050 – Vodivost a pH

Zařazení neznámé kapaliny do kategorie kyselin, zásad nebo solí je to první, co s ní analytik udělá, přičemž tři zde použité zkoušky jsou nejstarší v oboru. Pár litmusových papírků nestojí téměř nic a otázku zodpoví během sekund. Žárovka zapojená do série se dvěma elektrodami ponořenými do kapaliny ukazuje, zda kapalina vůbec vede ionty. Proužek hořčíku v kyselině šumí a ve všem ostatním zůstává netečný. Tyto zkoušky společně odlišují sůl od kyseliny a zásady bez jediné odečtené hodnoty na přístroji, což je důvod, proč se stále objevují jak v terénních sadách pro kontrolu kvality vody, tak ve školních laboratořích.

Na co tyto tři testy reagují, je v každém případě jiné, a to je smyslem provedení všech tří. Lakmus je barvivo, jehož barva závisí na pH, takže informuje o koncentraci oxoniových iontů. Žárovka reaguje na pohyblivé ionty a každá rozpustná iontová sloučenina je dodává bez ohledu na to, zda je kyselá, zásaditá nebo neutrální – takže vodivost odlišuje iontové roztoky od molekulárních, nikoliv kyseliny od zásad. Hořčík reaguje pouze na oxoniový iont, přičemž se oxiduje na Mg²⁺ zatímco H₃O⁺ se redukuje na plynný vodík. Tři testy, tři různé otázky; pouze jejich kombinace identifikuje roztok.

V této laboratoři provedete všechny tři testy s 0,1 mol/l chloridem sodným, kyselinou chlorovodíkovou a hydroxidem sodným, přičemž u každého zaznamenáte vodivost, obě barvy lakmusu, údaj na pH papírku a výsledek s hořčíkem. Poté připravíte čtyři zředění 1 mol/l kyseliny chlorovodíkové — 10 ml doplněných na 30 ml, na 60 ml a na 100 ml, a 1 ml doplněný na 100 ml — a změřidi pH všech pěti kyselých roztoků pomocí pH metru. Druhá část mění hrubou stupnici pH z první části na kvantitativní a ukazuje, že pH silné kyseliny není ničím jiným než logaritmem toho, jak moc byla zředěna.

Vzdělávací cíle

Klasifikace roztoku na základě důkazů

• Určete neznámý roztok jako kyselinu, zásadu nebo neutrální sůl pomocí kombinovaných důkazů z lakmusu, pH papírku, vodivosti a reakce s hořčíkem.
• Vysvětlete, který ze čtyř testů skutečně rozlišuje mezi třemi třídami a který ne, a proč.

Manipulace s nástroji

• Obsluhujte detektor elektrické vodivosti a mezi roztoky elektrody opláchněte a osušte, aby stopa předchozí kapaliny nemohla rozsvítit žárovku.
• Odečtěte pH papírek podle jeho barevné stupnice a pH metr z jeho displeje a uveďte, který z těchto dvou nástrojů je přesnější a o kolik.

Lakmusový a pH papírek jako indikátory

• Lakmus je barvivo s přechodovou oblastí zhruba v rozmezí pH 4,5 až 8,3. Dva nezměněné papírky jsou pozitivním výsledkem, a nikoli neúspěšným testem, protože to znamená, že testovaný roztok je neutrální a jeho pH spadá právě do tohoto přechodového rozmezí, kde se barva nemění.
• Rozlišujte mezi papírem pro jedno barvivo, který udává rozsah hodnot, a univerzálním papírem, který udává přibližnou hodnotu.

Vodivost a rozpuštěné ionty

• Vysvětlete jev elektrické vodivosti v roztoku jako pohyb iontů a objasněte, proč žárovku rozsvítí všechny tři roztoky o koncentraci 0,1 mol/l.
• Odhadněte, který z těchto tří by fungoval nejlépe, pokud by detektor namísto rozsvícení žárovky zobrazoval číselnou hodnotu, a svůj odhad zdůvodněte na základě iontové pohyblivosti.

Ředění a logaritmická stupnice pH

• Vypočítejte koncentraci roztoku po zředění v mol/l a v g/l a správně jej připravte pomocí odměrného válce.
• Dokažte, že u silné monoprotické kyseliny se nárůst hodnoty pH rovná desítkovému logaritmu ředicího faktoru, a na základě toho odvoďte hodnotu pH ještě před jejím změřením.

Bezpečnost a likvidace

• S 1 mol/l kyselinou chlorovodíkovou a 0,1 mol/l hydroxidem sodným manipulujte v rukavicích a s ochranou očí a vězte, která z těchto dvou látek způsobuje závažnější poranění očí.
• Vodík uvolněný z hořčíku jímá mimo dosah jakéhokoli plamene a všechny roztoky zlikvidujte v záchytné nádobě.

Protokol

Část A: Vlastnosti kyselin, zásad a solí

1. Zapněte detektor elektrochemické vodivosti (ECD).
2. Nalejte 10 ml 0,1M roztoku NaCl do kádinky A.
3. Vyčistěte elektrody ECD destilovanou vodou a otřete je savým papírem.
4. Ponořte elektrody do roztoku A. Sledujte, zda se žárovka rozsvítí, či nikoliv, a zaznamenejte výsledek do tabulky výsledků.
5. Zopakujte kroky 2 až 4 s roztoky 0,1M HCl a 0,1M NaOH, s kádinkami B a C.
6. Ponořte kus modrého lakmusového papírku a kus červeného lakmusového papírku do roztoku A. Zaznamenejte získané barvy do tabulky výsledků.
7. Ponořte kus pH papírku do roztoku A a odečtěte pH podle barevné stupnice. Zapište pH do tabulky výsledků.
8. Zopakujte kroky 6 a 7 s roztoky B a C.
9. Vložte hořčíkovou pásku do roztoku A a zapište pozorování do tabulky výsledků.
10. Zopakujte krok 9 s roztoky B a C

Část B: Koncentrace kyselého roztoku a jeho pH

1. Nalijte 10 ml 1M roztoku HCl do 100 ml odměrného válce.
2. Doplňte destilovanou vodou po značku 30 mL.
3. Nalejte obsah válce do 100 ml kádinky označené číslem 1.
4. Nalijte 10 ml 1M roztoku HCl do 100 ml odměrného válce.
5. Doplňte destilovanou vodou k rysce 60 mL.
6. Nalijte obsah válce do 100 mL kádinky označené číslem 2.
7. Nalijte 10 ml 1M roztoku HCl do 100 ml odměrného válce.
8. Doplňte destilovanou vodou po značku 100 ml.
9. Nalijte obsah válce do 100ml kádinky označené číslem 3.
10. Nalijte 1 ml 1M roztoku HCl do 10 ml odměrného válce. Poté nalijte roztok do 100 ml odměrného válce.
11. Doplňte destilovanou vodou po značku 100 ml.
12. Nalijte obsah odměrného válce do 100mL kádinky označené číslem 4.
13. Změřte pH 1M roztoku HCl a roztoků 1 až 4 pomocí pH metru. Zaznamenejte výsledky do tabulky výsledků.
14. Nezapomeňte mezi měřeními opláchnout pH metr destilovanou vodou a.

Předvídané výsledky

Část A — vlastnosti kyselin, zásad a solí. Všechna tři roztoky mají koncentraci 0,1 mol/l a všechna tři jsou silné elektrolyty, takže všechna tři rozsvítí žárovku. Rozdíl mezi nimi spočívá v lakmusu, pH papírku a hořčíku.

Proč sůl nijak neovlivňuje oba papíry. Lakmus mění barvu v rozmezí přibližně pH 4,5 až 8,3, takže může indikovat pouze hodnoty “pod 4,5” nebo “nad 8,3”. Chlorid sodný se rozpouští na Na⁺ a Cl⁻, tedy konjugáty silné zásady a silné kyseliny, přičemž ani jedna z nich nebere vodíku z vody ani jí žádný neoddává. Roztok proto zůstává na hodnotě pH 7, oba papírky si zachovávají svou původní barvu a právě tato dvojice „neprojevů“ je jasným důkazem, že se jedná o neutrální sůl.

Proč se všichni tři chovají takto. Pro vedení proudu jsou zapotřebí volně migrující ionty a každá ze tří sloučenin je při koncentraci 0,1 mol/l zcela disociována, takže v každé kádince je 0,2 mol/l iontů. Žárovka se proto rozsvítí ve všech třech kádinkách a student, který očekává, že bude vodit pouze kyselina, si spletl pojmy “iontový” a “kyselý”. Tyto tři sloučeniny však nejsou stejně dobrými vodiči, a právě v tomto bodě skrývá žárovka něco zajímavého.

Proč kyselina napadá právě hořčík?. Hořčík se oxiduje a hydroniové kationty se redukují: Mg(s) + 2 H₃O⁺ → Mg²⁺ + H₂(g) + 2 H₂O, nebo v obvyklém zápisu: Mg + 2 HCl → MgCl₂ + H₂. Hnací síla je velká: E° pro Mg²⁺/Mg má potenciál −2,37 V vůči 0,00 V u vodíkového páru, takže potenciál článku je +2,37 V a reakce probíhá dostatečně rychle, aby ji bylo možné pozorovat jako proud bublin. V roztoku soli se nevyskytuje žádné oxidační činidlo silnější než voda a v hydroxidu sodném je kov chráněn přilnavým filmem nerozpustného Mg(OH)₂; obojí je zaznamenáno jako žádná reakce. Bublinky v kádince B jsou vodík a jsou to jediný plyn produkovaný kdekoli v této laboratoři.

Část B – koncentrace a pH. Ze stejného 1 mol/l zásobního roztoku, jehož hmotnostní koncentrace činí 1,00 mol/l × 36,46 g/mol = 36,5 g/l, se připraví čtyři ředění. Každé ředění splňuje vzorec C_dV_d = C_nV_n, takže C_n = C_dV_d/V_n. Pro řešení 1, C₁ = 36,5 g/l × 10 ml / 30 ml = 12,2 g/l, a stejným způsobem lze vypočítat i zbytek.

Hodnota pH silné kyseliny je logaritmem jejího zředění. Kyselina chlorovodíková se ionizuje úplně, takže [H₃O⁺] se rovná připravené koncentraci a pH = −log C. Vydělením koncentrace koeficientem f proto zvyšuje pH o logaritmum f, a nic víc. Toto jediné tvrzení vysvětluje každý řádek tabulky: log 3 = 0,48, log 6 = 0,78, log 10 = 1,00 a log 100 = 2,00, což jsou čtyři hodnoty pH bez jakéhokoli dalšího výpočtu. Vysvětluje to také, proč jsou kroky v této řadě nerovnoměrné, zatímco v laboratorní úloze 048 jsou všechny stejné — ředicí faktory jsou zde 3, 6, 10 a 100, nikoliv konstantní deset.

Čtení stupnice pozpátku. Protože je stupnice logaritmická, jedna jednotka pH představuje desetinásobný faktor v [H₃O⁺]: roztok 4 při pH 2,00 má stou koncentraci hydroniových iontů oproti výchozímu roztoku při pH 0,00 a desetinu koncentrace roztoku 3. Opačným směrem, [H₃O⁺] = 10^−pH, takže hodnota 0,78 odpovídá 10^−0,78 = 0,166 mol/l, což obnoví koncentraci roztoku 2 na tři platné číslice. Schopnost provést výpočet v obou směrech je to, co dělá z pH metru měřič koncentrace namísto porovnávání barev.

Shrnutí úkolů podle věkové kategorie

9. až 10. ročník

Zaměření pečlivé provedení čtyř testů a popis toho, co každý z nich ukazuje.

Aktivity: vyplňte tabulku pro Část A pro všechny tři roztoky na základě přímého pozorování; uveďte, který roztok je kyselina, který je zásada a který je sůl, a pojmenujte jediný test, který každý z nich určil; vysvětlete, proč žárovka svítila u všech tří; napište slovní rovnici reakce hořčíku s kyselinou chlorovodíkovou a pojmenujte plyn; připravte čtyři naředění a uspořádejte pět hodnot pH do pořadí s vědomím, že čím zředěnější kyselina, tím vyšší pH.

11. ročník

Zaměření aritmetika ředění a logaritmické stupnice.

Aktivity: vypočítejte koncentraci každého ze čtyř ředění z C_dV_d = C_nV_n, v mol/L i g/L, ukazující dosazení; předpovědět každé pH jako −log C před jeho měřením a porovnat s pH-metrem; převést každé naměřené pH zpět na koncentraci oxoniových iontů; ukázat, že nárůst pH se rovná logaritmu ředicího faktoru pro všechny čtyři roztoky; vyčíslit reakci hořčíku a vypočítat objem vodíku, který by 0,10 g proužek poskytl za pokojových podmínek.

12. ročník / Úroveň college

Zaměření mechanism, přesnost a limity každé metody.

Aktivity: vysvětlení anomálně vysoké molární vodivosti vodíkového iontu₃O⁺ a Ó⁻ z hlediska přenosu protonů mezi molekulami vody a odhadněte poměr vodivostí těchto tří roztoků; kvantitativně vysvětlete hodnotu pH roztoku chloridu sodného pomocí K_w a absenci hydrolyzidy; odhadněte atividade koeficient potřebný k sladění naměřeného pH 0,1 s 1 mol/L zásobním roztokem a komentujte směr odchylky; identifikujte dvě odečty měřiče, které nesouhlasí s −log C, a vyčíslete nesoulad; navrhněte kontrolu, která by učinila zkoušku vodivosti diskriminační, a předpovězte její výsledek; diskutujte, proč lakmus, pH papírek a skleněná elektroda nesouhlasí v přesnosti zhruba o řád v každém kroku.

Laboratorní potřeby

Nástroje

• Detektor elektrické vodivosti (ECD), s baňkou a elektrodami
• pH metr
• Pinzeta
• Absorpční papír
• Odměrný válec (100 ml)
• Odměrný válec (10 ml)
• Kádinky 50 ml (3 ks, označené A, B a C)
• Kádinky 100 ml (4 ks, očíslované 1 až 4)
• Kadičky se zásobním roztokem (4 ks, na laboratorním stolu s činidly)
• Modrý a červený lakmusový papírek
• Univerzální pH proužky s barevnou škálou
• Koš

Produkty

• NaCl 0,1 mol/l (roztok)
• HCl 0,1 mol/l (roztok)
• NaOH 0,1 mol/l (roztok)
• HCl 1,0 mol/l (roztok, 36,5 g/l)
• Hořčíkové pásky
• Deminerializovaná voda