LABORATORIUM Z CHEMII FIZYCZNEJ POTENCJOMETRYCZNY POMIAR PH POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ CHEMICZNY. Agata Blacha-Grzechnik.

Transkrypt

1 POLITCHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ CHMICZNY KATDRA IZYKOCHMII I TCHNOLOGII POLIMRÓW POTNCJOMTRYCZNY POMIAR PH Prowadzący: Miejsce ćwiczenia: Agata Blacha-Grzechnik Katedra izykochemii i Technologii Polimerów, Sala 210 LABORATORIUM Z CHMII IZYCZNJ 1

2 I. CL ĆWICZNIA Celem ćwiczenia jest wyznaczenie ph badanej próbki, oraz zapoznanie się z zasadą pomiaru ph roztworów metodami potencjometrycznymi. II. WSTĘP, PODSTAWY TORTYCZN Miarą kwasowości roztworu jest ph zdefiniowane wzorem: ph = log a + H3O Definicja ta jednak ma znaczenie czysto formalne, gdyż niemożliwe jest określenie aktywności tylko jednego rodzaju jonów. Praktycznie wartość ph roztworu ustala się przez porównanie ze skalą ph opartą na kilku wzorcowych roztworach buforowych. Wartości ph tych ostatnich wyznacza się przez pomiar SM ogniw stężeniowych: (1) Pt, H 2 (p = Pa) H + (a = 1) roztwór buforowy H 2 (p = Pa), Pt Do pomiarów potencjometrycznych ph roztworów często stosuje się ogniwo wodorowo-kalomelowe: (-) Pt, H 2 (p = Pa) roztwór KCl (nas) Hg 2 Cl 2(s), Hg (+) Przyjmując, że aktywność wody jest stała jego siłę elektromotoryczną opisuje równanie: gdzie ogniwa o RT = ogniwa a a ) H Cl + π ln( + d (2) o ogniwa jest to różnica potencjałów standardowych elektrod tworzących ogniwo, natomiast Σπ d jest sumą wszystkich potencjałów dyfuzyjnych, która przy posługiwaniu się tą samą elektrodą kalomelową, jest wielkością stałą i można ją włączyć do stałej o ', podobnie jak człon (RT -1 ) ln(a Cl - ): o' o RT ogniwa = ogniwa + π d ln( a ) Cl (3) wtedy SM ogniwa w funkcji ph roztworu można przedstawić równaniem: 1

3 ogniwa o' 2,203RT = ogniwa + ph (4) W zależności od stężenia roztworu chlorku potasowego różne będą wartości o' i różne wzory pozwalające wyliczyć ph. Zamiast kłopotliwej w użyciu elektrody wodorowej można użyć w wymienionym ogniwie elektrody chinhydronowej: Pt C 6 H 4 O 2, C 6 H 4 (OH) 2, H + lektroda chinhydronowa (półogniwo) jest odwracalna względem jonów hydroniowych. lektroda ta jest elektrodą redoks, na której cząstkową reakcją potencjałotwórczą jest wymiana elektronów i protonów między chinonem a hydrochinonem: C 6 H 4 O 2 + 2H + + 2e C 6 H 4 (OH) 2 W miejsce elektrody kalomelowej można również stosować inne rodzaje elektrod porównawczych o stałym potencjale np. nasyconą elektrodę chlorosrebrową: Ag, AgCl KCl (nasycony) SM ogniwa zestawionego z półogniwa chinhydronowego (wskaźnikowe) i półogniwa chlorosrebrowego lub dowolnego innego półogniwa o stałym potencjale (porównawczego) wyraża się wzorem: ' 2, 303RT ph = (5) Wartość można wyznaczyć dodatkowym pomiarem, biorąc jako roztwór w półogniwie chinhydronowym jeden z wzorcowych roztworów buforowych. Jeżeli jako wzorzec potencjału jest stosowane porównawcze nasycone półogniwo chlorosrebrowe to wartość można obliczyć. Zaletą półogniwa chinhydronowego jest prostota budowy, dobra odtwarzalność i szybkie ustalenie się potencjału oraz jego niewrażliwość na obecność niewielkich ilości substancji redukujących lub utleniających. Bardzo szerokie zastosowanie do potencjometrycznego wyznaczania ph ma elektroda szklana. 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: Na +, K + lub NH + 4. 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 2

4 ze szkła o dużym przewodnictwie właściwym. W przedziale ph od 2 do 11 elektroda szklana jest selektywna jedynie względem jonów H +. Rys. 1. Schemat elektrody szklanej lektroda szklana jest stosowana do pomiaru ph roztworów za pomocą ph-metrów. Wtedy układ pomiarowy (ogniwo którego SM zależy od ph badanego roztworu) złożony jest z elektrody wskaźnikowej (szklanej) i elektrody porównawczej (kalomelowej) lub jednej elektrody kombinowanej, złożonej z obydwu tych elektrod. Układ taki można przedstawić schematem: Ag, AgCl (s) KCl (aq) r-r 1 o znanym ph bańka szklana r-r 2 badany KCl (nas) Hg 2 Cl 2(s), Hg Siłę elektromotoryczną tego ogniwa można przedstawić wzorem: RT ' a ln a + (1) + H =, stąd: ph ph ( ') H (2) 2,303RT = (6) ( 2) (1) gdzie jest sumą wszystkich wyrazów stałych. Właściwy pomiar ph roztworu badanego powinno poprzedzać wycechowanie przyrządu za pomocą wzorcowego roztworu buforowego o znanej wartości ph w celu wyznaczenia stałej. Cechowanie należy powtarzać przy wykonywaniu każdej nowej serii pomiarów, gdyż potencjał elektrody szklanej nie jest stały w tym samym roztworze i ulega zmianie w czasie. lektroda szklana nie nadaje się do oznaczania ph roztworów silnie zasadowych ze względu na zbyt małe stężenie potencjałotwórczych jonów wodorowych i chemiczne działanie roztworu na szkło. 3

5 III. WYKONANI ĆWICZNIA Aparatura Kompensator do pomiaru SM, ph-metr cyfrowy N-517 z elektrodą zespoloną, nasycona elektroda kalomelowa, elektroda platynowa, płytka z pleksi do pozycjonowania elektrod, kolby miarowe, pipety kalibrowane, naczyńka wagowe, zlewki, przewody. Odczynniki 0.1 M roztwór HCl, 0.1 M roztwór NaOH, kwaśny ftalan potasu (C 6 H 5 O 4 K), boraks (Na 2 B 4 O 7 10H 2 0), kwas bursztynowy ((CH 2 COOH) 2 ), diwodorofosforan potasu (KH 2 PO 4 ), wodorofosforan di-sodu 12 hydrat (Na 2 HPO 4 12H 2 O) (do sporządzania roztworów buforowych); chinhydron (C 6 H 4 (OH) 2 C 6 H 4 O 2 ). Pomiary Sporządza się roztwór buforowy o wartości ph podanej w temacie ćwiczenia, według instrukcji załączonej do zestawu (odpowiednie przepisy można znaleźć w Kalendarzu Chemicznym lub w Poradniku izykochemicznym). Następnie należy wyznaczyć rzeczywistą wartość ph sporządzonego roztworu buforowego. Wartość ph roztworu buforowego oblicza się na podstawie wielkości zmierzonej SM ogniwa złożonego z elektrod: wskaźnikowej (takiej, której potencjał zależy od ph roztworu, w tym przypadku jest to elektroda chinhydronowa) i porównawczej (takiej, której potencjał jest stały i nie zależy od ph roztworu, w tym ćwiczeniu jest to nasycona elektroda kalomelowa) zanurzonych w sporządzonym roztworze buforowym. Wartość SM omówionego ogniwa mierzy się za pomocą kompensatora. W tym celu należy zestawić obwody pomiarowe kompensatora, ściśle według instrukcji przyrządu. Po wyznaczeniu rzeczywistej wartości ph, tym roztworem buforowym należy wycechować ph-metr, przed właściwym pomiarem ph badanej próbki. a) Zestawienie ogniwa pomiarowego i pomiar SM Do wymytej wodą destylowaną zlewki o objętości 50 ml wlewa się sporządzony roztwór buforowy, w niewielkiej ilości, w celu przepłukania naczyńka. Po tej czynności umieszcza się w otworach płytki wykonanej z pleksi, opłukane wodą destylowaną i osuszone bibułą elektrody platynową i kalomelową. Do zlewki wprowadza się taką ilość roztworu buforowego, by końcówka elektrody platynowej (w postaci platynowej płytki) była całkowicie w nim zanurzona. Następnie wsypuje się do roztworu około 10 mg chinhydronu. Zaciski elektrod podłącza się do kompensatora. Należy tak zestawić ogniwo pomiarowe, aby elektroda kalomelowa łączyła się z biegunem (-) natomiast elektroda chinhydronowa łączyła się z 4

6 biegunem (+). Przez lekkie poruszenie naczyńka miesza się zawarty w nim roztwór i następnie wykonuje się pomiar SM badanego ogniwa. Po skończonym pomiarze płucze się naczyńko i elektrody wodą destylowaną. lektrodę kalomelową wstawia się do naczyńka z nasyconym roztworem KCl. b) Obliczanie rzeczywistej wartości ph sporządzonego roztworu buforowego Przed przystąpieniem do pomiaru ph badanej próbki należy najpierw wyliczyć rzeczywistą wartość ph sporządzonego buforu, który później będzie wykorzystywany jako wzorzec do cechowania ph-metru. W tym celu student zobligowany jest (wykorzystując poniższe dane) do wyprowadzenia zależności na SM ogniwa pomiarowego w funkcji ph i temperatury. Schemat ogniwa pomiarowego: (-) Hg, Hg 2 Cl 2 KCl (nasycony) (r-r buforowy) C 6 H 4 O 2, C 6 H 4 (OH) 2, H + Pt (+) gdzie: C 6 H 4 (OH) 2 hydrochinon C 6 H 4 O 2 chinon Potencjał nasyconej elektrody kalomelowej wynosi: = 0, 223V Hg, Hg2Cl2 Cl Potencjał normalny elektrody chinhydronowej wynosi: 0 + = 0, 699V Pt Ph ( OH ) 2, PhO2, H Na podstawie uzyskanej zależności i zmierzonej wartości SM badanego ogniwa oblicza się rzeczywistą wartość ph sporządzonego roztworu buforowego. c) Cechowanie ph-metru Obsługę ph-metru przeprowadza się ściśle według instrukcji przyrządu. Pierwszym etapem pomiarów jest wycechowanie ph-metru. Na początku należy przygotować naczyńko pomiarowe (zlewka na 50 ml) oraz elektrodę zespoloną ph-metru do wykonania pomiaru. W tym celu wstępnie przepłukuje się naczyńko oraz elektrodę sporządzonym buforem wzorcowym. Następnie należy kolejno: osuszyć elektrodę i zamocować ją na statywie przyrządu, napełnić naczyńko pomiarowe buforem wzorcowym, umieścić elektrodę zespoloną w naczyńku w taki sposób, żeby końcówka elektrody w postaci szklanej banieczki była całkowicie zanurzona w roztworze buforowym. Po wykonaniu powyższych czynności można przystąpić do cechowania ph-metru. W tym celu gałką ph-metru należy sprowadzić wskazania urządzenia na obliczoną wartość ph wzorcowego roztworu buforowego. Uwaga!! Po wycechowaniu urządzenia nie można zmieniać jego ustawień. 5

7 d) Pomiar ph próbki Po wypłukaniu elektrody i naczyńka pomiarowego wodą przystępuje się do właściwego pomiaru ph badanej próbki. Procedura postępowania jest identyczna jak w przypadku przygotowania ph-metru do cechowania, z tym że w miejsce buforu wzorcowego stosuje się roztwór badanej próbki. Po umieszczeniu elektrody zespolonej w roztworze próbki należy chwilę odczekać na ustabilizowanie się wskazań przyrządu i odczytać właściwą wartość ph. 6

8 IV. ZASADY BZPICZNSTWA I UTYLIZACJI ODPADÓW UWAGA: W razie niepożądanego kontaktu z substancją niebezpieczną natychmiast powiadomić prowadzącego zajęcia Odczynnik Klasyfikacja Zagrożenia Środki bezpieczeństwa Kwas solny HCl Wodorotlenek sodu NaOH Kwaśny ftalan potasu C 6 H 5 O 4 K Tetraboran di-sodu 10 hydrat (boraks) Na 2 B 4 O 7 10H 2 0 Wodorofosforan di-sodu 12 hydrat Na 2 HPO 4 12H 2 0 Kwas bursztynowy C 2 H 4 (COOH) 2 Diwodorofosforan potasu KH 2 PO 4 Chinhydron C 6 H 4 (OH) 2 C 6 H 4 O 2 Próbka Działa drażniąco na oczy i skórę substancja działająca drażniąco na Przy kontakcie ze skórą: zmyć wodą, oczy i układ pokarmowy, nie jest Przy kontakcie z oczami: przepłukać wodą produktem niebezpiecznym Przy spożyciu: podać dużą ilość wody, wezwać lekarza jeżeli poszkodowany poczuje się niezdrowo. działa drażniąco na oczy i skórę Przy kontakcie ze skórą zmyć dużą ilością wody, zdjąć zanieczyszczoną odzież Przy kontakcie z oczami przepłukać dużą ilością wody, natychmiast skonsultować się z okulistą Przy spożyciu podać dużą ilość wody, unikać wymiotów, wezwać lekarza nie jest produktem niebezpiecznym Przy kontakcie z oczami przepłukać wodą, Przy kontakcie ze skórą zmyć wodą Przy wdychaniu: świeże powietrze nie jest produktem niebezpiecznym Przy kontakcie z oczami przepłukać wodą, Przy kontakcie ze skórą zmyć wodą Przy wdychaniu: świeże powietrze nie jest produktem niebezpiecznym Przy kontakcie ze skórą: zmyć wodą, Przy kontakcie z oczami: przepłukać wodą jeżeli poszkodowany poczuje się niezdrowo. Działa drażniąco na oczy działa drażniąco na oczy Przy kontakcie z oczami przepłukać wodą, Przy kontakcie ze skórą zmyć wodą Przy wdychaniu: świeże powietrze Działa szkodliwie po połknięciu. Działa bardzo toksycznie na organizmy wodne Substancje zawarte w próbce do ćwiczenia nie są przedmiotem klasyfikacji jako substancje chemicznie niebezpieczne. nie jest produktem niebezpiecznym Przy kontakcie ze skórą: zmyć wodą, Przy kontakcie z oczami: przepłukać wodą jeżeli poszkodowany poczuje się niezdrowo. Substancja działa drażniąco na Przy kontakcie z oczami przepłukać wodą, układ pokarmowy Przy kontakcie ze skórą zmyć wodą Przy wdychaniu: świeże powietrze Postępowanie z odpadami można wprowadzić do systemu kanalizacyjnego nie jest produktem niebezpiecznym Przy kontakcie ze skórą: zmyć dużą ilością wody, zdjąć zanieczyszczone ubranie. Przy kontakcie z oczami: przepłukać dużą ilością wody na odpady organiczne Przy spożyciu: podać dużą ilość wody, wezwać lekarza jeżeli poszkodowany oznaczonym literą O poczuje się niezdrowo. Przy wdychaniu: wyprowadzić na świeże powietrze, skontaktować się z lekarzem jeżeli poszkodowany poczuje się niezdrowo. 7

9 V. OPRACOWANI WYNIKÓW W opracowaniu wyników należy umieścić wyprowadzenie zależności na SM ogniwa pomiarowego i szczegółowe obliczenia prowadzące do otrzymania rzeczywistej wartości ph sporządzonego roztworu buforowego. Wymaga się również wyznaczenia błędów wielkości mierzonych oraz obliczanych. Wyniki należy zestawić w tabeli jak niżej SM ogniwa pomiarowego [V] Teoretyczna wartość ph buforu wzorcowego Rzeczywista wartość ph buforu wzorcowego Zmierzona wartość ph próbki VI. PYTANIA KONTROLN 1. Objaśnić na czym polega podział półogniw (elektrod) na pierwszego i drugiego rodzaju; podać odpowiednie przykłady. 2. Określić potencjał półogniwa. Podać postulaty konwencji sztokholmskiej dotyczące definiowania potencjału półogniwa. Podać wzór Nernsta na potencjał półogniwa. 3. Wymienić półogniwa znane jako porównawcze (wzorcowe), podać uzasadnienie ich nazwy i napisać odpowiednie reakcje elektrodowe. 4. Wymienić półogniwa stosowane jako wskaźnikowe do pomiaru ph roztworów, podać uzasadnienie i napisać odpowiednie reakcje elektrodowe. 5. Narysować schemat budowy elektrody szklanej i określić jej rodzaj. 6. Podać schemat półogniwa wodorowego, reakcje w nim zachodzące, równanie określające jego potencjał; podać dlaczego to półogniwo jest szczególnie ważne. Co to jest standardowa elektroda wodorowa (normalna) i jak jest zbudowana. VII. LITRATURA 1. Praca zbiorowa, Chemia izyczna (1980), p , p.25.13h, 2. R.Brdicka, Podstawy Chemii izycznej, p G.M.Barrow, Chemia izyczna, p , p Data ostatniej modyfikacji dokumentu: