046 – pH

Prawie każdy proces chemiczny zachodzący w wodzie jest wrażliwy na stopień jej kwasowości lub zasadowości. Krew jest utrzymywana w zakresie około jednej dziesiątej jednostki pH od wartości 7,4, pH gleby decyduje o tym, jakie uprawy będą rosnąć, a ścieki przemysłowe podlegają regulacjom dotyczącym pH, zanim będą mogły zostać odprowadzone. Niezawodne pomiary pH i świadomość tego, jak dalece można zaufać danemu pomiarowi, są jedną z najpowszechniej wykorzystywanych umiejętności w chemii analitycznej.

Sama wielkość jest zdefiniowana logarytmicznie: pH = −log₁₀[H⁺], gdzie [H⁺] to stężenie jonów wodorowych w molach na litr. Ponieważ skala jest logarithmiczna, każda pełna jednostka reprezentuje dziesięciokrotną zmianę kwasowości — roztwór o pH 3 zawiera sto razy więcej jonów wodorowych niż roztwór o pH 5. Czysta woda w temperaturze 25 °C ma pH 7, co jest punktem, w którym [H⁺] i [OH^–] są oba równe 10⁻⁷ mol/L.

To laboratorium stosuje trzy metody w rosnącym porządku precyzji. Papierek lakmusowy odpowiada jedynie na pytanie, czy roztwór jest kwaśny, czy zasadowy. Wskaźnik uniwersalny daje barwę, którą można dopasować do tabeli z dokładnością do około jednej jednostki pH. Skalibrowany pH-metr wskazuje wartość z dokładnością do setnych części jednostki. Zastosujesz wszystkie trzy metody do trzech nieznanych cieczy, a następnie rozpuścisz sól – siarczan amonu – i stwierdzisz, że związek nie zawierający grupy wodorotlenowej ani oczywistego wodoru kwasowego mimo to daje wyraźnie kwaśny roztwór. Wyjaśnienie dlaczego stanowi analityczne sedno tego ćwiczenia.

Cele edukacyjne

Zapoznanie się ze środowiskiem laboratoryjnym

• Przed rozpoczęciem pracy należy zapoznać się z układem, przyrządami i procedurą przeprowadzania badania pH metodą Proteus oraz zlokalizować papierki lakmusowe, tabelę wskaźników, płytkę mikrotitracyjną, wagę i pH-metr.

Stosowanie środków ochrony indywidualnej

• Podczas pracy z kwasami, zasadami i niezidentyfikowanymi roztworami należy nosić rękawice i okulary ochronne oraz mieć świadomość, że każda nieznana ciecz jest traktowana jako niebezpieczna, dopóki nie zostanie zidentyfikowana.

Wybór odpowiedniej metody pomiaru

• Rozróżnij, co każda z trzech metod pozwala ustalić: papierek lakmusowy daje odpowiedź tak lub nie w kwestii kwasowości, wskaźnik uniwersalny określa pH z dokładnością do około jednej jednostki, a pH-metr daje odczyt ilościowy z dokładnością do około 0,01 jednostki.
• Wybierz metodę pasującą do zadawanego pytania, zamiast domyślnie wybierać najprecyzyjniejsze dostępne narzędzie.

Prawidłowe działanie pH-metru

• Zanurz elektrodę całkowicie, odczytaj wskazanie wyświetlacza cyfrowego, gdy się ustabilizuje, i opłucz wodą destylowaną pomiędzy pomiarami.
• Wyjaśnienie, dlaczego płukanie ma znaczenie: przeniesienie nawet niewielkiej objętości silnie kwaśnego lub zasadowego roztworu zmienia następny odczyt, a efekt ten jest największy przy przechodzeniu między skrajnymi wartościami skali.

Przygotowanie roztworu z odważonej substancji stałej

• Zważyć substancję stałą na wadze elektronicznej, ilościowo przenieść, rozpuścić w odmierzonej objętości wody destylowanej i wymieszać do uzyskania jednorodnego roztworu.
• Przyjmij do wiadomości, że stężenie jest tak dobre, jak najmniej dokładny z dwóch pomiarów, od których zależy: masa i objętość.

Ilościowa interpretacja skali pH

• Przeliczaj między pH a [H⁺]⁺] w obu kierunkach i skorzystaj z zależności pH + pOH = 14 w temperaturze 25 °C.

Przewidywanie, czy rozpuszczona sól będzie kwaśna, zasadowa czy obojętna

• Zidentyfikuj kwas macierzysty i zasadę macierzystą soli oraz użyj ich względnych sił, aby przewidzieć charakter tworzonego przez nią roztworu — zasada, która wyjaśnia wynik dla siarczanu amonu.

Protokół

CZĘŚĆ 1: Określenie charakteru kwasowo-zasadowego i pH substancji ciekłej

1. Odmierz 20 ml roztworu 1 za pomocą cylindra miarowego.
2. Nalać 20 ml roztworu 1 do zlewki o pojemności 50 ml.
3. Zanurz w nim czerwony papierek lakmusowy.
4. Następnie zanurz niebieski papierek lakmusowy.
5. W końcu zanurzyć papier wskaźnikowy pH.
6. Porównaj uzyskane kolory z tymi dostępnymi na karcie pH.
7. Przepłucz cylinder miarowy wodą destylowaną.
8. Powtórz kroki od 1 do 7 z substancjami 2 i 3.

CZĘŚĆ 2: Ustalenie pH płynnej substancji za pomocą uniwersalnego wskaźnika

1. Za pomocą zakraplacza; pobierz roztwór 1 z zlewki o pojemności 50 ml.
2. Następnie przenieś zawartość pipety do dołka nr 1 płytki dołkowej.
3. Dodaj jedną kroplę uniwersalnego wskaźnika pH do tej samej studzienki.
4. Mieszać za pomocą bagietki szklanej.
5. Porównaj uzyskany kolor z tymi dostępnymi na karcie pH.
6. Powtórz kroki od 1 do 5 z substancjami 2 i 3.

CZĘŚĆ 3: Dokładne określenie pH substancji ciekłej

1. Zanurz elektrodę miernika pH w zlewce zawierającej roztwór 1.
2. Odczytaj pomiary z cyfrowego wyświetlacza.
3. Przepłucz elektrodę wodą destylowaną.
4. Osuszyć elektrodę bibułą.
5. Powtórz kroki od 1 do 4 z substancjami 2 i 3.

CZĘŚĆ 4: Określanie pH substancji stałej

1. Odmierzyć około 1,8 g proszku siarczanu amonu na wadze elektronicznej.
2. Odmierzyć 100 ml wody destylowanej za pomocą cylindra miarowego.
3. Wsyp odważony proszek siarczanu amonu do zlewki o pojemności 250 ml.
4. Przelej zawartość cylindra miarowego do tej samej zlewki.
5. Mieszać szklaną bagietką przez 5 sekund.
6. Zanurz czerwony papier lakmusowy w zlewce o pojemności 250 ml zawierającej roztwór siarczanu amonu
7. Zanurz niebieski papierek lakmusowy w zlewce o pojemności 250 ml zawierającej roztwór siarczanu amonu
8. Zanurz bibułkę wskaźnikową pH w zlewce o pojemności 250 ml zawierającej roztwór siarczanu amonu.
9. Porównaj uzyskane kolory z tymi dostępnymi na karcie pH.
10. Zanurz elektrodę pH-metru w roztworze siarczanu amonu.
11. Odczytaj pomiar na cyfrowym wyświetlaczu.
12. Przepłucz elektrodę wodą destylowaną.
13. Osuszyć elektrodę bibułą.

Przewidywane wyniki

Cztery rozwiązania. Najpierw scharakteryzowano trzy nieznane ciecze, a roztwór siarczanu amonu przygotowano i zmierzono w części 4.

Definicje kryjące się za liczbami. pH definiuje się jako pH = −log₁₀[H⁺]. W dowolnym roztworze wodnym w temperaturze 25 °C stężenia obu jonów są powiązane iloczynem jonowym wody, [H⁺][OH^–] = K_w = 1,0 × 10⁻¹⁴, z którego pH + pOH = 14. Woda destylowana ma [H⁺] = [OH^–] = 10⁻⁷ mol/L i stąd pH 7.

Rozwiązanie 2, mocna zasada. Wodorotlenek sodu dysocjuje całkowicie, więc roztwór 0,1 M ma [OH^–] = 0.1 mol/L bezpośrednio. Wtedy pOH = −log₁₀(0,1) = 1, a pH = 14 − 1 = 13. Nie jest wymagane żadne obliczenie stanu równowagi, co właśnie odróżnia mocną zasadę od słabej.

Rozwiązanie 1, słaby kwas. Kwas etanowy dysocjuje tylko częściowo, więc samo jego stężenie nie wystarcza – potrzebna jest również stała dysocjacji kwasu. Dla słabego kwasu o stężeniu C, który dysocjuje tylko w niewielkim stopniu, K_a = x²/(C − x) ≈ x²/C dla x = [H⁺], co przekształca się w postać roboczą:

pH = ½(pK_a − logowanie₁₀C)

Roztwór 5 % (v/v) ma stężenie około 0,87 M, a kwas etanowy ma pK_a = 4,76, więc pH = ½(4,76 + 0,06) = 2.41. Zauważ, o ile mniej kwaśne jest to rozwiązanie od mocnego kwasu o takim samym stężeniu: 0,87 M kwas solny znajdowałby się w okolicach pH 0,06, czyli ponad dwie jednostki niżej, ponieważ dysocjuje całkowicie.

Rozwiązanie 4, dlaczego sól okazuje się kwaśna. Siarczan amonu nie zawiera grupy wodorotlenowej ani atomu wodoru, który wyglądałby na wyraźnie kwasowy, a jednak jego roztwór jest wyraźnie kwaśny. Powodem tego jest fakt, że jest to sól słaba zasada i mocny kwas. Podczas rozpuszczania uwalnia jony amonowe i siarczanowe:

(NH₄)₂Więc₄(s) → 2 NH₄⁺(aq) + SO₄²⁻(aq)

Jon amonowy jest kwasem sprzężonym amoniaku i oddaje proton wodzie, NH₄⁺ → NH₃ + H⁺, z pK_a = 9,25. Jon siarczanowy jest sprzężoną zasadą mocnego kwasu i jest faktycznie jonem widzem. Tylko jon amonowy wnosi swój udział i sprawia, że roztwór jest kwasowy.

Każda jednostka wzorcowa dostarcza dwa jony amonowe, czyli 1,8 g w 100 mL daje [NH₄⁺] = 2 × (1,8 / 132,14) / 0,100 = 0,272 M. Stosując to samo wyrażenie dla słabego kwasu co dla roztworu 1: pH = ½(9,25 − log₁₀0,272) = ½(9,25 + 0,565) = 4.91.

Jak mało z tego tak naprawdę reaguje. To pH odpowiada [H⁺] = 1,24 × 10⁻⁵ mol/L, co stanowi zaledwie około 45 części na milion obecnego amonu. Mniej niż jeden jon amonowy na dwadzieścia tysięcy oddaje swój proton — a jednak roztwór znajduje się o pełne dwie jednostki pH od neutralności. Jest to najbardziej wyraźna demonstracja w laboratorium tego, jak wrażliwe jest pH: niemal niewykrywalny stopień reakcji przesuwa odczyt bardzo daleko, właśnie dlatego, że skala jest logarithmiczna.

Badanie rozpuszczalności. Rozpuszczalność siarczanu amonu wynosi około 744 g/l w temperaturze pokojowej. To stężenie wynosi tylko 18 g/l, więc rozpuszcza się całkowicie i nie pozostaje żadna faza stała, która mogłaby skomplikować pomiar.

Podsumowanie zadania według zakresu ocen

Klasy 9–10

• Skupienie: skala pH jako miara kwasowości oraz różnica między testem jakościowym a ilościowym.
• Aktywności: sklasyfikuj trzy nieznane ciecze jako kwaśne, obojętne lub zasadowe, używając czerwonego i niebieskiego papierka lakmusowego; dopasuj kolor wskaźnika uniwersalnego do tabeli; odczytaj pH-metr i zapisz wszystkie trzy wyniki obok siebie; zaobserwuj, że roztwór siarczanu amonu jest kwaśny, mimo że jest solą, i opisz obserwację bez jej wyjaśniania.

Klasa 11

• Skupienie: ilościowe ujęcie tej skali oraz rozróżnienie pomiędzy mocnymi i słabymi elektrolitami.
• Aktywności: przelicz każdą zmierzoną wartość pH na stężenie jonów wodorowych i z powrotem; użyj równania pH + pOH = 14, aby wyznaczyć pH 0,1 M wodorotlenku sodu z pierwszych zasad i porównaj je ze wskazaniem pH-metru; wyjaśnij, dlaczego takie samo stężenie mocnego i słabego kwasu daje bardzo różne wartości pH; porównaj precyzję tych trzech metod i określ, która z nich jest odpowiednia do jakiego celu.

Klasa 12 / Poziom akademicki

• Skupienie: równowaga słabego kwasu, hydroliza soli i granice stosowania upraszczającego założenia.
• Aktywności: wywodzi się pH = ½(pK_a − log C) z K_a = x²/(C − x) i podaj przybliżenie, na którym się opiera; przewidź pH roztworu siarczanu amonu przed jego zmierzeniem, uwzględniając współczynnik dwa wynikający z obecności dwóch jonów amonowych na jednostkę wzorową; oblicz ułamek zdysocjowanego amonu i skomentuj, co ten wynik implikuje w kwestii czułości skali logarytmicznej; omów, czy traktowanie siarczanu jako jonu widza jest uzasadnione, oraz oszacuj kierunek i wielkość błędu wprowadzonego przez to założenie.

Podstawowe wyposażenie laboratorium

Instrumenty

• Zlewek (50 ml i 250 ml)
• Płytka ze studzienkami
• Kroplomierze
• Waga elektroniczna
• Szklany pręt
• Cylindry miarowe (25 ml i 100 ml)
• Łopatka
• pH-metr
• Tabela kolorów pH
• Czerwony papier litmusowy
• Niebieski papierek lakmusowy
• papierek wskaźnikowy pH
• Ręcznik papierowy
• Rękawice i okulary ochronne

Produkty

• Siarczan amonu (proszek)
• Uniwersalny wskaźnik pH (płynny)
• Woda destylowana
• Nieznana ciecz #1 — kwas etanowy 5 % v/v
• Nieznana ciecz #2 — wodorotlenek sodu 0,1 M
• Nieznana ciecz #3 — woda destylowana