Измерение рН и изучение свойств буферных растворов
 Скачать 209 Kb.
|
|
Измерение pH и изучение свойств буферных растворов. Измерение рН и изучение свойств буферных растворов. В растворах очень многие вещества способны, отщепляя или присоединяя один или несколько протонов, переходить в соответствующую ионизированную форму. Свойства веществ вследствие изменения состава и заряда при этом, естественно, резко изменяются. Поскольку ионы водорода входят в уравнения таких реакций, то положение равновесия, т.е. соотношение различных ионизированных форм, зависит от концентрации водородных ионов. Следовательно, рН среды определяет и свойства растворенного вещества. Поэтому, измерению и регулированию рН, как с практической, так и с теоретической точки зрения придается большое значение. Особенно сильно рН влияет на свойства биологических объектов. Устройство и работа потенциометра ЛПУ-01. В настоящее время рН измеряется по значению э.д.с. соответствующей гальванической цепи с помощью потенциометров-приборов, предназначенных для определения разности потенциалов. В данной работе используется потенциометр ЛПУ-01. Прибор состоит из датчика и измерительной части. В датчике находится электродная система состоящая из стеклянного (1) и хлорсеребрянного электродов(2). (Рис. 1).  Рис.1. Схема рН - метра ЛПУ-01. Электролитический контакт осуществляется насыщенным раствором КС1, находящимся в полиэтиленовом сосуде (3) и медленно вытекающим через трубку в исследуемый раствор (5), в который помещен и стеклянный электрод. Поток создает барьер для проникновения посторонних ионов в хлорсеребряный электрод, который представляет собой серебряную проволоку, погруженную в раствор с осадком. Принцип работы стеклянного электрода следующий. Рабочей частью является шарик (6), выполненный из специального сорта стекла. При вымачивании шарика в кислоте ионы щелочных металлов замещаются ионами водорода. При погружении шарика в раствор ионы водорода с внешней стороны стекла выходят в раствор, в результате чего возникает разность потенциалов, определяемая концентрацией водородных ионов в исследуемом растворе. Формально поверхность стекла работает как водородный электрод. На внутренней поверхности стекла также возникает скачок потенциала, но он постоянен вследствие постоянной концентрации. Э.д.с. такой цепи определяется четырьмя потенциалами: потенциалом хлорсеребряного электрода, потенциалами внешней и внутренней поверхности стекла, потенциалом бромсеребряного электрода. Кроме Е ст. внешн., все потенциалы постоянны, а Е ст. внеш. определяется концентрацией водородных ионов в исследуемом растворе. Таким образом, между э.д.с. всей цепи и рН устанавливается линейная зависимость:  Концентрация водородных ионов отсчитывается по шкале показывающего прибора, градуированного в единицах рН. С помощью ЛПУ-01 можно измерять и э.д.с. произвольных гальванических цепей. Так например, платиновой проволокой вместо стеклянного электрода можно измерять окислительно-восстановительные потенциалы. Для рН имеется 5 шкал, которые соответствуют различным диапазонам измерений. Пределы измерения рН устанавливаются переключателем (7). При установке переключателя пределов измерения в положение "2 - 14" отсчет показаний производится по нижней шкале прибора. При более точной работе рН отсчитывается по верхней шкале показывающего прибора, равной 4 ед. Если, например, переключатель установлен в положении /2 - 6/, то между цифрами верхней шкалы и рН будет следующее соответствие:0 – рН = 2, 1 – рН = 3, 2 – рН = 4. Разность потенциалов между серебряными проволоками хлорсеребряного и бромсеребряного электродов, равная э.д.с., подается на вход измерительной схемы прибора. Перед работой прибор необходимо настроить. Переключатель вида работ ставится в положение рН. Рукоятка температурной коррекции со значениями градусов С устанавливается на температуру исследуемого раствора ( обычно это комнатная температура, которую можно считать равной 20 С). Следует иметь ввиду, что концентрация водородных ионов может варьироваться с температурой, если константы диссоциации веществ в растворе заметно зависят от температуры. Проверка показаний прибора осуществляется по двум стандартным растворам с известным рН. Перед началом измерений потенциометр должен прогреться в течение 20 мин. В стакан на 50 мл наливают 20 мл более кислого раствора. Поворачивают столик на датчике, промывают электроды дистиллированной водой из промывалки, снимают капли фильтровальной бумагой, погружают электроды в стандартный раствор и ставят стакан на столик. Переключатель пределов измерения ставят в соответствующий диапазон. рН отсчитывается по верней шкале после того, как установится стрелка. Соответствие показаний прибора и рН стандартного раствора достигается вращением ручки (8) "настройка по буферному раствору", для чего следует отвинтить крышку. Согласно инструкции точность прибора составляет 0,04 ед. рН. При выполнении работы можно ограничиться точностью 0,1 ед. рН. поэтому несовпадение на 0,1 ед. рН можно оставить. После этого аналогичным образом в соответствующем диапазоне измеряют рН второго стандартного раствора. После каждого измерения электроды промывают дистиллированной водой из промывалки, снимают капли фильтровальной бумагой и помещают в прежний стакан с дистиллированной водой (на нем написано «электроды»). Если последующее измерение производится непосредственно за предыдущим, то вымытые электроды погружают сразу в следующий раствор. Если отклонение в показаниях составляет больше 0,1 ед. рН, то поворотом оси переменного сопротивления "крутизна" (для этого отвинтить крышку и ослабить с помощью специального ключа цанговый зажим) надо сместить стрелку на половину разницы в сторону стандартного значения рН. Затем повторяют указанную операцию с двумя стандартными растворами до совпадения показаний с указанной степенью точности, после чего прибор можно считать настроенным и готовым к работе. Суть настройки заключается в следующем. При правильной настройке показания прибора и известные значения рН равны (прямая ав, рис.2) Совпадая для двух стандартных растворов (например, при рН = 2 и рН = 8), показания правильны и для других значений рН. Когда прибор не настроен, то линия, отражающая зависимость между показаниями прибора и рН не совпадает с прямой ав: например, прямая сd (для двух стандартных растворов показания занижены). Ручкой "настройка по буферу " при измерении первого стандартного раствора прямая сd поднимается параллельно первоначальному положению и переходит в прямую еf. Вращением ручки "крутизна" изменяется коэффициент усиления, т.е. тангенс угла наклона прямой еf. При этом прямая при измерении второго стандартного раствора вращается вокруг некоторой изопотенциальной точки (рН= 4) и превращается в прямую nm. Повторная операция уже с первым буфером позволяет поднять и превратить ее в требуемую ав. Правильность настройки проверяется при повторном измерении второго стандартного раствора.  Рис.2. Изменение положения линий "Показания прибора - рН" при настройке рН-метра. Буферные растворы. Буферные растворы предназначены для поддержания постоянного значения рH и представляют собой смесь слабой кислоты и ее соли. Соль - сильный электролит - полностью диссоциирует: KA K+ + A- (1) а кислота лишь в небольшой степени: HA H+ + A- (2) Концентрации связаны уравнением: [H+]*[A-] K = ------------- (3) [HA] При добавлении к буферному раствору вещества, увеличивающего, например, концентрацию водородных ионов, рН, вообще говоря, изменяется, но в значительно меньшей степени, чем казалось бы. Это вызвано тем, что образующиеся ионы приводят к нарушению равенства (1) и происходит обратная реакция (2), в результате чего более или менее значительная часть образовавшихся ионов водорода переходит в недиссоциированную кислоту НА. Противоположная картина наблюдается при добавлении веществ основного характера. Способность буфера поддерживать рН постоянным характеризуется буферными емкостями, равными числу моль-экв кислоты или щелочи, которое надо добавить к 1 л буферного раствора, чтобы изменить рН на единицу. Буферные емкости по кислоте и щелочи не равны. В практической работе необходимо учитывать, что буфер не абсолютно сохраняет данное значение рН. рН буфера можно найти из уравнения (3). Логарифмируя и пренебрегая диссоциацией кислоты, получаем значение рН  (4)т.к. при этом будут равны концентрации соли KA и концентрации кислоты HA: рКa = - lgКa. Из уравнения (4) видно, что в условиях пренебрежения диссоциацией кислоты рН буфера не зависит от разбавления. Порядок выполнения работы. 1. Настроить ЛПУ-01, как описано выше. 2. Приготовить шесть ацетатных буферных смесей, согласно таблице измерить их рН и данные занести в таблицу.
3. Добавляя из бюретки соляную кислоту, определить буферную емкость растворов №3 и №4 по кислоте. 4. На основании полученных данных, установить, зависит ли буферная емкость от разбавления. 5. Построить график зависимости рН от lg[СН3СООК]/[СН3СООН] и определить из него рКa уксусной кислоты. Вопросы для самоподготовки и контроля. 1. Какие системы проявляют буферные свойства? 2. Как производится настройка рН-метра ЛПУ-01? 3. Напишите электрохимическую цепь, в которой производили измерение рН. Укажите вспомогательный и измерительный электроды. 4. Дайте определение буферной емкости. 5. Чем обусловлено буферное действие изучаемой системы при добавлении к ней раствора кислоты или щелочи?  Рис 3. Электрод стеклянный ЭСЛ-01Г-04 1. Корпус. 2. Шарик. 3. Контактный полуэлемент: серебряная проволока, покрытая хлористым серебром. 4. Раствор KCl. 5. Провод. 6. Клемма.  Рис 4. ЭВЛ-1МЗ 1. Корпус. 2. Асбествая нить. 3. Раствор KCl. 4. Пробка. 5. Серебряная проволока. 6. Хлористое серебро. 7. Асбестовый фитиль. 8. Клемма. Рис 5. ЭВЛ-5М 1. Корпус. 2. Асбестовый фитиль. 3. Платиновая проволока. 4. Паста Hg2Cl2, Hg 5. Железная проволока. 6. Пробка. 7. Клемма. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||