Biotechnologia Gliwice 22.03.2006

Wydział: AEiI

Sekcja: 14

Potencjometryczny pomiar pH

Damian Klimiuk

1. Wstęp teoretyczny.

Miarą kwasowości roztworu jest jego pH, którego wartość przedstawia wzór:

W praktyce stosuje się jednak do wyznaczania wartości pH roztworów skali porównawczej opartej na kilku wzorcowych roztworach buforowych. Wartość pH roztworów buforowych wyznacza się przez pomiar SEM ogniw stężeniowych:

Przyjmując, ze aktywność wody jest stała jego siłę elektromotoryczną opisuje równanie:

Wtedy SEM ogniwa w funkcji pH roztworu można przedstawić równaniem:

W zależności od stężenia roztworu chlorku potasowego różne będą wartości
i różne wzory pozwalające wyliczyć pH.

W doświadczeniu zamiast elektrody wodorowej użyliśmy elektrody chinhydronowej:

Elektroda chinhydronowa jest odwracalna względem jonów hydroniowych. Elektroda ta jest elektrodą redoks, na której cząstkową reakcją potencjałotwórczą jest wymiana elektronów i protonów między chitonem, a hydrochinonem:

W miejsce elektrody kalomelowej zastosowaliśmy nasycona elektrodę chlorosrebrową:

SEM ogniwa zestawionego z półogniwa chinhydronowego (wskaźnikowego) i półogniwa chlorosrebrowego wyraża się wzorem:

Wartość E' można wyznaczyć dodatkowym pomiarem, biorąc jako roztwór w półogniwie chinhydronowym jeden z wzorcowych roztworów buforowych. Jeżeli jako wzorzec potencjału jest stosowane porównawcze półogniwo chlorosrebrowe to wartość E' można obliczyć.

W ćwiczeniu wykorzystaliśmy pH-metr wyposażony w elektrodę szklaną. Jest to elektroda membranowa selektywna względem jonów wodorowych w szerokim przedziale pH. W zależności od składu szkła może być selektywna także w stosunku do jonów:
,
lub
. Zwykle elektroda szklana zbudowana jest z rurki szklanej zakończonej bańką i napełniona jest roztworem buforowym o znanej wartości pH zawierającym aniony chlorkowe. Do roztworu w rurce zanurzona jest elektroda chlorosrebrowa. Bańka szklana elektrody zbudowana jest ze szkła o dużym przewodnictwie właściwym. W przedziale pH od 2 do 11 elektroda szklana jest selektywna jedynie względem jonów
.

Gdy elektroda szklana jest stosowana do pomiaru pH roztworów za pomocą pH-metrów, układ pomiarowy złożony jest z elektrody wskaźnikowej (szklanej) i elektrody porównawczej (kalomelowej) lub jednej elektrody kombinowanej, złożonej z obydwu tych elektrod. Układ taki można przedstawić schematem:

Siłę elektromotoryczną tego ogniwa można przedstawić wzorem:

, stąd:

gdzie E' jest sumą wszystkich wyrazów stałych.

Właściwy pomiar pH roztworu badanego poprzedza wycechowanie przyrządu za pomocą wzorcowego roztworu buforowego o znanej wartości pH w celu wyznaczenia stałej E'.

2. Przebieg ćwiczenia.

Zadana wartość pH roztworu buforowego wynosi pH=4. Po sporządzeniu według instrukcji odpowiedniego roztworu buforowego dokonany został pomiar jego rzeczywistej wartości pH. Aby tego dokonać wlano do zlewki o pojemności 50 ml niewielką ilość roztworu buforowego, po czym zanurzono w nim elektrody platynową i chlorosrebrową. Po wsypaniu i wymieszaniu z roztworem około 10 mg chinhydronu do zlewki roztwór był w pełni przygotowany do pomiaru. Zaciski elektrod podłączono do kompensatora w taki sposób aby elektroda chlorosrebrowa łączyła się z biegunem (-), natomiast elektroda chinhydronowa z biegunem (+) kompensatora. Mierzona wartość SEM wyniosła 273 mV. Po wyliczeniu z wyprowadzonego wzoru wartość rzeczywista pH roztworu buforowego wyniosła pH=3,847.

Znając wartość rzeczywistą pH roztworu buforowego wycechowaliśmy pH-metr zanurzając w zlewce z roztworem buforowym elektrodę zespoloną szklaną pH-metru i ustawiając rzeczywistą wartość pH tego roztworu. Następnie zmierzyliśmy wartość pH roztworu o nieznanym pH, będącego próbką w tym ćwiczeniu. Jego wartość wyniosła pH=4,22.

3. Zestawienie wyników pomiarów i obliczeń.

Wartość pH zadanego roztworu buforowego wynosi:

pH = 4

Zmierzona wartość SEM wyniosła:

E = 0,273 mV

Rzeczywistą wartość pH roztworu buforowego obliczymy z zależności:

Przekształcając wzór otrzymamy postać:

gdzie:

pH - poszukiwana wartość rzeczywista roztworu buforowego

E' - wartość tej SEM jest wyznaczana rachunkowo jako różnica potencjałów półogniwa

chinhydronowego i chlorosrebrowego, których potencjały wynoszą odpowiednio:

i

E - SEM ogniwa zestawionego z półogniwa chinhydronowego i chlorosrebrowego, wartość ta jest wartością mierzoną

R - stała gazowa, jest równa

F - stała Faradaya, jest równa

T - temperatura otoczenia, wynosi

Po podstawieniu znanych nam wartości możemy rachunkowo wyznaczyć rzeczywista wartość współczynnika pH roztworu buforowego:

Jednostki się skróciły gdyż współczynnik pH jest bezwymiarowy.

Tak wiec wartość rzeczywista pH roztworu buforowego jest równa:

Korzystając z wiedzy o rzeczywistym pH roztworu buforowego wycechowaliśmy pH-metr i uzyskaliśmy poszukiwana wartość pH roztworu będącego naszą próbą. Wartość ta wyniosła:

Zestawmy zatem wyniki w tabele:

SEM ogniwa pomiarowego [V]	Teoretyczna wartość pH buforu wzorcowego	Rzeczywista wartość pH buforu wzorcowego	Zmierzona wartość pH próbki
0,273	4,002	3,902	4,220

4. Wnioski.

Pomiar pH roztworów metodą potencjometryczną nie opiera się na metodach bezpośrednich, a na metodach pośrednich porównawczych. Tak więc dokonanie dokładnego pomiaru pH poprzedzone jest drobnymi przygotowaniami w postaci przygotowywania buforów i aparatury pomiarowej. Tym samym sam pomiar obarczony jest błędami, zarówno tymi z winy niedokładności przyrządów pomiarowych jak i w szczególności błędami ludzkimi przy przygotowywaniu roztworów

---