050 – Przewodnictwo i pH

Rozsortowanie nieznanej cieczy na kwas, zasadę lub sól to pierwsza czynność, jaką wykonuje z nią analityk, a użyte tu trzy testy należą do najstarszych w tym fachu. Para papierków lakmusowych kosztuje niemal tyle co nic i w ciągu sekund odpowiada na pytanie. Żarówka połączona szeregowo z dwiema elektrodami zanurzonymi w cieczy pokazuje, czy ciecz w ogóle przewodzi jony. Pasek magnezu syczy w kwasie, a we wszystkim innym pozostaje obojętny. Łącznie testy te pozwalają odróżnić sól od kwasu i zasady bez ani jednego odczytu przyrządu, dlatego przetrwały zarówno w terenowych zestawach do badania jakości wody, jak i w szkolnych laboratoriach.

To, na co reagują te trzy testy, jest w każdym przypadku inne, i w tym właśnie sęk, aby przeprowadzić wszystkie trzy. Papierek lakmusowy to barwnik, którego kolor zależy od pH, więc wskazuje on stężenie jonów hydroniowych. Żarówka reaguje na ruchliwe jony, a każdy rozpuszczalny związek jonowy dostarcza ich niezależnie od tego, czy jest kwaśny, zasadowy czy obojętny – przewodność elektryczna odróżnia więc roztwory jonowe od cząsteczkowych, a nie kwasy od zasad. Magnez reaguje tylko na jon hydroniowy, ulegając utlenieniu do Mg²⁺ podczas gdy H₃O⁺ zostaje zredukowany do gazowego wodoru. Trzy testy, trzy różne pytania; dopiero ich kombinacja pozwala zidentyfikować roztwór.

W tym laboratorium wykonasz wszystkie trzy testy na 0,1 mol/l chlorku sodu, kwasie solnym i wodorotlenku sodu, rejestrując dla każdego z nich przewodnictwo elektryczne, oba kolory papierka lakmusowego, odczyt z papierka wskaźnikowego pH oraz wynik próby z magnezem. Następnie przygotujesz cztery rozcieńczenia 1 mol/l kwasu solnego — 10 ml dopełnione do 30 ml, do 60 ml i do 100 ml oraz 1 ml dopełnione do 100 ml — i zmierzysz pH wszystkich pięciu roztworów kwasu za pomocą pH-metru. Druga część zmienia zgrubną skalę pH z pierwszej części w skalę ilościową i pokazuje, że pH mocnego kwasu nie jest niczym innym jak logarytmem stopnia jego rozcieńczenia.

Cele edukacyjne

Klasyfikowanie roztworu na podstawie dowodów

• Przypisz nieznany roztwór do kwasu, zasady lub soli obojętnej, korzystając z połączonych dowodów w postaci lakmusu, papierka wskaźnikowego pH, przewodnictwa elektrycznego i reakcji z magnezem.
• Wyjaśnij, które z czterech testów faktycznie rozróżniają trzy klasy, a które nie, i dlaczego.

Obsługa instrumentów

• Obsługuj detektor przewodności elektrycznej, a pomiędzy roztworami płucz i susz elektrody, aby ślad poprzedniej cieczy nie mógł zapalić żarówki.
• Odczytaj pH za pomocą papierka wskaźnikowego w porównaniu do skali barw oraz pH-metru z jego wyświetlacza i określ, które z tych dwóch urządzeń jest dokładniejsze i o ile.

Papierek lakmusowy i pH-metryczny jako wskaźniki

• Litmus to barwnik o zakresie przejścia wynoszącym w przybliżeniu od pH 4,5 do 8,3, a dwa niezmienione papierki stanowią wynik pozytywny, a nie nieudany test.
• Odróżnij papier jednoznacznikowy, który daje przedział, od papieru uniwersalnego, który daje wartość przybliżoną.

Przewodność i rozpuszczone jony

• Przewodnictwo w roztworze polega na migracji jonów pod wpływem pola elektrycznego. Jony dodatnie (kationy) przemieszczają się w kierunku katody, a jony ujemne (aniony) w kierunku anody, co powoduje przepływ prądu elektrycznego. Wszystkie trzy roztwory o stężeniu 0.1 mol/L powodują świecenie żarówki, ponieważ każdy z nich zawiera swobodne, ruchliwe jony będące nośnikami ładunku elektrycznego, niezależnie od tego, czy substancja jest mocnym czy słabym elektrolitem w tym stężeniu.
• Przewidź, który z tej trójki przewodzilby najlepiej, gdyby detektor pokazywał liczbę zamiast świecenia żarówki, i uzasadnij to przewidywanie na podstawie ruchliwości jonowych.

Rozcieńczenie i logarytmiczna skala pH

• Oblicz stężenie roztworu po rozcieńczeniu, w mol/L oraz w g/L, i sporządź go poprawnie za pomocą cylindra miarowego.
• Wykaż, że dla mocnego kwasu monoprytowego wzrost pH jest równy logarytmowi dziesiętnemu współczynnika rozcieńczenia, i użyj tego do przewidzenia pH przed jego zmierzeniem.

Bezpieczeństwo i utylizacja

• Z kwasem solnym o stężeniu 1 mol/L i wodorotlenkiem sodu o stężeniu 0,1 mol/L należy obchodzić się w rękawiczkach i okularach ochronnych, wiedząc, która z tych dwóch substancji powoduje poważniejsze uszkodzenie oczu.
• Zbierz wodór wydzielający się z magnezu z dala od jakiegokolwiek ognia i zutylizuj wszystkie roztwory w pojemniku do odzysku.

Protokół

Część A: Właściwości kwasów, zasad i soli

1. Włącz detektor przewodnictwa elektrycznego (ECD).
2. Wlej 10 ml roztworu 0,1M NaCl do zlewki A.
3. Wyczyść elektrody ECD wodą destylowaną i wytrzyj je bibułą.
4. Zanurz elektrody w roztworze A. Obserwuj, czy żarówka się zapali, czy nie, i odnotuj wynik w tabeli wyników.
5. Powtórz kroki od 2 do 4 z roztworami 0,1M HCl i 0,1M NaOH, używając zlewki B i C.
6. Zanurzyć kawałek niebieskiego papierka lakmusowego i kawałek czerwonego papierka lakmusowego w roztworze A. Zanotować uzyskane kolory w tabeli wyników.
7. Zanurz kawałek papierka wskaźnikowego pH w roztworze A i oceń pH, używając skali barw. Zapisz pH w tabeli wyników.
8. Powtórz kroki 6 i 7 z roztworami B i C.
9. Umieść wstążkę magnezu w roztworze A i zanotuj obserwacje w tabeli wyników.
10. Powtórz krok 9 z roztworami B i C

Część B: Stężenie roztworu kwasowego i jego pH

1. Wlać 10 ml roztworu HCl 1M do cylindra miarowego o pojemności 100 ml.
2. Dolej wody destylowanej do kreski 30 ml.
3. Przelej zawartość cylindra do zlewki o pojemności 100 ml oznaczonej numerem 1.
4. Wlać 10 ml roztworu HCl 1M do cylindra miarowego o pojemności 100 ml.
5. Dopełnić wodę destylowaną do kreski 60 ml.
6. Przelej zawartość cylindra do zlewki o objętości 100 ml oznaczonej numerem 2.
7. Wlać 10 ml roztworu HCl 1M do cylindra miarowego o pojemności 100 ml.
8. Dolej wody destylowanej do kreski 100 mL.
9. Przelej zawartość cylindra do zlewki o pojemności 100 mL oznaczonej numerem 3.
10. Wlej 1 ml roztworu 1M HCl do cylindra miarowego o pojemności 10 ml. Następnie przelej roztwór do cylindra miarowego o pojemności 100 ml.
11. Dolej wody destylowanej do kreski 100 mL.
12. Przelej zawartość cylindra do zlewki o pojemności 100 ml oznaczonej numerem 4.
13. Zmierz pH roztworu 1M HCl i roztworów 1 do 4 za pomocą pH-metru. Zapisz wyniki w tabeli wyników.
14. Nie zapomnij przepłukać pH-metru wodą destylowaną i osuszyć go papierem między pomiarami.

Przewidywane wyniki

Część A — właściwości kwasów, zasad i soli. Wszystkie trzy roztwory mają stężenie 0,1 mol/L i wszystkie trzy są mocnymi elektrolitami, więc wszystkie trzy zapalają żarówkę. Tym, co je odróżnia, są papierek lakmusowy, papierek wskaźnikowy pH oraz magnez.

Dlaczego sól nie zmienia żadnego z papierków. Lakmus zmienia kolor w zakresie od około pH 4,5 do 8,3, więc może wskazywać jedynie “poniżej 4,5” lub “powyżej 8,3”. Chlorek sodu dysocjuje do Na⁺ i Cl⁻, są to odpowiednio sprzężone zasady mocnych kwasów i mocnych zasad, z których żadna nie pobiera protonu od wody ani jej go nie oddaje. W związku z tym roztwór utrzymuje pH na poziomie 7, oba papierski wskaźnikowe zachowują swój pierwotny kolor, a ta para braku reakcji stanowi jednoznaczną identyfikację soli obojętnej.

Dlaczego wszystkie trzy prowadzą. Przewodnictwo wymaga jonów swobodnych zdolnych do migracji, a każdy z trzech związków jest w pełni dysocjowany przy stężeniu 0,1 mol/L, co daje 0,2 mol/L jonów w każdej z probówek. Żarówka świeci się więc we wszystkich trzech przypadkach, a uczeń, który oczekuje przewodnictwa tylko kwasu, pomylił pojęcie “jonowy” z “kwasowym”. Trzy roztwory nie przewodzą jednak prądu równie dobrze i w tym właśnie miejscu żarówka ukrywa coś ciekawego.

Dlaczego tylko kwas atakuje magnez. Magnez ulega utlenieniu, a hydroniowy redukcji: Mg(s) + 2 H₃O⁺ → Mg²⁺ + H₂(g) + 2 H₂O, lub w formie zazwyczaj zapisywanej, Mg + 2 HCl → MgCl₂ + H₂. Siła napędowa jest duża: E° dla Mg²⁺Potencjał Mg wynosi -2,37 V wobec 0,00 V dla układu wodorowego, więc potencjał ogniwa wynosi +2,37 V, a reakcja przebiega na tyle szybko, że jest widoczna jako strumień pęcherzyków. W roztworze soli nie ma silniejszego utleniacza niż woda, a w wodorotlenku sodu metal jest chroniony przez przylegającą warstwę nierozpuszczalnego Mg(OH)2₂; oba są zarejestrowane jako brak reakcji. Pęcherzyki w zlewce B to wodór i są one jedynym gazem produkowanym w jakimkolwiek miejscu w tym laboratorium.

Część B — stężenie i pH. Z tego samego roztworu wyjściowego o stężeniu 1 mol/L, którego stężenie masowe wynosi 1,00 mol/L × 36,46 g/mol = 36,5 g/L, sporządza się cztery rozcieńczenia. Każde rozcieńczenie spełnia C_dV_d = C_nV_n, więc C_n = C_dV_d/V_n. Dla rozwiązania 1, C₁ = 36,5 g/L × 10 mL / 30 mL = 12,2 g/L, a podstawienie tych samych wartości daje resztę.

pH mocnego kwasu jest logarytmem z jego rozcieńczenia. Kwas solny dysocjuje całkowicie, więc [H₃O⁺] równa się stężeniu przygotowanemu i pH = −log C. Dzieląc stężenie przez współczynnik f dlatego podnosi pH o logarytm f, i nic więcej. To jedno stwierdzenie wyjaśnia każdy wiersz tabeli: log 3 = 0,48, log 6 = 0,78, log 10 = 1,00 oraz log 100 = 2,00, czyli cztery wartości pH bez żadnych dodatkowych obliczeń. Wyjaśnia ono również, dlaczego stopnie w tej serii są nierównomierne, podczas gdy w labie 048 są one wszystkie równe — tutaj współczynniki rozcieńczenia wynoszą 3, 6, 10 i 100, a nie są stałą dziesiątką.

Odczytywanie wagi wspak. Ponieważ skala jest logarytmiczna, jedna jednostka pH oznacza dziesięciokrotność stężenia [H₃O⁺]: roztwór 4 przy pH 2,00 ma jedną setną stężenia hydroniowego roztworu wyjściowego o pH 0,00 i jedną dziesiątą stężenia roztworu 3. Idąc w drugą stronę, [H₃O⁺] = 10^−pH, więc odczyt wynoszący 0,78 odpowiada 10^−0,78 = 0,166 mol/L, co przywraca stężenie roztworu 2 do trzech cyfr znaczących. Możliwość przeprowadzenia obliczeń w obu kierunkach sprawia, że pH-metr służy do pomiaru stężenia, a nie do porównywania kolorów.

Podsumowanie zadania według zakresu ocen

Klasy 9–10

Skupienie: przeprowadzenie czterech testów z uwagą i opisanie, co każdy z nich pokazuje.

Aktywności: uzupełnij tabelę części A dla wszystkich trzech roztworów na podstawie bezpośredniej obserwacji; określ, który roztwór jest kwasem, który zasadą, a który solą, i wymień pojedynczy test, który rozstrzygnął w każdym przypadku; wyjaśnij, dlaczego żarówka świeciła dla wszystkich trzech; napisz równanie słowne reakcji magnezu z kwasem solnym i nazwij gaz; przygotuj cztery rozcieńczenia i uporządkuj pięć odczytów pH, pamiętając, że im bardziej rozcieńczony kwas, tym wyższe pH.

Klasa 11

Skupienie: arytmetyka rozcieńczeń i skali logarytmicznej.

Aktywności: oblicz stężenie każdego z czterech rozcieńczeń z C_dV_d = C_nV_n, zarówno w mol/L, jak i g/L, pokazując podstawienie; przewidzieć każde pH jako −log C przed jego zmierzeniem i porównać z pH-metrem; przeliczyć każde zmierzone pH z powrotem na stężenie jonów hydroniowych; pokazać, że wzrost pH równa się logarytmowi współczynnika rozcieńczenia dla wszystkich czterech roztworów; uzgodnić równanie reakcji magnezu i obliczyć objętość wodoru, jaką 0,10 g taśmy da w warunkach pokojowych.

Klasa 12 / Poziom akademicki

Skupienie: mechanizm, precyzja i ograniczenia każdej metody.

Aktywności: Wyjaśnienie anomalnie wysokiej przewodności molowej jonów wodorowych ($H^+$)₃O⁺ i O⁻ pod względem przenoszenia protonu między cząsteczkami wody oraz przewidzieć stosunek przewodności elektrycznej tych trzech roztworów; wyjaśnić ilościowo pH roztworu chlorku sodu za pomocą K_w oraz brak hydrolizy; oszacuj współczynnik aktywności potrzebny do uzgodnienia zmierzonego pH wynoszącego 0,1 z roztworem wyjściowym o stężeniu 1 mol/L i skomentuj kierunek odchylenia; zidentyfikuj dwa wskazania miernika, które nie zgadzają się z −log C, i oszacuj wielkość rozbieżności; zaproponuj próbę kontrolną, dzięki której test przewodności stałby się miarodajny, i przewidź jej wynik; omów, dlaczego lakmus, papierek wskaźnikowy i elektroda szklana różnią się dokładnością o około rząd wielkości na każdym kroku.

Podstawowe wyposażenie laboratorium

Instrumenty

• Detektor przewodności elektrycznej (ECD), z żarówką i elektrodami
• pH-metr
• Pęseta
• Papier chłonny
• Cylindryczny cylinder miarowy (100 ml)
• Cylindryczny cylinder miarowy (10 ml)
• Zlewiki 50 mL (3 sztuki, oznaczone jako A, B i C)
• Zleconka 100 mL (4 szt., o numerach od 1 do 4)
• Zlewki roztworu podstawowego (4, na stole odczynnikowym)
• Niebieski i czerwony papier lakmusowy
• Uniwersalne paski pH ze skalą kolorów
• Kosz

Produkty

• Roztwór NaCl 0,1 mol/l
• HCl 0,1 mol/l (roztwór)
• NaOH 0,1 mol/l (roztwór)
• HCl 1,0 mol/l (roztwór, 36,5 g/l)
• Taśmy magnezowe
• Woda destylowana