Sprawozdanie z laboratorium

4) Potencjometryczny pomiar pH

Przemysław Stempor, sekcja 1, grupa 1, Biotechnologia, AIiE 2006-04-10

1. Wstęp teoretyczny

Skala pH to ilościowa skala kwasowości i zasadowości roztworów wodnych związków chemicznych. Skala ta jest oparta na stężeniu jonów oksoniowych - [H₃O⁺] w roztworach wodnych. Dokładnie jest to:

pH = -log₁₀[H₃O⁺]

czyli minus logarytm dziesiętny ze stężenia jonów hydroniowych wyrażonych w molach na decymetr sześcienny.

Pojęcie pH wprowadził duński biochemik Søren Sørensen w 1909 r. (S.P.L. Sørensen, C. R. Trav. Lab. Carlsberg 8, 1 (1909)). Oryginalnie pH zostało zdefiniowane jako minus logarytm ze stężenia jonów wodorowych (H⁺). Współczesne badania wykazały jednak, że wolne jony wodorowe (wolny proton) nigdy nie występują w roztworach wodnych, gdyż są natychmiast solwatowane wg równania:

H⁺ + H₂O --> H₃O⁺

W wielu podręcznikach jednak, dla uproszczenia, pomija się ten fakt i nadal podaje się starą, nieprecyzyjną definicję skali pH.

Korzystanie ze skali pH

Woda destylowana ma pH równe 7 (obojętne), chociaż, jeśli jest ona wystawiona na działanie atmosfery, będzie ono zwykle niższe ze względu na zakwaszający efekt dwutlenku węgla - gazu zawartego w powietrzu, który dobrze rozpuszcza się w wodzie.

Jednomolowy roztwór kwasu solnego ma pH równe 0, natomiast jednomolowy roztwór wodorotlenku sodu ma pH równe 14. Oznacza to, że są odpowiednio skrajnie kwaśne i skrajnie zasadowe. Jeszcze silniejsze roztwory mogą mieć pH nieznacznie większe od 14 lub nieznacznie mniejsze od 0.

Tak więc roztwory kwaśne to te o pH mniejszym niż 7, a zasadowe to te o pH większym niż 7.

pH Coca Coli to ok. 2 , a pH wody z ogórków to ok 1. Sok żołądkowy ma pH ok. 1 - po posiłku jego pH zmienia się do ok. 3. Sucha skóra niemowlęcia ma pH ok. 6.5 - czyli jest lekko kwaśna.

Sens fizyczny skali pH

Aby zrozumieć sens tej skali trzeba się najpierw przyjrzeć temu co dzieje się w czystej (destylowanej) wodzie. Cząsteczki wody (H₂O) ulegają samorzutnej autodysocjacji co prowadzi do powstawania jonów H₃O⁺ i OH^-:

H₂O + H₂O <--> H₃O⁺ + OH^-

Reakcja ta jest odwracalna i ma równowagę przesuniętą silnie w lewo, czyli w stronę wody niezdysocjowanej. Jak zbadano reakcja ta powoduje, że stężenie jonów H₃O⁺ w wodzie destylowanej w temp. 20 st. C wynosi dokładnie 10^-7 mol/l. A zatem jak łatwo policzyć pH wody destylowanej wynosi 7. pH 7 stanowi dokładnie środek skali pH. Rozpuszczenie w wodzie silnego kwasu (np: HCl) prowadzi do jego dysocjacji:

HCl + H₂O <--> H₃O⁺ + Cl^-

Dla tak silnego kwasu jak HCl równowaga tej reakcji jest niemal całkowicie przesunięta w stronę prawą (a więc w stronę jonów H₃O⁺ i Cl^-) dlatego po dodaniu do wody takiej ilości HCl aby w jednym litrze uzyskanego w ten sposób roztworu znajdował się 1 mol HCl otrzymuje się stężenie jonów H₃O⁺ równe 1 mol/l co jak łatwo policzyć daje pH=0. Z drugiej strony roztwór w którym znajduje się 1 mol NaOH w jednym litrze występuje stężenie jonów OH^- równe 1 mol/l. Jony OH^- przesuwają silnie równowagę reakcji dysocjacji wody powodując, że stężenie jonów H₃O⁺ spada do poziomu 10^-14 mol/l, a zatem do pH=14.

Oznaczanie kwasowości

Do określania pH używa się wskaźników kwasowości, czyli substancji, których kolor zależy od pH roztworu. Do popularnych wskaźników należą:

• błękit bromotymolowy

• czerwień metylowa

• fenoloftaleina

• lakmus

• oranż metylowy

W praktyce używa się zwykle papierków nasączonych mieszaniną substancji wskaźnikowych, które zmieniają kolor w szerokim zakresie pH.

Dokładniejszych pomiarów pH dokonuje się metodą potencjometryczną. Wykorzystuje się w niej fakt, że zgodnie z teorią sformułowaną przez Nernsta, siła elektromotoryczna ogniwa o identycznych elektrodach, lecz umieszczonych w roztworach o różnych stężeniach jonów wodorowych, jest proporcjonalna do logarytmu stosunku tych stężeń. Tak więc, zanurzając jedną elektrodę w roztworze o znanym pH, jesteśmy w stanie obliczyć pH drugiego roztworu.

.

II. Sposób wykonania ćwiczenia

1. Ćwiczenie rozpoczynamy sporządzeniem roztworu buforowego o pH 3,0 - mieszamy: 20,4 cm³ roztworu 0,1M HCl i 50cm³ roztworu 0,1M kwaśnego ftalanu potasowego, a następnie wszystko rozcieńczamy wodą do 100cm³.

2. Następnie dwie elektrody chinhydronową i AgCl umieszczamy w naczyńku wypełnionym roztworem buforowym (do roztworu wsypujemy niewielką ilość chinhydronu) i wykonujemy pomiar SEM badanego ogniwa.

3. Obliczamy rzeczywistą wartość pH sporządzonego roztworu buforowego
   

4. Skalujemy pH - metr sporządzonym roztworem i odczytujemy wartość pH badanej próbki - pH=3.36

III. Wyniki doświadczeń i obliczenia

Dla ogniwa złożonego z elektrody chinhydronowej i elektrody AgCl wartość E(mV) ogniwa jako funkcji pH i temperatury roztworu T wyraża się wzorem:

W celu obliczenia pH wzór przekształcamy następująco:

T = 293 ± 1 [K]

E(mV) = 335 [m V]

Analiza błędów:

Obliczenie błędu wyznaczania SEM ogniwa wzorcowego roztworu buforowego

klasa miernika: 1,5

zakres galwanometru: 2

ΔE = (1,5*2)/100 = 0,03

Obliczenie błędu wyznaczania pH wzorcowego roztworu buforowego:

Obliczenie błędu wyznaczania pH próbki:

gdzie:

∆pH - błąd z pomiaru kompensacyjnego

∆pH_m - błąd wynikający z klasy pH-metru

∆pH_p - błąd wyznaczenia pH próbki

Zestawienie wyników:

SEM ogniwa pomiarowego [V]	Teoretyczna wartość pH buforu wzorcowego	Rzeczywista wartość pH buforu wzorcowego	Zmierzona wartość pH próbki
+0,335	3.0	2,84 ± 0,0085	3,36 ±

IV. Wnioski:

Celem ćwiczenia było wyznaczenie pH próbki sporządzonego roztworu. Teoretyczna wartość pH, jakie powinien mieć nasz roztwór powinno wynosić 3,0. Jednakże zmierzona przez nas przy pomocy pH metru wartość ujemnego logarytmu dziesiętnego ze stężenia jonów hydronowych wyniosła 3,36.

Ewentualne błędy mogą być spowodowane niedokładnym przygotowaniem roztworu jak również złą kalibracją urządzenia do pomiaru siły elektromotorycznej między półogniwami. Inną przyczyną mogło być złego stanu technicznego potencjometru kompensacyjnego, skoki napięcia nie zniwelowane przez zasilacz.

---