5. Потенціометричне визначення рН

Водневим показником називається від’ємний десятковий логарифм активності іонів водню:

. (5.1)

У загальному випадку для 1–1-валентних електролітів

,

де – ступінь дисоціації електроліту у розчині;– молярна концентрація розчину;– середній іонний коефіцієнт активності електроліту в розчині (довідникова величина).

Для сильних 1–1-валентних електролітів . Тоді

і

. (5.2)

Якщо концентрація розчину сильного електроліту дуже мала , то йогонаближено можна розраховувати за формулою

.

Для не дуже розведених розчинів слабких 1–1-валентних електролітів ,і тоді

. (5.3)

Згідно із законом розведення Оствальда ступінь дисоціації слабкого 1–1-валентного електроліту пов’язаний з концентрацією розчину таким чином:

, (5.4)

де – константа дисоціації слабкого 1–1-валентного електроліту (довідникова величина), яка залежить від природи електроліту та розчинника, а також від температури. Для наближеного розрахунку () рівняння (5.4) можна записати у вигляді:

,

звідки

.

Тоді, виходячи з рівняння (5.3), маємо

,

а за (5.1):

. (5.5)

Для точного розрахунку розчину слабкого електроліту ступінь його дисоціації визначають, розв’язуючи квадратне рівняння (5.4).

Вода є дуже слабким електролітом, який дисоціює за рівнянням:

.

Константа рівноваги цього процесу записується як:

.

Оскільки для води за сталої температури незмінна, то, (5.6)

де – константа, яку називають іонним добутком води і яка залежить від температури. За стандартної температури(моль/дм³)², а , оскільки. Отже, у водних розчинах концентрації іонів тане можуть бути довільними, оскільки вони пов’язані рівнянням (5.6). На підставі цієї формули можна записати

, (5.7)

де .

Нейтральним вважається розчин, в якому (). Занейтральному середовищу відповідає, кислому –, лужному –.

Потенціометричний метод визначення полягає у вимірюванні потенціалу зануреного у досліджуваний розчин індикаторного електрода, який є оборотним відносно іонів та , тобто його потенціал залежить від концентрації цих іонів. Індикаторними електродами можуть слугувати: водневий електрод (або), стибієвий (або), хінгідронний (або) та скляний (або).

За К потенціал водневого електрода пов’язаний зрозчину рівнянням: .

Для потенціалів інших індикаторних електродів за стандартної температури: .

В приладах – метрах як індикаторний використовується скляний електрод. Він являє собою тонкостінну кулеподібну мембрану зі спеціального скла з підвищеним вмістом лужних складових, яка припаяна до звичайної скляної трубки. Усередині цієї кульки розміщено хлорсрібний електрод в 0,1 – молярному водному розчині НСl. При зануренні скляного електрода в досліджуваний водний розчин на внутрішній і зовнішній поверхнях мембрани перебігають процеси обміну між іонами , що перебувають у розчинах, та катіонами лужних металів, які містяться у склі. Внаслідок цього виникають два стрибки потенціалу, які залежать відрозчинів усередині та ззовні мембрани. Оскількирозчину в скляній кульці є сталим, то потенціал цього індикаторного електрода залежить тільки відзовнішнього досліджуваного розчину.

Потенціал скляного електрода за К виражається рівнянням:,

де – стандартний для певного скляного електрода потенціал, який визначають його калібруванням за допомогою буферних розчинів з відомими значеннями.

Електродом порівняння в – метрах зазвичай є каломельний.

Розчини з певною концентрацією іонів водню, яких мало змінюється внаслідок розведення або додавання незначних кількостей сильних кислот або лугів, називають буферними. Буферні розчини готують із суміші слабкої кислоти та солі, що утворена взаємодією цієї кислоти з лугом, або слабкої основи та солі, яка є продуктом взаємодії між цією основою та сильною кислотою. Концентраціюв кислому буферному розчині розраховують за формулою:

, (5.8)

де – константа дисоціації слабкої кислоти;,– концентрації кислоти і солі у буферному розчині. Для визначення концентраціїв основному буферному розчині використовують формулу, подібну до (5.8).

Робота 5.1. Калібрування – метра.

Мета роботи: відкалібрувати – метр за допомогою буферних розчинів.

–метр калібрують за допомогою 5 – 6 буферних розчинів з відомими водневими показниками (). Послідовно вимірюютьцих буферних розчинів і записують одержані дані () у табл. 5.1. Будують калібрувальну пряму, відкладаючи на осі абсцис, а на осі ординат – . Осі починають з нуля і закінчують значенням.

Звіт

1. Результати експерименту:

Таблиця 5.1. Дані для побудови калібрувального графіка

2. Побудова калібрувальної прямої.

Робота 5.2. Вимірювання розчинів.

Мета роботи: за допомогою рН – метра визначити рН водних розчинів сильних та слабких електролітів та порівняти їх з теоретично розрахованими.

За допомогою – метра вимірюютьдекількох розчинів сильних і слабких кислот та основ (за вказівкою викладача). За калібрувальною прямою визначають дійсні експериментальні значення, за рівняннями (5.2) – (5.4) обчислюють відповідні теоретичні величини і розраховують відносні похибки. Результати записують у табл. 5.2.

Звіт

1. Результати вимірювань та обчислень:

Таблиця 5.2 . Результати експериментальних та теоретичних досліджень водних розчинів кислот та основ

Електроліт	Концентрація,моль/дм3				, %

Обов’язково навести розрахунки розчинів та відносних похибок.

5. Висновок.

ЛІТЕРАТУРА: [1, с. 496 – 497; 2, с. 272 – 275; 3, с. 299 – 300; 5, с. 304 – 314; 6, с. 155 – 163; 8, с. 53 – 55].