POLITECHNIKA ŚLĄSKA

WYDZIAŁ CHEMICZNY

TEMAT ĆWICZENIA:

„POTENCJANOMETRYCZNY POMIAR pH”

LABORATORIUM Z CHEMII FIZYCNEJ

Kufelin Sandra

grupa 1

Inżynieria chemiczna i procesowa

1. CEL ĆWICZENIA

Celem ćwiczenia jest zbadanie pH otrzymanej próbki metodą potencjanometryczną.

1. WSTĘP TEORETYCZNY

W wielu dziedzinach chemii przez stężenie jonów wyznaczane są różne wielkości takie jak np. szybkości reakcji chemicznych i kwasowość roztworów.

Miarą kwasowości jest stężenie jonów wodorowych w roztworze definiowane zależnością obowiązującą od 1909 roku:

pH = −log[H⁺]

Równanie to nie jest jednak dobrym sposobem wyznaczania pH. Wymagało by to niemożliwych do wykonania pomiarów aktywności i wprowadzenia współczynników aktywności dla pojedynczych jonów.

Z tego powodu pomiar pH określa się przez porównanie pH kilku roztwór buforowych. W tym przypadku pH wyznacza się z pomiaru SEM ogniw stężeniowych:

−Pt, H₂(p=1atm)|H⁺(a=1)||roztw.buforowy|H₂(p=1atm), Pt+

Przy pomiarach potencjanometrycznych potencjał elektrody zanurzonej w roztworze jest ściśle powiązany ze składem tego roztworu, często stosuje się tu ogniwo wodorowo- kalomelowe:

−Pt, H₂(p = 1atm)|roztw.||Hg₂Cl_2(nasycony) |Hg₂Cl_2(s), Hg+

Złożone z półogniwa wodorowego i półogniwa kalomelowego, które połączone są ze sobą kluczem elektrolitycznym.

Na elektrodach zachodzą następujące reakcje:

ELEKTRODA LEWA: $\frac{1}{\ 2}H_{2} \rightleftharpoons H^{+} + e^{-}$

ELEKTORDA PRAWA: $\frac{1}{2}\text{Hg}_{2}\text{Cl}_{2} + e^{-} \rightleftharpoons Hg + \text{Cl}_{(nasycony)}^{-}$

REAKCJA SUMARYCZNA: $\frac{1}{2}H_{2} + \frac{1}{2}\text{Hg}_{2}\text{Cl}_{2} \rightleftharpoons H^{+} + \text{Cl}_{(nasycony)}^{-} + Hg$

Gdzie SEM opisane jest równaniem:

$$E = E^{o} - \frac{\text{RT}}{F}\ln\left( a_{H^{+}},a_{\text{Cl}^{-}} \right) + \sum_{}^{}\pi_{d}$$

Gdzie ∑_d jest sumą potencjałów dyfuzyjnych, która przy użyciu elektrody kalomelowej jest stała i można ją włączyć do E^o przekształcając powyższe równanie do postaci:

$$E = E^{o} + \frac{2,303RT}{F}\text{pH}$$

Z powodu występowania różnych stężeń KCl będą występowały różne wartości E^o’ a w związku z tym różne wzory na pH roztworu, dlatego zamiast elektrody wodorowej używana jest w zastępstwie elektroda chinhydronowa:

Pt|C₆H₄O₂, C₆H₄(OH)₂, H⁺

Natomiast w miejsce porównawczego półogniwa kalomelowego używamy półogniwa chlorosrebrowego, które również ma stały potencjał:

Ag, AgCl|KCl_(nasycony)

SEM dla takiego ogniwa opisuje równanie:

$$E = E^{'} - \frac{2,303RT}{F}\text{pH}$$

Elektroda chinhydronowa, jest półogniwem zbudowanym z elektrody platynowej zanurzonej w równomolowym roztworze chinonu i hydrochinonu, inaczej chinhydronu. Jest elektrodą odwracalną względem jonów hydroniowych i elektrodą redoks, której reakcją potencjałotwórczą jest wymiana elektronów i protonów między chinonem i hydrochinonem według reakcji:

C₆H₄O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ ⇌ C₆H₄(OH)₂

Taką elektrodę cechuje niewrażliwość na małe zmiany ilości substancji redukujących lub utleniających, prosta budowa i dobra odtwarzalność.

Elektroda kalomelowa, utworzona jest z metalicznej rtęci stykającej się z kalomelem Hg₂Cl₂, który natomiast styka się z chlorkiem potasowym. Reakcja elektrodowa wygląda następująco:

$$Hg + \text{Cl}^{-} \rightleftharpoons \frac{1}{2}\text{Hg}_{2}\text{Cl}_{2} + e^{-}$$

Elektroda jest łatwa do wykonania i często stosowana. Stężenie jonów chlorkowych jest określone w danej temperaturze, dlatego też określony jest potencjał tej elektrody.

Elektroda szklana, jest elektrodą membranową, która zbudowana jest z odpowiedniego szkła przenikalnego tylko dla jonów hydroniowych. Wewnątrz membrany w postaci bańki szklanej znajduje się roztwór o określonej aktywności tych jonów, do którego wprowadzona jest elektroda kalomelowa lub chlorosrebrowa, spełniająca rolę kontaktu elektrycznego. Stosunek aktywności jonów wodorowych po obydwu stronach bańki szklanej (określony poprzez pomiar siły elektromotorycznej) pozwala wyznaczyć pH roztworu. Siłę elektromotoryczną w takim ogniwie przedstawiamy wzorem:

$$E = E^{'} - \frac{\text{RT}}{F}\ln\frac{a_{H^{+}}(1)}{a_{H^{+}}(2)}$$

Elektroda jest odporna na działanie ciężkich metali, utleniaczy i reduktorów. Nie możne być jednak stosowana do pomiarów pH roztworów zasadowych z powodu możliwości „trawienia” szła przez niektóre związki.

Przed właściwym pomiarem pH, należy wycechować przyrząd przy użyciu wzorcowego roztworu buforowego o znanej wartości pH.

1. WYKONANIE ĆWICZENIA

Aparatura:

• kompensator do pomiaru SEM

• pH- metr cyfrowy N- 517 e elektrodą zespoloną

• nasycona elektroda chlorosrebrowa

• elektroda platynowa

• płytka z pleksi do pozycjonowania elektrod

Odczynniki:

• 0,1 M roztwór HCl

• 0,1 M roztwór NaOH

• kwaśny ftalany potasu (C₆H₅O₄K)

• boraks

• kwas bursztynowy

• diwodorofosforan potasu

• wodorofosforan di- sodu 12 hydrat

• chinhydron

Pomiary:

Wykonywanie pomiarów można podzielić na 4 etapy, po sporządzeniu roztworu buforowego o określonym pH.

PIERWSZY ETAP:

• do zlewki 50cm³ wlewa się sporządzony roztwór buforowy w celu przepłukania naczynka

• w płytce z pleksi umieszcza się elektrody platynową i chlorosrebrową

• do zlewki wlewa się tyle roztworu buforowego żeby końcówka elektrody platynowej była całkowicie zanurzona

• do zlewki wsypuje się 10 mg chinhydronu

• elektrody podłącza się do kompensatora w taki sposób by elektroda chinhydronowa była połączona z biegunem (+), a chlorosrebrowa z biegunem (-)

• wykonuje się pomiar SEM ogniwa

DRUGI ETAP:

• obliczamy rzeczywistą wartość pH sporządzonego buforu, z wyprowadzenia zależności SEM od ogniwa pomiarowego w funkcji pH i temperatury.

−Ag,  AgCl|KCl(nasycony)||(r−r buforowy)C₆H₄O₂,C₆H₄(OH)₂,H⁺|Pt+

potencjał nasyconej elektrody chlorosrebrowej wynosi: E_Ag,AgCl= 0,199 V

potencjał normalny elektrody chinhydrynowej wynosi: E_Ph(OH)2,PhO2= 0,699 V

TRZECI ETAP:

• zlewkę oraz elektrodę zespoloną pH- metru przepłukujemy buforem wzorcowym

• osuszamy elektrodę i mocujemy ją na statywie przyrządu

• napełniamy naczynko pomiarowe buforem i umieszczamy w nim elektrodę zespoloną w taki sposób by jej końcówka była zanurzona w roztworze

• cechujemy pH- metr sprowadzając wskazania uradzenia na obliczoną wcześniej wartość pH buforu

• po wycechowaniu nie należy zmieniać ustawień urządzenia

CZWARTY ETAP:

• elektrodę i naczynko pomiarowe płuczemy woda destylowaną i osuszamy

• do zlewki wlewamy roztwór otrzymany na początku zajęć i umieszczamy w nim elektrodę, w taki sam sposób jak przy cechowaniu pH- metru

• odczytujemy wskazanie pH po ustabilizowaniu się wskazań przyrządu

1. OPRACOWANIE WYNIKÓW

Wyprowadzenie zależności na SEM ogniwa pomiarowego:

$$E = E^{o} - \frac{\text{RT}}{\text{nF}}\ln\left( \frac{a_{\text{utl.}}}{a_{\text{red}}} \right)$$

$$E = E^{o} - \frac{\text{RT}}{2F}\ln\frac{C_{6}H_{4}\left( \text{OH} \right)_{2}}{a_{C_{6}H_{4\left( \text{OH} \right)_{2}}}2}$$

$$E = E^{o} - \frac{2,303}{2F}\lg{a_{H^{\pm}}}^{- 2}$$

E = 0, 699 − 1, 984 • 10⁻⁴ • T • pH

SEM = E_k − E_a

SEM = 0, 699 − 0, 199 = 0, 5

SEM_zmierzone = 0, 5 − 1, 984 • 10⁻⁴ • T • pH

$$pH = \frac{\text{SEM}_{\text{zmierzone}} - SEM}{T \bullet \left( - 1,984 \bullet 10^{- 4} \right)}$$

$$pH = \frac{0,309 - 0,5}{298 \bullet \left( 1,984 \bullet 10^{- 4} \right)} = 3,23$$

SEM ogniwa pomiarowego [V]	Teoretyczna wartość pH buforu wzorcowego	Rzeczywista wartość pH buforu wzorcowego	Zmierzona wartość pH próbki
0,309	2,5	3,23	3,28

Zestawienie wyników:

1. WNIOSKI

Wykonując to ćwiczenie można się było spotkać z trzema rodzajami występujących tam błędów.

Pierwszym z nich był błąd przy odmierzaniu odpowiednich ilości składników, na początku kwaśnego ftalanu potasu do sporządzenia buforu wzorcowego. Drugim składnikiem, który trzeba było odmierzyć był chinhydron do wykonania ogniwa. Było to spowodowane bardzo dużą czułością wagi i bardzo ciężko było odmierzyć „idealną” ilość danego składnika.

Drugim błędem jest błąd przyrządu. Przy pomiarze próbki pH i ustabilizowaniu się częściowo pomiaru, wskaźnik pH- metru w dalszym ciągu wykazywał przemiennie dwie różne wartości. Ten błąd jest jednak znikomy, ponieważ wskazane wartości różniły się 0,01.

Trzecim i ostatnim możliwym błędem jest tutaj poprawny odczyt temperatury. Osoby o różnym wzroście mogą odczytać minialnie różną temperaturę ze względu na inny kąt widzenia. Jest to jednak również bardzo mało błąd w granicach 0,01, dlatego może być on pominięty.

Ogólnie wykonanie ćwiczenia nie sprawiało większych problemów i przebiegało dość sprawnie.