Краткая теория. Научиться практически определять pH растворов.

Цель работы.

Научиться практически определять pH растворов.

Краткая теория

Как известно, вода является слабым электролитом, диссоциирующим по уравнению:

H₂O ↔ H⁺ + OH^-

Для воды, а также для водных растворов любых электролитов произведение активных равновесных концентраций водородных и гидроксильных ионов – величина постоянная при данной температуре. Она называется ионным произведением воды и при 22°С составляет К_w = 1.0*10^-14. Следовательно, для чистой воды можно записать:

[H⁺] = [OH^-] = 1.0*10^-7 моль/л

Прибавление к воде кислоты или щелочи смещает ионное равновесие воды. Концентрации ионов H⁺ и OH^- изменяются. Однако произведение концентраций [H⁺] и [OH^-] остается постоянным и равным ионному произведению воды. Это дает возможность, зная концентрацию одного иона, вычислить концентрацию другого:

[H⁺] = 1.0*10^-14 / [OH^-]

[OH^-] = 1.0*10^-14 / [H⁺]

Более удобно характеризовать кислотность щелочность среды величинами, являющимися десятичными логарифмами концентраций ионов H⁺ и OH^-, взятыми с обратными знаками. Эти величины называются водородным (pH) и гидроксильным (pOH) показателями.

pH = -lg [H⁺]

pOH = -lg [OH^-]

В нейтральной среде [H⁺] = 1.0*10^-7 моль/л; pH = 7

В кислой среде [H⁺] > 1.0*10^-7 моль/л; pH < 7

В щелочной среде [H⁺] < 1.0*10^-7 моль/л; pH > 7

Для определения кислотности или щелочности среды используют индикаторы – вещества, которые меняют свою окраску в зависимости от pH среды. Это изменение происходит в определенном интервале pH, например, у метилового оранжевого (или кратко – метилоранжа) окраска от желтой до красной изменяется в интервале pH 4.4-3.1. При помощи индикаторов возможно определение pH раствора. Например, если в испытуемом растворе индикатор метилоранж желтеет, а лакмус краснеет, то pH раствора лежит между 4, 4-5, 0.

Для характеристики поведения слабых электролитов в растворах используют понятие константы диссоциации слабого электролита, которая по своему смыслу, является константой равновесия процесса распада молекул этого электролита на ионы. Для слабых кислот она носит название константы кислотности (K_a), а для слабых оснований – константы основности (K_h).

Например, для процесса диссоциации уксусной кислоты

CH₃COOH ↔ CH₃COO^- + H⁺

Выражение для константы кислотности примет вид:

K_a = [CH₃COO^-]*[H⁺] / [CH₃COOH]

Поскольку все слабые электролиты диссоциируют частично и обратимо, существует еще одна характеристика глубины протекания этого процесса, она носит название степени диссоциации (α) и показывает отношение числа молекул, подвергшихся распаду на ионы, к общему количеству молекул, введенных в раствор:

Степень диссоциации и константа диссоциации слабого электролита связаны между собой уравнением разведения Оствальда:

K_a = с α ² / (1- α), где с – молярная концентрация слабого электролита

При малых значениях концентрации вещества очень низкой степени диссоциации (т.е с→ 0, α → 0) уравнение разведения Оствальда можно упростить до вида

K_a ≈ с α ²

Приборы и реактивы:

Ионометр, компаратор, колбы мерные на 50 мл – 2 шт., стаканчики химические по 50 мл – 2 шт., пипетки мерные на 5 мл, пробирки. Растворы: уксусная кислота 1 М, гидроксид натрия 0, 05 М. Лакмус, метилоранж, фенолфталеин, универсальный индикатор.

Ход работы:

Опыт 1: Окраска индикаторов в различных средах.

В три пробирки налить по 1, 5-2 мл (половина микропробирки) дистиллированной воды и добавить по 2 капли лакмуса. В одну пробирку добавить 2 капли 2 М HCl, в другую 2 капли 2 М NaOH. Наблюдать окраску лакмуса в нейтральной, кислой и щелочной средах. После выполнения опыта растворы вылить, посуду тщательно вымыть. Повторить опыт с использованием индикаторов фенолфталеина и метилоранжа. Окраску индикаторов занести в таблицу.

Опыт 2. Определение pH раствора уксусной кислоты.

В мерной колбе на 50 мл приготовить 0, 1 М раствор из 1 М уксусной кислоты. Для этого пипеткой на 5 мл набрать нужное количество 1 М уксусной кислоты в мерную колбу и долить до метки дистиллированной воды. Вычислить степень диссоциации 0, 1 М раствора кислоты по формуле

α = (K_a / С_м)^{0, 5}, где α – степень диссоциации, K_a - константа кислотности, для уксусной кислоты, K_a = 1, 86*10^-5 , См - молярная концентрация кислоты. Затем, используя значение α, вычислить концентрацию ионов водорода [H⁺] по формуле [H⁺] = α * См * b, где b – число ионов водорода, получающихся при диссоциации одной молекулы кислоты (для уксусной кислоты b = 1). После этого рассчитать водородный показатель раствора pH.

α = (1, 86*10^-5 / 0, 1)^{0, 5} = 0, 0136

[H⁺] = 0, 0136* 0, 1 * 1= 0, 00136

pH = -lg [H⁺]; pH =2.87

Опыт 3. Определение рН раствора NaOH.

Приготовили 50 мл 0, 05 М NaOH. Для этого пипеткой на 5 мл отобрали нужное количество 0, 05 М NaOH в мерную колбу и долили до метки дистиллированной водой.