completed at home prior  to the  relevant  laboratory.  These  exercises  are  designed  to  familiarise  you  with  certain aspects of the theory of the experiment you are to carry out, as well as giving you practice in  the  calculations  involved.  It  is  thus  very  important  that  you  complete  them  before coming to the laboratory.  Answers  to questions and numerical problems are given  to allow you  to check  that you are  getting  them  correct.  This  is  most  beneficial  if  you  first  attempt  to  answer  the questions yourself, and then only  look at the answers to see  if you are right, rather than merely  consulting  the  answers  directly.  Being  able  to  follow  and  understand  when someone else does a calculation does not teach you how to do it yourself!  These  exercises  are  not  marked,  but  the  laboratory  exercises  themselves,  which  are marked,  will  contain  questions  which  are  very  similar  to  those  found  in  the  pre‐lab exercises. These exercises thus serve as preparation for the  laboratory exercises, and  it  is thus in your own interest to ensure that you have mastered the material.  You will not be allowed  entry  into  the  laboratory  unless  you  have  completed  your  green  sheet beforehand.  You must record all your results neatly in ink on the sheets provided. If you forget your laboratory manual, borrow a friend’s and make a copy before coming to the laboratory.  All results sheets for a particular laboratory must be handed in at the end of that session; students who do not do so will be deemed to have been absent, with possible subsequent DP implications.  All absences  from practicals will automatically be graded as 0 unless a  suitable written excuse  (medical or other)  is  furnished. Written  excuses  should be provided within one week of re‐attendance, or they will not be accepted.  Under  special  circumstances  a  student may  be  allowed  to  attend  a  laboratory  session other  than  their  allotted  one,  thereby  allowing  them  to  “miss”  their  normal  session without being penalised. However, driver’s‐license‐appointments,  leaving‐campus‐early‐for‐vacations,  and  studying‐for‐tests‐the‐following‐day  do  not  constitute  valid  reasons. Students who feel their reasons are valid should see the lecturer‐in‐charge beforehand to make  arrangements.    Please  keep  in mind  that  a DP  certificate will  be  refused  to  any student  who  has  not  attended  the  required  minimum  number  (80%)  of  laboratory sessions, irrespective of the reasons for absences.  

Page 7: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Health and Safety 

 

6

Safety Precautions The  chemical  laboratory  is  not  a  place  for  horseplay.  Do  not  attempt  unauthorised experiments or practical  jokes on your neighbour. Such activities are dangerous and can cause serious injuries.  Report  all  accidents,  cuts,  burns,  etc.  ‐  however minor  ‐  to  your  demonstrator  or  staff member  in charge. Eyewash  stations are  located  in  several places  in  the  laboratory. See that you know where the nearest one to your bench is located in case of an accident.  Liquids – whether corrosive or not – must be handled with care, and spilling on the bench or  floor  should  be  carefully  avoided.  Any  spillage must  be  cleaned  up  at  once.  If  a corrosive  liquid,  such  as  an  acid or base,  is  spilled,  call your demonstrator or  the  staff member in charge.  Reagent  bottles must  be  stoppered  immediately  after use  and  returned  to  their  correct place. It is absolutely forbidden to introduce anything into reagent bottles, and solutions taken from reagent bottles should never be returned to the bottles. Do not lay the stopper of a reagent bottle on the desktop – it could become contaminated. The correct procedure for pouring liquids from reagent bottles is described below.    Hold  the  stopper  in  the  bottle,  and  tilt  the  bottle slightly  to  wet  the  stopper.  This  lubricates  the ground  glass  and  makes  removing  the  stopper easier.    Moisten  the  inside of  the neck and  the  lip with  the stopper. This stops the first drops from gushing out when pouring. Replace the stopper. 

  Remove  the  stopper  again  by  turning  your  hand over  and holding  the  stopper between  two  fingers. The neck of  the bottle should  touch  the edge of  the vessel you  are pouring  into  to prevent  liquid  from running down the outside of the bottle.    The  stopper must  remain  firmly  held  between  the fingers  whilst  pouring  the  liquid.  Replace  the stopper when enough liquid has been poured out. 

  

Page 8: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Health and Safety 

 

7

Do not heat graduated cylinders or bottles because  they can easily break. Heat all other apparatus gently at first to avoid breakage.  Do not put anything in your mouth while working in the laboratory, nor taste chemicals or solutions!  Breakages  of  expensive  items  of  glassware  such  as  burettes,  pipettes,  thermometers, graduated cylinders, etc. will be charged for. Examination results can be withheld at the end of a semester until such charges have been settled.  

Page 9: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Health and Safety 

 

8

General Fire Orders  These  orders  should be  read  in  conjunction with  any  fire  fighting  instructions  that  are displayed in the laboratory.  In the event of a fire: 

Alert  your  demonstrator  or  staff  member  in  charge  (if  they  haven’t  already noticed…) and obey any instructions that they give you. 

 On hearing a fire evacuation alarm: 

Stop  normal  work  immediately.  Make  any  apparatus  safe  –  turn  off  Bunsen burners, stirrers, vacuum pumps, etc.  Unless  your  demonstrator  or  staff member  in  charge  has  given  you  any  other special  instructions,  follow  the  green  emergency  exit  signs  out  of  the  building. Assemble on the grassed area between J and L blocks. 

 You should make sure that you know the location of the fire extinguisher in your lab.  

Page 10: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 1 

 

9

Experiment 1:  Introductory laboratory techniques: 

Determination of densities of solids and liquids  AIM  The purpose of  this  laboratory exercise  is  threefold:  to  introduce  laboratory  regulations, equipment and correct procedures, to illustrate some elementary manipulative techniques and the use of the three decimal place balance, and to give practice in the manipulation of significant figures.  INTRODUCTION  Density, d, is defined as the ratio of the two properties, mass, m, and volume, V, i.e.  

Vmd =   in units of g cm‐3 or kg m‐3 (for solids and liquids), or g dm‐3 (for gases). 

 The  mass  of  a  sample  is  independent  of  external  conditions  such  as  temperature  or pressure, while the volume is sensitive to temperature. This is particularly true for gases.  Density is a physical property of a material, and is characteristic of that material. A pure material can be identified by comparison of its measured density with the accepted values found  in standard  reference  tables. When a material  is  to be  identified  in  this way,  it  is very  important  to  ensure  that  the material  is  as pure  as possible,  and  that  the value  is measured as accurately as possible.  EXPERIMENTAL PROCEDURE 

Laboratory equipment Check  the  equipment  in your  locker against  the  list provided  (Appendix 1). Make  sure you  know  the  names  of  the  various pieces  of  equipment  in  your  locker,  and  that  you know which piece of equipment corresponds to each item on your locker list. 

Exercise in weighing Once  your  demonstrator  has  shown  you  how  to  use  the  three  decimal  place  balance, weigh  a  dry  50  cm3  beaker. Measure  25  cm3  of water  into  the  beaker  using  a  10  cm3 measuring cylinder, and weigh the beaker and water. Record both masses. Calculate the mass of water in the beaker by difference.  Empty and dry the beaker. Now measure 25 cm3 of water into the beaker using a 50 cm3 measuring cylinder. Calculate the mass of water in the beaker by difference.  

Page 11: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 1 

 

10

You will  be  given  the  density  of water  at  the  temperature  of  the  laboratory. Use  the density and the mass of water to determine the volume of water measured in each case. 

Determination of Density Densities of Liquids You are provided with  two  liquids A and B.   My measuring  the densities of  these  two liquids you will be able  to  identify which  is  the regular soft drink and which  is  the diet soft drink.  Weigh a clean, dry 50 cm3 graduated measuring cylinder and record  the mass. Measure 25.0 cm3 of  liquid A  into  the cylinder, make sure  that  the outside of  the cylinder  is dry, and then re‐weigh the cylinder and its contents. Record the volume and mass, as before, and  from  these data  calculate  the density of  liquid A. Discard  the  liquid  into  the  sink, rinse  the measuring  cylinder with acetone, and dry. Discard  the acetone  into  the waste bottle provided.  Repeat the above procedure for liquid B.  Record  the  results,  to  the  correct  number  of  significant  figures,  on  your  report  sheet.  Identify which of A and B is the diet soft drink.  Densities of Solids Weigh a clean, dry, 50 cm3 beaker, add ~15 g of solid C and re‐weigh. Record both masses. Place 5.0 cm3 of water in the 10 cm3 graduated measuring cylinder, then tilt the measuring cylinder  and  carefully  slide  the  solid  into  the  liquid.  Dislodge  air  bubbles  by  gently tapping the cylinder. Reread the volume to the nearest 0.1 cm3. Determine the volume of the  solid  from  the  difference  between  the  two  readings,  and  calculate  the  density  and percentage error.  Discard  the  solid  into  the  waste  bucket  provided,  rinse  the measuring  cylinder  with acetone, and dry.  Repeat the procedure with ~26 g of solid D, and report both results to the correct number of significant figures.  Calculation of % error The  difference  between  the  experimentally  determined  value  and  the  reference  (or literature) value  is best expressed as a percentage, which  is always quoted as a positive value. 

100×⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

lit

lit

d - dd exp error  %  

 The reference values for the solids you will have looked up for yourself as part of the pre‐laboratory exercise. 

Page 12: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 1 

 

11

Cleaning Up Rinse all glassware used and replace in the correct locker.  When you are ready to go, call your demonstrator to your bench. If all is satisfactory, he or she will accept and initial your report, and you may then leave. 

Page 13: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 1 

 

12

Experiment 1:  Introductory laboratory techniques: 

Determination of densities of solids and liquids  PRE‐LABORATORY EXERCISE  1.  Look up  the densities of  lead  (Pb) and zinc  (Zn)  in your  textbook and enter on your 

answer sheet.  2.  a)  A block of titanium (Ti) of dimensions 25.0 cm x 15.0 mm x 1.00 dm has a mass of 

1.69 kg. Determine the density of titanium in (i) g cm‐3 and (ii) kg m‐3. b) Look up the density of titanium and compare your answer. 

                        

dexp Ti _________g cm‐3  

dexp Ti _________kg m‐3  

dlit Ti _________g cm‐3  

Page 14: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 1 

 

13

3.  You are asked  to  identify a  sample of an organic  liquid by determining  its density. You determine that 15.2 cm3 of the liquid has a mass of 43.932 g.  Is it  (i) bromomethane (CH3Br, d = 2.49 g cm‐3) 

(ii) methylene bromide (CH2Br2, d = 2.89 g cm‐3), or  (iii) bromoform (CHBr3, d = 3.42 g cm‐3) ? 

                    

(d = 2.89 g cm‐3, methylene bromide CH2Br2)  4.  A student determines  the density of Zn as 7.56 g cm‐3. Calculate  the % error of  this 

value.               

(5.9%) 

Page 15: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 1 

 

14

Experiment 1:  Introductory laboratory techniques: 

Determination of densities of solids and liquids 

Mark      

Name:  _____________________________

Student number:  __________________________

Date:  _____________________________

Lab. number:  _____________________________

Seat number: _____________________________

Demonstrator:  ____________________________

 

Pre‐Lab/  Prac/  Deductions  (sig. fig. etc.) 

Total/ 

   

     

       

RESULTS (to be entered in pen; all calculations should be shown, and should be quoted to the correct number of significant figures) 

Exercise in weighing  Density of water (lab noticeboard)        ______________  Mass of beaker/g              ______________  Mass of beaker + water/g (10 cm3 measuring cylinder)   ______________ 

 

Mass of water/g (10 cm3 measuring cylinder)      ______________ 

 

 

 

Calculated volume of water/cm3 (10 cm3 measuring cylinder)        

Page 16: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 1 

 

15

Mass of beaker/g              ______________  Mass of beaker + water/g (50 cm3 measuring cylinder)   ______________ 

 

Mass of water/g (50 cm3 measuring cylinder)      ______________ 

 

 

 

Calculated volume of water/cm3 (50 cm3 measuring cylinder)        

 Are the calculated volumes different in each case?   Why might the calculated volumes be different?     Which measuring device is more accurate?     

Densities of Liquids                Liquid A      Liquid B  

Mass of measuring cylinder + liquid/g  ______________      ______________ 

Mass of dry measuring cylinder/g   ______________      ______________ 

Mass of liquid/g        ______________      ______________ 

 

Volume of liquid/cm3      ______________      ______________ 

 

 

 

d calculated/g cm‐3        ______________      ______________ 

Which is the diet soft drink?    ______________ 

Page 17: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 1 

 

16

Densities of Solids                  Solid C (zinc)       Solid D (lead) 

Mass of solid/g        ______________    ______________ 

Final volume/cm3        ______________    ______________ 

Initial volume/cm3        ______________    ______________ 

 

Volume of solid/cm3      ______________    ______________ 

 

 

 

d calculated/g cm‐3        ______________    ______________ 

d reference value /g cm‐3 (from textbook) ______________    ______________ 

 

 

 

Percentage error/%        ______________    ______________ 

  How would you modify the procedure above if you wished to determine the density of a solid such as sugar, which is soluble in water? 

Page 18: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 2 

 

17

Experiment 2:  Preparation  of  copper metal  from  copper  sulfate pentahydrate 

 AIM  To  prepare  copper metal  from  copper  sulfate  pentahydrate  by  a  series  of  reactions  in order to illustrate the concepts of stoichiometry and percentage yield.  INTRODUCTION  In  this experiment, a series of reactions will be carried out  to convert copper  (II) sulfate pentahydrate to copper.  

copper (II) sulfate → copper (II) phosphate → copper (II) chloride → copper  The percentage yield will be calculated for the overall series of reactions.  EXPERIMENTAL PROCEDURE  Place  a  clean,  dry  250  cm3  beaker  on  the  balance  and  record  the mass  of  the  beaker. Remove the beaker from the balance, and place around 5 g of copper sulfate pentahydrate into it. Reweigh the beaker containing the copper sulphate pentahydrate. Subtracting the mass of the beaker from the mass of the beaker + copper sulfate pentahdrate will give you the mass of  copper  sulfate pentahydrate  in  the beaker. Ensure  that you always use  the same balance for your measurements. Weighing like this is called weighing by difference.  Add 30 cm3 distilled water  to  the beaker and stir until  the copper sulfate has dissolved completely. Now  add  15  cm3  of  1 M  trisodium  phosphate while  stirring  the  solution thoroughly. A light blue precipitate of copper (II) phosphate is formed. Test the solution with litmus paper. If it is acidic add 6 M NaOH dropwise with constant stirring, until it is barely basic. Add 20 cm3 distilled water, stir well and filter with a Buchner funnel. Rinse the beaker three times with small quantities of distilled water (10 cm3). Pour the washings into  the  filter.  Finally wash  the precipitate  three  times with  5  cm3  volumes  of distilled water. Discard the filtrate.  Place a clean 250 cm3 beaker under the filter funnel containing the copper (II) phosphate. Add 20 cm3 6 M HCl to the precipitate on the filter. The acid should be dropped onto the precipitate. The precipitate will dissolve and  the  solution will  run  into  the beaker. This solution  should  be  poured  over  the  precipitate  on  the  filter  until  no  solid  remains, replacing  the collecting beaker with a clean one. When no precipitate remains, rinse  the empty beaker with 1‐2 cm3 distilled water, pouring the rinse through the filter. Then rinse the filter with 1‐2 cm3 distilled water.  

Page 19: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 2 

 

18

Clean  a  piece  of  magnesium  ribbon  using  sandpaper.  Add  about  1.0  g  of  the  clean magnesium  ribbon  to  the  solution  in  the  beaker. Keep  the magnesium  submerged  by using a glass rod. As the copper in solution is replaced by magnesium, the blue colour will gradually disappear. The magnesium will also  react with HCl  to  liberate hydrogen. Stir the  solution  to  free  the  copper  from  the magnesium metal  surface.  If  necessary, more magnesium  can  be  added,  but  care must  be  taken  not  to  add  too much.  Should  the magnesium  not  react,  and  the  solution  remain  blue,  a  few  drops  of  concentrated hydrochloric acid can be added.  When  the  blue  colour  has  disappeared  and  the magnesium  is  completely  dissolved,  a deposit of red copper will remain in a colourless solution. Allow the copper to settle, then decant  the  major  part  of  the  supernatant  liquid  and  wash  the  copper  four  times  by decantation with 10 cm3 portions of distilled water, taking care not to lose any solid.  Drain as much water as possible from the beaker. Write your name on the beaker with a marker pen and place the beaker in the oven to drive off all moisture. When the copper is dry remove the beaker from the oven and allow  it to cool. When cool, weigh the beaker and its contents. Remove all the copper from the beaker and reweigh the beaker. Calculate the mass of copper obtained. 

Page 20: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 2 

 

19

Experiment 2:  Preparation  of  copper metal  from  copper  sulfate pentahydrate 

 PRE‐LABORATORY EXERCISE  1. What is the formula of each of the following compounds?    copper (II) sulfate pentahydrate    ____________ 

  copper (II) phosphate      ____________ 

  copper (II) chloride        ____________ 

 2. Write balanced equations for the following reactions:  the preparation of copper (II) phosphate from copper (II) chloride pentahydrate 

________________________________________________________________________ 

the preparation of copper (II) chloride from copper (II) phosphate and hydrochloric acid 

________________________________________________________________________ 

the displacement of copper from copper (II) chloride by magnesium metal 

________________________________________________________________________ . 

 

3. A student carried out Experiment 2, starting with 5.37 g copper sulfate pentahydrate. The  amount  of  copper  obtained  from  the  experiment  was  1.24  g.  Calculate  the percentage yield for the student’s experiment. 

Page 21: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 2 

 

20

Experiment 2:  Preparation  of  copper metal  from  copper  sulfate pentahydrate 

Mark      

Name:  _____________________________

Student number:  __________________________

Date:  _____________________________

Lab. number:  _____________________________

Seat number: _____________________________

Demonstrator:  ____________________________

 

Pre‐Lab/  Prac/  Deductions  (sig. fig. etc.) 

Total/ 

   

     

       

RESULTS (to be entered in ink with all calculations shown; remember significant figures)  Mass of beaker           ____________ 

Mass of beaker + copper sulfate pentahydrate  ____________ 

Mass of copper sulfate pentahydrate    ____________ 

  Mass of beaker + copper        ____________ 

Mass of beaker          ____________ 

Mass of copper obtained        ____________            Percentage yield of copper       ____________   

Page 22: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 3 

 

21

Experiment 3: An  introduction  to  volumetric  analysis: Determination  of  the  concentration  of  a  NaOH solution  by  titration with  a  standard  solution  of HCl 

 AIM  To introduce volumetric analysis. To provide practice in the correct use of the pipette and the  burette,  and  to provide practice  in  the  observation  of  indicator  colour  changes. To determine the concentration of an NaOH solution.  INTRODUCTION  In  this  titration  you  are  going  to  determine  the  concentration  of  a NaOH  solution  of unknown concentration by using a standard HCl solution, the concentration of which will be given  to you. You will use phenolphthalein as  the  indicator. A known volume of  the HCl  solution will  be  placed  in  the  titration  flask  and will  be  titrated with  the NaOH solution  until  the  end  point  is  reached.  Phenolphthalein  indicator  undergoes  a  colour change  from  colourless  to pink over  the pH  range 8.3 – 10.0. The  end point  is  reached when a pale pink colour is observed.  The reaction between NaOH and HCl is given by the following equations:  

NaOH(aq) + HCl(aq)  →  H2O(l) + NaCl(aq) OH‐(aq) + H+(aq)  →  H2O(l) 

 The  reaction  that  occurs  is between OH‐(aq)  and H+(aq)  to  form unionised H2O(l). The Na+(aq) and Cl‐(aq) ions do not take part in the reaction, and are known as spectator ions.  The equations above show  that  the OH‐(aq) and H+(aq) react  in a 1:1 ratio,  i.e. 1 mole of NaOH will be exactly neutralised by 1 mole of HCl.  An  accurate  endpoint  is  one  in which  the  addition  of  one  single  drop  of  acid  or  base results  in  the  colour  change  that  signals  that  the  endpoint has been  reached. Titrations would take far too long, however, if this principle was applied right from the beginning of every analysis; it is necessary to add single drops only when the endpoint has almost been reached. If an estimate of where the endpoint is likely to occur can be made, then acid or base can be added very rapidly  (literally “run  in”  from  the burette) until  just before  the endpoint  is  reached,  and  only  the  last  1.0  cm3  need  be  added  drop  by  drop.  The  first titration is thus used to determine the endpoint to within the nearest 0.5 cm3, after which further accurate determinations can then rapidly be carried out. 

Page 23: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 3 

 

22

EXPERIMENTAL PROCEDURE 

Introductory exercises   Read appendix 3 for a description of how to use the pipette and burette correctly.  The burette Pick up the burette, and turn the tap several times to get the feel of it.  Put about 30 cm3 of tap water into the burette, and practice the technique of removing air bubbles trapped in the jet.  Clamp the burette in the burette stand and practice opening and closing the tap with the left hand until you can control the delivery of one drop.  Weigh  a  beaker.  Now  titrate  exactly  25  cm3  of water  into  the  beaker.  Reweigh.  This volume of water should weigh between 24.95 g and 25.05 g. If the mass of your volume is outside the range 24.90 g to 25.10 g repeat the exercise until you can achieve the desired accuracy.  The pipette Pick  up  the  pipette,  one  hand  above  the  bulb,  the  other  below  the  bulb.  Note  the graduation mark. Attach the pipette filler to the top of the pipette, and practice filling the pipette with water.  Weigh three beakers, and then pipette 25 cm3 of water into each and reweigh. The mass of water  in each case should be between 24.45 g and 25.05 g. Repeat this exercise until you can achieve this level of precision.  Remember to keep the pipette safely lodged in the clamp when not in use. 

Titration of base against acid Rinse and prepare  the pipette  (see Appendix 3). Pipette  four aliquots of 0.1 M HCl  into conical flasks.  Add three drops of phenolphthalein indicator to each of the four aliquots of acid.  Rinse and prepare the burette (Appendix 3), then carry out a rough titration as follows:  Adjust the burette level to within 0.5 cm3 of the zero mark and record the reading to the nearest 0.5  cm3.  It  is not necessary  to  take accurate  readings at  this  stage,  this  is only a rough  titration. Run  in about 15 cm3 of NaOH solution  from  the burette whilst swirling the contents of the conical flask. Thereafter add ~0.5 cm3 at a time until the colour change from colourless to pink signals the endpoint has been passed, and again record this value to within 0.5 cm3. 

Page 24: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 3 

 

23

 You now have a rough idea of where the titration endpoint occurs, and as the other three aliquots were prepared in the same way, the endpoints for these should also (allowing for experimental error) be the same.  Refill the burette and take an accurate initial reading, this time to the nearest 0.02 cm3. Run in  NaOH  solution  to  within  1.0  cm3  of  the  rough  endpoint  determined  above,  and dropwise from then on. Keep swirling the conical flask throughout the titration, and rinse the inside of the flask down frequently with deionised water from your washbottle. As the endpoint  approaches,  the  pink  colour  that  appears when  a  drop  of NaOH  solution  is added will  take  longer and  longer  to disappear, and a close watch must be kept on  the colour  of  the  solution  after  the  addition  of  a  drop  and  after  swirling.  Eventually,  the addition of one drop will change  the colour of  the solution. When  the  faint pink colour that appears persists for ~15 seconds, the endpoint has been reached. Read and record the final  burette  volume,  and  calculate  the  volume  of  NaOH  delivered  (the  “endpoint volume”) before continuing with the next accurate titration.  Repeat for the third and fourth aliquots, refilling the burette as required (if each titration requires less than 25 cm3, two titrations can be performed before refilling).   NOTE: It  is all too easy for beginners to add too much NaOH and go past, or overshoot 

the  endpoint. Obviously  these  results will  be  incorrect.  Record  them  anyway  ‐  they  will  be  discarded  later,  but  it  is  very  important  to  develop  the  habit  of recording all results, not just the good ones. After a little practice, the intermediate colour  should  be  attained  in  every  titration,  especially  when  the  technique  of adding a fraction of a drop is mastered. 

 If you do not obtain  three  titrations within 0.10 cm3,  repeat  the procedure until you do. Select  the  three  titrations  in  closest  agreement  (within  0.10  cm3)  and  calculate  their average. Calculate the exact molarity of the approximately 0.1 M NaOH solution from the exact molarity  of  the HCl  solution  given  to  you  and  your  titration  results. Remember significant figures.  Now perform a further four titrations, two with methyl red as the indicator and two with screened methyl orange  as  the  indicator.  In  each  case  record your  results  and note  the colour changes observed.  CLEANING UP Rinse the pipette with deionised water and lodge it in the clamp upside down.  Rinse the burette with deionised water, and  lodge  it  in the clamp upside down with the stopcock in the open position. 

Page 25: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 3 

 

24

Experiment 3: An  introduction  to  volumetric  analysis: Determination  of  the  concentration  of  a  NaOH solution  by  titration with  a  standard  solution  of HCl 

 PRE‐LABORATORY EXERCISE  A  0.1056  M  solution  of  HCl  was  titrated  with  a  solution  of  NaOH  of  unknown concentration. When a 20.00 cm3 aliquot of the HCl was used, the following results were obtained:  

Titration No.  1 2 3 4  5 Final burette reading/cm3 Initial  burette reading/cm3 

20.640.52

40.6220.74

20.700.62

41.08 21.12 

20.880.78

Volume delivered /cm3 

          

 Identify  the  three acceptable results, and use  them  to calculate  the exact molarity of  the NaOH solution. Also calculate the NaOH concentration in g dm‐3 (molar mass of NaOH = 40.00 g mol‐1).                      

(acceptable results 20.12, 20.08, 20.10 cm3 (range ≤ 0.10 cm3)) (average 20.10 cm3, [NaOH] 0.1051 M, 4.203 g dm‐3) 

Page 26: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 3 

 

25

Experiment 3: An  introduction  to  volumetric  analysis: Determination  of  the  concentration  of  a  NaOH solution  by  titration with  a  standard  solution  of HCl 

Mark      

Name:  _____________________________

Student number:  __________________________

Date:  _____________________________

Lab. number:  _____________________________

Seat number: _____________________________

Demonstrator:  ____________________________

 

Pre‐Lab/  Prac/  Deductions  (sig. fig. etc.) 

Total/ 

   

     

       

RESULTS  

Preliminary exercises  

  Burette  Pipette Masses for 25 cm3 of water/g     

   

   

Experimental Titration Results (ALL BURETTE READINGS MUST BE GIVEN TO 2 DECIMAL PLACES.)  HCl molarity       ____________M 

Volume of HCl aliquots used  ____________cm3 

 Titration No.  Rough  1  2 3 4 5  6  7Final burette  reading/cm3 

               

Initial burette  reading/cm3 

               

Volume delivered/cm3 

               

 Circle the titration numbers used for the calculations. 

Page 27: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 3 

 

26

  Average volume delivered   ____________cm3  Balanced equation for the titration reaction:     Molarity of NaOH in mol dm‐3             

  ____________M    Concentration of NaOH in g dm‐3 (MM NaOH 40.00 g mol‐1)                 

  ____________g dm‐3 NaOH 

Page 28: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 4 

 

27

Experiment 4: Determination of carbonate in an antacid tablet by titration against a standardised acid solution 

 AIM  To  provide  further  practice  in  titration  technique,  and  to  introduce  the  concept  of analysing a substance to determine the percentage of a particular chemical it contains.  INTRODUCTION  Antacids, such as Rennies, are products used to relieve heartburn. Heartburn is caused by stomach acid (~ 0.02 M HCl) refluxing up into the oesophagus. Antacids increase the pH of  this  acid  to  about pH  3  or  4,  relieving  the pain  of heartburn. Most  antacids  contain neutralising agents such as calcium carbonate, sodium bicarbonate, magnesium hydroxide or aluminium hydroxide. They also contain other ingredients to give flavour and hold the tablet  together.  In  this  experiment,  the  percentage  carbonate  in  a  commercial  antacid tablet will be determined by titrimetric analysis.  The carbonate anion readily reacts with acid, liberating gaseous carbon dioxide:  

CO32‐(aq) + 2H3O+(aq)  →  2H2O(l) + CO2(g)  It is thus possible to determine the concentration of carbonate in solution by titration with an acid solution of known concentration. In this titration HCl(aq) is used:  

Na2CO3(aq) + 2HCl(aq)  →  2H2O(l) + 2NaCl(aq) + CO2(g)  so  the  stoichiometry  is  1:2.  The  indicator  used  is  screened  methyl  orange,  which undergoes  a  colour  change  from  bright  green  in  basic medium,  through  a  grey‐green endpoint, to purple in acid.  The  exact position of  the  endpoint  in  this  titration  is  affected by  the CO2  remaining  in solution. To obtain an accurate endpoint,  the solution  is boiled  to  remove  the dissolved CO2. It is best to do this immediately before the endpoint is reached.  Each sample  is  thus  titrated  to  the  intermediate, or “cold” endpoint, at which point  the solution  should  be  grey‐green,  and  then  boiled  to  remove  the  dissolved CO2. As CO2 dissolves  in H2O  to give  carbonic acid, H2CO3(aq),  this procedure effectively makes  the solution more  basic,  and  the  solution  “retreats”  from  the  endpoint,  becoming  slightly more green. The solution is then titrated further to the final, or “hot” endpoint, which  is the accurate value.   

Page 29: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 4 

 

28

Each  titration will be carried out on part of a commercial antacid  tablet. As  the mass of each  sample  is  different,  the  endpoint  of  each  titration will  also  be  different. A  rough endpoint  can  be  calculated  for  each  sample,  based  on  the mass weighed  out,  an HCl molarity  of  1.0 M,  and  the  percentage  carbonate  stated  in  the  ingredients  list  of  the product to be analysed. This will be a rough value – the true endpoint may be higher or lower.  EXPERIMENTAL PROCEDURE  Rinse and prepare a burette with ~0.2 M HCl solution. Also clean and rinse four conical flasks with deionised water.  Weigh an antacid tablet by difference (see experiment 2). Crush the tablet in a beaker with a  glass  rod. Weigh  out  three  ~0.25  g  samples  of  the  crushed  tablet  into  conical  flasks. Record the masses. Dissolve each sample in ~25 cm3 of deionised water and add 3 drops of screened methyl orange indicator.  Each sample in turn is then treated as follows:  Calculate the rough endpoint volume as explained above, and “run in” to within 1 cm3 of this  value.  Continue  titrating  dropwise  until  the  intermediate,  or  “cold”,  endpoint  is reached. Do not record this value, it is not the final, correct endpoint.  Add  three  anti‐bumping  granules  and  boil  the  solution  for  two minutes.  You  should observe a colour change from grey‐green (endpoint) back to green (basic) as the dissolved CO2  is driven  off. The  correct way  to boil  a  solution  in  the  laboratory  is  shown  in  the figure below.   

    

This photograph shows the correct setup for boiling a solution in the laboratory. Nothing that will get hot (or is hot) should be placed directly on the benchtop. The Bunsen burner is placed on an insulating tile. The vessel containing the liquid to be boiled should be placed on a gauze mat resting on an iron ring or a 

tripod.  

  

Page 30: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 4 

 

29

Finally, titrate while hot to the final, correct endpoint.  This should require no more than another ~0.1  ‐ 0.2  cm3. Record  this value, and  calculate  the percentage  carbonate  in  the sample before beginning the next titration.  If you slightly overshoot the original “cold” endpoint (i.e. the solution is purple/magenta rather than grey‐green), try boiling the solution anyway. Providing the original error was not too large, this may yet produce an acceptable endpoint.  Continue titrating samples until you have three with a percentage carbonate range of not more than 0.50 %. Process your results and calculate the average percentage carbonate in the tablet.   To calculate percentage carbonate in each sample the following formula can be used:  

100×=sample g

titrationbycarbonategcarbonate %  

 Percentage error can be calculated as follows:  

100×=label from carbonate g

labelfromcarbonateg‐titration bycarbonate gerror %  

 Refer to the noticeboard to obtain the information from the label, i.e. ʺg carbonate from labelʺ. 

Page 31: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 4 

 

30

Experiment 4: Determination of carbonate in an antacid tablet by titration against a standardised acid solution 

 PRE‐LABORATORY EXERCISE  1.  Show that a sample of antacid containing ~1.06 g Na2CO3 would require ~20 cm3 of 

~1.0 M HCl to reach the endpoint.              2.   In  an  experiment  to  determine  the %  purity  of  a  sample  of Na2CO3,  a  student 

obtains the following results. Calculate the % purity of the Na2CO3 sample.  

Sample  1

Molarity HCl/M  1.024 

Mass of weighing vial + Na2CO3 sample/g  10.454 

Mass of weighing vial after emptying/g  9.332 

Mass of Na2CO3 sample/g    

Calculated minimum endpoint (± 0.5 cm3)  18.5 

Final (hot) burette reading/cm3  19.88 

Initial burette reading/cm3  0.92 

Volume delivered/cm3   

n HCl at endpoint/mol   

n Na2CO3 in sample/mol   

Mass Na2CO3 in sample/g   

% purity of sample   

Page 32: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 4 

 

31

                         

(n HCl 1.942 x 10‐2 mol, n Na2CO3 9.708 x 10‐3  mol, mass pure Na2CO3 1.029 g, 91.70%)  3.  Continuing the analyses, the same student obtains further results of 90.96 %, 91.24 %, 

and 91.39 %. Which value should be discarded, and why?                

(91.70!!.  90.96, 91.24, 91.39 more precise (range 0.43%) than 91.70, 91.24, 91.39 (0.46%)) 

Page 33: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 4 

 

32

Experiment 4: Determination of carbonate in an antacid tablet by titration against a standardised acid solution 

Mark      

Name:  _____________________________

Student number:  __________________________

Date:  _____________________________

Lab. number:  _____________________________

Seat number: _____________________________

Demonstrator:  ____________________________

 

Pre‐Lab/  Prac/  Deductions  (sig. fig. etc.) 

Total/ 

   

     

       

RESULTS  Molarity of HCl   ______________ M 

Mass of tablet   ______________ g 

% carbonate from ingredients list (lab noticeboard) ______________g 

 Sample  1  2  3  4  5 Mass of conical flask/g           

Mass of conical flask + tablet sample/g           

Mass of antacid sample/g           

Calculated rough endpoint (± 0.5 cm3)           

Final (“hot”) burette reading/cm3           

Initial burette reading/cm3           

Volume delivered/cm3           

n HCl at endpoint/mol           

n Na2CO3 in sample/mol           

Mass Na2CO3 in sample/g           

% purity of sample           

  CIRCLE the values used in calculations, and calculate the average % purity of the sample.   

Page 34: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 4 

 

33

Show all your calculations, and enter your answers into the table above.                                           Average % purity  ____________% 

Page 35: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 5 

 

34

Experiment 5:  Preparation  of  a  primary  standard  solution  of potassium  hydrogen  phthalate  and  its  use  in determining the concentration of a basic solution 

 AIM  To prepare a standard solution of known concentration  from a primary standard acidic substance,  potassium  hydrogen  phthalate  (KHP),  and  to  use  this  standard  solution  to accurately determine the concentration of a sodium hydroxide solution by titration.  INTRODUCTION  A primary standard is a solution for which the concentration is accurately known, that can be used to determine the concentration of solutions of unknown concentration. A limited number  of  substances  can  be  used  as  primary  standards  in  volumetric  analysis.  The material must  be  available  in  high  purity  (e.g.  >99.99 %),  it must  be  stable  and  non‐hygroscopic  and  it  should  react  with  other  substances  quantitatively  and  in  known proportions.  The  salt  potassium  hydrogen  phthalate,  (KOOCC6H4COOH,  molar  mass 204.2 g mol‐1, abbreviated as KHP) meets  these  requirements and  is  commonly used  to prepare a standard acidic solution for use in acid‐base titrations.  

CO2H

CO2H

phthalic acid potassium hydrogen phthalate

CO2K

CO2HC

CC

CC

C

H

H

H

H

C

C

O

O

O

OH

K

  KHP  is  the monopotassium  salt  of  the  diprotic  acid  phthalic  acid.  It  thus  reacts with NaOH as a monoprotic acid according to the equation:  

KOOCC6H4COOH(aq) + NaOH(aq)  →  KOOCC6H4COONa(aq) + HOH(l) 

 Thus the stoichiometry of the reaction is 1:1, and at the endpoint of the titration an equal number  of moles  of  potassium  hydrogen  phthalate  and  sodium  hydroxide  will  have reacted. As the mass and molar mass of KHP, and the volume of the solution made up, are all known, the molarity of the KHP solution can be accurately calculated. Consequently, the moles of KHP used in the titration are known (from the molarity of the solution and the  volume  of  the  aliquot  used  in  the  titration),  and  the  concentration  of  sodium hydroxide in a solution can be determined accurately by titration.  

Page 36: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 5 

 

35

Calculation of the mass of KHP required We wish to make up 250 cm3 of a 0.1 M primary standard solution. The mass required can be calculated as follows:  

mass required = moles (n) x molar mass (MM) = {molarity (mol dm‐3) x volume (dm3)} x MM = ~0.1 mol dm‐3 x 0.250 dm3 x 204.2 g mol‐1 

 Thus a mass of 5.1 g is required. In practice, any mass between 4.5 and 5.5 g is satisfactory, provided it is weighed accurately.  EXPERIMENTAL PROCEDURE  Rinse  and  prepare  a  burette with  ~0.1 M NaOH  solution. Also  clean  and  rinse  (with deionised water)  four  conical  flasks, a 250.0  cm3 volumetric  flask, a glass  funnel, and a sample vial. The sample vial must be dry before placing on the balance. 

Preparation of the standard solution 

  

i)  Tare  (place  on  the  balance  and  zero)  a clean dry sample vial, then remove from the balance, and add 5.2‐5.5 g of KHP. (A demonstration  sample  vial  will  be available  at  the  balance  to  give  you  a rough  idea  of  how much  to  add;  at  no stage  must  KHP  be  added  to  the  vial while it is on the balance.) 

 

  

ii) Once the correct rough mass has been added,  remove  the  vial  from  the balance,  zero  the  balance,  and accurately  weigh  the  vial  and contents. Record the mass. 

 

Page 37: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 5 

 

36

iii)  Immediately  tap  out  the  KHP  into  a  glass  funnel  inserted  into  a  250.0  cm3 volumetric flask, reweigh the vial, and record the mass as before. In this way, the exact mass of KHP transferred to the flask is determined. (Do not wash out the vial if a small amount of KHP remains behind: because you are weighing by difference it does not matter, as long as all of the KHP that left the vial ended up in the volumetric flask.) 

 

  

iv) Wash  the  sample  from  the  funnel  into the  flask with  de‐ionised water. Wash from one side only  to prevent clogging the funnel. 

 

  

vi)  Rinse  the  inside  of  the  funnel  and down the outside of the funnel stem, as  well  as  the  inside  of  the volumetric flask. 

  

  

vii) Half‐fill the flask with de‐ionised water, and  swirl vigorously  for 10‐15 minutes until all of the solid has dissolved. 

  

viii) Fill  the  flask with de‐ionised water to  just below  the graduation mark, swirling  occasionally while  filling. Add the last few drops or carefully from  your wash  bottle.  Be  careful not to fill the flask past the mark. 

 ix)  Stopper the flask and invert it several times to ensure complete mixing. x)  Calculate the molarity of the KHP standard solution.  

Page 38: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 5 

 

37

Carrying out the titration From the molarity of the KHP solution calculated above, calculate the approximate (to the nearest  0.5  cm3) volume of  0.1 M NaOH  solution  required  to  reach  the  endpoint when titrating 25 cm3 standard KHP solution.  Pipette 25.00 cm3 aliquots of primary standard acid solution into each of four Erlenmeyer flasks. Add 4 drops of phenolphthalein indicator. Use the first aliquot as a rough titration, to confirm the value calculated above. Titrate the remaining three aliquots in turn until the solution just turns pink, which corresponds to the endpoint. Record each volume to ±0.02 cm3. Continue titrating aliquots until you obtain three endpoint volumes within a 0.10 cm3 range.  Average the three volumes and calculate the concentration of the NaOH solution  in mol dm‐3 and g dm‐3.  

Page 39: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 5 

 

38

Experiment 5:  Preparation  of  a  primary  standard  solution  of potassium  hydrogen  phthalate  and  its  use  in determining the concentration of a basic solution 

 PRE‐LABORATORY EXERCISE  The labels on chemical bottles sometimes deteriorate if the bottles are left for a long time in  a  chemical  store. One  such  bottle  containing  a  solution  can  be  identified  only  as  a NaOH  solution,  as  the  label  indicating  its  concentration  has  fallen  off. Use  the  results below to calculate the molarity of the NaOH solution, and its concentration in g dm‐3. 

(MM NaOH 40.00 g mol‐1)  

Mass of weighing vial + KHP/g  14.563 

Mass of weighing vial after emptying/g  9.301 

Mass of KHP/g   

Molarity of KHP solution/mol dm‐3   

        

Page 40: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 5 

 

39

 Titration No.  1 2 3 4 

Final burette reading/cm3 

Initial burette reading/cm3 

19.24 

0.26 

38.34 

19.44 

19.66 

0.58 

38.54 

19.66 

Volume delivered/cm3         

                                Concentration of NaOH in g dm‐3:  _______________________________   

([KHP] 0.1031 M, average volume 18.92 cm3, [NaOH] 0.1090 M, 4.358 g dm‐3) 

Page 41: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 5 

 

40

Experiment 5:  Preparation of a primary standard solution of KHP and  its use  in determining  the  concentration of a basic solution 

Mark      

Name:  _____________________________

Student number:  __________________________

Date:  _____________________________

Lab. number:  _____________________________

Seat number: _____________________________

Demonstrator:  ____________________________

 

Pre‐Lab/  Prac/  Deductions  (sig. fig. etc.) 

Total/ 

   

     

       

RESULTS  

Preparation of KHP standard solution Mass of weighing vial + KHP:      ___________ g 

Mass of weighing vial after emptying:    ___________ g 

Mass of KHP:          ___________ g 

 

Volume of volumetric flask:      ___________ cm3 

 

 

 

 

 

Molarity of KHP solution:        ___________ mol dm‐3 

        Calculated rough endpoint:      ___________ cm3 

Page 42: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 5 

 

41

Experimental Titration Results (All burette readings must be given to 2 decimal places)  

Titration No.  Rough  1  2 3 4 5  6  7Final burette  reading/cm3 

               

Initial burette  reading/cm3 

               

Volume delivered/cm3 

               

 Circle the titration numbers used in the calculations.   Average volume delivered   ____________cm3  Balanced equation for the titration reaction:      Molarity of NaOH in mol dm‐3 and concentration in g dm‐3                    

  ____________M          ____________g dm‐3 

Page 43: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 6 

 

42

Experiment 6: Determination of  the concentration of acetic acid, CH3COOH, in a sample of vinegar 

 AIM  To prepare a KHP primary standard and to use this to standardise a NaOH solution. To use  the standardised NaOH  to determine  the concentration of acetic acid  in a sample of vinegar, and hence to calculate the grams of acetic acid in 100 cm3 of sample.  INTRODUCTION  In  this  experiment  a  KHP  primary  standard  will  be  prepared  following  the  same procedure as in Experiment 5. This primary standard solution will be used to standardise a  solution  of  NaOH,  as  before.  The  NaOH  solution  will  be  used  to  determine  the concentration  of  acetic  acid  in  a  sample  of  vinegar.   Hence  this  concentration  can  be expressed as a percentage (m/v), where  

sample vinegar of cm 100gramsinacidaceticofmass

vm

3=  

 EXPERIMENTAL 

Preparation of Standard KHP Solution (see page 36) Weigh about 2 g of KHP into a sample vial. Determine the exact mass of the KHP and vial.  Pour the KHP from the vial  into a funnel placed  in a 250 cm3 volumetric flask. Reweigh the empty vial and hence determine the exact mass of KHP transferred to the flask.  Wash  the  sample  into  the  volumetric  flask  with  deionised  water,  rinse  the  funnel appropriately, and add water until the flask is about half full. Swirl the flask vigorously to dissolve the KHP totally.  Carefully add water until  the calibration mark  is  reached exactly. Stopper  the  flask and mix the solution thoroughly by inverting the flask several times.  Calculate the molarity of the standard KHP solution that you have prepared. 

Standardisation of NaOH solution Rinse and prepare a burette with ~0.1 M NaOH solution. From the molarity of the KHP solution calculated above, calculate the approximate (to the nearest 0.5 cm3) volume of 0.1 M NaOH  solution  required  to  reach  the  endpoint when  titrating 25  cm3  standard KHP solution.  

Page 44: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 6 

 

43

Pipette  25.00  cm3  aliquots  of  primary  standard  acid  solution  into  each  of  four  clean Erlenmeyer  flasks. Add 4 drops of phenolphthalein  indicator. Use  the  first aliquot  as a rough titration, to confirm the value calculated above. Titrate the remaining three aliquots in turn until the solution just turns pink, which corresponds to the endpoint. Record each volume to ±0.02 cm3. Continue titrating aliquots until you obtain three endpoint volumes within a 0.10 cm3 range.  Average the three volumes and calculate the concentration of the NaOH solution  in mol dm‐3 and g dm‐3. 

Determination of the concentration of acetic acid in the vinegar sample Top up your burette with NaOH and carry out a series of titrations as above, using 25.00 cm3 aliquots of the vinegar sample  instead of KHP. Continue titrating aliquots until you obtain three endpoint volumes within a 0.10 cm3 range.  Use  your  titration  results  to  determine  the  concentration  of  acetic  acid  in  the  vinegar. Hence calculate the grams of acetic acid per 100 cm3 of vinegar sample (or % (m/v)).  

Page 45: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 6 

 

44

Experiment 6: Determination of  the concentration of acetic acid, CH3COOH, in a sample of vinegar 

 PRE‐LABORATORY EXERCISE  1. Write a balanced equation for the reaction between acetic acid and NaOH.      2. A  student  carried  out  a  similar  experiment  to  that  described  in  Experiment  6  and obtained  the data given  in  the  table below. Calculate  the molarity and %  (m/v) of  the acetic acid in the vinegar sample.  The molarity of the standardised NaOH solution was 0.1126 mol dm‐3. 

 Titration No. Rough 1 2 3  4 

Final burette reading/cm3 

Initial burette reading/cm3 

24.24 

0.24 

24.22 

0.26 

48.32 

24.32 

24.42 

0.58 

48.44 

24.52 

Volume delivered/cm3           

                    

(0.1079 M, 0.6479 % (m/v)) 

Page 46: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 6 

 

45

Experiment 6: Determination of  the concentration of acetic acid, CH3COOH, in a sample of vinegar 

Mark      

Name:  _____________________________

Student number:  __________________________

Date:  _____________________________

Lab. number:  _____________________________

Seat number: _____________________________

Demonstrator:  ____________________________

 

Pre‐Lab/  Prac/  Deductions  (sig. fig. etc.) 

Total/ 

   

     

       

RESULTS  

Preparation of KHP standard solution Mass of weighing vial + KHP:      ___________ g 

Mass of weighing vial after emptying:    ___________ g 

Mass of KHP:          ___________ g 

 

Volume of volumetric flask:      ___________ cm3 

 

 

 

 

 

Molarity of KHP solution:        ___________ mol dm‐3 

         Calculated rough endpoint:      ___________ cm3 

Page 47: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 6 

 

46

Experimental Titration Results (All burette readings must be given to 2 decimal places)  

Titration No.  Rough  1  2 3 4 5  6  7Final burette  reading/cm3 

               

Initial burette  reading/cm3 

               

Volume delivered/cm3 

               

 Circle the titration numbers used in the calculations.   Average volume delivered   ____________ cm3  Balanced equation for the titration reaction:      Molarity of NaOH in mol dm‐3 and concentration in g dm‐3                    

  ____________M          ____________g dm‐3 

Page 48: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 6 

 

47

Determination of the concentration of acetic acid in the vinegar sample  Titration of vinegar sample with standard NaOH solution  

Titration No.  Rough  1  2 3 4 5  6  7Final burette  reading/cm3 

               

Initial burette  reading/cm3 

               

Volume delivered/cm3 

               

 Circle the titration numbers used in the calculations.  Average volume delivered   ____________ cm3  Balanced equation for the titration reaction:    Molarity and % (m/v) of CH3COOH in vinegar sample:                   

  ____________M          ____________% (m/v)    

Page 49: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 7 

 

48

Experiment 7: Determination of the concentration of a solution of an ammonium salt by means of a back titration 

 AIM  To  introduce  the  concept  and  technique  of  back  titration,  and  to  determine  the concentration of a solution of an ammonium salt.  INTRODUCTION  An ammonium salt solution will react with sodium hydroxide, liberating ammonia from the solution according to the following reaction:  

NH4X(aq)+ NaOH(aq)  →  NH3(g) + H2O(l) + NaX(aq).  If a known excess of sodium hydroxide is added to the ammonium salt solution, then the sodium hydroxide remaining after the above reaction has occurred can be neutralised by titration with a standard acid such as HCl:  

NaOH + HCl  →  NaCl + H2O.  This is called a back titration because the difference in the amount of sodium hydroxide originally  added  and  that  neutralised  by  the  acid  can  be  used  to  determine  the concentration of the ammonium salt solution.  In this experiment the ammonium salt is ammonium chloride, NH4Cl. NH4Cl and NaOH react only slowly at room temperature, so the reaction mixture has to be boiled to make the two compounds react completely.  The indicator used is methyl red, which undergoes a colour change from yellow in basic medium, through orange at about pH 5, to red in acid.  EXPERIMENTAL  You are provided with a solution of NH4Cl of unknown concentration, and standardised NaOH (~ 0.2 M) and HCl (~ 0.1 M) solutions.  Set up  four  250  cm3 Erlenmeyer  flasks.  Into  each pipette  25  cm3 of  the  ammonium  salt solution. Then add, by pipette, 25 cm3 of  the sodium hydroxide solution. Add  two anti‐bumping granules to each flask.    

Page 50: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 7 

 

49

Treat each sample in turn as follows:  Place a small  funnel  in  the neck of  the  flask  to prevent  loss of  liquid  (due  to splashing) while boiling the contents.   Boil  the mixture  (see page  29) until  a piece  of moistened  red  litmus paper held  in  the escaping steam no longer turns blue. This will take between 10 and 20 minutes. Add water as necessary – the solution volume should be kept at approximately 40 cm3. On no account allow the solution to evaporate to dryness.  Cool the solution under a stream of cold water, add a few drops of methyl red indicator and  titrate  the  remaining  sodium hydroxide with  the  standard 0.1 M HCl. Use  the  first flask as a rough titration. Continue titrating until 3 results agree within 0.10 cm3.  Calculate the concentration of the NH4Cl solution (molar mass NH4Cl = 53.49 g mol‐1).  

Page 51: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 7 

 

50

Experiment 7: Determination of the concentration of a solution of an ammonium salt by back titration 

 PRE‐LABORATORY EXERCISE 1. Using 20.00 cm3 aliquots each of NH4Cl and standard NaOH solution (0.2409 M) in an experiment  to  determine  the molarity  of  an  NH4Cl  solution,  a  student  obtains  the following results. Calculate the molarity of the NH4Cl solution.  Molarity HCl      0.1027 M Final burette reading    19.68 cm3 Initial burette reading    0.34 cm3  Volume HCl delivered        _____________ cm3 

 

 

 

moles NaOH pipetted originally      _____________ mol 

 

 

 

 

moles HCl at endpoint        _____________ mol 

 

 

 

 

n NaOH that reacted with NH4Cl solution  _____________ mol 

 

 

 

 

moles NH4Cl present in original NH4Cl solution  _____________ mol 

 

Page 52: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 7 

 

51

 

 

 

 

 

Molarity NH4Cl          _____________ M 

 

 

 

Concentration NH4Cl        _____________ g dm‐3 

 ([NH4Cl] 0.1056M, 5.649 g dm‐3) 

   2. Why: 

a) must the NH4Cl/NaOH mixture be heated before titrating to the endpoint with HCl? 

         

b) should the solution volumes be kept at 40 cm3? (hint: endpoint colour) 

Page 53: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 7 

 

52

Experiment 7: Determination of the concentration of a solution of an ammonium salt by back titration 

Mark      

Name:  _____________________________

Student number:  __________________________

Date:  _____________________________

Lab. number:  _____________________________

Seat number: _____________________________

Demonstrator:  ____________________________

 

Pre‐Lab/  Prac/  Deductions  (sig. fig. etc.) 

Total/ 

   

     

       

RESULTS   Molarity of HCl  ______________M 

Molarity of NaOH  ______________M 

 Experimental Titration Results  

Titration No.  Rough  1  2 3 4 5  6  7Final burette  reading/cm3 

               

Initial burette  reading/cm3 

               

Volume delivered/cm3 

               

 

Circle the titration numbers used in the calculations. 

 

Balanced equation for the titration reaction:     Average volume delivered _______cm3  

Page 54: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 7 

 

53

Concentration of the NH4Cl solution (MM NH4Cl 53.49 g mol‐1)                                           ____________M NH4Cl          ____________g dm‐3 NH4Cl 

Page 55: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 8 

 

54

Experiment 8: Determination  of  the  percentage  purity  of  a sample of Mohr’s  salt by  redox  titration with  the permanganate ion, MnO4

 AIM  To  introduce  the  concept  and  technique  of  a  redox  titration,  and  to  determine  the percentage purity of an iron‐containing salt.  INTRODUCTION  Iron has two common oxidation states, Fe2+ and Fe3+. Fe2+ can be easily and quantitatively oxidised  to  Fe3+.  A  suitable  oxidising  agent  is  permanganate,  MnO4

G,  which  in  acid medium yields Mn2+ on reduction.  

     Fe2+(aq)  →  Fe3+(aq) + e‐ MnO4

G(aq) + 8H+(aq) +5e‐  →  Mn2+(aq) + 4H2O(l)  Note  that each MnO4

−  ion  requires 5 electrons,  thus 1 MnO4−  ion  is equivalent  to 5 Fe2+ 

ions, or   

MnO4G(aq) + 5Fe2+(aq) + 8H+(aq)‐  →  Mn2+(aq) + Fe3+(aq) + 4H2O(l) 

 In this experiment the percentage purity of a soluble iron‐containing salt is determined by dissolving  a  sample  and  titrating  the  Fe2+(aq)  present with  a  solution  of MnO4

G(aq)  of known concentration. The salt  in  this exercise  is Mohr’s salt, FeSO4(NH4)2SO4.6H2O.  It  is water‐soluble, with a mass of ~1 g  containing ~2.5 mmol Fe2+, and  requiring ~20  cm3 of ~0.025 M KMnO4 solution for complete reaction.  KMnO4  is used as  the oxidising agent as  it  is “self‐indicating”  ‐  the purple colour of  the MnO4

G(aq) disappears as it is added to the salt solution, because reaction with the Fe2+(aq) converts it to colourless Mn2+(aq). Once the Fe2+(aq) has all reacted, however, the first drop of excess MnO4

G(aq) added gives a pale pink endpoint.  As the mass of each sample in this experiment is different, the endpoint of each titration will also be different. A rough endpoint can be calculated for each sample, based on the mass of salt weighed out,  the percentage by mass of Fe  in Mohr’s salt  (calculated  in  the pre‐laboratory exercise), and the molarity of the KMnO4.  

Page 56: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 8 

 

55

EXPERIMENTAL  Rinse and prepare a burette with ~0.025 M KMnO4 before weighing out  the  samples of Mohr’s salt for analysis. Also clean and rinse four conical flasks and two pill vials.  Accurately weigh  out  by  difference  four  samples  of  1.100‐1.200  g  of Mohr’s  salt. No sample should have a mass of <1.000 g.  To  each  sample  add  10  cm3  3 M H2SO4,  50  cm3  of  deionised  water  and  5  cm3  conc. phosphoric acid (H3PO4). Swirl until the Mohr’s salt is dissolved.  Each sample in turn is then treated as follows: Calculate the minimum endpoint volume as explained above, and “run in” to ~0.5 ‐ 1 cm3 below this value, then continue adding dropwise until the endpoint is reached. Remember to wash down  the  sides of  the  flask with deionised water while doing  this. Record  the volume delivered, and calculate the percentage purity of the sample before beginning the next titration.  Continue  titrating  samples until  you have  three with  a percentage purity  range  of not more than 0.25 %.   

Page 57: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 8 

 

56

Experiment 8: Determination  of  the  percentage  purity  of  a sample of Mohr’s  salt by  redox  titration with  the permanganate ion, MnO4

G  PRE‐LABORATORY EXERCISE  1. Determine the molar mass of Mohr’s salt, FeSO4(NH4)2SO4.6H2O, and the % by mass of 

iron in this salt.             

(392.19 g mol‐1, 14.24%)  2. A student carried out Experiment 8 and obtained the following results. Calculate the percentage purity of the student’s sample. 

  Molarity KMnO 4          0.02596 M Mass of weighing vial + salt sample    10.454 g Mass of weighing vial after emptying    9.288 g  

Mass of salt sample          ___________ g 

 

 

 

 

 

Calculated minimum endpoint (± 0.5 cm3)  ___________ cm3 

 

Page 58: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 8 

 

57

Final burette reading        23.66 cm3 Initial burette reading        0.92 cm3  Volume MnO4

G solution delivered      ___________ cm3 

 

 

 

 

moles MnO4G at endpoint          ___________ mol 

 

 

 

 

moles Fe2+ in sample          ___________ mol 

 

 

 

 

Mass Fe2+ in sample          ___________ g 

 

 

 

 

% Fe2+ in sample          ___________  

 

 

 

 

% purity of sample          ___________  

 (n MnO4G 5.903 x 10‐4 mol, n Fe2+ 2.952 x 10‐3  mol, mass Fe2+ 0.1648 g, 14.14%) 

Page 59: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 8 

 

58

 

Experiment 8: Determination  of  the  percentage  purity  of  a sample of Mohr’s  salt by  redox  titration with  the permanganate ion, MnO4

Mark      

Name:  _____________________________

Student number:  __________________________

Date:  _____________________________

Lab. number:  _____________________________

Seat number: _____________________________

Demonstrator:  ____________________________

 

Pre‐Lab/  Prac/  Deductions  (sig. fig. etc.) 

Total/ 

   

     

       

RESULTS   Molarity of KMnO4 ______________ M  Sample  1 2 3 4  5

Mass of weighing vial + salt sample/g           

Mass of weighing vial after emptying/g           

Mass of salt sample/g           

Calculated minimum endpoint (± 0.5 cm3)           

Final burette reading/cm3           

Initial burette reading/cm3           

Volume delivered/cm3           

n MnO4G at endpoint/mol           

n Fe2+ in sample/mol           

Mass Fe2+ in sample/g           

% Fe2+ sample           

 Balanced equation for the titration:    

Page 60: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 8 

 

59

Circle the titration numbers used in the calculations. Show all calculations below, and fill in  the  answers  in  the  table overleaf. Calculate  the  average %  iron  in your  sample,  and hence the percentage purity of your sample.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Average % iron  ____________% 

 

 

 

 

Percentage purity  ____________%

Page 61: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 9 

 

60

Experiment 9:  Determination  of  the  molar  mass  of magnesium by the eudiometric method 

 AIM  To determine the molar mass of magnesium by displacement of hydrogen from an acid.  INTRODUCTION  Reactive metals, such as magnesium, will react with an acid to form a salt and hydrogen gas:  

Mg(s) + 2HCl(aq)  →  MgCl2(aq) + H2(g).  The equation above shows that 1 mole of magnesium will evolve 1 mole of hydrogen gas. The molar mass of the metal can be determined by measuring the volume of H2 produced by reaction of a metal sample of known mass with HCl. Hydrogen will be treated as an ideal gas, i.e. 1 mole of H2 occupies 22.41 dm3 at standard temperature and pressure (STP).  The apparatus used in this experiment is shown in the digram below.  

gas collecting

water (hydrostatic head)

eudiometer tube

water

beaker

Hirsch funnel

magnesium ribbon 

  

With this apparatus, the volume (V), temperature (T) and pressure (p) of a small volume of hydrogen gas, liberated by a small mass (m) of magnesium, can be measured.     

Page 62: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 9 

 

61

The pressure of the gas in the eudiometer tube is determined by: • the pressure of the hydrogen gas itself • the pressure of the water vapour in the hydrogen gas • the hydrostatic head of water in the eudiometer tube (see figure) • atmospheric pressure in the laboratory at the time of the experiment. 

 To  obtain  the  pressure  of  the  hydrogen  gas  alone,  the water  vapour  pressure  and  the hydrostatic  head  must  be  subtracted  from  atmospheric  pressure  (see  table).  The hydrostatic  head  is  measured  in  mm  water,  and  can  be  converted  to  Pa  using  the following conversion factors: 

Hg mm 13.61   watermm 1 =  

 kPa0.133Hgmm1 = . 

 The  volume  of  hydrogen  gas  collected  can  be  read  off  from  the  eudiometer  tube.  The temperature of the gas is assumed to be the same as that of the water in the beaker. Hence the  number  of moles  of  hydrogen  gas  collected  can  be  calculated  from  the  ideal  gas equation.  Since  the  reaction  taking place  is  1:1  between Mg  and H2  this  allows  one  to calculate the molar mass of Mg.  EXPERIMENTAL  Clean a strip of magnesium ribbon with sandpaper. Do this on an insulating tile and not on  the wooden  laboratory bench! (Magnesium metal  is reactive, so  it  is covered with an oxide layer formed by reaction with oxygen in the air. This must be removed to allow the magnesium  to  react  in  this  experiment.)  Fold  the  strip  into  a  Z  shape,  and weigh  it accurately.  Fill  a  2  dm3  beaker  to  near  the  top with  tap water.  Put  the magnesium  ribbon  in  the beaker, and cover it with a Hirsch funnel. Fill the eudiometer tube to overflowing with tap water, and slide your thumb over the end so that there are no air bubbles. Submerge the tube under the water level, and place it over the Hirsch funnel so as not to allow any gas to  escape.  Ensure  that  no  air  bubbles  are  trapped  in  the  tube.  Syphon  out  any  excess water.  Measure 30  cm3  concentrated hydrochloric acid, pour  it  into  the beaker and  stir with a glass  rod. Gas evolution  should  start within a  few minutes, and  the  reaction  should be complete within 20 minutes. Agitate the funnel every now and then to release gas bubbles in the neck of the funnel.  Read and record the volume of gas in the tube, measure and record the temperature of the water  in  the beaker, and measure and record  the hydrostatic head.   Calculate  the molar mass of magnesium. 

Page 63: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 9 

 

62

TABLE:  VAPOUR PRESSURE OF WATER IN kPA  Temp/°C  0.0 0.2 0.4 0.6  0.8

0  0.6104  0.6194  0.6285  0.6378  0.6472 1  0.6566  0.6662  0.6758  0.6857  0.6957 2  0.7057  0.7158  0.7261  0.7365  0.7471 3  0.7578  0.7686  0.7795  0.7906  0.8018 4  0.8133  0.8247  0.8363  0.8482  0.8602 5  0.8722  0.8844  0.8968  0.9094  0.9220 6  0.9348  0.9479  0.9610  0.9743  0.9879 7  1.0015  1.0153  1.0293  1.0435  1.0579 8  1.0724  1.0871  1.1020  1.1770  1.1323 9  1.1476  1.1633  1.1790  1.1950  1.2112 10  1.2275  1.2441  1.2608  1.2777  1.2949 11  1.3122  1.3298  1.3475  1.3655  1.3837 12  1.4020  1.4207  1.4395  1.4584  1.4776 13  1.4971  1.5168  1.5367  1.5569  1.5773 14  1.5979  1.6188  1.6388  1.6612  1.6828 15  1.7046  1.7266  1.7490  1.7716  1.7944 16  1.8174  1.8407  1.8645  1.8883  1.9125 17  1.9368  1.9615  1.9866  2.0118  2.0374 18  2.0631  2.0892  2.1156  2.1423  2.1691 19  2.1964  2.2241  2.2520  2.2801  2.3086 20  2.3374  2.3665  2.3959  2.4257  2.4557 21  2.4860  2.5167  2.5478  2.5792  2.6109 22  2.6429  2.6753  2.7081  2.7413  2.7746 23  2.8084  2.8425  2.8770  2.9119  2.9473 24  2.9829  3.0190  3.0555  3.0923  3.1294 25  3.1667  3.2044  3.2427  3.2814  3.3208 26  3.3604  3.4003  3.4407  3.4814  3.5226 27  3.5643  3.6064  3.6490  3.6919  3.7352 28  3.7789  3.8230  3.8677  3.9129  3.9586 29  4.0047  4.0513  4.0983  4.1459  4.1938 30  4.2421  4.2911  4.3404  4.3901  4.4405 31  4.4915  4.5431  4.5950  4.6474  4.7003 32  4.7539  4.8079  4.8624  4.9176  4.9732 33  5.0293  5.0861  5.1432  5.2011  5.2596 34  5.3305  5.3779  5.4381  5.4988  5.5599 35  5.6219  5.6844  5.7475  5.8112  5.8756 36  5.9402  6.0057  6.0717  6.1385  6.2059 37  6.2740  6.3427  6.4120  6.4820  6.5526 38  6.6239  6.6958  6.7682  6.8414  6.9155 39 40 

6.9905 7.3747 

7.0661 7.4528 

7.1422 7.5328 

7.2190 7.6128 

7.2964 7.6941 

Page 64: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 9 

 

63

 

Experiment 9:  Determination  of  the  molar  mass  of magnesium by the eudiometric method 

 PRE‐LABORATORY EXERCISE 1.  Rewrite the ideal gas equation, solving it for: 

pressure 

 

number of moles 

 

temperature 

 2.  If  a  student  forgot  to  subtract  the water  vapour  pressure  from  the  atmospheric pressure  in  determining  the  number  of moles  of  hydrogen  gas  produced, would  the calculated amount of moles be too high or too low? Show your reasoning.          3.  A 0.0785 g sample of Ca was used to produce H2(g) by the reaction  

Ca(s) + 2HCl(aq) → CaCl2(aq) + H2(g).  

The atmospheric pressure was recorded as 708.5 Torr and room  temperature was 22 °C. When  the water  levels  in  the  eudiometer and  the beaker were  equal,  the volume of H2 collected measured as 50.7 cm3.  (1 Torr  ≡  1 mm Hg, and 760 Torr = 101325 Pa; vapour pressure of water at 22 °C = 19.8 Torr; R = 8.315 J K‐1 mol‐1).  

Page 65: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 9 

 

64

Calculate the number of moles of hydrogen gas produced in the reaction.             Calculate the theoretical number of moles that could be obtained with the given amount of metal.              Finally, determine the percentage yield of hydrogen.               

(n H2 = 0.0019 mol, % yield = 95 %) 

Page 66: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 9 

 

65

Experiment 9:  Determination  of  the  molar  mass  of magnesium by the eudiometric method 

Mark      

Name:  _____________________________

Student number:  __________________________

Date:  _____________________________

Lab. number:  _____________________________

Seat number: _____________________________

Demonstrator:  ____________________________

 

Pre‐Lab/  Prac/  Deductions  (sig. fig. etc.) 

Total/ 

   

     

       

RESULTS  

Data  Mass of magnesium           ___________ g 

Temperature of the system         ___________ °C 

Atmospheric pressure          ___________ mm Hg 

Hydrostatic head            ___________ mm water 

Water vapour pressure (at temperature of system)  ___________ kPa 

Volume of hydrogen          ___________ cm3 

Calculations  

 

Atmospheric pressure          ___________ kPa 

 

 

Temperature             ___________ K 

 

 

 

Hydrostatic correction          ___________ kPa 

Page 67: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 9 

 

66

 

 

 

Corrected pressure for dry H2        ___________ kPa 

 

 

 

 

Number of moles of H2 gas         ___________ mol 

 

 

 

Number of moles of Mg metal        ___________ mol 

 

 

 

 

 

Molar mass of Mg (calculated)         ___________ g mol‐1 

 

 

Molar mass of Mg (theoretical)         ___________ g mol‐1 

 

 

 

 

 

Percentage error            ___________ % 

 

Page 68: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 10a  

 

67

Experiment 10a:  The absolute zero of temperature  AIM  To determine  the  absolute  zero of  temperature,  and  to  illustrate  that P/T  is  a  constant, provided T is measured in degrees Kelvin (K).  INTRODUCTION  When  a  gas  is heated  the  speed,  and  hence  the  average  kinetic  energy,  of  its particles increases.  If  the  container  is  rigid,  there  is  an  increased  frequency  of particle  collisions with  the sides of  the container  that,  together with  the  increased momentum of collision, results  in  an  increase  in  pressure. A  graph may  be  plotted  to  show  how  the  pressure exerted  by  a  given  fixed  mass  of  gas  varies  as  the  temperature  is  changed.    The temperature at which this pressure would, in theory, become zero can be determined by extrapolating the curve of this P/T graph to zero pressure.  In this experiment you will use a steel bulb connected to a pressure gauge (shown in the figure below). By immersing the bulb in water at various temperatures and reading off the corresponding pressures, a P/T graph can be plotted. This graph can then be extrapolated to determine  the zero of absolute pressure, and hence  the absolute zero of  temperature, which  should  occur  (within  experimental  error)  at  approximately  0  K,  or  ‐273  °C. Furthermore,  for  a  given mass  of  gas,  the  pressure  divided  by  the  temperature  (in K) should be a constant. The apparatus  is calibrated  to read absolute pressure  in  lb  in–2.  In your graph, however, you will be plotting pressure in Pascals (Pa) against temperature in Kelvin (K).  To convert lb in‐2 to mmHg (Torr) multiply by 51.70 To convert mmHg to Pascals multiply by 133.3 To convert °C to K add 273.2  

  The  apparatus  to  be used  in  Experiment 10a. 

 

Page 69: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 10a  

 

68

EXPERIMENTAL  Submerge the bulb successively in:   a)  boiling water (~100 °C)   b)  geyser water (~50‐60 °C)   c)  ice water (~4 °C) recording the temperature and pressure (each to one d.p.).  Call a demonstrator to help you change the pressure, and repeat the procedure twice more, so that you have three sets of data of three pressure/temperature readings each.  Convert the pressure readings to Pa, the temperature readings to K, and plot P against T for each set of data on the graph paper provided (use the same piece of graph paper for all three graphs). Within experimental error, a straight  line should pass through each set of three points and, on  extrapolation  to zero pressure,  indicate  that zero pressure and  the absolute zero of temperature occur at approximately  ‐273 OC, or 0 K. If one (or more) of your data  sets does not yield  a  straight  line,  then  obtain  a  fourth  (or  even  fifth)  set  of pressure/temperature readings until you have three sets that are acceptable; consult your demonstrator if you are uncertain.  Record  the  extrapolated  absolute  zero of  temperature,  to  the nearest  1 K,  from  each of your three sets of acceptable data.  Show that P/T is as constant for your experimental values.  

Page 70: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 10a  

 

69

Experiment 10a:  The absolute zero of temperature  PRE‐LABORATORY EXERCISE  1.  Given that 1 atm = 14.70 lb in‐2, show that the conversion factors for:     a) lb in‐2 to mmHg (Torr), and     b) mmHg to Pascals (Pa) 

are 51.70 and 133.3, respectively, and determine  the conversion  factor  from  lb  in‐2 directly into Pa. 

      

(1.000 lb in‐2 = 6.892 x 103 Pa)  2.  In an experiment to determine the absolute zero of temperature, a student obtained 

the following pressure/temperature readings.   a)  Complete the table:  

P /lb in‐2 

P /mmHg 

P /105 Pa 

T /°C 

T /K 

P/T /lb in‐2 K‐1

P/T /mmHg K‐1

P/T /105 Pa K‐1 

P/T /105 Pa °C‐1

20.5      94.6           

17.9      55.4           

15.4      4.0           

 

Page 71: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 10a  

 

70

                 b)  Under what  conditions  is  P/T  a  constant?   Under what  conditions  is  P/T  not  a 

constant?                 c)  Plot the P/V data on the graph paper provided, extrapolate to the zero of absolute 

pressure, and read off an estimated value, to the nearest 1 K, for the absolute zero of temperature. 

     

__________K

Page 72: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

 

 

Page 73: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 10a 

 

72

Experiment 10a:  The absolute zero of temperature 

Mark      

Name:  _____________________________

Student number:  __________________________

Date:  _____________________________

Lab. number:  _____________________________

Seat number: _____________________________

Demonstrator:  ____________________________

 

Pre‐Lab/  Prac/  Deductions  (sig. fig. etc.) 

Total/ 

   

     

       

RESULTS   

  P /lb in ‐2 

T /°C 

P /105 Pa 

T /K 

P/T /105 Pa K ‐1 

P/T /105 Pa °C ‐1 

1             

           

           

2             

           

           

3             

           

           

4             

           

           

5             

           

           

 

Page 74: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 10a 

 

73

                           Extrapolated Values of the Absolute Zero of Temperature:     1.  ________ K  2.  ________ K  3.  ________ K   Explain how, by using  the apparatus and your graph, you could measure  temperature without a thermometer.     

Page 75: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

 

 

  

Page 76: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 10b 

 

75

Experiment 10b:  Calorimetry:  Determination  of  the  heat  of neutralisation 

 AIM  To determine  the heat capacity of  the calorimeter and  then measure  the amount of heat generated in a neutralisation reaction.  INTRODUCTION  Thermochemistry  is  one  branch  of  the  larger division  of  chemistry  known  as  chemical thermodynamics. It is directly concerned with heats of reaction and the amounts of energy involved  during  chemical  changes.  The  evolution  of  heat  which  accompanies  large numbers of chemical reactions ‐ including combustion reactions ‐ is of great importance in technical processes.  The heat of  reaction  is defined  as  the quantity of heat  absorbed  at  constant volume or constant  pressure when  the  reactants  (substances  on  the  left‐hand‐side  of  the  reaction equation) react completely to form the products (substances on the right‐hand‐side of the reaction equation) according to the chemical equation, and the products are brought to the same temperature as the reactants.  Reactions in which heat is evolved are called exothermic reactions; those in which heat is absorbed are called endothermic reactions.  The object of this experiment is to measure the heat of neutralisation of a strong base by a strong  acid. A  strong  acid  or  base  is  a  substance which  ionises  completely  or  almost completely  in solution. A strong acid  ionises to give hydronium  ions and some anion  in solution. A strong base ionises to give hydroxide ions and some cation in solution. When a strong acid  reacts with a  strong base,  the hydronium  ions  from  the acid  react with  the hydroxide ions from the base to form water. The anion from the acid and the cation from the base generally play no part in the reaction at all and are called spectator ions.  e.g.  Na+ + OHˉ + H+ + Clˉ  →  H2O + Na+ + Clˉ  When  a  solution  of  a  strong  acid  reacts with  a  solution  of  a  strong  base,  the  heat  of neutralisation  is  therefore  the heat of  reaction of hydronium and hydroxide  ions  in  the solution to form water:  

H+ + OHˉ  →  H2O + heat.  It follows that this heat of reaction (expressed per mole of H+ and OHˉ ions reacting) will be  the  same  for  any  pair  of  strong  acid  and  strong  base,  since  the  reaction  is  always 

Page 77: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 10b 

 

76

between the same species, i.e. hydronium and hydroxide ions. The heat of neutralisation per mole of hydronium and hydroxide ion is equal to about 57.33 kJ. Heats of reaction are usually expressed in the units kJ mol‐1.  Heats of reaction are experimentally determined by allowing the reaction to take place in an  insulated  apparatus  called  a  calorimeter.  In  practice  the  heat  involved  is  often determined by noting the change in the temperature of the solution in which the reaction is taking place. The heat capacity of water is 4.18 J K‐1 g‐1. The heat capacity of the solution can be assumed to be the same as the heat capacity of water. Hence the mass of solution times  the  heat  capacity  times  the  change  in  temperature  gives  the  heat  involved.  A suitable correction for the heat absorbed by the calorimeter is made in the calculations.  The calorimeter, which (in this experiment) consists of the container and a thermometer, obviously undergoes the same temperature change as the solution it contains. This means that some of the heat generated in the reaction is consumed in heating the calorimeter. The extent  of  this  loss must  be  determined  in  a  separate  experiment  in  order  to  apply  a correction where needed.  EXPERIMENTAL  The apparatus to be used in this experiment is shown in the figure below.  

  The  apparatus  to  be used  in  Experiment 10b. 

 

Calibration: Determination of the heat capacity of the calorimeter, Ccalorimeter Fill a 250 cm3 beaker with deionised water and heat it on a Bunsen flame to approximately 40 °C.  Measure  100  cm3  of  deionised  water  in  a  measuring  cylinder  and  transfer  to  the calorimeter. Place the calorimeter on the magnetic stirrer and set to slow stirring speed. 

Page 78: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 10b 

 

77

 Insert  the  thermometer, read and record  the  temperature. Remove  the  thermometer and place the lid in position.  Measure  100  cm3  of  the  water  warmed  above  into  a  measuring  cylinder.  Insert  the thermometer, read and record the temperature. Remove the thermometer.  Immediately after reading the temperature, lift the plastic lid, pour the warm water from the measuring cylinder into the calorimeter, replace the lid and start the timer.  Insert the thermometer through the hole in the lid and secure it in the clamp. Make sure it does not interfere with the rotation of the stirrer bar.  Read and record the temperature of the water every minute for five minutes. Record the measurements in the column marked ʺRun 1ʺ on the report sheet.  Repeat the above procedure and record the measurements in the column marked ʺRun 2ʺ.  Calculations On your graph paper, plot the temperature against the time for both runs. Draw the best straight line through the plotted points and extrapolate back to zero time, thus finding the highest  temperature  immediately after mixing. Assuming  that  the density of water  is 1.00 g cm‐3 and the specific heat of water is 4.18 J K‐1 g‐1, calculate:  (a)  the heat lost by the warmer water (in kJ) (4.18 x mass x temp decrease)  (b)  the heat gained by the cooler water (in kJ) (4.18 x mass x temp increase)  The difference between the heat  lost by the warm water and the heat gained by the cool water is the heat gained by the calorimeter including the thermometer. If this amount of heat  is divided by  the  increase  in  temperature  experienced by  the  calorimeter,  the heat capacity of the calorimeter can be determined.  The  calorimeter used  in  this experiment has a very  low heat  capacity. The  temperature measurements are subject to error, one result of which may be a spurious negative value for the calculated heat capacity. If the average value of the heat capacity of the calorimeter (obtained from the duplicate determinations) turns out to be negative, it is suggested that, for further calculations, the heat capacity of the calorimeter be taken as zero. 

Determination of the heat of neutralisation Rinse the 100 cm3 measuring cylinder with 10 cm3 of the base solution.  Measure 100 cm3 of this solution and transfer to the calorimeter. Insert the stirrer bar and set the stirrer to a slow stirring speed. Insert the thermometer, read and record the temperature. Remove the thermometer and place the lid in position. 

Page 79: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 10b 

 

78

 Rinse the 100 cm3 measuring cylinder with 10 cm3 of the acid solution. Measure 100 cm3 of this  solution  in  the measuring  cylinder.  Insert  the  thermometer,  read  and  record  the temperature.  Remove the thermometer.  Immediately after reading the temperature, lift the plastic lid, pour the acid solution into the base solution in the calorimeter, replace the lid and start the timer.  Insert the thermometer through the hole in the lid and secure it in the clamp.  Make sure it does not interfere with the rotation of the stirrer bar.  Read and record the temperature of the mixture every minute for five minutes.  Calculations Plot the temperature against time and extrapolate to zero time so as to obtain the highest temperature reached when mixed.  Hence calculate the heat of neutralisation per mole of water produced as indicated on the report sheet.  In your calculations you may assume that for all solutions the density is equal to 1 g cm‐3 and the specific heat is 4.18 J K‐1 g‐1. 

Page 80: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 10b 

 

79

Experiment 10b:  Calorimetry:  Determination  of  the  heat  of neutralisation 

 PRE‐LABORATORY EXERCISE In  an  attempt  to  determine  the  heat  of  neutralisation,  a  student  obtains  the  following results shown below. Caculate Ccalorimeter. 

Calorimeter calibration Mass of warm water/g   100    Mass of cold water/g    100 

   Run 1 Run 2 Run 3  Run 1 Cold water initial temperature/°C  19.6  19.6  19.7  19.6 

Warm water initial temperature/°C  51.0  52.6  52.1  51.0 

Theoretical mixture average temperature/°C        35.3 

Extrapolated mixture final temperature/°C  33.0  36.6  33.3  33.0 

Warm water temperature decrease/K        18.0 

Cold water temperature increase/K        13.4 

Heat lost by warm water/kJ        7.52 

Heat gained by cold water/kJ        5.60 

Heat gained by calorimeter/kJ        1.92 

Calorimeter temperature change/K        13.4 

Ccalorimeter/kJ K‐1        0.143* 

Average Ccalorimeter/kJ K‐1         

 

Page 81: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 10b 

 

80

Determination of the heat of neutralisation HCl(aq):              NaOH(aq): Volume/cm3      100      Volume/cm3      100 Molarity/M      2.556      Molarity/M      2.635 Initial temperature/°C    21.5      Initial temperature/°C  21.3    Run1  Run 2  Run 1 Average initial temperature/°C      21.4 

Extrapolated final mixture temperature/°C  37.0  35.9  37.0 

Mixture temperature increase/K      15.6 

Heat absorbed by mixture/kJ      13.0 

Calorimeter temperature increase/K      15.6 

Heat absorbed by calorimeter/kJ      2.23* 

Total heat absorbed/kJ      15.2 

nH2O formed/mol      0.2556 

Molar heat of neutralisation/kJ mol‐1      59.5 

Average molar heat of neutralisation/kJ mol‐1     

                        

*Ccalorimeter 0.143kJ K‐1 

Page 82: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 10b 

 

81

Experiment 10b:  Calorimetry:  Determination  of  the  heat  of neutralisation 

Mark      

Name:  _____________________________

Student number:  __________________________

Date:  _____________________________

Lab. number:  _____________________________

Seat number: _____________________________

Demonstrator:  ____________________________

 

Pre‐Lab/  Prac/  Deductions  (sig. fig. etc.) 

Total/ 

   

     

       

RESULTS  

Calorimeter calibration  Temperature of cold water at start  __________°C (Run 1)  _________°C (Run 2)  Temperature of warm water at start   __________°C (Run 1)  _________°C (Run 2)   Run 1              Run 2 Time/minutes  Temperature 

after mixing/EC Time/minutes  Temperature 

after mixing/EC        

       

       

       

       

 

Page 83: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 10b 

 

82

   Run 1  Run 2 

Tempe

rature/ °C 

Tempe

rature/ °C 

 

time/minutes    time/minutes 

Heat of neutralisation Temperature of HCl at start    _________°C  Temperature of NaOH at start    _________°C    mean temperature         _________°C    Time/minutes  Temperature after reaction/°C    

   

   

   

   

 

time/minutes 

Tem

pera

ture

/°C

Page 84: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 10b 

 

83

Calculation of the heat capacity of the calorimeter                Run 1     Run 2  Mass of water at lower temperature      __________g    _________g    Mass of water at higher temperature      __________g    _________g  Lower temperature            _________°C     _________°C  Higher temperature           _________°C    _________°C  Final temperature immediately after mixing (from graph)             _________°C    _________°C  1  Heat lost by the warm water      _________kJ    ________kJ  2  Heat gained by the cold water      _________kJ    ________kJ  Heat lost to calorimeter 1 ‐ 2        _________kJ    ________kJ  Temperature change experienced by calorimeter  __________K   _________K  Heat capacity of the calorimeter        _________kJ K‐1   _________kJ K‐1 

 Average of values from two runs          __________kJ K‐1 

Page 85: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 10b 

 

84

Calculation of the heat of neutralisation of hydrochloric acid and sodium hydroxide  Mass of 1 M acid solution            __________g  Mass of 1 M alkali solution           __________g  Mean temperature of two solutions        __________°C  Final temperature immediately after reaction (from graph)               __________°C   Heat absorbed by aqueous solution*        __________kJ  Heat absorbed by apparatus  (use heat capacity determined above)        __________kJ  Total heat evolved              __________kJ  Number of moles of water formed by reaction  (use precise molarities given on the blackboard)    __________mol  Heat of neutralisation  (report to 2 significant digits)          __________kJ mol‐1    Accepted value (for comparison)          __________kJ mol‐1   * Assume a specific heat of 4.18 J K‐1 g‐1 for aqueous solutions.  

Page 86: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 11 

 

85

Experiment 11:  pH and indicators  AIM  To relate pH values to the strength of acids and bases and to become familiar with several indicators. To determine the degree of ionisation of an acid and a base.  INTRODUCTION  The Brönsted‐Lowry concept of an acid is that an acid is a proton donor, e.g.  

HF(aq)  +  H2O(l)  →  H3O+(aq)  +  Fˉ(aq).  A proton (H+) is transferred from HF(aq) to H2O(l), hence HF(aq) is acting as an acid. The H3O+(aq) molecule is known as the hydronium ion.  Rather than express the hydronium ion concentration (acidity) as very small numbers or as  exponentials, we use  the pH  system  to  express  acidity. The pH  of  a  solution  is  the negative of the base 10 logarithm of the hydronium ion concentration.  

  pH  =  ‐log10 [H3O+]  Similarly, the pOH of a solution is the negative of the base 10 logarithm of the hydroxide concentration. 

  pOH  =  ‐log10 [OHˉ]  

At 25 °C, pH + pOH = 14.00.  In general solutions that have:     pH  < 7 are acidic     pH  = 7 are neutral     pH  > 7 are basic  The adjectives, strong and weak, as applied  to acids, bases, or salts, refer  to  their relative degrees of ionisation. A strong acid is “strong” – that is, very reactive as an acid − because of  the high concentration of hydrogen  ion (H+)  that  it contains  in solution. A weak acid, although  able  to  neutralise  as much  base  as  an  equivalent  amount  of  a  strong  acid,  is “weak” because only a small proportion of its molecules are dissociated into hydrogen ion and the anion. It is, therefore, less reactive as an acid. Correspondingly, the strength of a base  depends  on  the  extent  to which  its molecules  are  dissociated  into  the  cation  and hydroxide ion.  

Page 87: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 11 

 

86

As discussed previously, an indicator is a complex organic compound the colour of which, when  in  aqueous  solution,  depends  on  the  relative  concentration  of  hydrogen  and hydroxide ions in the solution.  In  this  experiment,  you will prepare  a  series  of  solutions  of  known  hydrogen  ion  and hydroxide ion concentration. This may be done by making dilutions of 0.1 M solutions of the strong acid hydrochloric acid, and of the strong base sodium hydroxide, respectively. These substances are thought to be completely ionised in dilute solution, so the molarity of  the  hydrogen  ion  and  of  the  hydroxide  ion,  respectively, will  be  the  same  as  the concentration of the corresponding acid or base solution.  This  series  of  solutions will  be used  to  learn  the  colours  of  several  indicators,  and  the concentration  range  through which  a  change of  colour  takes place with  each  indicator.  Also,  using  this  method,  the  approximate  degree  of  ionisation  of  acetic  acid  and  of ammonium hydroxide will be determined, each at two different concentrations.  It should be noted that the hydrogen ion or hydroxide ion concentration in a solution can be  estimated  closely  by  one  indicator  only  if  the  concentration  lies within  the  colour change range of that indicator.  EXPERIMENTAL 

Preparation of solutions of known H+ concentration Prepare solutions of 0.01 M H+, and 0.001 M H+, by dilution of 0.1 M HCl, as follows. First, thoroughly clean two 100 or 250 cm3 beakers or flasks. Rinse these with tap water, then, with not more than 5 ml of distilled water from the wash bottle. By means of a measuring cylinder,  carefully measure  5.0  cm3  of  0.1 M HCl. Add  distilled water  to  give  a  total volume of 50.0 ml. Pour  this back and forth between  the measuring cylinder and one of the clean flasks several times to mix it thoroughly. Keep this solution in a labelled flask.  Leave  5.0  ml  (carefully  measured)  of  the  solution  prepared  above  in  the  measuring cylinder and make a second tenfold dilution by filling carefully to the 50.0 cm3 mark with distilled water. Mix as before and transfer to a second labelled flask.   More dilute solutions, from 10−4 M to 10−7 M H+, are already prepared for your use. These solutions  of  very  low  H+  concentration  are  “buffered”  solutions.  That  is,  there  are substances  present  in  the  solution  that  keep  the H+  concentration  in  the  solution  very nearly constant, even when some additional acid or base is added. Without these buffers the carbon dioxide from the air reacts with the water, and forms too much H+ to maintain a known concentration. 

The colours of indicators in acid solutions Prepare a  series of  clean  test  tubes  containing 5  cm3  each of  the acid  solutions  ranging from 10−1 to 10−7 M H+. Add to each test tube one drop of methyl violet indicator. Stir each with  a  glass  rod  and  note  the  colours  which  are  characteristic  of  the  given  H+ 

Page 88: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 11 

 

87

concentrations. The methyl violet in the stronger acid solutions will fade on long standing. Compare  indicator  colours  by  looking  lengthwise  through  the  tubes  against  a  white background (see figure below). 

 

  

Save the tubes covering the colour change range (three or four tubes) and label each.  Now prepare another series of tubes containing 5 cm3 each of the acid solutions from 10−1 M to 10−7 M H+, and test each with one drop of methyl orange indicator. Stir each and note the colours which are characteristic of the given H+ concentrations. Again save the tubes covering the colour change, labelling each. 

The H+ concentration of an unknown solution Take  a  clean  test  tube,  labelled with  your  name,  to  your  demonstrator  and  obtain  a solution  of  unknown H+.  Test  portions  of  this  solution with methyl  violet  and methyl orange. Record the H+ concentration of your unknown solution on your report sheet. 

The degree of ionisation of acetic acid Obtain  a  5  cm3  portion  of  1 M HC2H3O2,  and  test  it with  one  drop  of methyl  violet indicator. Make as accurate an estimate of the H+ concentration in the solution as possible, by comparison with your standards. If the colour lies between the colours of two of your standards, try to estimate the H+ concentration in between the values represented by these standards. Calculate the concentration of acetate ions in this solution, the concentration of unionised  acetic  acid  molecules,  and  the  fraction  of  all  the  acetic  acid  molecules  in solution that are ionised (express as percent ionisation).  Also test a 5 cm3 sample of 0.1 M HC2H3O2 with both methyl violet and methyl orange to estimate the H+ concentration. Calculate the C2H3O2

− concentration and the concentration of unionised HC2H3O2. Calculate  the percent  ionised  acetic  acid  and  compare with  the percent ionised for a 1 M solution. 

The preparation of solutions of known OH− concentration Prepare a 50 cm3 sample of 0.01 M NaOH from the stock 0.1 M NaOH solution by tenfold dilution  as  you  did  for  HCl.  Be  careful  to  rinse  all  vessels  used.  Keep  the  solutions stoppered in order to prevent the absorption of carbon dioxide from the air. As with the 

Page 89: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 11 

 

88

acid  solutions,  the more  dilute  basic  solutions,  from  10−3  to  10−7 M  OH−,  are  already prepared for your use. They are also buffered solutions. The absorption of carbon dioxide from the air into an unbuffered basic solution would be even more rapid and troublesome than in the case of dilute acid solutions. 

The colours of indicators in basic solutions This time you will use three different indicators, namely, indigo carmine, alizarin yellow R, and phenolphthalein, to identify the hydroxide ion concentration of solutions. Prepare a series of test tubes containing 5 cm3 each of the alkaline solutions ranging from 10−1 to 10−7 M  OH−.  Test  each  with  two  drops  of  indigo  carmine  indicator.  (Indigo  carmine indicator does not keep very well. If it is not a deep blue colour ask your demonstrator to obtain some freshly prepared indicator solution.) Stir each test tube and note the colours and,  in particular,  the range of  the colour change. Keep  three or  four  tubes which cover the  range  of  the  colour  change  and  label  each  for  use  later.  Likewise,  determine  the colours and colour range with alizarin yellow R and with phenolphthalein. Keep the tubes covering the colour change in each case for later use. 

The degree of ionisation of ammonia in solution Ammonia in solution ionises to form NH4+ and OH‐ ions. Test 5 cm3 portions of 1 M and of 0.1 M ammonia solutions with indicators to determine the hydroxide ion concentration in each case. Calculate the concentration of NH4+ and of unionised NH3 in each case. 

Reactions involving weak acids and weak bases Add  a drop  of methyl  violet  indicator  to  5  cm3  of  0.1 M HCl  in  a  test  tube,  and  then gradually add 1 to 2 cm3 of 1 M NaC2H3O2 solution. Try the same experiment again except this time use 1 M NaCl in place of the 1 M NaC2H3O2. Also try 1 M NH4C2H3O2 instead of 1 M NaC2H3O2. Explain the results and write the net ionic equation for any reaction taking place.  Add a drop of alizarin yellow R to 5 cm3 of 0.1 M NaOH solution in a test tube, and then gradually add 1  to 2 cm3 of 1 M NH4Cl solution. Try  the same experiment again, except use 1 M NaCl in place of the 1 M NH4Cl. Also try 1 M NH4C2H3O2 instead of 1 M NH4Cl. Explain the results and write the next ionic equation for any reaction taking place.  

Page 90: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 11 

 

89

Experiment 11:  pH and indicators  PRE‐LABORATORY EXERCISE  1. Complete the following table.  

H+ concentration/ M  pH OH‐ concentration/ M  pH  2.31     

8.5 x 10‐5       

  6.52     

          2. A 0.1 M solution of a weak acid has a pH of 5. Calculate the percentage of the acid that is ionised. 

    

Page 91: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 11 

 

90

Experiment 11:  pH and indicators 

Mark      

Name:  _____________________________

Student number:  __________________________

Date:  _____________________________

Lab. number:  _____________________________

Seat number: _____________________________

Demonstrator:  ____________________________

 

Pre‐Lab/  Prac/  Deductions  (sig. fig. etc.) 

Total/ 

   

     

       

RESULTS      H+ concentration of solution prepared by diluting 5 cm3 of 0.1 M HCl to 50 cm3  _____ M      H+ concentration of second solution prepared by dilution        _____ M 

 

The colours of indicators in acid solutions  H+ concentration  pH Methyl violet Methyl orange

10—1 M       

10—2 M       

10—3 M       

10—4 M       

10—5 M       

10—6 M       

10—7 M       

  

Page 92: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 11 

 

91

Unknown  acid solution 

colour with methyl violet    ________________ 

colour with methyl orange   ________________ 

H+ concentration      ________________ 

pH of unknown solution    ________________ 

The degree of ionisation of acetic acid Complete the table. Show all calculations in the space given below.  

Solution  Methyl violet 

Methyl orange 

H+ concentration

C2H3O2‐ concentration 

HC2H3O2 concentration

% ionised 

1 M HC2H3O2             

0.1 M HC2H3O2             

                      Does  the  degree  of  ionisation  of  acetic  acid  increase  or  decrease  as  the  dilution  is increased?  

Page 93: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 11 

 

92

The colours of indicators in basic solutions  OH‐ 

concentration pH  Indigo 

carmine Alizarin yellow

R Phenolphthalein

10—1 M         

10—2 M         

10—3 M         

10—4 M         

10—5 M         

10—6 M         

10—7 M         

 

The degree of ionisation of ammonia in solution Complete the table. Show all calculations in the space given below.  

Solution  Indigo carmine 

Alizarin yellow R 

Phenol‐phthalein 

OH‐ concn  NH4+ concn  NH3 concn  % ionised 

1 M NH3               

0.1 M NH3               

 

Page 94: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 11 

 

93

Reactions involving weak acids and weak bases  

Solutions mixed Indicator used and colour change HCl + NaC2H3O2   

HCl + NaCl   

HCl + NH4C2H3O2   

NaOH + NH4Cl   

NaOH + NaCl   

NaOH + NH4C2H3O2   

 Explain any differences in the effects of the salts on HCl, and give the net ionic equation for any reaction occurring.             Explain any differences in the effects of the salts on NaOH, and give the net ionic equation for any reaction occurring.      

Page 95: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 12 

 

94

Experiment 12:  Chemical  Kinetics:  Rates  of  chemical reactions 

 

AIM  To  study  the  rate  of  the  reaction  between  thiosulfate  and  hydronium  ions,  and  to determine how a change in thiosulfate ion concentration affects the rate of the reaction.  INTRODUCTION  Chemical kinetics  is  the study of  the rates of chemical reactions and  the mechanisms by which  they occur. The  rate of a  reaction describes how  rapidly chemical change occurs. The mechanism  describes  the  series  of  steps  or  the  pathway  by which  reactants  form products.  Some reactions, such as the neutralisation of an acid by a base or the combustion of petrol in oxygen, are very rapid. Other reactions, such as the rusting of iron, can be very slow. In this experiment, you will study a reaction that has a moderate rate that can be measured several times in one laboratory period.  Consider the hypothetical reaction 

R  →  P  As  the  reaction  proceeds,  the  reactant  concentration  [R]  decreases  and  the  product concentration [P] increases. The rate of the reaction is thus   

the change in reactant concentration with time, ‐ Δ[R]/Δt or 

the change in product concentration with time, +Δ[P]/Δt.  In practice  initial  rates  (the  rate at  the beginning of  the  reaction)  are usually measured because the concentrations of all reactants are known at the start of a reaction.  

The rate of a specific chemical reaction generally depends upon the following factors: • chemical nature of the reacting species • concentrations or partial pressures of the reacting species • surface areas of the reacting species (in heterogeneous reactions involving solids) • reaction temperature • presence or absence of a suitable catalyst. 

 

To study the influence of one factor on the rate of a reaction, the other factors must be kept constant. By studying a single chemical reaction  in  this experiment, you will be keeping the first factor constant. 

Page 96: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 12 

 

95

For a reaction to occur, the kinetic theory proposes that • reacting molecules must come into contact (collide) with one another • the colliding molecules must do so with enough energy  (the energy of activation, 

Ea) for the collision to result in a reaction occurring • the molecules must have the right orientation for an effective collision. 

 An increase in the number of reactant molecules in a given volume increases the reaction rate through all three of these factors ‐ the number of collisions increases, the number of molecules with the required energy (Ea) increases, and the number of molecules with the correct  orientation  increases. An  increase  in  temperature  increases  only  the  number  of molecules with  the  required  energy, which  is why  reactions  go  faster when  they  are heated. Catalysts may  interact with reactants  to  lower  the amount of energy required  to cause a reaction to occur, which has the same effect: a larger fraction of the reactants will have this energy and so the rate increases. When surface area in a heterogeneous reaction is increased, the frequency of collisions increases and so the rate of reaction also increases.  The  relationship  between  the  rate  of  a  chemical  reaction  and  the  concentration  of  the reactants is called a rate law. Consider the reaction 

aA + bB  →  cD + dD.  The rate law expression for this forward reaction is 

rate  =  k[A]x[B]y.  The powers x and y  to which concentrations of  the reactants A and B are raised are not necessarily  the  same  as  the  stoichiometric  coefficients  a  and  b  for  these  reactants,  and must be determined by experiment. These exponents may be zero, small whole numbers, or even fractions.  The constant k in the rate‐law equation is called the rate constant. Its value depends upon all the factors that affect the rate of reactions given above, except concentration. The sum of the exponents of the concentrations in the rate‐low expression is called the order of the reaction.  For the reaction 

S2O82‐(aq) + 2I‐(aq)  →  2SO42‐(aq) + I2(aq)  experiments have shown  that  if  [I‐(aq)]  is held constant while  [S2O82‐(aq)]  is doubled  the rate of the reaction increases by a factor of 2. Therefore, the rate is first order in S2O82‐(aq), or 

rate  =  k’[S2O82‐(aq)]     where k’  =  k[I‐(aq)]y is constant.  Additional experiments in which [S2O82‐(aq)] was held constant while [I‐(aq)] was doubled were also found to double the rate of reaction.  Therefore, the rate is first order in I‐(aq), or 

rate  =  k’’[I‐(aq)]     where k’’  =  k[S2O82‐(aq)]x is constant. 

Page 97: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 12 

 

96

The overall rate law for the reaction is: rate  =  k[S2O82‐(aq)][I‐(aq)]. 

 and the overall reaction is second order.  The  reaction  to  be  studied  in  this  experiment  is  the  acidification  of  sodium  thiosulfate (Na2S2O3) to give sulfur dioxide gas and a precipitate of sulfur:  

S2O32‐(aq) + 2H3O+(aq)  →  SO2(g) + S(s) + 3H2O(l).  This reaction occurs in several stoichiometric steps:  

S2O32‐(aq) + 2H3O+(aq)  →  H2S2O3(aq) + 2H2O(l) H2S2O3(aq)  →  H2SO3(aq) + S(s) H2SO3(aq)  →  SO2(g) + H2O(l). 

 The mechanism  of  this  reaction  is  too  complex  for  complete  study.  For  simplification [H3O+(aq)] will be kept constant while [S2O32‐(aq)] is varied, and the time taken for one of the products  (in  this  case  a precipitate  of  sulfur)  to  appear will  be  recorded. This  is  a measure  of  the  rate  of  the  reaction:  the more  rapidly  the  reaction  is  taking  place,  the smaller will be  the  time required  to build up a visible precipitate of sulfur. The reaction rate is thus inversely proportional to the time taken for the precipitate to appear: 

 reaction rate  ∝   [S2O32‐(aq)]  ∝   1/time 

 or 

reaction rate  =  ‐Δ[S2O32‐(aq)]/Δt  ∝   1/time  A plot of initial [S2O32‐(aq)] against 1/t shows how the rate responds to a change in [S2O32‐

(aq)], from which a rate law expression of the form  

rate = k’[S2O32‐(aq)]x     (where k’  =  k[H3O+(aq)]y is constant)  can be derived.  

Page 98: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 12 

 

97

EXPERIMENTAL  Dilute 1.0 M Na2S2O3 solution as necessary to obtain 10 cm3 each of 0.80 M, 0.60 M. 0.40 M and 0.20 M Na2S2O3 solution.  For each solution in turn, 

i)  Measure  out  5  cm3  into  the  large  test  tube. Add  5  cm3  0.5 M HNO3(aq), starting  the  stop‐watch  at  the moment  of  addition.  Shake well  to mix  the solutions. 

ii)  Note the time taken for the solution to go cloudy as the precipitate of sulfur appears. (It does not matter how cloudy the solution goes before the time is measured,  as  long  as  all  solutions  are  timed  to  that  same  degree  of cloudiness. An easy way to measure ‘cloudiness’ is to make an ‘X’ on a piece of white paper  and place  this  behind  the  solution. The  solution  is  cloudy when the ‘X’ can no longer be seen.) 

 Plot a graph of [S2O32‐(aq)] against t, and a second graph of rate (1/t) against [S2O32‐(aq)].   Comment on  the shapes of  the graphs, and derive  the mathematical expression  relating concentration to the rate of the reaction.  

Page 99: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 12 

 

98

Experiment 12:  Chemical  Kinetics:  Rates  of  chemical reactions 

 PRE‐LABORATORY EXERCISE Rate data for the overall reaction  2NO(g) + O2(g)  →  2NO2(g)  are tabulated below.  

Experiment  [NO]i/M [O2]i/M Initial Rate/10‐2 M s‐1 1  0.0126  0.0125  1.41 2  0.0252  0.0250  11.3 3  0.0252  0.0125  5.64 

 Determine  the  rate  law  for  this  reaction,  the  order  in  each  reactant,  and  the  overall reaction order.                         

(rate = k[NO(g)]2[O2(g)]; 2nd order in  NO(g); 1st in  O2(g), 3rd order overall) 

Page 100: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Experiment 12 

 

99

Experiment 12:  Chemical  Kinetics:  Rates  of  Chemical Reactions 

Mark      

Name:  _____________________________

Student number:  __________________________

Date:  _____________________________

Lab. number:  _____________________________

Seat number: _____________________________

Demonstrator:  ____________________________

 

Pre‐Lab/  Prac/  Deductions  (sig. fig. etc.) 

Total/ 

   

     

       

RESULTS   

Solution  1.0 M Na2S2O3(aq)volume used/cm3 

time/s Rate/s‐1 

1.0 M       

0.80 M       

0.60 M       

0.40 M       

0.20 M       

 Plot of [Na2S2O3(aq)] vs t:        Plot of rate vs [Na2S2O3(aq)]:  

 Rate law expression:  

Page 101: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Appendix 1 

 

100 

Appendix 1:  Laboratory apparatus  Each  student  workbench  is  supplied  with  the  following  apparatus,  which  should  be returned to its correct locker at the end of each laboratory session.  Item  Description  Quantity      Erlenmeyer (conical) flasks  250 cm3  4 Erlenmeyer (conical) flasks  50 cm3  1 Beakers  100 cm3  2 Beakers  50 cm3  2 Measuring cylinder  50 cm3  1 Measuring cylinder  10 cm3  1 Volumetric flask  250 cm3  1 Pyrex filter funnel  45 mm diameter  1 Pyrex filter funnel  75 mm diameter  1 Weighing bottles  No. 4 vial  2 Weighing boat   (plastic)  1 Pipette filler  Pi‐pump type  1 Glass rod  4mm diameter.  1 Droppers and teats  Pasteur  2 Buchner funnel  5.5 cm  1 Hirsch funnel  45 mm  1 Pasteur pipette    1 Pyrex filter flask  100ml  1 Spatula  (medium)  1 Retort Clamps     1 Retort ring     1 Boss heads     1 Washbottle  Plastic‐250 cm3  1 Wooden peg    1 Test tube rack and test tubes    1 Test tube brush   (small)  1 Gauze mats    1 Nutec Mat      1 Mini Quickfit clamp    1 Rubber adaptor for Buchner funnel    1 Ice bucket    1 Vacuum pipe    1 Bunsen burner  (on bench)  1 

 

Page 102: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Appendix 1 

 

101 

 

Page 103: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Appendix 1 

 

102 

Page 104: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Appendix 2 

 

103

Appendix 2:  The laboratory balance  Of all the instruments used by a chemist, the balance is the most important. It is, therefore, essential that students should  learn to weigh accurately and rapidly from the beginning. However, a balance is an extremely delicate instrument and in order that it should retain its accuracy it is imperative that it is handled with the utmost care.  The most  important  attributes  of  a  chemical  balance  are  its  sensitivity  and  rapidity  of action,  and  the  student  should  appreciate  that,  since most  errors  in  analysis  arise  from faulty weighing, it is impossible to take too much care using the balance.  Using the Balance  The balances used in this laboratory are both extremely expensive and highly sensitive! Please be 

CAREFUL when using them!  

1. Do not move the balance on the balance bench.  

2. Never touch the balance pan with your fingers, or breathe on it.  

3. Items to be weighed must always be at room temperature.  

4. Never weigh  corrosive  or volatile  substances  in  an  open vessel. A  stoppered weighing bottle should be used for such substances to eliminate  the danger of corrosion. Do not spill chemicals on  the balance pan,  in  the balance or on  the balance bench. To minimise this danger, when weighing a substance, never add or remove any of the substance from the weighing receptacle while it is on the balance  pan.  First  remove  it  from  the  balance  case  and  then  add  or  remove substance as necessary.  

5. Report immediately any accidental spilling of chemicals on the balance to your demonstrator so that the spill may be cleaned at once.  

6. Please leave the balance in the condition in which you would wish to find it, i.e. perfectly clean. 

 

Page 105: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Appendix 3 

 

104

Appendix 3:  Volumetric apparatus  ERROR OF PARALLAX Volumetric appararus  should be  read with your eye on  the  same  level as  the meniscus (curved surface of the liquid in the vessel). If this is not done, an incorrect reading will be taken. This source of error is known as an error of parallax.   Always read the bottom of the meniscus. 

  THE PIPETTE The  laboratory pipette  is a glass vessel which delivers a definite volume of  liquid under certain specific conditions. It consists of a cylindrical bulb with tubes at each end. Pipettes come in different sizes, ranging from 1 to 250 cm3.  The  letter  B  on  the  bulb  signifies  that  the  pipette  is  a  “B”  grade  pipette,  i.e.  the manufacturer  guarantees  that  the  volume  delivered will  be  between  ±  0.05  cm3  of  the stated volume.  “A” grade pipettes are guaranteed to deliver between ± 0.01 cm3.  

     

The pipette 

Page 106: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Appendix 3 

 

105

Washing and preparing the pipette The pipette should always be assumed to be dirty, and must be rinsed with both tap water and de‐ionised water, and then three times with the solution to be dispensed.  After rinsing  the pipette with both  tap water and de‐ionised water, dispense ~20 cm3 of the solution provided into a clean, dry 100 cm3 beaker. Insert the upper end of the pipette into  the  lower end of  the pipette  filler and  rotate  the pipette carefully  to work no more than 0.5 cm of the glass bore into the rubber sleeve (If you push the pipette further in the filler will not work properly). Do NOT suck up solutions by mouth; use the pipette filler at all times for filling the pipette with solution.  Use  the wheel on  the pipette  filler  to suck solution  into  the pipette. Remove  the pipette from  the  solution,  detach  the  filler  and  immediately  place  your  finger  over  the  end (why?). Hold  the pipette as  level as possible, and  rotate  the pipette on  the  fingertips  to ensure  that  solution  flushes  over  the  entire  inner  surface,  including  a  length  of  2‐3  cm above  the graduation mark. Allow  the pipette  to drain  through  the  lower end only, and repeat the process twice. 

Using the Pipette In volumetric analysis  the procedure of pipetting  is  the single  largest source of error for beginners. The technique of pipetting requires careful practice, and will be demonstrated to you,  in addition to the notes on the pages that follow. If a thorough study  is made of these pages before the laboratory session, you should be able to follow the demonstration and subsequently be able to use the pipette correctly and accurately. 

   

  

After preparing  the pipette, discard  the remainder of  the solution  in  the 100 cm3 beaker and refill it. Reassemble the pipette and pipette filler and draw up solution sufficient to fill the pipette  to ~2‐3  cm above  the graduation mark on  the pipette  (a). Do not allow any 

Page 107: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Appendix 3 

 

106

liquid to enter the pipette filler; if you accidentally do so, or you think that the filler has liquid in it already, show your demonstrator.  Remove the pipette filler and place your finger over the open end of the pipette (b). Wipe the outside of the pipette with a tissue, being careful not to touch the point of the pipette with the tissue otherwise solution will be lost by capillary action (c). Keeping the pipette at eye level and in a vertical position (using both hands), allow the liquid level to fall by lifting your finger slightly, so that the bottom of the meniscus becomes just level with the graduation mark on  the pipette.  If a small drop of solution remains at  the pipette  tip at this stage, it can be removed by touching the bottom of the pipette against the side of the beaker (d).   Replace the beaker under the pipette with a conical flask, and, again keeping the pipette vertical,  remove  your  finger  to  enable  the  solution  to  drain  into  the  flask.  Once  the solution  has  finished  draining,  touch  the  bottom  of  the  pipette  against  the  side  of  the conical flask. The liquid remaining in the tip of the pipette at this stage must not be blown out  into  the  conical  flask,  as  this  extra  drop  is  taken  into  account when  the  pipette  is calibrated.  Once pipetting  is complete, clamp  the pipette on  the burette stand  to prevent accidental breakage. Do not leave the pipette on the bench top where it can become contaminated.  THE BURETTE A burette consists of a  tube of uniform bore graduated  in cm3 and  tenths of a cm3. The volume delivered can be read on the graduations accurately to the first decimal, i.e. to 0.1 cm3. Readings are recorded to the nearest 0.02 cm3 by estimation.  

       

The burette 

Page 108: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Appendix 3 

 

107

Washing and preparing the burette A burette should always be assumed to be dirty, and must therefore be rinsed thoroughly before use, both with tap water and then with de‐ionised water. It is then “prepared” by rinsing the inside with the solution to be used.  After rinsing  the burette with both  tap water and de‐ionised water, dispense ~25 cm3 of the solution provided into a clean, dry 100 cm3 beaker. Pour about ~8 cm3 of this solution into  the burette  (make  sure  that  the burette  tap  is closed  if you don’t want  to go home with wet feet!), hold the burette as level as possible, and rotate on the fingertips to ensure that  solution  flushes over  the  entire  inner  surface. Drain  through  the  stopcock  to make sure  that  the solution  runs  freely and  is not obstructed. Repeat  twice, draining  the  final rinse through the open end of the burette.  Discard  the  remainder  of  the  solution  in  the  100  cm3  beaker  and  refill  it,  then use  the beaker to fill the burette to above the zero mark. Open the stopcock to displace air from the jet and to ensure that the jet is completely filled with solution. You will be shown how to  remove  persistent  air  bubbles.  Finally  allow  to  drain/top  up  until  the meniscus  lies between 0‐1 cm3. Place  the burette  in  the burette stand with a  tissue under  the stopcock while preparing  the  remainder  of  the  glassware  for  the  titration;  if  the  stopcock  leaks, even very slowly,  the wet  tissue will alert you and you can remedy  the problem before wasting time performing inaccurate and meaningless titrations. 

Using the Burette After pipetting, the greatest sources of error in volumetric analysis stem from students not being  able  to master  the  techniques  of  estimating  the  volume  correctly,  and  adding  a single drop from a burette.  

  Adding  a  single  drop  of  solution  is  a technique  that requires a  little practice. For a  right‐handed  person  it  is  customary  to swirl  the  conical  flask with  the  right hand whilst operating the tap with the left hand, as shown in the picture. You will be shown how  to do  this  ‐ ask your demonstrator  to check that you are doing it correctly.  

 

Page 109: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Appendix 3 

 

108

As mentioned before, only  the first decimal place of a volume can be read directly from the burette; the second decimal place is then estimated to the nearest 0.02 cm3. Being able to  estimate  correctly  is  thus  of  great  importance  if  your  volumetric  analyses  are  to  be accurate. Study the sketch below to give you an idea, and then get your demonstrator to check that you are doing it correctly.  

21

22

21.30

21

22

21.34

21

22

21.36

21

22

21.38

21

22

21.40   

 

 

  Placing a white card below  the  level of  the meniscus,  as  shown  in  the  diagram alongside,  also  aids  in  taking  an  accurate reading from a burette.  

    The pipette and burette should be clamped safely  when  not  is  use,  as  shown  in  this figure.    

 

Page 110: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Appendix 4 

 

109

Appendix 4:  Experimental errors  INTRODUCTION  In nearly all scientific endeavours, measurements are made and the data so obtained used in calculations to arrive at a result on which a final conclusion is based.  In  practice  it  is  seldom  possible  to make  exact measurements.  There  are  unavoidable errors inherent in the apparatus used, in the methods employed and in the observational powers  of  the  experimenter.  In  some  instances,  errors may  not  affect  the  result  or  the conclusion, but in most instances the result is open to a degree of doubt and the extent of the error in the result must be conveyed by following established convention.  An example of the first instance is the result and conclusion based on the following data:  The mass of a consignment of apples is 123 kg. If the mass of a box of apples is 20 kg, how many boxes are there in the consignment? The result of dividing 123 kg by 20 kg per box is 6.15 boxes, but the conclusion will be that there are 6 boxes in the consignment.  An example of  the second  instance  is a determination of  the STP molar volume of a gas which gave a value of 22.1 dm3. As the accepted value is 22.4 dm3, it is obvious that errors inherent  in  the  apparatus,  method  and  operation  have  (in  combination)  caused  a deviation of 0.3 dm3 from the accepted value, i.e. an error of  

%3.14.221003.0

=× . 

 SOURCES OF ERROR  In scientific endeavour, errors arise from:  

• imperfections in apparatus • imperfections in method • variations in the environment • imperfections in technique. 

Imperfections in apparatus Most  of  the  apparatus used  in  a  first  course  are produced  in  large batches  in  order  to reduce  cost.  Consequently  the  items  are  not  individually  calibrated.  However,  the manufacturers  issue certificates with each batch  indicating  the  limit of  inherent error  in any one item of a batch. For example: a B grade burette certificate may state: Tolerance 50 cm3 ±  0.1  cm3  and  a B grade pipette  certificate may  state: Tolerance  10  cm3 ±  0.05  cm3. These statements mean that a titration volume could be in error up to a maximum of 0.2% 

Page 111: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Appendix 4 

 

110

when using a B grade burette and a 10 cm3 aliquot pipetted by means of a B grade pipette could be  in error up  to a maximum of 0.5% due  to  imperfections  in  the shapes of  these glass vessels.  Mass  measurement  apparatus  has  much  lower  tolerances  than  volume  measurement apparatus,  and,  for  all  practical  purposes, mass measurement  errors  are  negligible  in comparison with volume measurement errors. 

Imperfections in method Imperfections  in method  likely  to  be  encountered  in  a  first  course  are:  solubility  of  a precipitate,  co‐precipitation,  decomposition  and/or  volatilisation  during  drying  in  an oven, absorption of moisture or carbon dioxide from the air, oxidation on exposure to the atmosphere, attack on glass vessels by caustic substances, etc. 

Variations in the environment Variations  in temperature, pressure and humidity of the air  in a  laboratory occur due to change in weather conditions, change of the seasons and diurnal fluctuations. 

Imperfections in technique Operator error is usually far greater than all previously mentioned errors combined. Some errors  are  unavoidable,  for  example  the  perception  of  indicator  colour  change  is  a subjective  judgement  on  the  part  of  the  operator  and  is  bound  to  differ  from  the perceptions  of  other  operators. Avoidable  errors  are many  and  often  occur  because  of inattention. The most  frequent  and  serious  error  in  a  first  course  is  incorrect pipetting procedure. Next come the errors due to ineffectual washing of a precipitate and excessive washing of a precipitate. More serious is physical loss of reagent through spillage.  In  assessing  the  results of  first year  students  in quantitative  analysis,  an  error of  2%  is regarded as acceptable and may earn full marks. This 2% is made up of 1% operator error and 1% for all other sources of error combined.  SIGNIFICANT DIGITS  If,  in  the  example  above  of  the  determination  of  STP molar  volume,  the  experimenter reported his result as 22.100 dm3, he would have been guilty of an absurdity.  The  accepted  value  of  22.414  dm3  has  been  obtained  in  advanced  research  using sophisticated  equipment  and  working  under  ideal  conditions.  According  to  the conventions of  statistics,  the number  22.414 guarantees  the value  to be  closer  to  22.414 than  it  is  to 22.413 and  to 22.415,  i.e.  it  lies within  the  range 22.4135 and 22.4145.  (If  the uncertainty had been greater, the range would have been given as, e.g. 22.414 ± 0.001).  When given as 22.414, the uncertainty, and therefore the likely error, is: 

%00446.0414.22

100001.0=

× . i.e. less than 0.005%. 

Page 112: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Appendix 4 

 

111

 In terms of the 2% error allowed in a first course, a result within the range 22.4 ± 22.4x0.02 (i.e. within the range 22.8 and 22.0) would have been acceptable.  Thus even if the experimenter’s calculator showed a final result of say 22.100, the result is still reported as 22.1 in order not to claim a degree of certainty that does not exist.  To be able to decide on the correct procedure, the student must understand the meaning of the term significant digits. The number system has ten digits 0, 1, 2… 8, 9.  Any given number/figure/value consists of one or more digits. Thus the statement “12 apples” leaves no doubt as to the quantity. The number has been obtained by counting, and, except for a blunder, is definite and indisputable.  However, a statement such as “12 km” is the outcome of a measurement and immediately the question arises how the measurement was made. If the person making the statement had measured the distance by walking, the reader would interpret the distance as 12 ± 1 km or even 12 ± 2 km, knowing how fallible the measuring procedure was.  If the measurement had been made by a surveyor using a tellurometer, he would give the distance  as  12.0000  km.  The  four  zeroes  following  the  decimal  are  not  an  attempt  at pedantism, they are given deliberately to assure the reader that the surveyor is prepared to guarantee that the value is closer to 12.0000 than it is to 11.9999 or to 12.0001, i.e. it lies within  the  range  11.9995  and  12.0005.  The  surveyor  thus  implies  that  his  error  is  not greater than 1 dm.  In statistical language it is said that the number is given to six significant digits, the first five being beyond dispute and the last digit being uncertain because it is a “best estimate”.  Whereas  the zeroes  in  the surveyor’s 12.000 km are deliberate and  therefore significant, the  zeroes  in  the distance  0.0012 km  are not  significant because  they  can be dispensed with by reporting the distance as 1.210‐3 km or 1.2 m or 12 dm.  In all three forms there are two significant digits. However, if this distance were given as 120 cm, it would have three significant digits and thus claim greater accuracy, i.e. a smaller uncertainty. The value 12 dm implies that the distance lies within the range 11.5 and 12.5 dm – a variation of 1 dm or 10 cm. The value of 120 cm  implies  that  the distance  lies within  the  range 119.5 and 120.5 cm – a variation of 1 cm or 0.1 dm.  Similarly, if the distance were given as 1200 mm, i.e. to four significant digits, the variation would be 1 mm or 0.1 cm or 0.01 dm. Round numbers such as 100, 10 and 1 are considered to  have  only  one  significant  digit  because  the  zero’s  merely  indicate  the  order  of magnitude. 

Page 113: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Appendix 4 

 

112

 The first rule of significant digits Measurements,  i.e.  observed  quantities, should be recorded with one uncertain digit retained.  Figure  1  illustrates  this  rule.  It shows  the  level of  titrant  in a burette.  It  is clear that the volume  is more than 27.4 but less  than  27.5  cm3.  The  experimenter  has made  an  estimate  of  the  interval  beyond 27.4  and  arrived  at  the  fraction  ⅔. He has thus recorded the volume as 27.4 + ⅔ × 0.1 = 27.4  +  0.07  =  27.47  cm3  and  will  use  this value  in  subsequent  computations.  The value  27.47  consists  of  four  significant digits,  the  first  three  indisputable  and  the last uncertain because it has been estimated.    The second rule of significant digits In carrying  through a  series of computations, one digit beyond  the  last  significant digit must be retained in order that the last significant digit is not altered in the computational process. This rule can be illustrated by the following example:  If the experimenter above did two further titrations and obtained say 27.42 and 27.40 cm3 in his second and third titrations, his calculator would show the mean value as 27.433333 cm3. In further computations the experimenter must use the value 27.433 cm3 in order to conform to rule 2.  However,  if  the experimenter obtained  say 27.32 and 27.50  cm3  in his  second and  third titrations, his mean would still be 27.43333 cm3 but now it would be absurd to use 27.433 cm3  in  further  computations as his  third digit  is already uncertain. He  should now use 27.43 cm3 as the mean value in further computations.  The third rule of significant digits In a result, there must be as many digits as will give one and only one uncertain digit. This rule has been re‐phrased in a rather simplistic form to read: the result cannot contain more digits than the factor with the fewest significant digits.  This rule can be illustrated by carrying the example used above to completion. The mean of  three  titrations was 27.433 cm3.  If  the molarity of  the  titrant was,  say 0.1013, and  the aliquot  10  cm3  (measured  by  means  of  a  pipette)  the  calculation  of  the  unknown concentration is:  

M 2778962.0cm 10

M 0.1013 x cm 27.433molarity unknown 3

3

== . 

Page 114: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Appendix 4 

 

113

 As the volume of the aliquot, 10 cm3, appears to have only one significant digit, the result must be recorded as 0.2 M according to rule 3. However, the term “10 cm3 pipette” merely indicates  an  order  of  magnitude  and  does  not  describe  the  capacity  properly.  The manufacturer’s certificate gives the tolerance of a 10 cm3 pipette as a 0.05 cm3. The lower value, 9.95, has three significant digits and this fixes the number of significant digits in the result at three.  Thus  the  result  is  given  as  0.278 M.  Had  the  calculator  shown  a  final  value  of  say 0.27741879 M, the value reported would be 0.277 M to conform to the rule of rounding off.  The fourth rule of significant digits The precision of a result must not be diminished by a computation. In the calculation  

4858.118.141081.0 =×   the  factor 0.081  contains  two  significant digits and  the  inclination might be  to  limit  the product to two significant digits, i.e. to report the product as 11 according to the simplistic version of rule 3 above.  Although the factor 0.081 has only two significant digits, its uncertainty is 1 in 81 whereas the  uncertainty  of  the  product  is  1  in  11.  Thus  the  precision  of  the  result  has  been diminished. In order to conform to rules 3 and 4, the result must be reported as 11.5. The computations below show that the first decimal place is the first variable digit,    0.0805x141.8  =  11.4149   0.0815x141.8  =  11.5567  and a result must always contain one uncertain digit according to rule 3.  By contrast, in the calculation    0.012x141.8  =  1.7016  the product would be given to two significant digits, viz. 1.7 because the second digit  in 1.7 is uncertain as shown by the computations below:    0.0115x141.8  =  1.6307   0.0125x141.8  =  1.7725  

Page 115: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Appendix 4 

 

114

Multiplication or division by a factor merely changes the order of magnitude; it does not affect the precision. Thus if 100.0 g is required to make 1000 cm3 of 1 M solution, then the mass required to make 200 cm3 of 0.1 M solution is:  

g2.000M1.0M0.1

cm1000cm200g 100.0 3

3

=×× . 

 Subtraction  can  reduce  the number of  significant digits. When  the mass of  substance  is obtained  by  difference,  then  the  difference  of  two  balance  readings  will  have  fewer significant digits than the balance readings.  e.g.  mass of vial + substance   12.106 g  5 significant digits 

mass of vial       11.271 g  5 significant digits mass of substance    0.835 g  3 significant digits 

 The converse is not true, i.e. addition cannot increase the number of significant digits, e.g. 0.603 + 0.731 = 1.33 g.  DRILL PROBLEMS (You may refer to the answers to some of these problems, after solving them on your own initiative).  1. Carry out the operations on the data given in each of the following cases to calculate the quantity  called  for.  Show  your method,  including  the  dimensions  of measurement.  (These units will tell you which mathematical operation to perform).  (a) Velocity = 50 km h‐1, time = 0.5 h, distance = ? (b) Velocity = 300 000 km s‐1, distance = 150 000 000 km, time = ? (c) Time = 9.3 s, distance = 100 m, velocity = ? (d) Density  Al = 2.70 g cm‐3, mass = 2700 g, volume = ? (e) Mass  Hg = 272 g, volume = 20 cm3, density = ? (f) Mass  apples = 120 kg, mass in each box = 20 kg box‐1, number of boxes = ? (g) Mass  H2O = 180 g, molar mass = 18 g mol‐1, number of moles = ?  

2. How many significant digits are there in each of the following numbers?  (a)  3005        (d)  0.350 (b)  3500        (e)  3.050 (c)  0.035        (f)  3.0005 

 

Page 116: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Appendix 4 

 

115

3. Carry out the following operations, recording the answer correctly in accordance with the rules of significant digits: 

 (a) Subtract 5.1 from 28.347 (b) Subtract 5.10 from 28.347 (c) Multiply 0.020 by 1.111 (d) Divide 36.02 by (3.0)2 

 4. A beaker of water has a mass of 1200 grams. How would you write this number so as to avoid ambiguity, if the mass is known to the nearest: (a) ten grams  (b) one hundred grams (c) gram, (d) tenth of a gram. 

 5. The length of a table is measured as 2 metres, 3 centimetres, and 4 millimetres. Express 

this length as: (a) metres, (b) centimetres, (c) millimetres (d) kilometres. 

 How many significant digits in each case? 

 6. A series of beakers have the following masses: 125.2 g, 90.3 g, 56.2 g and 20.237 g. How 

should you record the sum of these masses so as to avoid any incorrect conclusions as to the precision of measurements? 

 7  Three  determinations  of  the  percentage  of  chlorine  in  sodium  chloride were  60.1%, 60.5% and 60.3%, averaging 60.3%. The accepted value, based on the atomic masses (Na 22.9979  amu;  Cl  35.4571  amu),  is  60.650%  Cl. What  is  the  percentage  error  in  the analysis, and to how many significant digits should it be expressed? 

 8. What  is  the  percentage  of  uncertainty  in  measuring  50  cm3  of  water  in  a  50  cm3 graduated cylinder given that the precision of measurements is 0.2 cm3? 

Page 117: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Appendix 4 

 

116

ANSWERS TO DRILL PROBLEMS  1  (b)  500 s 

(d)  1000 cm3 (f)  6 boxes 

 2  (b)  2 

(d)  3 (f)  5 

 3  (a)  23.2 

(c)  0.022  5  (b)  203.4 cm 

(d)  0.002034 km.  Four significant digits regardless of the units used. 

 7  0.6%. 

Page 118: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

Appendix 5 

 

117 

Appendix 5:  The elements  Name SYMBOL  Z  Atomic mass/

amu Name SYMBOL  Z  Atomic mass/ 

amu Actinium Ac 89 227.0 Mercury Hg 80 200.6 Aluminium Al 13 26.98 Molybdenum Mo 42 95.94 Americium Am 95 (243) Neodymium Nd 60 144.2 Antmony Sb 51 121.8 Neon Ne 10 20.18 Argon Ar 18 39.95 Neptunium Np 93 237.1 Arsenic As 33 74.92 Nickel Ni 28 58.69 Astatine At 85 (210) Niobium Nb 41 92.91 Barium Ba 56 137.3 Nitrogen N 7 14.08 Berkelium Bk 97 (247) Nobelium No 102 (259) Beryllium Be 4 9.012 Osmium Os 76 190.2 Bismuth Bi 83 209.0 Oxygen O 8 16.00 Boron B 5 10.81 Palladium Pd 46 106.4 Bromine Br 35 79.90 Phosphorus P 15 30.97 Cadmium Cd 48 112.4 Platinum Pt 78 195.1 Calcium Ca 20 40.08 Plutonium Pu 94 (244) Californium Cf 98 (251) Polonium Po 84 (209) Carbon C 6 12.01 Potassium K 19 39.10 Cerium Ce 58 140.1 Praseodymium Pr 59 140.9 Cesium Cs 55 132.9 Promethium Pm 61 (145) Chlorine Cl 17 35.45 Protactinium Pa 91 231.0 Chromium Cr 24 52.00 Radium Ra 88 226.0 Cobalt Co 27 58.93 Radon Rd 86 (222) Copper Cu 29 63.55 Rhenium Re 75 186.2 Curium Cm 96 (247) Rhodium Rh 45 102.9 Dysprosium Dy 66 162.5 Rubidium Rb 37 85.47 Einsteinium Es 99 (252) Ruthenium Ru 44 101.1 Erbium Er 68 167.3 Samarium Sm 62 150.4 Europium Eu 63 152.0 Scandium Sc 21 44.96 Fermium Fm 100 (257) Selenium Se 34 78.96 Fluorine F 9 19.00 Silicon Si 14 28.09 Francium Fr 87 (223) Silver Ag 47 107.9 Gadolinium Gd 64 157.25 Sodium Na 11 22.99 Gallium Ga 31 69.73 Strontium Sr 38 87.62 Germanium Ge 32 72.61 Sulphur S 16 32.07 Gold Au 79 197.0 Tantalum Ta 73 181.0 Hafnium Hf 72 178.5 Technetium Tc 43 (98) Helium He 2 4.003 Tellurium Te 52 127.6 Holmium Ho 67 164.9 Terbium Tb 65 158.9 Hydrogen H 1 1.008 Thallium Tl 81 204.4 Indium In 49 114.8 Thorium Th 90 232.0 Iodine I 53 126.9 Thulium Tm 69 168.9 Iridium Ir 77 192.2 Tin Sn 50 118.7 Iron Fe 26 55.85 Titanium Ti 22 47.88 Krypton Kr 36 83.80 Tungsten W 74 183.9 Lanthanum La 57 138.9 Uranium U 92 238.0 Lawrencium Lr 103 (260) Vanadium V 23 50.94 Lead Pb 82 207.2 Xenon Xe 54 131.3 Lithium Li 3 6.941 Ytterbium Yb 70 173.0 Lutetium Lu 71 175.0 Yttrium Y 39 88.91 Magnesium Mg 12 24.31 Zinc Zn 30 65.39 Manganese Mn 25 54.94 Zirconium Zr 40 91.22 Mendelevium Md 101 (258)  NOTE: Atomic masses  in  this  table are given relative  to carbon‐12 and  limited  to  four significant  figures, although  some  atomic masses  are  known more  precisely.  For  certain  radioactive  elements  the  numbers listed (in brackets) are the mass numbers of the most stable isotopes. 

Page 119: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those

 

 

I a Periodic Table of the Elements VIII a 1

H 1.008

II a

III a

IV a

V a

VI a

VII a

2

He 4.003

3

Li 6.941

4

Be 9.012

5

B 10.81

6

C 12.01

7

N 14.01

8

O 16.00

9

F 19.00

10

Ne 20.18

11

Na 22.99

12

Mg 24.31

III b

IV b

V b

VI b

VII b

VIII b

I b

II b

13

Al 26.98

14

Si 28.07

15

P 30.97

16

S 32.07

17

Cl 35.45

18

Ar 39.95

19

K 39.10

20

Ca 40.08

21

Sc 44.96

22

Ti 47.88

23

V 50.94

24

Cr 52.00

25

Mn 54.94

26

Fe 55.85

27

Co 58.93

28

Ni 58.69

29

Cu 63.55

30

Zn 65.39

31

Ga 69.72

32

Ge 72.61

33

As 74.92

34

Se 78.96

35

Br 79.90

36

Kr 83.80

37

Rb 85.47

38

Sr 87.62

39

Y 88.91

40

Zr 91.22

41

Nb 92.91

42

Mo 95.94

43

Tc (98.91)

44

Ru 101.1

45

Rh 102.9

46

Pd 106.4

47

Ag 107.9

48

Cd 112.4

49

In 114.8

50

Sn 118.7

51

Sb 121.8

52

Te 127.6

53

I 126.9

54

Xe 131.3

55

Cs 132.9

56

Ba 137.3

57

*La 138.9

72

Hf 178.5

73

Ta 181.0

74

W 183.8

75

Re 186.2

76

Os 190.2

77

Ir 192.2

78

Pt 195.1

79

Au 197.0

80

Hg 200.6

81

Tl 204.4

82

Pb 207.2

83

Bi 209.0

84

Po (209.0)

85

At (210.0)

86

Rn (222.0)

87

Fr (223.0)

88

Ra (226.0)

89

**Ac (227.0)

*Lanthanides 58

Ce 140.1

59

Pr 140.9

60

Nd 144.2

61

Pm (146.9)

62

Sm 150.4

63

Eu 152.0

64

Gd 157.3

65

Tb 158.9

66

Dy 162.5

67

Ho 164.9

68

Er 167.3

69

Tm 168.9

70

Yb 173.0

71

Lu 175.0

**Actinides

90

Th (232.0)

91

Pa (231.0)

92

U (238.0)

93

Np (237.1)

94

Pu (244.1)

95

Am (243.1)

96

Cm (247.1)

97

Bk (247.1)

98

Cf (251.1)

99

Es (252.1)

100

Fm (257.1)

101

Md (258.1)

102

No (259.1)

103

Lr (260.1)

Page 120: SCHOOL OF CHEMISTRY UNIVERSITY OF KWAZULU …cheminnerweb.ukzn.ac.za/Files/chem 110 prac 2009.pdf ·  · 2010-01-29marked, will contain questions which are very similar to those