050 – Conductivitat i pH

Classificar un líquid desconegut en àcid, base o sal és el primer que fa un analista amb ell, i les tres proves que s'hi utilitzen són les més antigues de l'ofici. Un parell de papers de torratxa no costa gairebé res i respon a la pregunta en qüestió de segons. Una bombeta connectada en sèrie amb dos elèctrodes submergits en el líquid mostra si el líquid transporta ions o no. Una tira de magnesi fa efervescència en un àcid i roman inerta en tot allò altre. Entre totes elles, aquestes proves separen una sal d'un àcid i d'una base sense una sola lectura d'instrument, la qual cosa explica per què continuen sobrevivint tant en els estris de camp per a la qualitat de l'aigua com als laboratoris escolars.

El que respon a les tres proves és diferent en cada cas, i aquesta és la gràcia de fer-les totes tres. El tornassol és un colorant el color del qual depèn del pH, de manera que informa sobre la concentració d'hidroni. La bombeta respon als ions mòbils, i cada compost iònic soluble els subministra tant si és àcid, bàsic com neutre —per tant, la conductivitat separa les dissolucions iòniques de les moleculars, no els àcids de les bases—. El magnesi només respon a l'ió hidroni, essent oxidat a Mg²⁺ mentre H₃O⁺ es redueix a gas hidrogen. Tres proves, tres preguntes diferents; només la seva combinació identifica una solució.

En aquest laboratori, fareu les tres proves amb clorur de sodi, àcid clorhídric i hidròxid de sodi 0,1 mol/l, i hi registrareu la conductivitat, els dos colors del paper de torrat, la lectura del paper indicador de pH i el resultat amb magnesi per a cadascun. Després, preparareu quatre dissolucions d'àcid clorhídric 1 mol/l —10 ml arasats a 30 ml, a 60 ml i a 100 ml, i 1 ml arasat a 100 ml— i mesurareu el pH de les cinc solucions àcides amb un pH-metre. La segona part converteix l'escala de pH aproximada de la primera part en una de quantitativa, i demostra que el pH d'un àcid fort no és res més que el logaritme de com s'ha diluït.

Objectius educatius

Classificació d'una solució a partir de l'evidència

• Classifiqueu una solució desconeguda com a àcid, base o sal neutra utilitzant l'evidència combinada del tornassol, el paper de pH, la conductivitat i la reacció amb el magnesi.
• Expliqueu quines de les quatre proves discrimina realment entre les tres classes i quina no, i per què.

Manipulació dels instruments

• Feu funcionar un detector de conductivitat elèctrica i esbandiu i assequeu els elèctrodes entre solució i solució de manera que cap rastre del líquid anterior pugui encendre la bombeta.
• Llegeix un paper indicador de pH segons la seva escala de colors i un mesurador de pH a la seva pantalla, i indica quin dels dos és més precís i per quant.

Paper de torratxell i paper de pH com a indicadors

• Descriviu el tornassol com un colorant amb un interval de transició d'aproximadament pH 4,5 a 8,3 i expliqueu per què dos papers sense canvi són un resultat positiu en lloc d'una prova fallida.
• Distinguiu un paper de tint únic, que proporciona un interval, d'un paper universal, que proporciona un valor aproximat.

Conductivitat i ions dissoltos

• La conducció en solució es produeix mitjançant la migracions d'ions lliures que actuen com a portadors de càrrega elèctrica quan s'aplica un camp elèctric. El fet que les tres solucions 0.1 mol/L encenguin la bombeta s'explica perquè totes elles contenen una concentració suficient d'ions mòbils per tancar el circuit elèctric, independentment del grau de dissociació de l'solut.
• Predigueu quin dels tres conduiria millor si el detector informés d'un nombre en lloc d'engegar una bombeta, i justifiqueu la predicció a partir de les mobilitats iòniques.

La dilució i l'escala logarítmica de pH

• Calculeu la concentració d'una dissolució després de la dilució, en mol/L i en g/L, i prepareu-la correctament amb un proveta graduada.
• Demostreu que per a un àcid monopròtic fort l'augment del pH equival al logaritme en base deu del factor de dilució, i utilitzeu això per predir un pH abans de mesurar-lo.

Seguretat i eliminació

• Manipula l'àcid clorhídric 1 mol/L i l'hidròxid de sodi 0,1 mol/L amb guants i protecció ocular, i sap quina de les dues substàncies causa la lesió ocular més greu.
• Recolliu el hidrogen desprès del magnesi lluny de qualsevol flama, i allibereu totes les solucions al contenidor de recuperació.

Protocol

Part A: Les propietats dels àcids, les bases i les sals

1. Encén el detector de conductivitat elèctrica (ECD).
2. Aboca 10 mL de la solució de NaCl 0,1 M al vas de precipitats A.
3. Netegeu els elèctrodes de l'ECD amb aigua destil·lada i eixugueu-los amb paper absorbent.
4. Submergeix els elèctrodes en la solució A. Observa si el llum s'encén o no i enregistra el resultat a la taula de resultats.
5. Repetiu els passos 2 a 4 amb les solucions de HCl 0,1M i NaOH 0,1M, amb els gots B i C.
6. Submergeix un tros de paper de litmus blau i un tros de paper de litmus vermell en la solució A. Anota els colors obtinguts a la taula de resultats.
7. Submergeix un tros de paper de pH en la solució A i avalua el pH utilitzant la escala de colors. Anota el pH a la taula de resultats.
8. Repetiu els passos 6 i 7 amb les solucions B i C.
9. Poseu una cinta de magnesi a la solució A i registreu les observacions a la taula de resultats.
10. Repeteix el pas 9 amb les solucions B i C

Part B: La concentració d'una solució àcida i el seu pH

1. Aboca 10 mL de la solució 1M de HCl al matràs aforat de 100 mL.
2. Afegiu aigua destil·lada fins a la marca de 30 ml.
3. Aboca el contingut del cilindre dins del vas de precipitats de 100 mL identificat amb el número 1.
4. Aboca 10 mL de la solució 1M de HCl al matràs aforat de 100 mL.
5. Afegiu aigua destil·lada fins a la marca de 60 ml.
6. Aboca el contingut del cilindre dins del vas de precipitats de 100 ml identificat amb el número 2.
7. Aboca 10 mL de la solució 1M de HCl al matràs aforat de 100 mL.
8. Afegiu aigua destil·lada fins a la marca de 100 mL.
9. Aboca el contingut del cilindre dins del got de precipitats de 100 ml identificat amb el número 3.
10. Aboca 1 mL de la solució 1M de HCl al tub d'assaig graduat de 10 mL. Després, aboca la solució al tub d'assaig graduat de 100 mL.
11. Afegiu aigua destil·lada fins a la marca de 100 mL.
12. Aboqueu el contingut del cilindre al vas de precipitats de 100 ml identificat amb el número 4.
13. Mesura el pH de la solució de HCl 1M i de les solucions 1 a 4 utilitzant el pH-metre. Anota els resultats a la taula de resultats.
14. No oblidis esbandir el pH metres amb aigua destil·lada i eixugar-lo amb paper, entre mesures.

Resultats previstos

Part A — les propietats dels àcids, les bases i els sals. Totes tres solucions són 0,1 mol/L i totes tres són electròlits forts, de manera que totes tres encenen la bombeta. El que les separa és el tornassol, el paper de pH i el magnesi.

Per què la sal no altera cap dels dos papers. El paper de tornassol canvia de color aproximadament entre el pH 4.5 i el 8.3, de manera que només pot indicar “per sota de 4.5” o “per damunt de 8.3”. El clorur de sodi es dissol en Na⁺ i Cl⁻, els conjugats d'una base forta i un àcid fort respectivament, i cap dels dos pren un protó de l'aigua ni li'n dóna un. Per tant, la solució es manté a pH 7, tots dos papers mantenen el seu color original i aquest parell de no-esdeveniments és la identificació positiva d'una sal neutra.

Per què els tres condueixen. La conducció requereix ions lliures per migrar, i cadascun dels tres compostos està completament dissociat a 0,1 mol/L, donant 0,2 mol/L d'ions en cada vas de precipitats. Per tant, la bombeta s'encén en tots tres, i un estudiant que espera que només l'acid condueixi ha confós “iònic” amb “àcid”. No obstant això, els tres no són igualment bons conductors, i aquest és l'únic lloc on la bombeta amaga quelcom interessant.

Per què només l'àcid ataca el magnesi. El magnesi s'oxida i l'hidroni es redueix: Mg(s) + 2 H₃O⁺ → Mg²⁺ + H₂(g) + 2 H₂O, o en la forma que s'escriu habitualment, Mg + 2 HCl → MgCl₂ + H₂. La força impulsora és gran: E° per a Mg²⁺El Mg és de −2.37 V enfront de 0.00 V per al parell d'hidrogen, de manera que el potencial de la cel·la és de +2.37 V i la reacció és prou ràpida per veure's com un corrent de bombolles. A la solució salina no hi ha cap agent oxidant més fort que l'aigua, i a l'hidròxid de sodi el metall està protegit per una pel·lícula adherent de Mg(OH)₂ insoluble.₂; tots dos es registren com a sense reacció. Les bombolles del vas de precipitats B són hidrogen, i són l'únic gas produït enlloc d'aquest laboratori.

Part B — concentració i pH. Es fan quatre dilucions a partir de la mateixa solució mare d'1 mol/L, la concentració màssica de la qual és 1,00 mol/L × 36,46 g/mol = 36,5 g/L. Cada dilució compleix C_dV_d = C_nV_n, així doncs, C_n = C_dV_d/V_n. Per a la solució 1, C₁ = 36,5 g/L × 10 mL / 30 mL = 12,2 g/L, i la mateixa substitució dóna la resta.

El pH d'un àcid fort és el logaritme de la seva dilució. L'àcid clorhídric s'ionitza completament, de manera que [H₃O⁺] equival a la concentració preparada i pH = −log C. Dividint la concentració per un factor f per tant, eleva el pH en log f, i res més. Aquesta única afirmació explica cada fila de la taula: log 3 = 0,48, log 6 = 0,78, log 10 = 1,00 i log 100 = 2,00, que són els quatre valors de pH sense cap altre càlcul addicional. També explica per què els passos d'aquesta sèrie són irregulars mentre que els del laboratori 048 són tots iguals; aquí els factors de dilució són 3, 6, 10 i 100, i no un deu constant.

Llegir l'escala a l'inrevés. Com que l'escala és logarítmica, una unitat de pH representa un factor de deu en [H₃O⁺]: la solució 4 a pH 2,00 té una centèsima part de la concentració d'hidroni de la solució mare a pH 0,00, i una desena part de la de la solució 3. Anant a l'inrevés, [H₃O⁺] = 10^−pH, de manera que una lectura de 0,78 correspon a 10^−0,78 = 0.166 mol/L, la qual cosa recupera la concentració de la solució 2 a tres xifres significatives. Poder fer el càlcul en ambdues direccions és el que fa que el mesurador de pH sigui un instrument de mesura de la concentració en lloc d'una comparació de colors.

Resum de tasques per rang de qualificació

De 9è a 10è grau

Enfocament executant quatre proves amb cura i descrivint què mostra cadascuna.

Activitats: completeu la taula de la Part A per a les tres solucions a partir de l'observació directa; indiqueu quina solució és l'àcid, quina la base i quina la sal, i anomeneu la prova única que va decidir cadascuna; expliqueu per què es va encendre la bombeta per a les tres; escriviu l'equació de paraules per a la reacció del magnesi amb l'àcid clorhídric i anomeneu el gas; prepareu les quatre dilucions i col·loqueu les cinc lectures de pH en ordre, tenint en compte que com més diluït sigui l'àcid, més alt serà el pH.

11è curs

Enfocament l'aritmètica de la dilució i d'una escala logarítmica.

Activitats: calculeu la concentració de cadascuna de les quatre dilucions a partir de C_dV_d = C_nV_n, tant en mol/L com en g/L, mostrant la substitució; prediure cada pH com a −log C abans de mesurar-lo i comparar-lo amb el mesurador; convertir cada pH mesurat de nou a una concentració d'hidroni; demostrar que l'augment del pH equival al logaritme del factor de dilució per a les quatre solucions; ajustar la reacció del magnesi i calcular el volum d'hidrogen que a theoria donaria una cinta de 0,10 g a la temperatura i pressió ambientals.

12è curs / Nivell universitari

Enfocament mecanisme, precisió i els límits de cada mètode.

Activitats: explicar la conductivitat molar anòmalament alta d'H₃O⁺ i OH⁻ pel que fa a la transferència de protons entre molècules d'aigua, i predir la relació de conductivitats de les tres solucions; expliqueu quantitativament el pH de la solució de clorur de sodi utilitzant $K$_w i l'absència d'hidròlisi; estimeu el coeficient d'activitat necessari per reconciliar un pH mesurat de 0,1 amb una solució mare d'1 mol/L i comenteu la direcció de la desviació; identifiqueu les dues lectures de pHmetre que no coincideixen amb −log C i quantifiqueu la discrepància; proposeu un control que faci que la prova de conductivitat sigui discriminant i prediu-ne el resultat; discusseu per què el tornassol, el paper de pH i un elèctrode de vidre difereixen en precisió aproximadament en un ordre de magnitud a cada pas.

Equipament de laboratori

Instruments

• Detector de conductivitat elèctrica (DCE), amb bombeta i elèctrodes
• Mesurador de pH
• Pinces
• Paper absorbent
• Cilindre graduat (100 mL)
• Proveta graduada (10 mL)
• Vasos de precipitats de 50 mL (3, etiquetats com a A, B i C)
• Vasos de precipitats de 100 mL (4, numerats de l'1 al 4)
• Provetes de solució mare (4, al banc de reactius)
• Paper de tornassol blau i vermell
• Paper indicador universal de pH amb escala de colors
• Paperera de reciclatge

Productes

• NaCl 0,1 mol/L (solució)
• HCl 0,1 mol/L (solució)
• NaOH 0,1 mol/L (dissolució)
• HCl 1,0 mol/L (solució, 36,5 g/L)
• Cintes de magnesi
• Aigua destil·lada