046 – pH

Téměř každý chemický proces probíhající ve vodě je citlivý na to, jak je tato voda kyselá nebo zásaditá. Krev je udržována v rozmezí zhruba jedné desetiny jednotky pH kolem hodnoty 7,4, pH půdy určuje, které plodiny porostou, a průmyslové odpadní vody jsou regulovány podle pH, než mohou být vypuštěny. Spolehlivé měření pH a schopnost odhadnout, jak moc lze danému měření věřit, patří k nejpoužívanějším dovednostem v analytické chemii.

Samotná veličina je definována logaritmicky: pH = −log₁₀[H⁺], kde [H⁺] je koncentrace vodíkových iontů v molech na litr. Jelikož je stupnice logaritmická, představuje jedna celá jednotka desetinásobnou změnu kyselosti — roztok o pH 3 obsahuje stokrát více vodíkových iontů než roztok o pH 5. Čistá voda při teplotě 25 °C má pH 7, což je bod, kde [H⁺] a [OH⁻] jsou oba 10⁻⁷ mol/l.

Tato laboratoř využívá tři metody v sestupném pořadí podle přesnosti. Lakmusový papírek odpoví pouze na to, zda je roztok kyselý, nebo zásaditý. Univerzální indikátor vytváří barvu, kterou lze porovnat s tabulkou s přesností na přibližně jednu jednotku pH. Kalibrovaný pH metr měří s přesností na setinu jednotky. Všechny tři metody aplikujete na tři neznámé kapaliny, poté rozpustíte sůl – síran amonný – a zjistíte, že sloučenina neobsahující hydroxidovou skupinu ani zjevný kyselý vodík přesto poskytuje zřetelně kyselý roztok. Vysvětlení proč je analytickým jádrem tohoto cvičení.

Vzdělávací cíle

Seznámení s laboratorním prostředím

• Před zahájením práce si prostudujte uspořádání laboratoře Proteus pro měření pH, seznámte se s přístroji a postupem práce a najděte lakmusové papírky, tabulku indikátorů, mikrotitrační destičku, váhu a pH metr.

Použití ochranných prostředků

• Při manipulaci se kyselinami, zásadami a neidentifikovanými roztoky používejte rukavice a ochranu očí a uvědomte si, že s neznámou kapalinou se zachází jako s nebezpečnou, dokud není charakterizována.

Výběr vhodné měřicí metody

• Rozbraňte, co každá ze tří metod dokáže stanovit: lakmus poskytuje odpověď ano/ne ohledně kyselosti, univerzální indikátor zužuje pH na přibližně jednu jednotku a pH metr poskytuje kvantitativní údaj s přesností na přibližně 0,01 jednotky.
• Vyberte metodu, která odpovídá položené otázce, a nevybírejte automaticky nejpřesnější dostupný nástroj.

Správný provoz pH metru

• Elektrodu ponořte zcela do roztoku, po ustálení hodnoty odečtěte hodnotu z digitálního displeje a mezi jednotlivými vzorky ji opláchněte destilovanou vodou.
• Vysvětlení, proč záleží na oplachování: přenesení i malého objemu silně kyselého nebo zásaditého roztoku posune následující měření, přičemž tento vliv je největší při přechodu mezi extrémy stupnice.

Příprava roztoku z vážené pevné látky

• Zvažte pevnou látku na elektronických vahách, beze ztráty ji přeneste, rozpusťte v odměřeném objemu destilované vody a míchejte, dokud nebude roztok homogenní.
• Uvědomte si, že koncentrace je jen tak dobrá, jak dobré je to horší ze dvou měření, na nichž závisí, tedy hmotnost a objem.

Kvantitativní interpretace stupnice pH

• Převod mezi pH a [H⁺] v obou směrech a použijte vztah pH + pOH = 14 při 25 °C.

Předpovídání, zda rozpuštěná sůl bude kyselá, zásaditá nebo neutrální

• Určete výchozí kyselinu a zásadu soli a pomocí jejich relativních sil předpovězte charakter roztoku, který tvoří – princip, který vysvětluje výsledek síranu amonného.

Protokol

ČÁST 1: Určete kyselost, zásaditost a pH kapalné látky

1. Odměřte 20 ml roztoku 1 pomocí odměrného válce.
2. Nalijte 20 ml roztoku 1 do 50 ml kádinky.
3. Ponořte do ní červený lakmusový papírek.
4. Potom ponořte modrý lakmusový papírek.
5. Nakonec ponořte papírek s pH indikátorem.
6. Porovnejte získané barvy s barvami na pH tabulce.
7. Opláchněte odměrný válec destilovanou vodou.
8. Zopakujte kroky 1 až 7 s látkami 2 a 3.

ČÁST 2: Stanovení pH kapalné látky pomocí univerzálního indikátoru

1. Pomocí kapátka naberte roztok 1 z 50mL kádinky.
2. Poté vyprázdněte kapátko do jamky č. 1 destičky s jamkami.
3. Přidejte jednu kapku univerzálního pH indikátoru do téže jamky.
4. Míchejte skleněnou tyčinkou.
5. Porovnejte barvu, kterou jste získali, s těmi, které jsou k dispozici na pH stupnici.
6. Zopakujte kroky 1 až 5 s látkami 2 a 3.

ČÁST 3: Přesné stanovení pH kapalné látky

1. Ponořte elektrodu pH metru do kádinky obsahující roztok 1.
2. Přečtěte si hodnoty na digitálním displeji.
3. Opláchněte elektrodu destilovanou vodou.
4. Osušte elektrodu savým papírem.
5. Zopakujte kroky 1 až 4 s látkami 2 a 3.

ČÁST 4: Určete pH pevné látky

1. Navážte asi 1,8 g prášku síranu amonného na analytických vážkách.
2. Odměřte 100 ml destilované vody pomocí odměrného válce.
3. Nasypte navážený práškový síran amonný do 250 mL kádinky.
4. Nalijte obsah odměrného válce do stejné kádinky.
5. Míchejte skleněnou tyčinkou po dobu 5 sekund.
6. Ponořte červený lakmusový papírek do 250 ml kádinky, která obsahuje roztok síranu amonného
7. Ponořte modrý lakmusový papírek do 250ml kádinky obsahující roztok síranu amonného
8. Ponořte pH indikační papírek do 250mL kádinky, která obsahuje roztok síranu amonného.
9. Porovnejte získané barvy s barvami na pH tabulce.
10. Ponořte elektrodu pH metru do roztoku síranu amonného.
11. Přečtěte údaj na digitálním displeji.
12. Opláchněte elektrodu destilovanou vodou.
13. Osušte elektrodu savým papírem.

Předvídané výsledky

Čtyři řešení. Nejprve se charakterizují tři neznámé kapaliny a v části 4 se připraví a změřuje roztok síranu amonného.

Definice, které se skrývají za čísly. pH je definováno jako pH = −log₁₀[H⁺]. V jakémkoli vodném roztoku při 25 °C jsou obě koncentrace iontů spjaty iontovým součinem vody, [H⁺][OH⁻] = K_w = 1,0 × 10⁻¹⁴, z čehož vyplývá, že pH + pOH = 14. Destilovaná voda obsahuje [H⁺] = [OH⁻] = 10⁻⁷ mol/l, a tedy pH 7.

Řešení 2: silná zásada. Hydroxid sodný se zcela disociuje, takže 0,1 M roztok obsahuje [OH⁻] = 0,1 mol/L přímo. Poté pOH = −log₁₀(0,1) = 1, a pH = 14 − 1 = 13. Není nutný žádný výpočet rovnováhy, což je to, co odlišuje silnou bázi od slabé.

Roztok 1, slabá kyselina. Kyselina octová disociuje jen částečně, takže její koncentrace sama o sobě nestačí – je potřeba také disociační konstanta kyseliny. Pro slabou kyselinu o koncentraci C, která je disociována jen nepatrně, platí K_a = x²/(C − x) ≈ x²/C s x = [H⁺], což se dá upravit na pracovní tvar:

pH = ½(pK_a − log₁₀C)

Roztok 5 % v/v má koncentraci přibližně 0,87 M a kyselina ethanová má pK_a = 4.76, takže pH = ½(4.76 + 0.06) = 2.41. Všimněte si, o kolik méně je to kyselé než silná kyselina o stejné koncentraci: 0,87 M kyselina chlorovodíková by se nacházela přibližně při pH 0,06, tedy o více než dvě jednotky níže, protože zcela disociuje.

Řešení 4, proč je sůl kyselá. Síran amonný neobsahuje žádnou hydroxidovou skupinu ani atom vodíku, který by se jevil očividně kyselý, přesto je jeho roztok prokazatelně kyselý. Důvodem je, že jde o sůl slabá zásada a a silná kyselina. Při rozpouštění uvolňuje amonné a síranové ionty:

(NH₄)₂automóvil₄(s) → 2 NH₄⁺(aq) + SO₄²⁻(aq)

Amonný ion je konjugovaná kyselina amoniaku a odštěpuje proton vodě, NH₄⁺ → NH₃ + H⁺, s pK_a = 9,25. Sírany ion je konjugovanou bází silné kyseliny a je prakticky diváckým iontem. Přispívá pouze amonný ion, který činí roztok kyselým.

Každá vzorcová jednotka dodává dva amonné ionty, takže 1,8 g ve 100 ml dává [NH₄⁺] = 2 × (1,8 / 132,14) / 0,100 = 0,272 M. Při použití stejného výrazu pro slabou kyselinu jako u roztoku 1: pH = ½(9,25 − log₁₀0,272) = ½(9,25 + 0,565) = 4.91.

Jak málo z toho ve skutečnosti reaguje. Tomu pH odpovídá [H⁺] = 1,24 × 10⁻⁵ mol/l, což je pouze asi 45 částic na milion přítomného amoniaku. Méně než jeden amonný ion z dvaceti tisíc odevzdá svůj proton — a přesto je roztok o celé dvě jednotky pH daleko od neutrální hodnoty. To je v laboratorních podmínkách nejjasnějším důkazem toho, jak citlivá je stupnice pH: téměř nezjistitelný stupeň reakce posune naměřenou hodnotu o velký kus, a to právě proto, že stupnice je logaritmická.

Zkouška rozpustnosti. Rozpustnost síranu amonného je při pokojové teplotě asi 744 g/l. Tento roztok má koncentraci pouze 18 g/l, takže se zcela rozpustí a nezůstane žádná pevná látka, která by komplikovala měření.

Shrnutí úkolů podle věkové kategorie

9. až 10. ročník

• Zaměření stupnice pH jako měřítko kyselosti a rozdíl mezi kvalitativním a kvantitativním testem.
• Aktivity: klasifikujte tři neznámé kapaliny jako kyselé, neutrální nebo zásadité pomocí červeného a modrého litmusového papírku; porovnejte barvu univerzálního indikátoru s tabulkou; odečtěte hodnotu na pH metru a zaznamenejte všechny tři výsledky vedle sebe; všimněte si, že roztok síranu amonného je kyselý, přestože jde o sůl, a popište toto pozorování, aniž byste ho zatím vysvětlovali.

11. ročník

• Zaměření kvantitativní ošetření škály a rozlišení mezi silnými a slabými elektrolyty.
• Aktivity: převeďte každé naměřené pH na koncentraci vodíkových iontů a zpět; použijte pH + pOH = 14 k získání pH 0,1 M hydroxidu sodného ze základních principů a porovnejte jej s pH-metrem; vysvětlete, proč stejná koncentrace silné a slabé kyseliny dává velmi odlišné hodnoty pH; porovnejte přesnost těchto tří metod a uveďte, která z nich je adekvátní pro jaký účel.

12. ročník / Úroveň college

• Zaměření rovnováha slabé kyseliny, hydrolýza soli a limity zjednodušujícího předpokladu.
• Aktivity: odvození pH = ½(pK_a − log C) z K_a = x²/(C − x) a uveďte aproximaci, na které je založena; předpovězte pH roztoku síranu amonného před jeho měřením, včetně faktoru dva ze dvou amonných iontů na vzorovou jednotku; vypočítejte podíl amonných iontů, které disociují, a komentujte, co výsledek vypovídá o citlivosti logaritmické stupnice; diskutujte, zda je oprávněné považovat síran za divácký iont (spektátor), a odhadněte směr a velikost chyby zavlečené tímto předpokladem.

Laboratorní potřeby

Nástroje

• Kádinky (50 ml a 250 ml)
• Mikrotitrační destička
• Kapátka
• Elektronická váha
• Skleněná tyč
• Odměrné válce (25 ml a 100 ml)
• Obracečka
• pH metr
• Barevná škála pH
• Červený lakmusový papírek
• Modrý lakmusový papírek
• indikátorový pH papírek
• Papírová utěrka
• Rukavice a ochrana očí

Produkty

• Síran amonný (prášek)
• Univerzální pH indikátor (kapalný)
• Deminerializovaná voda
• Neznámá kapalina #1 — kyselina ethanová 5 % (obj.)
• Neznámá kapalina #2 — hydroxid sodný 0,1 M
• Neznámá kapalina #3 — destilovaná voda