046 – pH

Gairebé tots els processos químics que tenen lloc a l'aigua són sensibles a com decida o bàsica és aquesta aigua. La sang es manté dins d'aproximadament una dècima d'unitat de pH de 7,4, el pH del sòl decideix quins cultius hi creixeran, i els efluents industrials es regulen pel pH abans de poder ser abocats. Mesurar el pH de manera fiable, i saber fins a quin punt es pot confiar en un mesurament determinat, és una de les habilitats més utilitzades en la química analítica.

La quantitat en si es defineix logaritmicament: pH = −log₁₀[H⁺], on [H⁺] és la concentració d'ions hidrogen en mols per litre. Com que l'escala és logarítmica, una unitat sencera representa un canvi de deu vegades en l'acidesa — una solució a pH 3 porta cent vegades més ions hidrogen que una a pH 5. L'aigua pura a 25 °C es troba a pH 7, el punt on [H⁺] i [OH⁻] són tots dos 10⁻⁷ mol/L.

Aquest laboratori utilitza tres mètodes en ordre creixent de precisió. El paper de torratge respon només si una solució és àcida o bàsica. Un indicador universal produeix un color que es pot comparar amb una taula amb una aproximació d'una unitat de pH. Un pH-metre calibrat llegeix fins a una centèsima d'unitat. Aplicareu tots tres a tres líquids desconeguts, i després dissoldreu una sal —sulfat d'amoni— i trobareu que un compost que no conté cap grup hidròxid ni cap hidrogen àcid evident dóna, tanmateix, una solució clarament àcida. Explicar el perquè és el cor analític de l'exercici.

Objectius educatius

Familiarització amb l'entorn del laboratori

• Identifica la disposició, els instruments i el flux de treball del laboratori Proteus de pH, i localitza els papers de tornassol, el gràfic d'indicadors, la placa de pous, la balança i el pHmèter abans de començar.

Ús d'equipament de protecció

• Porteu guants i protecció ocular en manipular àcids, bases i dissolucions no identificades, i reconegueu que un líquid desconegut es tracta com a perillós fins que hagi estat caracteritzat.

Triar un mètode de mesurament adequat

• Distinguiu el que cadascun dels tres mètodes pot establir: el paper de tornassol d'una resposta sí o no sobre l'acidesa, un indicador universal redueix el pH a aproximadament una unitat, i un pH-metre ofereix una lectura quantitativa d'aproximadament 0,01 unitats.
• Seleccioneu el mètode que correspongui a la pregunta que es fa, en lloc de recórrer per defecte a l'instrument més precís disponible.

Funcionament correcte d'un pH-metre

• Submergiu l'elèctrode completament, llegiu la pantalla digital un cop s'hagi estabilitzat i esbandiu-lo amb aigua destil·lada entre mostra i mostra.
• Expliqueu per què esbandir importa: el transport d'inclusivitat d'un volum petit d'una solució fortament àcida o bàsica altera la lectura següent, i l'efecte és més gran quan es passa entre extrems de l'escala.

Preparació d'una solució a partir d'un sòlid pesat

• Peseu un sòlid a la balança electrònica, transfiriu-lo sense pèrdua, dissolgueu-lo en un volum mesurat d'aigua destil·lada i remeneu fins que la solució sigui homogènia.
• Reconeixeu que una concentració només és tan bona com la pitjor de les dues mesures de les quals depèn, la massa i el volum.

Interpretació quantitativa de l'escala de pH

• Convertir entre pH i [H⁺]⁺] en ambdues direccions, i utilitzeu la relació pH + pOH = 14 a 25 °C.

Predir si un sal dissolta serà àcida, bàsica o neutra

• Identifiqueu l'àcid i la base de partença d'una sal, i utilitzeu les seves forces relatives per predir el caràcter de la solució que forma —el principi que explica el resultat del sulfat d'amoni.

Protocol

PART 1: Determina el caràcter àcid-base i el pH d'una substància líquida

1. Mesura 20 ml de la solució 1 utilitzant el tub de mesura.
2. Aboca 20 mL de la solució 1 en un vas de precipitats de 50 mL.
3. Submergeix un paper de filtrar vermell en ell.
4. Després, submergeix un paper de litmus blau.
5. Finalment, submergiu un paper indicador de pH.
6. Compara els colors obtinguts amb els disponibles al gràfic de pH.
7. Esbandiu el Cilindre graduat amb aigua destil·lada.
8. Repetiu els passos 1 a 7 amb les substàncies 2 i 3.

PART 2: Determineu el pH d'una substància líquida utilitzant un indicador universal

1. Amb el comptagotes; agafa la solució 1 del got de precipitats de 50 ml.
2. A continuació, buideu el comptagotes al pou núm. 1 de la placa de pous.
3. Afegiu una gota d'indicador universal de pH al mateix pou.
4. Remenar amb la vareta de vidre.
5. Compara el color obtingut amb els disponibles al diagrama de pH.
6. Repetiu els passos 1 a 5 amb les substàncies 2 i 3.

PART 3: Determineu amb precisió el pH d'una substància líquida

1. Submergeix el elèctrode del pH-metre al vas de precipitats que conté la solució 1.
2. Llegeix les mesures a la pantalla digital.
3. Esbandiu l'elèctrode amb aigua destil·lada.
4. Asseca l'elèctrode amb paper absorbent.
5. Repetiu els passos 1 a 4 amb les substàncies 2 i 3.

PART 4: Determineu el pH d'una substància sòlida

1. Peseu aproximadament 1,8 g de pols de sulfat d'amoni utilitzant la balança electrònica.
2. Mesura 100 mL d'aigua destil·lada utilitzant un cilindre graduat.
3. Aboqueu la pols de sulfat d'amoni pesada en un vas de precipitats de 250 ml.
4. Aboca el contingut del vas de precipitats al mateix vas de precipitats.
5. Remenar amb la vareta de vidre durant 5 segons.
6. Submergeix un paper de litmus vermell al vas de precipitats de 250 ml que conté la solució de sulfat d'amoni
7. Submergeix un paper de litmus blau al vas de precipitats de 250 ml que conté la solució de sulfat d'amoni.
8. Submergeix un paper indicador de pH al vas de precipitats de 250 ml que conté la solució de sulfat d'amoni.
9. Compara els colors obtinguts amb els disponibles al gràfic de pH.
10. Submergeix elèctrode del pH-metre en la solució de sulfat d'amoni.
11. Llegeix la mesura a la pantalla digital.
12. Esbandiu l'elèctrode amb aigua destil·lada.
13. Asseca l'elèctrode amb paper absorbent.

Resultats previstos

Les quatre solucions. Primerament, es caracteritzen tres líquids desconeguts i es prepara i mesura la solució de sulfat d'amoni a la Part 4.

Les definicions darrere dels números. El pH es defineix com a pH = −log₁₀[H⁺]. En qualsevol solució aquosa a 25 °C, les dues concentracions d'ions estan lligades pel producte iònic de l'aigua, [H⁺][OH⁻] = K_w = 1,0 × 10⁻¹⁴, a partir del qual pH + pOH = 14. L'aigua destil·lada té [H⁺] = [OH⁻] = 10⁻⁷ mol/L i per tant un pH de 7.

Solució 2, una base forta. L'hidròxid de sodi es dissocia completament, de manera que una solució 0,1 M té [OH⁻] = 0,1 mol/L directament. Llavors pOH = −log₁₀(0,1) = 1, i pH = 14 − 1 = 13. No es necessari cap càlcul d'equilibri, la qual cosa distingeix una base forta d'una de feble.

Solució 1, un àcid feble. L'àcid etanoic es dissocia només parcialment, de manera que la seva concentració sola no és suficient; també es necessita la constant de dissociació de l'àcid. Per a un àcid feble de concentració C que només està lleugerament dissociat, K_a = x²/(C − x) ≈ x²/C amb x = [H⁺], que es reordena a la forma de treball:

pH = ½(pK_a − log₁₀C)

Una solució 5 % v/v és d'uns 0,87 M, i l'àcid etanoic té pK_a = 4.76, per tant, pH = ½(4.76 + 0.06) = 2.41. Observeu com és de menys àcid que un àcid fort a la mateixa concentració: l'àcid clorhídric 0,87 M se situaria prop del pH 0,06, més de dues unitats més baix, perquè es dissocia completament.

Solució 4, per què una sal resulta àcida. El sulfat d'amoni no conté cap grup hidròxid ni cap àtom d'hidrogen que sembli òbviament àcid, tot i que la seva solució és clarament àcida. La raó és que és la sal d'un base feble i un àcid fort. En dissoldre's, allibera ions d'amoni i sulfat:

(NH₄)₂SO₄(s) → 2 NH₄⁺(aq) + SO₄²⁻(aq)

L'ió amoni és l'àcid conjugat de l'amoníac i cedeix un protó a l'aigua, NH₄⁺ → NH₃ + H⁺, amb pK_a = 9.25. L'ió sulfat és la base conjugada d'un àcid fort i és efectivament un espectador. Només l'amoni hi contribueix, i fa que la solució sigui àcida.

Cada unitat formula subministra dos ions d'amoni, de manera que 1,8 g en 100 mL donen [NH₄⁺] = 2 × (1.8 / 132.14) / 0.100 = 0,272 M. Aplicant la mateixa expressió d'àcid feble que per a la solució 1: pH = ½(9,25 − log₁₀0.272) = ½(9.25 + 0.565) = 4.91.

Com de poc realment reacciona. Aquest pH correspon a [H⁺] = 1,24 × 10⁻⁵ mol/L, la qual cosa representa només unes 45 parts per milió de l'oni d'amoni present. Menys d'un ió d'amoni de cada vint mil cedeix el seu protó —i tot i així la solució es troba a dues unitats senceres de pH de la neutralitat. Aquesta és la demostració més clara al laboratori de com és de sensible el pH: un grau de reacció gairebé indetectable desplaça la lectura molt lluny, precisament perquè l'escala és logarítmica.

Comprovació de solubilitat. La solubilitat del sulfat d'amoni és d'uns 744 g/L a temperatura ambient. Aquesta solució és només de 18 g/L, de manera que es dissol completament i no queda cap sòlid que pugui complicar el mesurament.

Resum de tasques per rang de qualificació

De 9è a 10è grau

• Enfocament l'escala de pH com a mesura de l'aciditat, i la diferència entre una prova qualitativa i una de quantitativa.
• Activitats: classificar els tres líquids desconeguts com a àcids, neutres o bàsics utilitzant paper de tornassol vermell i blau; comparar el color de l'indicador universal amb la taula; llegir el pH-metre i registrar els tres resultats l'un al costat de l'altre; observar que la solució de sulfat d'amoni és àcida tot i ser una sal, i descriure l'observació sense explicar-la encara.

11è curs

• Enfocament tractament quantitatiu de l'escala i la distinció entre electròlits forts i febles.
• Activitats: convertiu cada pH mesurat en una concentració d'ions hidrogen i a la inversa; utilitzeu pH + pOH = 14 per obtenir el pH de 0,1 M d'hidròxid de sodi a partir dels principis bàsics i compareu-lo amb el del mesurador; expliqueu per què la mateixa concentració d'un àcid fort i un de feble donen valors de pH molt diferents; compareu la precisió dels tres mètodes i indiqueu quin és adequat per a cada propòsit.

12è curs / Nivell universitari

• Enfocament equilibri d'àcid feble, hidròlisi de sals i els límits d'una suposició simplificadora.
• Activitats: derivar pH = ½(pK_a − log C) a partir de K_a = x²/(C − x) i indiqueu l'aproximació en què es basa; prediu el pH de la solució de sulfat d'amoni abans de mesurar-lo, incloent-hi el factor de dos dels dos ions amoni per unitat fórmula; calculeu la fracció d'amoni que es dissol i commenteu què implica el resultat sobre la sensibilitat d'una escala logarítmica; discuteu si tractar el sulfat com a espectador està justificat, i estimeu la direcció i la mida de l'error introduït per aquesta suposició.

Equipament de laboratori

Instruments

• Vasos de precipitats (50 mL i 250 mL)
• Placa de pous
• Gotes
• Balança electrònica
• Barra de vidre
• Provetes graduades (25 mL i 100 mL)
• Espàtula
• Mesurador de pH
• taula de colors de pH
• Paper de tornassol vermell
• Paper de tornassol blau
• paper indicador de pH
• Paper de cuina
• Guants i protecció ocular

Productes

• Sulfat d'amoni (pols)
• Indicador de pH universal (líquid)
• Aigua destil·lada
• Líquid desconegut #1 — àcid etanoic 5 % v/v
• Líquid desconegut #2 — hidròxid de sodi 0,1 M
• Líquid desconegut #3 — aigua destil·lada