Metrological study of the effect of temperature on the dissociation of acetic acid

Abstract

This article is devoted to the study of the dissociation reaction of acetic acid at a temperature change in the range from room (20 °C) to 75 °C. In the course of research, the methods were considered, the classification of the considered methods was carried out, and the methodology of the experiments was formulated. The selected technique reflects the express measurement of the hydrogen pH indicator using a portable pH-meter. Experiments were carried out in laboratory conditions – Lincoln Park, Chicago, USA. Acetic acid with a concentration of 6 mol/l was chosen as the basis. By adding a distilled water, a base concentration of 1 mol/l was obtained. Nodal temperature points were selected for measurements (four points in the temperature range of 20 °C – 75 °C); five experimental samples of acetic acid (1 mol/l) were formed; the analysis of the measurement results at nodal points was carried out for the accuracy of the measurement results of five test samples of acetic acid using first- and second-order statistical moments (mathematical expectation and variance); accuracy characteristics of experimental data (instrumental and methodical errors) were estimated. Research samples (acetic acid samples) were brought to the nodal points with a positive temperature gradient using a steam bath. The measurement error estimate was determined by the accuracy class of the device and was 0.1%. The obtained pH values were converted to the number of hydrogen cations, followed by the determination of the degree of dissociation and the dissociation constant. These determinations were carried out under the condition of ensuring chemical equilibrium. The nature of the behavior of the degree and constant of dissociation when the temperature of the test samples changes is clearly non-linear. In the course of research, the main measurement errors were established, the main of which is the nonlinearity of the transformation. Quantitative values of nonlinearity errors were determined by the method of measurements with multiple observations using the Student's correction factor. The article provides conclusions based on the results of research and presents the prospects for temperature correction of pH-meters to eliminate the temperature component of the error of pH-meters.

Дана стаття присвячена дослідженню реакції дисоціації оцтової кислоти при зміні температури в діапазоні від кімнатної (20 °С) до 75 °С. У ході досліджень було розглянуто методи, виконано класифікацію розглянутих методів та сформульовано методику реалізації експериментів. Вибрана методика відображає експрес-вимірювання водневого показника рН за допомогою портативного рН-метра. Досліди здійснювались в лабораторних умовах – Лінкольн Парк, Чикаго, США. За основу була обрана оцтова кислота концентрації 6 моль/л. Шляхом додавання дистильованої води отримано базову концентрацію 1 моль/л. Для проведення вимірювань було відібрано вузлові температурні точки (чотири точки в діапазоні температур 20 °С – 75 °С); було сформовано п’ять дослідних зразків оцтової кислоти (1 моль/л); проведено аналіз результатів вимірювання у вузлових точках на предмет кучності результатів вимірювання п’ятьох дослідних зразків оцтової кислоти з використанням статистичних моментів першого та другого порядку (математичне очікування та дисперсія); оцінено точнісні характеристики експериментальних даних (інструментальні та методичні похибки). Виведення на вузлові точки зразків дослідження (зразків оцтової кислоти) здійснювались з додатним градієнтом по температурі за допомогою парової бані. Оцінка похибки вимірювань визначалась класом точності приладу і становила 0.1 %. Отримані значення рН, перетворені на кількість катіонів водню, з подальшим визначенням ступеня дисоціації та константи дисоціації. Дані визначення здійснювались із умови забезпечення хімічної рівноваги. Характер поведінки ступеня та константи дисоціації при зміні температури дослідних зразків має явно нелінійний характер. У ході досліджень встановлені основні похибки вимірювань, основним з яких є похибка нелінійності перетворення. Кількісні значення похибок нелінійності визначалися методом вимірювань із багаторазовими спостереженнями з використанням поправного коефіцієнта Стьюдента. У статті наведено висновки за результатами досліджень та подано перспективи температурної корекції рН-метрів для усунення температурної складової похибки роботи рН-метрів.