050 – Conducibilità e pH

Classificare un liquido sconosciuto in acido, base o sale è la prima cosa che fa un analista, e i tre test utilizzati qui sono i più antichi del mestiere. Un paio di cartine di tornasole costano quasi nulla e rispondono alla domanda in pochi secondi. Una lampadina collegata in serie a due elettrodi immersi nel liquido mostra se il liquido trasporta ioni. Una striscia di magnesio frigge nell'acido e rimane inerte in qualsiasi altra sostanza. Insieme, questi test separano un sale da un acido e da una base senza una sola lettura strumentale, motivo per cui sopravvivono sia nei kit per il controllo della qualità dell'acqua sia nei laboratori scolastici.

Ciò a cui rispondono i tre test è diverso in ogni caso, e questo è il senso di eseguirli tutti e tre. Il tornasole è un colorante il cui colore dipende dal pH, quindi segnala la concentrazione di idronio. La lampadina risponde agli ioni mobili, e ogni composto ionico solubile li fornisce, sia esso acido, basico o neutro — quindi la conducibilità separa le soluzioni ioniche da quelle molecolari, non gli acidi dalle basi. Il magnesio risponde solo allo ione idronio, venendo ossidato a Mg²⁺ mentre H₃O⁺ viene ridotto a idrogeno gassoso. Tre test, tre domande diverse; solo la loro combinazione identifica una soluzione.

In questo laboratorio, eseguirai tutti e tre i test su cloruro di sodio 0,1 mol/L, acido cloridrico e idrossido di sodio, registrando la conducibilità, entrambi i colori del tornasole, la lettura della cartina pH e il risultato del magnesio per ciascuno. Successivamente, preparerai quattro diluizioni di acido cloridrico 1 mol/L — 10 mL portati a 30 mL, a 60 mL e a 100 mL, e 1 mL portato a 100 mL — e misurerai il pH di tutte e cinque le soluzioni acide con un piaccametro. La seconda parte trasforma la scala di pH grossolana della prima parte in una quantitativa e mostra che il pH di un acido forte non è altro che il logaritmo di quanto è stato diluito.

Obiettivi Educativi

Classificazione di una soluzione in base alle prove

• Assegna una soluzione sconosciuta ad acido, base o sale neutro utilizzando le prove combinate di tornasole, carta pH, conducibilità e reazione con il magnesio.
• Spiega quale dei quattro test discrimina effettivamente tra le tre classi e quale no, e perché.

Manipolazione degli strumenti

• Azionare un rilevatore di conducibilità elettrica e sciacquare e asciugare gli elettrodi tra una soluzione e l'altra in modo che tracce del liquido precedente non possano accendere la lampadina.
• Leggi una cartina tornasole rispetto alla sua scala colorimetrica e un piaccametro dal suo display, e indica quale dei due è più preciso e di quanto.

Cartina di tornasole e carta pH come indicatori

• Il tornasole è un colorante con un intervallo di viraggio compreso approssimativamente tra pH 4,5 e 8,3, e la presenza di due cartine immodificate costituisce un risultato positivo anziché un test fallito.
• Distingui tra una carta a colorante singolo, che fornisce un intervallo, e una carta universale, che fornisce un valore approssimativo.

Conducibilità e ioni disciolti

• La conduzione in soluzione avviene tramite la migrazione degli 0.1 mol/L di ioni presenti, e tutte e tre le soluzioni accendono la lampadina perché ciascuna di esse fornisce un numero sufficiente di ioni mobili per completare il circuito elettrico.
• Prevedi quale dei tre condurrebbe meglio se il rivelatore segnalasse un numero anziché accendere una lampadina, e giustifica la previsione in base alle mobilità ioniche.

Diluizione e la scala logaritmica del pH

• Calcolare la concentrazione di una soluzione dopo diluizione, in mol/L e in g/L, e prepararla correttamente con un cilindro graduato.
• Dimostrare che per un acido monoprotico forte l'aumento del pH è uguale al logaritmo in base dieci del fattore di diluizione, e utilizzare questo risultato per prevedere un pH prima di misurarlo.

Sicurezza e smaltimento

• Maneggiare acido cloridrico 1 mol/L e idrossido di sodio 0,1 mol/L con guanti e protezione per gli occhi, e sapere quale dei due causa la lesione oculare più grave.
• Raccogliere l'idrogeno sviluppato dal magnesio lontano da qualsiasi fiamma e smaltire tutte le soluzioni nel contenitore di recupero.

Protocollo

Parte A: Le proprietà di acidi, basi e sali

1. Accendi il rilevatore di conducibilità elettrica (ECD).
2. Versare 10 mL della soluzione di NaCl 0,1 M nel becher A.
3. Pulire gli elettrodi ECD con acqua distillata e asciugarli con carta assorbente.
4. Immergi gli elettrodi nella soluzione A. Osserva se la lampadina si accende o meno e registra il risultato nella tabella dei risultati.
5. Ripeti i passaggi da 2 a 4 con le soluzioni di HCl 0,1 M e di NaOH 0,1 M, con i becher B e C.
6. Immergi un pezzo di carta tornasole blu e un pezzo di carta tornasole rossa nella soluzione A. Registra i colori ottenuti nella tabella dei risultati.
7. Immergi un pezzo di carta pH nella soluzione A e valuta il pH utilizzando la scala cromatica. Registra il pH nella tabella dei risultati.
8. Ripetere i passaggi 6 e 7 con le soluzioni B e C.
9. Posizionare un nastro di magnesio nella soluzione A e registrare le osservazioni nella tabella dei risultati.
10. Ripeti il passo 9 con le soluzioni B e C

Parte B: La concentrazione di una soluzione acida e il suo pH

1. Versare 10 mL di soluzione di HCl 1M nel cilindro graduato da 100 mL.
2. Aggiungere acqua distillata fino al segno dei 30 mL.
3. Versare il contenuto del cilindro nel becher da 100 mL identificato dal numero 1.
4. Versare 10 mL di soluzione di HCl 1M nel cilindro graduato da 100 mL.
5. Aggiungere acqua distillata fino alla tacca dei 60 mL.
6. Versare il contenuto del cilindro nel becher da 100 mL identificato dal numero 2.
7. Versare 10 mL di soluzione di HCl 1M nel cilindro graduato da 100 mL.
8. Aggiungere acqua distillata fino alla tacca dei 100 mL.
9. Versare il contenuto del cilindro nel becher da 100 mL identificato dal numero 3.
10. Versare 1 mL di soluzione di HCl 1M nel cilindro graduato da 10 mL. Quindi versare la soluzione nel cilindro graduato da 100 mL.
11. Aggiungere acqua distillata fino alla tacca dei 100 mL.
12. Versare il contenuto del cilindro nel becher da 100 mL identificato dal numero 4.
13. Misurare il pH della soluzione di HCl 1M e quello delle soluzioni da 1 a 4 utilizzando il pHmetro. Registrare i risultati nella tabella dei risultati.
14. Non dimenticare di sciacquare il pHmetro con acqua distillata e asciugarlo con carta, tra una misurazione e l'altra.

Risultati Previsti

Parte A — le proprietà di acidi, basi e sali. Tutte e tre le soluzioni sono 0,1 mol/L e tutte e tre sono elettroliti forti, quindi tutte e tre accendono la lampadina. Ciò che le separa è la tornasole, la carta pH e il magnesio.

Perché il sale lascia entrambi i fogli invariati. Il tornasole cambia colore circa da pH 4,5 a 8,3, quindi può solo indicare “inferiore a 4,5” o “superiore a 8,3”. Il cloruro di sodio si scioglie in Na⁺ e Cl⁻, i coniugati di una base forte e di un acido forte rispettivamente, e nessuno dei due prende un protone dall'acqua o ne dà uno ad essa. La soluzione rimane quindi a pH 7, entrambe le cartine mantengono il loro colore originale e quella coppia di non-eventi è l'identificazione positiva di un sale neutro.

Perché tutti e tre conducono. La conduzione richiede ioni liberi di migrare, e ciascuno dei tre composti è completamente dissociato a 0,1 mol/L, dando 0,2 mol/L di ioni in ogni becher. La lampadina quindi si accende in tutti e tre, e uno studente che si aspetta che solo l'acido conduca ha confuso “ionico” con “acido”. I tre non sono tuttavia conduttori ugualmente buoni, e questo è l'unico punto in cui la lampadina nasconde qualcosa di interessante.

Perché solo l'acido attacca il magnesio. Il magnesio è ossidato e l'idronio è ridotto: Mg(s) + 2 H₃O⁺ → Mg²⁺ + H₂(g) + 2 H₂O, oppure nella forma solitamente scritta, Mg + 2 HCl → MgCl₂ + H₂. La forza motrice è grande: E° per Mg²⁺Il potenziale del Mg è −2,37 V rispetto a 0,00 V della coppia dell'idrogeno, quindi il potenziale di cella è +2,37 V e la reazione è abbastanza veloce da essere visibile come un flusso di bollicine. Nella soluzione salina non vi è alcun agente ossidante più forte dell'acqua, e nell'idrossido di sodio il metallo è protetto da un film aderente di Mg(OH)₂ insolubile.₂; entrambe sono registrate come nessuna reazione. Le bolle nel becher B sono idrogeno, e sono l'unico gas prodotto altrove in questo laboratorio.

Parte B — concentrazione e pH. Vengono effettuate quattro diluizioni dalla stessa soluzione madre da 1 mol/L, la cui concentrazione di massa è 1,00 mol/L × 36,46 g/mol = 36,5 g/L. Ogni diluizione obbedisce a C_dV_d = C_nV_n, quindi C_n = C_dV_d/V_n. Per la soluzione 1, C₁ = 36.5 g/L × 10 mL / 30 mL = 12.2 g/L, e la stessa sostituzione dà il resto.

Il pH di un acido forte è il logaritmo della sua diluizione. L'acido cloridrico si ionizza completamente, quindi [H₃O⁺] è pari alla concentrazione preparata e pH = −log C. Dividendo la concentrazione per un fattore f quindi aumenta il pH di log f, e nient'altro. Quella singola affermazione spiega ogni riga della tabella: log 3 = 0,48, log 6 = 0,78, log 10 = 1,00 e log 100 = 2,00, che sono i quattro valori di pH senza alcun ulteriore calcolo. Spiega anche perché i passaggi in questa serie sono irregolari mentre quelli nel laboratorio 048 sono tutti uguali: qui i fattori di diluizione sono 3, 6, 10 e 100, non un dieci costante.

Leggere la bilancia al contrario. Poiché la scala è logaritmica, un'unità di pH rappresenta un fattore dieci in [H₃O⁺]: la soluzione 4 a pH 2,00 ha un centesimo della concentrazione di idronio della soluzione madre a pH 0,00 e un decimo di quella della soluzione 3. Andando nell'altro senso, [H₃O⁺] = 10^−pH, quindi una lettura di 0,78 corrisponde a 10^−0,78 = 0,166 mol/L, il che riporta la concentrazione della soluzione 2 a tre cifre significative. La capacità di eseguire il calcolo in entrambe le direzioni è ciò che rende il pH-metro uno strumento di misura della concentrazione anziché un semplice confronto di colori.

Riepilogo del compito per intervallo di voti

Classe 9-10

Concentrazione: eseguendo quattro test con attenzione e descrivendo cosa mostra ciascuno.

Attività: completa la tabella della Parte A per tutte e tre le soluzioni tramite osservazione diretta; indica quale soluzione è l'acido, quale la base e quale il sale, e nomina il singolo test che ha stabilito ciascuna; spiega perché la lampadina si è accesa per tutte e tre; scrivi l'equazione a parole per la reazione del magnesio con l'acido cloridrico e nomina il gas; prepara le quattro diluizioni e disponi le cinque letture del pH in ordine, notando che più l'acido è diluito, più alto è il pH.

Undicesimo anno

Concentrazione: l'aritmetica della diluizione e di una scala logaritmica.

Attività: calcolare la concentrazione di ciascuna delle quattro diluizioni da C_dV_d = C_nV_n, sia in mol/L che in g/L, mostrando la sostituzione; prevedere ogni pH come −log C prima di misurarlo e confrontarlo con il pHmetro; riconvertire ogni pH misurato in una concentrazione di idronio; dimostrare che l'aumento del pH è pari al logaritmo del fattore di diluizione per tutte e quattro le soluzioni; bilanciare la reazione del magnesio e calcolare il volume di idrogeno che un nastro da 0,10 g produrrebbe a condizioni ambiente.

12ª classe / Livello universitario

Concentrazione: meccanismo, precisione e limiti di ciascun metodo.

Attività: spiega la conducibilità molare anormalmente elevata dell'idrogeno₃O⁺ e OH⁻ in termini di trasferimento protonico tra molecole d'acqua e predire il rapporto di conducibilità delle tre soluzioni; giustificare quantitativamente il pH della soluzione di cloruro di sodio usando $K$_w e l'assenza di idrolisi; stimare il coefficiente di attività necessario per conciliare un pH misurato di 0,1 con una soluzione madre a 1 mol/L e commentare la direzione della deviazione; identificare le due letture del piaccametro che non concordano con −log C e quantificare la discrepanza; proporre un controllo che renda il test di conducibilità discriminante e predire il suo risultato; discutere perché la cartina al tornasole, la cartina pH e un elettrodo a vetro differiscano in precisione di circa un ordine di grandezza a ogni passaggio.

Materiale essenziale di laboratorio

Strumenti

• Rilevatore di conduttività elettrica (ECD), con bulbo ed elettrodi
• pHmetro
• Pinzette
• Carta assorbente
• Cilindro graduato (100 mL)
• Provetta graduata (10 mL)
• Bakers da 50 mL (3, etichettati A, B e C)
• Beakers da 100 mL (4, numerati da 1 a 4)
• Beute per soluzioni madre (4, sul bancone dei reagenti)
• Carta tornasole blu e rossa
• Strisce reattive universali per il pH con scala cromatica
• Cestino

Prodotti

• NaCl 0,1 mol/L (soluzione)
• HCl 0,1 mol/L (soluzione)
• NaOH 0,1 mol/L (soluzione)
• HCl 1,0 mol/L (soluzione, 36,5 g/L)
• Nastri di magnesio
• Acqua distillata