Измерение рн растворов потенциометрическим методом. Потенциометрическое титрование

Водородным показателем (рН) называется число, определяемое следующим образом

(6.1),

где а (Н⁺) – активность ионов водорода, моль/л. В разбавленных растворах активность можно считать равной концентрации, и тогда водородный показатель определяется как

(6.2),

где [Н⁺] – концентрация ионов водорода в растворе, моль/л.

Например, если концентрация ионов водорода [Н⁺]= 0,0001 моль/л, то рН = –lg0,0001 = –lg10^–4 = 4. Наоборот, если рН = 6,4, тогда [Н⁺]= 10^–6,4= 3,98∙10^–7 моль/л.

Вода является слабым электролитом, т.е. незначительно диссоциирует на ионы по уравнению

2Н₂О «ОН^– + Н₃О⁺ или упрощенно Н₂О «ОН^– + Н⁺

Диссоциация воды называется автопротолизом. Константа равновесия, характеризующая равновесие, называется константой автопротолиза:

(6.3).

Экспериментально установлено, что при температуре 25ºС (298К) константа автопротолиза воды равна 1,8∙10^–16 моль/л. При такой малой величине К_а(Н₂О) активности ионов водорода и гидроксид-ионов можно считать равными концентрациям, а концентрацию недиссоциированной воды постоянной и равной 55,56 моль/л ([Н₂О]= n (Н₂О)/V(Н₂О) моль/л или 1000 г/18 г/моль = 55, 56 моль/л).

Отсюда [Н⁺]∙[OH^–] = K_а(Н₂О) ∙ [Н₂О] = 1,8∙10^–16∙ 55,56 =10^–14.

Произведение К_w = [Н⁺]∙[OH^–] называется ионным произведением воды. При 25ºС (298К)

(6.4).

В нейтральном растворе концентрации ионов водорода и гидроксид-ионов равны и [Н⁺] = [OH^–] = 10^–7 моль/л. В таком растворе рН = – lg [Н⁺] = – lg10^–7 = 7.

В растворе, где концентрация ионов водорода выше, чем концентрация гидроксид-ионов [Н⁺] > [OH^–], и [Н⁺] > 10^–7 моль/л, т.е. в кислой среде pH < 7.

Соответственно в щелочной среде pH > 7.

 

Измерение рН

Одним из наиболее часто применяемых методов определения рН растворов является потенциометрический метод. Он основан на измерении электродвижущей силы (ЭДС) гальванического элемента. В таком гальваническом элементе имеются два электрода, погруженные в анализируемый раствор. Потенциал одного из электродов зависит от концентрации, а точнее от активности ионов водорода в растворе. Этот электрод называется измерительным или индикаторным. Потенциал второго электрода постоянен и не зависит от концентрации ионов водорода, он называется электродом сравнения. ЭДС гальванического элемента равна разности потенциалов двух электродов и соответственно она связана с концентрацией определяемых ионов, и эту ЭДС можно измерить. В качестве измерительного электрода для определения рН наиболее широкое применение нашел стеклянный электрод. В качестве электрода сравнения чаще всего используется хлорсеребряный электрод. Потенциометр измеряет значение ЭДС этого гальванического элемента.

Потенциометрический метод широко используется в биологии и медицине для измерения рН биологических жидкостей (желудочного сока, мочи, крови, кровезаменителей и др.). Кроме того, можно измерять рН при проведении реакции нейтрализации по мере добавления кислоты к щелочи или наоборот. Этот метод называется потенциометрическим титрованием.

При нейтрализации кислоты щелочью при добавлении первых порций раствора титранта рН изменяется мало, но вблизи точки эквивалентности рН повышается резко от незначительного прибавления раствора щелочи. После точки эквивалентности рН меняется опять незначительно. Результаты титрования представляют графически в виде кривой потенциометрического титрования (рис. 6.1). На оси абсцисс откладывают число миллилитров раствора щелочи в последовательные моменты титрования, а на оси ординат – соответствующую величину рН (или ЭДС). Для нахождения точки эквивалентности продолжают линейные участки кривой титрования, как показано на рис.6.1. Затем проводят прямую через участок резкого увеличения рН. Полученный отрезок АВ делят пополам, опускают перпендикуляр на ось абцисс (см. рис.). Находят объем титранта в точке эквивалентности.

 

Рис. 6.1. Кривая потенциометрического титрования

 

Расчет концентрации кислоты по результатам титрования производят по закону эквивалентов (см. работу 1):

.

Преимущества потенциометрического метода определения рН и потенциометрического титрования заключаются в следующем. Во-первых, рН определяется более точно, чем с помощью индикаторов. Во-вторых, можно определять рН и проводить титрование в окрашенных и мутных средах. В-третьих, точка эквивалентности при потенциометрическом титровании определяется по кривой титрования более точно, чем по изменению окраски индикатора, в этом случае исключен субъективный фактор оценки цвета раствора.

 

Цель работы.

1. Определить рН раствора кислоты (щелочи) потенциометрическим методом.

2. Методом потенциометрического титрования определить концентрацию кислоты (щелочи).

 

Реактивы.

· Стандартные буферные растворы.

· Вода дистиллированная.

· Раствор кислоты.

· Раствор щелочи.

Один из последних растворов – стандартный, т.е. точно известной концентрации. Концентрацию другого необходимо установить.

 

Оборудование и посуда.

· Иономер (рН-метр).

· Стаканы на 100 мл на 250 мл.

· Бюретка на 25 мл.

· Пипетка.

· Бумага фильтровальная.

Подготовка прибора ЭВ-74 к работе (Иономер ЭВ-74)

1. Включить прибор в розетку, нажать клавиши –1 ¸ 19, включить тумб­лер "сеть", прогреть прибор 20 мин.

2. Установка t. Измерить t растворов (она комнатная). Нажать клавишу "t" и любой из диапазонов измерения, кроме –1 ¸ 19, например, –1 ¸ 4; по верхней шкале прибора (от 0 до 100) установить стрелку на нужную t ручкой "температура".

3. Настройка прибора по буферному раствору. Нажать клавишу –1 ¸ 19, далее клавиши "анионы" и рХ. Отодвинуть столик в сторону, стакан с водой опустить вниз, электроды насухо вытереть фильтровальной бумагой. В стаканчик с надписью рН = 4,01 налить буфер­ный раствор с таким значением рН (примерно по высоте 4 см). Опустить электроды в стакан с буфером, нажать клавишу, соответствующую рН бу­фера, т.е. –1 ¸ 4. По второй сверху шкале (–1 ¸ 4) установить стрелку при­бора с помощью ручки "калибровка" на деление 4,01. Аналогичным образом прибор настраивается по буферному раствору с рН = 12,45. Для этого используется интервал 9 ¸ 14, ручка "крутизна".

После настройки прибора по двум буферным растворам измеряют рН третьего стандартного буферного раствора с рН=6,86. Если измеренное значение совпадает со стандартом, значит прибор настроен правильно.

4. Нажать клавишу –1 ¸ 19 (она всегда нажимается, когда производится замена раствора). Столик отвести в сторону, вынуть электрод из буфер­ного раствора, промыть дистиллированной водой, насухо вытереть. Прибор готов для работы: для измерения рН исследуемых растворов и потенциометрического титрования.

Опыт №1. Измерение рН исследуемых растворов (кислоты и щелочи)

1. Измерение рН раствора кислоты. В стакан без надписи на­ливают раствор кислоты и опускают электроды в стакан. При этом должна быть нажата клавиша –1 ¸ 19, анион/катион, рХ. По самой нижней шкале (–1 ¸ 19) определяют примерное значение рН кислоты, нажимают клавишу узкого диапа­зона измерений, которому соответствует измеряемая величина рН. Например, если рН = 1,2, значит, нажимают –1 ¸ 4 и по шкале –1 ¸ 4 смотрят точное зна­чение рН.

2. Измерение рН раствора щелочи. Вынимают электроды из кислоты, выливают кислоту в склянку, а электроды про­мывают дистиллированной водой, сушат фильтровальной бумагой и опускают в стакан со щелочью (h = 4 см). По нижней шкале –1 ¸19 смотрят примерное значение, затем нажимают клавишу узкого диапазона измерений, соответствующего измеряемой величине рН. Например, рН щелочи примерно равно 10, значит, включают –9 ¸ 14.

3. Нажимают клавишу –1 ¸ 19, вынимают электроды из раствора щелочи, промывают погружением их в дистиллированную воду, оста­вляют в свежей порции дистиллированной воды. Отжимают все клавиши.

 

Опыт №2. Потенциометрическое титрование

1. Бюретку ополаскивают стандартным раствором титранта и заполняют ее до нуля. Записывают концентрацию раствора титранта.

2. В чистый стакан отбирают пипеткой исследуемый раствор (по указанию преподавателя), при необходимости разбавляют дистиллированной водой. Записать объем исследуемого раствора. Опускают электроды в стакан, производят измерение рН, как описано выше.

3. Устанавливают бюретку с раствором титранта над стаканом с электродами. Добавляют сначала по 1 мл раствора при осторожном перемешивании и измеряют каждый раз рН. Данные измерений заносят в таблицу. Когда при очередном добавлении титранта изменение рН становится существенным, далее его добавляют по 0,1 мл. Наблюдается резкое изменение рН. После скачка титрования титрант опять добавляют по 1 мл (не менее 5-6 мл после скачка).

4. После окончания титрования убирают бюретку, нажимают клавишу –1 ¸ 19, вынимают электроды из раствора, промывают погружением их в дистиллированную воду, оста­вляют на хранение в свежей порции дистиллированной воды. Отжимают все клавиши. Выключают тумблер «сеть» и вынимают вилку из розетки.

Таблица