Определение рН воды

Цель работы: изучить работу рН–метра, ознакомиться с методикой определения рН воды

Степень кислотности и щелочности воды определяется соотношением концентрации водородных– и гидроксид–ионов. Чистая вода – очень слабый электролит (удельная электропроводность при +25⁰С 6,2*10^-8 Ом^-1* см.^-1).

H₂O H⁺+OH^-

По закону действия масс, диссоциация воды, как процесс обратимый, характеризуется константой диссоциации

При наличии в воде растворенных солей (при концентрации более 250 мг/л) следует в это выражение подставить активные концентрации (а) ионов H⁺ и ОH^–-:

Концентрацию недиссоциированных молекул Н₂О можно принять за постоянную величину, так как при +22⁰С в 1 л из 55,56 молей Н₂О диссоциирует только 1*10^-7 моля, т.е. чрезвычайно мало. Перенеся [ Н₂О ] в левую часть равенства, получим:

Произведение К·[Н₂О] при определенной температуре есть величина постоянная. Она называется константой воды (К_в) или ионным произведением воды.

Подставив численные значения К и Н₂О, получим:

В чистой воде [Н⁺]·[ОН^-]=1·10^-7 (22⁰С).

Таким образом, как бы не менялись концентрации Н⁺ и ОН^–, произведение их всегда будет постоянной величиной. При равенстве концентрации ионов Н⁺ и ОН^– раствор нейтральный. Если концентрация Н⁺ -ионов больше 1*10^-7, то среда кислая. Наоборот, при увеличении концентрации ОН^- ионов содержание Н⁺ становится меньше 1*10^-7, раствор щелочной.

Так как между концентрациями Н⁺ и ОН^- - ионов существует обратная зависимость, то реакция среды характеризуется обычно концентрацией Н⁺- ионов. Чтобы не оперировать с дробными числами, вместо концентрации Н⁺- ионов пользуются ее отрицательным логарифмом – водородным показателем рН:

Отсюда, растворы с рН = 7 имеют нейтральную реакцию, при рН > 7 – щелочную и при рН < 7 - кислую. рН – важный показатель при химическом анализе воды. Для характеристики природных и сточных вод не меньшее значение имеет гидроксидный показатель рОН:

.

а) Колориметрический метод определения рН.

Метод основан на изменении окраски индикаторов в зависимости от концентрации ионов водорода. Использующиеся при этом индикаторы – слабые кислоты, у которых окраска недиссоциированных молекул иная, чем анионов, образующихся при диссоциации.

При значительной концентрации Н⁺ -ионов в растворе диссоциация слабой кислоты уменьшается (действие одноименного иона), и окраску раствору придают молекулы индикатора. В щелочной среде – при незначительной концентрации Н⁺ -ионов степень диссоциации слабой кислоты увеличивается, и окраску раствору придают анионы индикатора.

Окраска индикатора меняется в определенном интервале рН. Подобрав индикаторы, можно получить шкалу для измерения рН из растворов с заранее известным рН. Прибавляя определенное количество индикатора к исследуемому раствору и сравнивая полученную окраску с эталонными растворами, можно определить рН с точностью до 0,1.

рН колориметрическим методом измеряют, сравнивая окраску исследуемого раствора в присутствии индикатора с окраской растворов в эталонных ампулах шкалы.

Приближенно значение рН определяется с помощью универсальной индикаторной бумаги, которая изменяет окраску в зависимости от концентрации ионов водорода. При значительной мутности воды колориметрический метод неприменим.

б) Потенциометрический метод определения рН.

Активную концентрацию ионов водорода и рН точно определяют потенциометрически. В основу метода положено измерение электродвижущей силы (э.д.с.) концентрационной цепи, состоящей из двух электродов. Потенциал любого электрода можно вычислить по формуле Нернста, зная величину стандартного электродного потенциала Е₀ и концентрацию ионов в растворе (активность):

,

где R – газовая постоянная, 8,313 Дж.град^-1.моль^-1;

Т – абсолютная температура, ⁰К,

F – число Фарадея, 96494 К.

Э.д.с. гальванического элемента равна:

.

Подставив вместо Е₁ и Е₂ их значения и пользуясь вышеприведенной формулой, для ионов с одинаковой степенью окисления (n₁=n₂) получим:

.

В качестве электрода с нулевым потенциалом условно применяют водородный электрод (платиновая пластинка, покрытая слоем губчатой платины и насыщенная водородом при 101,325 кПа и 20⁰С).

Стандартный электродный потенциал отрицательный (Е₀ < 0), если в присутствии водорода на нем происходит окислением, и положительный (Е₀>0), когда на нем происходит восстановление.

В практике водородный электрод сравнения часто заменяют простым в обращении хлорсеребряным, имеющим устойчивый потенциал.

рН определяют со следующими парами электродов: хлорсеребряный и стеклянный; хлорсеребряный и платиновый.

Потенциал стеклянного электрода находится в линейной зависимости от рН при значительном изменении концентрации Н⁺ - ионов,

,

где Е_{0 ст.эл.} – нормальный потенциал стеклянного электрода, В;

а_Н – активность

где f - коэффициент активности;

С – концентрация ионов водорода. Тогда

Зная, что получим:

Точно определить Е_ст.эл. на практике не удается, так как при этом получаются меньшие значения, подверженные колебаниям в зависимости от сорта стекла, температуры, состава электрода. Поэтому перед определением рН исследуемого раствора, стеклянный электрод калибруют по буферным растворам с известным рН.

При определении рН используются потенциометры различных типов. Наиболее распространен сейчас в лабораторной практике универсальный рН–метр рН 410.

4.1. Определение рН воды.

Приборы, реактивы

1) рН – метр лабораторный.

Ход работы. В химический стакан емкостью 100 мл отмерить 50 мл исследуемой воды. В стакан опустить электроды и провести определение рН исследуемой воды. По полученным результатам сделать вывод о среде исследуемых растворов.

Вопросы к отчету лабораторной работы № 4

1) Что такое рН воды? Чем обеспечивается? Величина рН природных вод.

2) Колориметрический метод определения рН воды.

3) Метод буферного определения рН.

4) Потенциометрический метод определения рН воды.

5) Безиндикаторные методы определения рН. Потенциометрическое титрование.

6) Безиндикаторные методы определения рН. Кондуктрометрическое титрование.

7) Что такое буферные растворы и каковы их свойства?

8) В чем состоит значение рН как важного технологического показателя контроля водоподготовки?

Лабораторная работа №5