Лабораторная работа № 10 Водородный показатель. Буферные растворы

Цель работы: изучение понятия рН и механизма действия буферных растворов.

Оборудование и реактивы: стаканчики вместимостью 20-30 мл; стеклянные палочки; пипетки. Индикаторы: лакмус, фенолфталеин, метиловый оранжевый, метиловый красный, универсальная индикаторная бумага. Растворы: соляной кислоты (0,1 М); уксусной кислоты (0,1 М); гидроксида натрия (0,1 М; 1 М); аммиака (0,1 М);ацетата натрия (0,1 М); хлорида аммония (0,1 М).

Опыт 1. Приближенное определение рН в водных растворах при помощи индикаторов

а) Окраска некоторых индикаторов в различных средах.

Определить окраску кислотной и щелочной форм наиболее часто применяемых четырех индикаторов: метилоранжа, метилового красного, лакмуса и фенолфталеина. Наблюдение провести в сильнокислой и сильнощелочной средах, чтобы в первом случае рН был заведомо ниже, а во втором — заведомо выше рН области перехода указанных.индикаторов. Для этого в четыре пронумерованные пробирки внести по 10 капель 0,1 М раствора соляной кислоты; в другие четыре пробирки с теми же номерами — такой же объем 0,1 М раствора гидроксида натрия. Разместить пробирки в штативе таким образом, чтобы за пробиркой с кислотой следовала пробирка с тем же номером, содержащая щелочь. После этого в обе пробирки № 1 (с кислотой и со щелочью) добавить по одной капле индикатора метилового оранжевого, в пару пробирок № 2 — по одной капле метилового красного, в пробирки № 3 прибавить по 5 капель лакмуса (при меньшем количестве лакмуса его окраска заметна менее четко), в последние две пробирки — по одной капле фенолфталеина.

Запись данных опыта. Свои наблюдения по окраске кислотной и щелочной форм индикаторов записать по прилагаемой ниже форме, где уже проставлены интервалы рН областей перехода каждого индикатора и окраска его в этой области.

Наименование индикатора	рН области перехода	Окраска индикатора
		кислотной формы	в области перехода	щелочной формы
Метиловый оранжевый	3,1—4,4		Оранжевая
Метиловый красный	4,4—6,2		Оранжевая
Лакмус	5,0—8,0		Фиолетовая
Фенолфталеин	8,2—10,0		Розовая

Область перехода какого из исследованных индикаторов находится ближе всего к нейтральной среде? Какие индикаторы имеют область перехода в кислой среде? В щелочной?

б) Определение рН раствора при помощи универсального индикатора.

Получить у преподавателя раствор, рН которого требуется определить. При помощи пипетки перенести 2-3 капли этого раствора на индикаторную бумагу. Сравнить окраску еще сырого пятна, полученного на бумаге, с цветной шкалой и выбрать на ней оттенок, наиболее близкий к цвету полученного пятна. На цветной шкале приводятся окраски, соответствующие целым значениям рН, поэтому в случае необходимости можно по промежуточной окраске пятна ориентировочно оценивать десятые доли рН.

Запись данных опыта. Сделать вывод о рН исследуемого раствора и указать реакцию среды. Проверить правильность своего, вывода у преподавателя.

Опыт 2. Буферные растворы.

а) Приготовление буферных растворов.

Приготовить ацетатный буферный раствор (СН₃СООН + CH₃COONa), для чего поместить в небольшой стаканчик по 5 мл 0,1 М растворов уксусной кислоты и ацетата натрия и перемешать их стеклянной палочкой.

Во втором стаканчике приготовить таким же образом аммонийную буферную смесь (NН₃·Н₂О + NH₄C1) из 0,1 М растворов аммиака и хлорида аммония.

Определить рН приготовленных растворов с помощью универсального индикатора (см. опыт 1, в). Полученные растворы сохранить для опытов 2, б, в, г.

Запись данных опыта. Записать способ приготовления буферных смесей и экспериментально установленные в них значения рН. Вычислить рН ацетатной смеси, исходя из следующих соображений. Соль CH₃COONa как сильный электролит можно считать полностью диссоциированной на ионы. Высокая концентрация СН₃СОО^--иона соли практически нацело подавляет диссоциацию слабой уксусной кислоты. Вследствие этого равновесную концентрацию недиссоциированных молекул уксусной кислоты можно считать равной ее исходной молярной концентрации:

[СН₃СООН]_равн = с_к-ты,

а концентрацию СН₃СОО^--ионов в растворе равной молярной концентрации соли:

[СН₃СОО^-]_р-р = с_соли.

Тогда константа диссоциации уксусной кислоты в буферном растворе будет иметь вид:

откуда

Логарифмируя полученное выражение и меняя знаки на обратные, получим формулу, позволяющую вычислять рН в буферных смесях из слабых кислот и их солей:

В нашем случае с_к-ты = с_соли, поэтому lg (с_к-ты/с_соли) = 0 и, следовательно, рН =

= – lg K_{дисс. к-ты}. (Значение K_{дисс. к-ты} СН₃СООН см. в табл.).

Вычислить по полученной формуле рН ацетатной буферной смеси и сравнить его с экспериментально определенным значением.

Аналогичными рассуждениями можно показать, что рН в аммонийной буферной смеси будет определяться формулой:

где рК_осн = – lg К_{дисс. осн.}

Вычислить по этой формуле рН в приготовленном буферном растворе и сравнить с найденным по универсальному индикатору. Значение К_дисс для NH₃·H₂O найти в справочнике.

б) Исследование буферных свойств ацетатного буферного раствора.

При помощи универсального индикатора определить рН дистиллированной воды. Поместить в 2 пробирки по 10 капель дистиллированной воды, в одну пробирку прибавить одну каплю 0,1 М раствора НС1, в другую — одну каплю 0,1 М раствора NaOH. Перемешать растворы чистыми палочками и вновь определить в обеих пробирках рН растворов.

В две другие пробирки поместить по 10 капель ацетатной буферной смеси, приготовленной в опыте 2, а, водородный показатель которой был Вами уже определен (или определить снова). Прибавить в одну пробирку каплю 0,1 М раствора HС1, в другую — одну каплю 0,1 М раствора NaOH, перемешать растворы стеклянными палочками и вновь определить в них рН.

Запись данных опыта. Записать полученные данные в следующем виде:

Исходный раствор	Измеренные значения рН
	в исходном растворе	после добавления HС1	После добавления NaOH
Дистиллированная вода
Ацетатная буферная смесь (CH3COOH+CH3COOHNa)

Как повлияло на величину рН добавление HС1 и NaOH к дистиллированной воде? К буферному раствору?

в) Исследование буферных свойств аммонийного буферного раствора.

Поместить в две пробирки по 10 капель приготовленной в опыте 2, а, аммонийной буферной смеси с измеренным уже водородным показателем (или измерить рН снова). В одну пробирку добавить одну каплю 0,1 М раствора НС1, в другую — одну каплю 0,1 М раствора NaOH и определить в них рН, пользуясь универсальным индикатором. Сравнить полученные значения рН с таковым исходного буферного раствора.

Повторить опыт с дистиллированной водой, измерив рН в чистой воде, в растворе, приготовленном из 10 капель дистиллированной воды и одной капли 0,1 М НС1, и в растворе, приготовленном из 10 капель дистиллированной воды и одной капли 0,1 М NaOH. Сделать вывод о влиянии добавок НС1 и NaOH к дистиллированной воде и к буферному раствору.

г) Влияние разбавления на рН буферных растворов.

В мерную колбу вместимостью 100 мл внести 1 мл ацетатной буферной смеси, приготовленной в опыте 2,а с известным уже рН (или измерить рН снова), и разбавить ее водой приблизительно в 50 раз. Для этого добавить дистиллированную воду на глаз до половины колбы, перемешать раствор встряхиванием и определить в нем рН с помощью универсального индикатора. После этого добавить дистиллированную воду до метки, т.е. разбавить буферный раствор в 100 раз, закрыть колбу пробкой, перемешать раствор и вновь определить рН. Наблюдается ли изменение рН буферного раствора при разбавлении в 50 и 100 раз? Проделать аналогичный опыт с аммонийным буферным раствором.