Лабораторная работа 4.

Измерение кислотности среды

С помощью датчика рН

Цель работы: исследовать характер изменения кислотности среды различных растворов с помощью датчика рН

Общая информация

Одно из важнейших свойств водных растворов – их кислотность (или щелочность), которая определяется концентрацией ионов Н⁺ и ОН^-. Концентрации этих ионов в водных растворах связаны простой зависимостью [H⁺][OH^-] = К_w. Величина K_w называется ионным произведением воды и при данной температуре постоянна. Чаще всего пользуются значением Kw при 25°С, которое равно 1,00*10^–14. В абсолютно чистой воде, не содержащей даже растворенных газов, концентрации ионов Н⁺ и OH^- равны (раствор нейтрален). В других случаях эти концентрации не совпадают: в кислых растворах преобладают ионы Н+, в щелочных – ионы OH^-. Но их произведение в любых водных растворах постоянно. Поэтому если увеличить концентрацию одного из этих ионов, то концентрация другого иона уменьшится во столько же раз. Так, в слабом растворе кислоты, в котором [H⁺] = 10^–5 моль/л, [OH^-] = 10^–9 моль/л, а их произведение по-прежнему равно 10^–14.

Из сказанного следует, что можно однозначно выразить кислотность раствора, указав концентрацию в нем только ионов водорода. Например, в чистой воде [H⁺] = 10^–7 моль/л. На практике оперировать такими числами неудобно. Кроме того, концентрации ионов Н⁺ в растворах могут отличаться в сотни триллионов раз – примерно от 10^–15 моль/л (крепкие растворы щелочей) до 10 моль/л (концентрированная соляная кислота), что невозможно изобразить ни на каком графике, поэтому используется показатель степени.

Этот показатель степени получил название водородного показателя, а сокращенно рН – от обозначения водорода и немецкого слова Potenz – математическая степень. Таким образом, по определению, рН = –lg[Н⁺]; эта величина может изменяться в небольших пределах – всего от –1 до 15 (а чаще – от 0 до 14). При этом изменению концентрации ионов Н⁺ в 10 раз соответствует изменение рН на одну единицу.

Датчик рН

Прибор находится в яйцеобразном пластиковом корпусе и снабжен электродом для измерения концентрации ионов Н⁺, а также системой температурной компенсации. Для осуществления температурной компенсации к регистратору следует подключить вместе с рН-метром датчик температуры. Термокомпенсация в pH-метре вносит поправку на изменение характеристик электрода от температуры, с тем, чтобы прибор правильно рассчитал значение pH для текущей температуры, если она отличается от той, при которой выполнялась градуировка (расчет проводится автоматически и учитывается при получении итогового значения рН. От исследователя на данной стадии вмешательства не требуется).

Принцип действия: внутри рН-метра имеются две полуячейки. Одна из них содержит элемент сравнения с известной концентрацией ионов водорода Н⁺. Другая, расположенная на дне электрода, является Н⁺-чувствительной стеклянной мембраной (рН = -log (Н⁺)). Разность потенциалов между двумя полуячейками представляет собой выходной сигнал электрода, который несет информацию о значении рН анализируемого раствора. В корпусе прибора этот сигнал преобразуется с помощью усилителя и подстроечного конденсатора в напряжение в диапазоне 0-5 В, воспринимаемое аналого-цифровым преобразователем устройства регистрации и сбора данных и хранится в его памяти, а затем может быть передан на КПК или ПК. При измерении рН чувствительный элемент электрода должен быть погружен в раствор. Датчик хрупок, поэтому им нельзя ничего перемешивать!

Теxнические xарактеристики:

• Диапазон измерений 0-14 рН

• Рабочий диапазон температур 0-100 °С

• Погрешность измерений 2% во всем диапазоне измерения

Лабораторная работа 1.

«Отработка экспериментальных навыков обращения с датчиком рН»

Задание 1. Измерение рН исследуемого раствора

«Измерение рН 0,1 М раствора гидроксида натрия»

Оборудование

• Датчик рН

• Электрод для измерения рН

• Соединительный провод для датчика

• Датчик температуры для термокомпенсации

• Nova

• Магнитная мешалка

• Химический стакан на 150 мл, 2 шт.

• NaOH 0,1 М раствор 50 мл

Монтаж экспериментальной установки

Соберите прибор в соответствии с инструкцией:

1. Закрепите электрод в штативе и подсоедините к датчику рН.

2. Подключите датчик рН к Nova.

3. Подключите датчик температуры к Nova

4. Опустите электрод и датчик температуры в стакан с водой.

5. Включите Nova и запустите программу MultiLab двойным щелчком мыши на иконке программы (MultiLab)

6. В программе MultiLab установите параметры измерений при помощи кнопки Настройка

Настройка параметров измерения

• частота измерений – каждую секунду

• число замеров - 2000

Порядок проведения эксперимента:

1. Налейте в стакан 50 мл 0,1 М раствора гидроксида натрия

2. Поставьте стакан на магнитную мешалку (если мешалка отсутствует, необходимо перемешивать раствор вручную)

3. Опустите в стакан с исследуемым раствором стеклянный электрод, подсоединенный к датчику рН.

4. Поместите в стакан с исследуемым раствором датчик температуры для температурной компенсации.

5. Включите магнитную мешалку.

6. Начинайте регистрацию данных. Для этого нажмите кнопку Пуск на панели инструментов MultiLab. Показания датчиков будут отображаться на экране в виде графика.

7. Дождитесь стабилизации показаний датчика.

8. Остановите регистрацию, нажав кнопку Стоп на панели инструментов MultiLab.

9. Сохраните данные опыта, запишите значение рН в исследуемом растворе.