Роль pH в химии и биологии

Кислотность среды имеет большое значение для множества химических процессов, и возможность протекания или результат той или иной реакции часто зависит от pH среды. Для поддержания определенного значения pH в реакционной системе при проведении лабораторных исследований или на производстве применяют буферные растворы, которые позволяют сохранять практически постоянное значение pH при разбавлении или при добавлении в раствор небольших количеств кислоты или щелочи.

Водородный показатель pH широко используется для характеристики кислотно-основных свойств различных биологических сред.

Кислотность реакционной среды особое значение имеет для биохимических реакций, протекающих в живых системах. Концентрация в растворе ионов водорода часто оказывает влияние на физико-химические свойства и биологическую активность белков и нуклеиновых кислот, поэтому для нормального функционирования организма поддержание кислотно-основного гомеостаза является задачей исключительной важности. Динамическое поддержание оптимального pH биологических жидкостей достигается благодаря действию буферных систем организма.

Кислотность природных вод с рН более чем 4,5 зависит в основном от содержания двуокиси углерода и в некоторых случаях от присутствия гуминовых и других слабых органических кислот. Если рН воды менее чем 4,5, в ней содержатся также сильные кислоты и соли сильных кислот и слабых оснований.

Различают следующие виды кислотности.

1. Общая кислотность – эквивалентна расходу сильного основания (например, NaOH) на реакцию с сильными и слабыми кислотами (включая CO₂) при доведении рН раствора до 8,3.

2. Свободная кислотность - эквивалентна расходу сильного основания (например, NaOH) на реакцию только с сильными кислотами при доведении рН от величины менее 4,5 до рН = 4,5.

3. Кислотность, зависящая от слабых нелетучих кислот (гуминовых и др.) Концентрация их эквивалентна расходу сильного основания на титрование пробы воды после удаления с нее свободной двуокиси углерода, от рН 4,5 до рН 8,3.

4. Свободная двуокись углерода. содержание ее равно общей кислотности, за вычетом свободной кислотности и кислотности, зависящей от гуминовой и других нелетучих кислот (при наличии в воде свободного сероводорода вычитается также его концентрация).

5. Агрессивная двуокись углерода - часть свободной двуокиси углерода, свободная растворять карбонат кальция.

Определение всех видов кислотности производят титрованием проб воды растворами сильных оснований.

Под общей щелочностью воды понимают сумму содержащихся в ней анионов гидрокарбонатных, карбонатных и других слабых кислот, реагирующих с соляной или с серной кислотой с образованием хлоридов или сульфатов.

Щелочность природных вод зависит в основном от содержания солей угольной кислоты.

Определение щелочности необходимо проводить непосредственно после отбора воды, не позднее чем через 24 часа, причем воду необходимо хранить в сосуде, заполненном до пробки.

Ход выполнения

1. Определение общей кислотности. К 100 мл исследуемой воды добавляют 5 - 10 капель раствора фенолфталеина и титруют 0,1 н. раствором NаОН до появления слаборозового окрашивания, не исчезающего в течение 2…3 мин, контролируя повышение величины рН раствора. Заканчивается титрование при рН - 8,3.

Расчет. Свободную кислотность К_об в мг-экв/л вычисляют по формуле

К_об=,

где - объем раствора NаОН, который пошел на титрование, мл;

- нормальная концентрация щелочи;

- объем пробы исследуемой воды;

1000 - коэффициент для пересчета в мгэкв/л.

2. Определение общей щелочности. Общую щелочность определяют титрованием исследуемой пробы раствором соляной или серной кислоты до перехода окраски индикатора метилового оранжевого. Титрование можно проводить без индикатора, контролируя снижение значения рН раствора, заканчивается титрование при рН = 4,5.

При титровании имеют место следующие реакции с гидроксильными, карбонатными и гидрокарбонатными ионами:

ОН^- + Н⁺ = Н₂О

СО₃^2- + 2Н⁺ = СО₂ + Н₂О

НСО₃^- + Н⁺ = СО₂ + Н₂О

Эти реакции завершаются при рН = 4,5. 100 мл исследуемой воды отмеривают мерным цилиндром и переносят в коническую колбу, добавляют 3 капли раствора метилового оранжевого и титруют 0,1 н. раствором кислоты до перехода окраски индикатора с желтой в золотисто-розовую. Можно проводить титрование без индикатора, контролируя величину рН титруемого раствора, заканчивают титрование при рН = 4,5.

Расчет. Общую щелочность (Щ) в мг экв/л вычисляют по формуле

,

где - объем кислоты, который пошел на титрование, мл;

- нормальная концентрация кислоты;

- объем пробы воды, взятый для анализа;

1000 - коэффициент для пересчета в мгэкв/л.

3. Измерение рН. Перед началом измерения электрод промывают дистиллированной водой, затем исследуемой водой и лишь потом погружают в анализируемую пробу. Пробу следует предварительно тщательно перемешать, чтобы ее состав непосредственно у поверхности электрода соответствовал общему ее составу. Температуру пробы определением не устанавливают. Измеряемую величину потенциала стеклянного электрода в милливольтах или прямо в единицах рН. Метод измерения зависит от типа применяемого прибора и указывается в приложенных к нему инструкциях.

Если прибор имеет шкалу только в милливольтах, то необходимо произвести калибровку измерительных электродов с помощью буферных растворов с известным значением рН. Строят график зависимости найденных значений потенциалов от величины рН использованных буферных растворов.

Задание: произвести поочередно измерение рН обессоленной, водопроводной и морской воды, а также контрольного раствора (раствора с неизвестным значением рН).

Порядок измерения следующий:

• убрать бюкс со стандартным буферным раствором с поворотного столика и сразу же закрыть бюкс крышкой;

• тщательно промыть электроды многократным погружением в стаканчик с дистиллированной водой;

• удалить избыток дистиллированной воды с электродов фильтровальной бумагой;

• установить переключатель «Пределы измерений» в положение «2÷14»;

• налить в стаканчик первый раствор, рН которого необходимо измерить, и погрузить в него электроды так, чтобы весь шарик стеклянного электрода был полностью погружен в раствор;

• по шкале «2÷14» оценить величину рН раствора и установить соответствующий предел измерений переключателем пределов измерений;

• после того, как показания прибора примут установившееся значение, следует произвести отсчет величины рН. Обычно время установления показаний не превышает 1…2 мин;

• ополоснуть стаканчик дистиллированной водой и залить следующий раствор;

• на основании полученных результатов сделать выводы о кислотно-щелочных характеристиках исследуемых растворов;

• определив значение рН исследуемых растворов, используя формулы (1) – (3) рассчитать концентрацию ионов водорода и гидроксид ионов.

Результаты всех измерений записать в таблицу.

Таблица

№ п/п	Наименование раствора	Концентрация моль/л		Величина рН	Кислотность, мгэкв/л	Щелочность, мгэкв/л	V(NaOH), который пошел на титрование, мл	V(кислоты), который пошел на титрование, мл
		Сн+	Сон-
1
2
3
4