Experiment9 22*March*2018*...

20
Experiment 9 22 March 2018 Designer Buffers Welcome to the World of Designer Buffers – where specialty buffers for research and medical applica;ons are sold for big money. h"p://cellgro.com/products/microbiologyandmolecularbiology/ buffersbuffers/phosphatebufferedsaline1x.html I’m dressed for big money!

Transcript of Experiment9 22*March*2018*...

Page 1: Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers*mattson.creighton.edu/GenChemWeb/Lab/9-Buffers-2_Lecture.pdf · Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers* Welcome’to’the’ WorldofDesigner

Experiment  9  22  March  2018  Designer  Buffers  

Welcome  to  the  World  of  Designer  Buffers  –  where  

specialty  buffers  for  research  and  medical  applica;ons  are  sold  

for  big  money.  

h"p://cellgro.com/products/microbiology-­‐and-­‐molecular-­‐biology/buffers-­‐buffers/phosphate-­‐buffered-­‐saline-­‐1x.html  

I’m  dressed  for  big  money!  

Page 2: Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers*mattson.creighton.edu/GenChemWeb/Lab/9-Buffers-2_Lecture.pdf · Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers* Welcome’to’the’ WorldofDesigner

Objec>ve:  To  prepare  a  buffer  of  a  specific  assigned  pH  using  Recipe  2  or  3.  

Last  week  we  used  Recipe  1  to  make  a  buffer  of  assigned  pH.  This  week  we  will  use  either  Recipe  2  or  

3  to  make  a  specific  buffer.  

As  it  turns  out,  Recipes  2  and  3  are  far  more  commonly  used  than    Recipe  1  

when  making  buffers.  

When  do  we  get  to  the  big  money  part?      2  

Overview:  1.  Review  making  buffers  and  the  Henderson  Hasselbalch  

Buffer  Equa>on  2.  Choosing  the  best  weak  acid  +  conjugate  base  pair  3.  The  math  for  Recipe  2:  Star>ng  with  weak  acid  and  

adding  hydroxide  to  make  the  buffer  4.  The  math  for  Recipe  3:  wb  +  sa    5.  What  we  are  doing  in  lab  today  6.  Your  lab  report  

Page 3: Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers*mattson.creighton.edu/GenChemWeb/Lab/9-Buffers-2_Lecture.pdf · Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers* Welcome’to’the’ WorldofDesigner

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

There  are  three  recipes  for  making  buffers  –  as  you  

recall.    This  week  we  will  be  using  either  Recipe  2  or  Recipe  3.  

   3  

We  can’t  use  Recipe  1  unless  we  have  both  the  

weak  acid  and  its  conjugate  base.  

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

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

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

limi>ng  reagent  

So  how  does  this  work,  anyway?  

Page 4: Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers*mattson.creighton.edu/GenChemWeb/Lab/9-Buffers-2_Lecture.pdf · Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers* Welcome’to’the’ WorldofDesigner

pH  =  pKa  +  log(                        )  nwb  nwa  

So  here  is  Henderson  again  –  the  equa;on  we  use  whenever  we  have  a  

buffer  situa;on.      

   4  

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

Go  Moles!  n  =  MV  

With  Recipes  2  and  3,  we  must  work  in  moles.    With  Recipe  1,  we  could  use  moles  or  molarity,  even  

though  working  in  moles  is  always  beTer.  

Info  for  IntroducFon  

Page 5: Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers*mattson.creighton.edu/GenChemWeb/Lab/9-Buffers-2_Lecture.pdf · Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers* Welcome’to’the’ WorldofDesigner

   5  Info  for  

IntroducFon  

2.  Choosing  the  best  weak  acid  +  conjugate  base  pair.  

pH  =  pKa  +  log(                        )  nwb  nwa  

HA        pKa  =  4.75  HB        pKa  =  5.15  HC        pKa  =  6.05  HD        pKa  =  7.45  Even  if  we  end  up  

star;ng  with  a  weak  base  (Recipe  3),  we  

shop  for  the  weak  acid  with  a  pKa  closest  to  

the  desired  pH.      5  

So  the  strategy  is  to  pick  a  weak  acid  with  a  pKa  similar  to  the  desired  pH  

Last  week,  in  the  example  we  worked  in  the  pre-­‐lab  material,  we  picked  HC  because  we  were  

assigned  a  pH  =  6.00.      

Page 6: Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers*mattson.creighton.edu/GenChemWeb/Lab/9-Buffers-2_Lecture.pdf · Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers* Welcome’to’the’ WorldofDesigner

   6  Info  for  

IntroducFon  

2.  Choosing  the  best  weak  acid  +  conjugate  base  pair.  

   6  

But  this  week,  we  will  all  be  working  with  a  buffer  that  consists  of  H2PO4

-­‐(aq)  as  the  weak  acid  and  HPO4

2-­‐(aq)  as  the  conjugate  weak  base.        

The  weak  acid  H2PO4-­‐(aq)  has  a  pKa  

=  7.198.    This  number  has  3  significant  figures  –  the  198  part.  The  “7”  represents  an  exponent.    

The  corresponding  Ka  is  6.38  x  10-­‐8.        

Some  groups  will  start  with  the  weak  acid,  H2PO4

-­‐,  in  the  form  of  NaH2PO4(s),  MM  =  119.98  g/mol  and  do  

Recipe  2.    

While  other  groups  will  start  with  the  

weak  base,  HPO42-­‐,  in  

the  form  of  Na2HPO4

.7H2O(s),  MM  =  268.07  g/mol  and  do  Recipe  3.    We  can  only  make  buffers  with  

pH  values  around  7  with  this  wa  +  wb  combo.  

Page 7: Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers*mattson.creighton.edu/GenChemWeb/Lab/9-Buffers-2_Lecture.pdf · Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers* Welcome’to’the’ WorldofDesigner

3.  The  math  for  Recipe  2:  Star>ng  with  weak  acid  and  adding  hydroxide  to  make  the  buffer  

pH  =  pKa  +  log(                                                    )  0  mol  wb  +  nOH-­‐  

nwa  -­‐  nOH-­‐  

We  can  make  the  weak  base  from  the  weak  acid  by  adding  strong  base.    

Hydroxide  will  convert  some  moles  of  the  weak  acid  into  weak  base  as  shown  in  the  equa;on  in  the  white  box.  

Recipe  2  is  used  if  you  have  the  weak  acid  available,  but  not  its  conjugate  weak  base.    

   7  Info  for  

IntroducFon  

So  why  is  it  that  we  have  nOH-­‐  in  the  top  and  

boTom?        

This  is  the  reac;on  that  takes  place  in  Recipe  2:  

HA  +  OH-­‐  à  H2O  +  A-­‐  

Henderson  for  Recipe  2:  

Page 8: Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers*mattson.creighton.edu/GenChemWeb/Lab/9-Buffers-2_Lecture.pdf · Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers* Welcome’to’the’ WorldofDesigner

3.  The  math  for  Recipe  2:  Star>ng  with  weak  acid  and  adding  hydroxide  to  make  the  buffer  

pH  =  pKa  +  log(                                                          )  0  mol  wb  +  nOH-­‐  

nwa  -­‐  nOH-­‐  

n  =  MV  n  =  0.0050  mol  wa  +  wb  

The  Henderson  for  Recipe  2  can  be  simplified  to  this.  

   8  Info  for  

IntroducFon  

pH  =  pKa  +  log(                                      )  nOH-­‐  

nwa  -­‐  nOH-­‐  Just  like  last  week,  we  are  supposed  to  make  50  mL  of  a  0.100  M  buffer.    This  is  taken  to  mean  that  we  want  the  molarity  

of  wa  plus  wb  to  add  up  to  0.100  M.    

Page 9: Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers*mattson.creighton.edu/GenChemWeb/Lab/9-Buffers-2_Lecture.pdf · Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers* Welcome’to’the’ WorldofDesigner

3.  The  math  for  Recipe  2:  Star>ng  with  weak  acid  and  adding  hydroxide  to  make  the  buffer  

We  subs;tute  in  nwa  =  0.0050  mol  because  we  are  making  our  buffer  

from  weak  acid.  Suppose  the  assigned  buffer  was  to  have  a  pH  =  7.00.  The  

rest  is  math.  

Info  for  IntroducFon  

pH  =  pKa  +  log(                                  )  nOH-­‐  

nwa  -­‐  nOH-­‐  

pH  =  pKa  +  log(                                                  )  nOH-­‐  

0.0050  mol  -­‐  nOH-­‐  

7.00  =  7.198  +  log(                                                      )  nOH-­‐  0.0050  mol  -­‐  nOH-­‐  

-­‐0.198  =  log(                                                  )  nOH-­‐  0.0050  mol  -­‐  nOH-­‐      9  

Page 10: Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers*mattson.creighton.edu/GenChemWeb/Lab/9-Buffers-2_Lecture.pdf · Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers* Welcome’to’the’ WorldofDesigner

3.  The  math  for  Recipe  2:  Star>ng  with  weak  acid  and  adding  hydroxide  to  make  the  buffer  

Remember  with  log  numbers,  all  places  aler  the  decimal  are  significant  figures,  so  -­‐0.198  has  three  sig  

figs.  

-­‐0.198  =  log(                                                  )  nOH-­‐  0.0050  mol  -­‐  nOH-­‐  

   10  

0.634  =       nOH-­‐  0.0050  mol  -­‐  nOH-­‐  

nOH-­‐  =  0.00194  mol  OH-­‐      Make  sure  you  can  get  this  number  for  moles  of  hydroxide  x  

x  

Math  headache!!!  

Page 11: Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers*mattson.creighton.edu/GenChemWeb/Lab/9-Buffers-2_Lecture.pdf · Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers* Welcome’to’the’ WorldofDesigner

3.  The  math  for  Recipe  2:  Star>ng  with  weak  acid  and  adding  hydroxide  to  make  the  buffer  

Aler  we’ve  added  0.00194  moles  hydroxide,  we  will  have  that  many  moles  of  weak  base  and  the  rest  is  unreacted  weak  acid.    They  add  up  to  0.0050  mol  total.    There  will  be  no  NaOH  lel  

–  it’s  the  LR!  

   11  

The  NaOH  is  1.0  M.  Using  n  =  MV,  we  calculate  that  we  

need  to  add  1.94  mL  of  1.0  M  NaOH.  

nA-­‐        =  0.00194  mol  A-­‐          nHA        =  0.00306  mol  HA        ntotal    =  0.00500  mol        

nOH-­‐  =  MV    

0.00194  mol  =  1.0  mol  L-­‐1  x  V    

V  =  0.00194  L  =  1.94  mL  

Woo-­‐hoo!    We  get  to  use  the  Mohr  pipet!  

Page 12: Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers*mattson.creighton.edu/GenChemWeb/Lab/9-Buffers-2_Lecture.pdf · Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers* Welcome’to’the’ WorldofDesigner

4.  The  math  for  Recipe  3:  Star>ng  with  weak  base  and  adding  strong  acid  to  make  the  buffer  

Analogous  to  Recipe  2,  we  will  start  out  with  0.0050  mol  of  weak  base.    (In  Recipe  2  we  started  out  with  0.0050  mol  of  wa.)  

With  Recipe  3  we  start  out  with  the  weak  base  

and  make  the  conjugate  weak  acid.    

Info  for  IntroducFon  

pH  =  pKa  +  log(                                                        )  nwb  -­‐    

Henderson  for  Recipe  3  nH    O+      

3    0  mol  wa  +    nH    O+    

 3    

This  is  the  reac;on  that  takes  place  in  Recipe  3:  

A-­‐  +  H3O+  à  H2O  +  HA  

   12  

Page 13: Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers*mattson.creighton.edu/GenChemWeb/Lab/9-Buffers-2_Lecture.pdf · Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers* Welcome’to’the’ WorldofDesigner

4.  The  math  for  Recipe  3:  Star>ng  with  weak  base  and  adding  strong  acid  to  make  the  buffer  

And  here  is  Henderson  for  Recipe  3.  

   13  Info  for  

IntroducFon  

pH  =  pKa  +  log(                                              )  nwb    -­‐    nH    O+    

 3    

nH    O+      

3    

0.0050  mol  wb  -­‐      nH    O+      

3    nH    O+      

3    pH  =  pKa  +  log(                                                                                )  

0.0050  mol  wb  -­‐      nH    O+      

3    nH    O+      

3    7.00  =  7.198  +  log(                                                                                  )  

See  if  you  can  solve  for  moles  of  strong  acid.    I  got  0.00306  mol.  And  I’m  just  a  bird.  

Page 14: Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers*mattson.creighton.edu/GenChemWeb/Lab/9-Buffers-2_Lecture.pdf · Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers* Welcome’to’the’ WorldofDesigner

Aler  we’ve  added  0.00306  moles  HCl,  we  will  have  that  many  moles  of  weak  

acid  and  the  rest  is  unreacted  weak  base.    They  add  up  to  0.0050  mol  total.    There  will  be  no  HCl  lel  –  

it’s  the  LR!  

   14  

The  HCl(aq)  is  1.0  M.  Using  n  =  MV,  we  calculate  that  we  

need  to  add  3.06  mL  of  1.0  M  HCl.  

nA-­‐        =  0.00194  mol          

ntotal  =  0.00500  mol        

   

0.00306  mol  HCl  =  1.0  mol  L-­‐1  x  V    

V  =  0.00306  L  =  3.06  mL  HCl  

This  is  where  I  say  “Woo-­‐hoo!    We  get  to  use  the  Mohr  pipet!”  

4.  The  math  for  Recipe  3:  Star>ng  with  weak  base  and  adding  strong  acid  to  make  the  buffer  

nHA        =  0.00306  mol        

nH    O+  =  0.00306  mol  HCl     3    

Page 15: Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers*mattson.creighton.edu/GenChemWeb/Lab/9-Buffers-2_Lecture.pdf · Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers* Welcome’to’the’ WorldofDesigner

   15  

5.  What  we  are  doing  in  lab  today.  

   15  

At  your  sta;on,  you  will  have  either  NaH2PO4(s),  MM  =  

119.98  g/mol  and  do  Recipe  2,  or  you  will  have  

Na2HPO4.7H2O(s),  MM  =  

268.07  g/mol  and  do  Recipe  3.        With  Recipe  2,  we  

start  out  with  0.00500  mol  of  the  

weak  acid,  NaH2PO4(s).  From  the  MM  =  119.98  g/mol  we  can  calculate  

what  mass  we  need.         You  should  get  0.599  g  

Then  just  follow  the  calcula;ons  provided  here  for  your  recipe.    

Make  sure  you  understand  everything.    

With  Recipe  3,  we  start  out  with  0.00500  mol  of  

the  weak  base,  Na2HPO4

.7H2O(s),  From  the  MM  =  268.07  g/mol  we  can  calculate  what  

mass  we  need.        

You  should  get  1.340  g  

Page 16: Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers*mattson.creighton.edu/GenChemWeb/Lab/9-Buffers-2_Lecture.pdf · Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers* Welcome’to’the’ WorldofDesigner

   16  

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

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

HCl(aq)  un;l  it’s  perfect.    

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

Remember  this  slide  from  last  

week?  

Info  for  IntroducFon  

5.  What  we  are  doing  in  lab  today.  

Page 17: Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers*mattson.creighton.edu/GenChemWeb/Lab/9-Buffers-2_Lecture.pdf · Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers* Welcome’to’the’ WorldofDesigner

   17      17  

5.  What  we  are  doing  in  lab  today.  

   17  

Stuff  to  do  today….  

①  Wear  your  safety  glasses.  Dress  for  a  mess.  

②  Take  ;me  wri;ng  your    introduc;on  in  your  own  words.  

③  Carefully  record  observa;ons  and  details.      ④  Use  the  pocket  balances  at  your  sta;on.    They  are  good  

to  the  hundredths  place.    

⑤  Make  sure  you  are  using  the  Mohr  pipet  correctly.  

⑥  When  your  buffer  is  ready,  ask  your  TA  to  check  it  for  accuracy.  She/he  will  ini;al  the  cover  sheet  if  it’s  ok.    Then  clean  up  and  turn  in  your  lab  report!  

⑦  The  cover  sheet  summarizes  everything  that  you  need  to  include  with  your  report.      

⑧  Be  nice  to  your  pH  probe.  

Page 18: Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers*mattson.creighton.edu/GenChemWeb/Lab/9-Buffers-2_Lecture.pdf · Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers* Welcome’to’the’ WorldofDesigner

6.  Your  Lab  Report  

   18  

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

notebook  stapled  together.    ③  Staple  together.  There  are  no  printed  pages.    ④   On-­‐line  results  due  at  the  end  of  class  today.    Late  

submissions  are  not  graded  –  see  the  syllabus.  ⑤  Turn  in  lab  report  today.    

S>ck  people  inspired  by  xkcd  cartoons  by  Randall  Munroe  

(www.xkcd.com)  

Oh,  one  last  thing  before  we  turn  out  the  lights…  Did  you  no;ce  that  both  Recipes  2  and  3  result  in  

making  a  buffer  with  0.00306  mol  HA  and  0.00194  mol  A-­‐?  (Check  Slides  11  and  14.)  PreTy  

cool,  huh?    

Page 19: Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers*mattson.creighton.edu/GenChemWeb/Lab/9-Buffers-2_Lecture.pdf · Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers* Welcome’to’the’ WorldofDesigner
Page 20: Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers*mattson.creighton.edu/GenChemWeb/Lab/9-Buffers-2_Lecture.pdf · Experiment9 22*March*2018* DesignerBuffers* Welcome’to’the’ WorldofDesigner

Look  Mom!  I  laid  some  eggs!  

Happy  Easter!  See  you  in  two  weeks!