050 – Conductivitate și pH

Clasificarea unui lichid necunoscut în acid, bază sau sare este primul lucru pe care îl face un analist cu acesta, iar cele trei teste folosite aici sunt cele mai vechi din meserie. O pereche de hârtii de turnesol costă aproape nimic și răspunde la întrebare în câteva secunde. Un bec legat în serie cu doi electrozi scufundați în lichid arată dacă lichidul transportă sau nu ioni. O bandă de magneziu face efervescență în acid și rămâne inertă în orice altceva. Împreună, aceste teste separă o sare de un acid și de o bază fără nicio citire la instrumente, motiv pentru care ele supraviețuiește atât în trusele de teren pentru calitatea apei, cât și în laboratoarele școlare.

Ceea ce răspund cele trei teste este diferit în fiecare caz, și acesta este scopul efectuării tuturor celor trei. Hârtia de turnesol este un colorant a cărui culoare depinde de pH, deci indică concentrația de hidroniu. Becul reacționează la ionii mobili, iar fiecare compus ionic solubil îi furnizează, fie că este acid, bazic sau neutru — așa că conductibilitatea separă soluțiile ionice de cele moleculare, nu acizii de baze. Magneziul reacționează numai la ionul de hidroniu, fiind oxidat la Mg²⁺ în timp ce H₃O⁺ este redus la hidrogen gazos. Trei teste, trei întrebări diferite; doar combinația lor identifică o soluție.

În acest laborator, veți efectua toate cele trei teste pe clorură de sodiu 0,1 mol/L, acid clorhidric și hidroxid de sodiu, înregistrând conductibilitatea, ambele culori ale hârtiei de turnesol, valoarea citită pe hârtia de pH și rezultatul pentru magneziu pentru fiecare în parte. Apoi veți prepara patru diluții de acid clorhidric 1 mol/L — 10 mL aduși la 30 mL, la 60 mL și la 100 mL, și 1 mL adus la 100 mL — și veți măsura pH-ul tuturor celor cinci soluții acide cu un pH-metru. A doua parte transformă scara de pH grosieră din prima parte într-una cantitativă și arată că pH-ul unui acid tare nu este altceva decât logaritmul gradului în care acesta a fost diluat.

Obiective educaționale

Clasificarea unei soluții pe baza dovezilor

• Atribuie o soluție necunoscută la categorie de acid, bază sau sare neutră utilizând dovezile cumulate ale hârtiei de turnesol, hârtiei de pH, conductivității și reacției cu magneziul.
• Explicați care dintre cele patru teste face efectiv distincția între cele trei clase și care nu, și de ce.

Manipularea instrumentelor

• Utilizați un detector de conductivitate electrică și clătiți și uscați electrozii între fiecare soluție, astfel încât nici o urmă din lichidul anterior să nu poată aprinde becul.
• Citește o hârtie de pH în comparație cu scara ei de culori și un pH-metru de pe afișajul său și precizează care dintre cele două este mai precis și cu cât.

Hârtia de turnesol și hârtia de pH ca indicatori

• Descrieți hârtia de turnesol ca fiind un colorant cu un interval de tranziție cuprins aproximativ între pH 4,5 și 8,3 și explicați de ce două hârtii care nu au suferit modificări reprezintă un rezultat pozitiv, și nu un test eșuat.
• Faceți distincția între o hârtie cu un singur colorant, care indică un interval, și o hârtie universală, care indică o valoare aproximativă.

Conductivitate și ioni dizolvați

• Explicați fenomenul de conducție în soluție ca fiind migrația ionilor și explicați de ce toate cele trei soluții de 0,1 mol/L aprind becul.
• Prevedeți care dintre cele trei ar funcționa cel mai bine dacă detectorul ar afișa un număr în loc să aprindă un bec și justificați previziunea pe baza mobilităților ionice.

Diluția și scara logaritmică a pH-ului

• Calculați concentrația unei soluții după diluare, în mol/L și în g/L, și preparați-o corect cu ajutorul unui cilindru gradat.
• Demonstrați că, în cazul unui acid monoprotic puternic, creșterea valorii pH-ului este egală cu logaritmul în baza zece al factorului de diluție și folosiți această relație pentru a estima valoarea pH-ului înainte de a o măsura.

Siguranță și eliminare

• Manipulați acidul clorhidric de 1 mol/L și hidroxidul de sodiu de 0,1 mol/L purtând mănuși și ochelari de protecție și țineți cont de faptul că una dintre aceste substanțe poate provoca leziuni oculare mai grave.
• Colectați hidrogenul degajat din magneziu departe de orice flacără și aruncați toate soluțiile în coșul de colectare.

Protocol

Partea A: Proprietățile acizilor, bazelor și sărurilor

1. Pornește detectorul de conductivitate electrică (ECD).
2. Turnați 10 mL din soluția de NaCl 0,1 M în becherul A.
3. Curățați electrozii ECD cu apă distilată și ștergeți-i cu hârtie absorbantă.
4. Scufundați electrozii în soluția A. Observați dacă becul se aprinde sau nu și înregistrați rezultatul în tabelul de rezultate.
5. Repetați pașii 2 până la 4 cu soluțiile de HCl 0,1M și NaOH 0,1M, cu paharele de laborator B și C.
6. Scufundați o hârtie de turnesol albastră și o hârtie de turnesol roșie în soluția A. Înregistrați culorile obținute în tabelul de rezultate.
7. Înmuiați o hârtie de pH în soluția A și evaluați pH-ul folosind scala de culori. Înregistrați pH-ul în tabelul de rezultate.
8. Repetați pașii 6 și 7 cu soluțiile B și C.
9. Pune o panglică de magneziu în soluția A și notează observațiile în tabelul de rezultate.
10. Repetă pasul 9 cu soluțiile B și C

Partea B: Concentrația unei soluții acide și pH-ul acesteia

1. Turnați 10 mL de soluție 1M HCl în cilindrul gradat de 100 mL.
2. Adăugați apă distilată până la semnul de 30 mL.
3. Toarnă conținutul cilindrului în eprubeta de 100 mL identificată cu numărul 1.
4. Turnați 10 mL de soluție 1M HCl în cilindrul gradat de 100 mL.
5. Adaugă apă distilată până la marcajul de 60 mL.
6. Vărsați conținutul cilindrului în eprubeta de 100 mL identificată cu numărul 2.
7. Turnați 10 mL de soluție 1M HCl în cilindrul gradat de 100 mL.
8. Adaugă apă distilată până la marcajul de 100 mL.
9. Toarnă conținutul cilindrului în eprubeta de 100 mL identificată cu numărul 3.
10. Toarnă 1 mL de soluție 1M HCl în cilindrul gradat de 10 mL. Apoi toarnă soluția în cilindrul gradat de 100 mL.
11. Adaugă apă distilată până la marcajul de 100 mL.
12. Turnați conținutul cilindrului în eprubeta de 100 mL identificată cu numărul 4.
13. Măsurați pH-ul soluției de HCl 1M și al soluțiilor de la 1 la 4 cu ajutorul pH-metrului. Înregistrați rezultatele în tabelul de rezultate.
14. Nu uitați să clătiți pH-metrul cu apă distilată și să-l ștergeți cu hârtie, între măsurători.

Rezultate anticipate

Partea A — proprietățile acizilor, bazelor și sărurilor. Toate cele trei soluții au o concentrație de 0,1 mol/L și toate trei sunt electroliți puternici, așa că toate trei aprind becul. Ceea ce le diferențiază este hârtia de turnesol, hârtia de pH și magneziul.

De ce sarea nu schimbă niciuna dintre hârtii. Hârtia de turnesol își schimbă culoarea în intervalul de pH cuprins între aproximativ 4,5 și 8,3, astfel încât poate indica doar “sub 4,5” sau “peste 8,3”. Clorura de sodiu se dizolvă formând Na⁺ și Cl⁻, conjugatele unei baze puternice și, respectiv, ale unui acid puternic, și niciuna dintre ele nu preia un proton din apă și nici nu îi cedează unul. Prin urmare, soluția își menține pH-ul la 7, ambele hârtii își păstrează culoarea inițială, iar această lipsă a celor două fenomene constituie dovada certă a existenței unei sări neutre.

De ce toți trei se comportă astfel. Conducția necesită ioni liberi să migreze, iar fiecare dintre cei trei compuși este complet disociat la 0,1 mol/L, rezultând 0,2 mol/L de ioni în fiecare pahar de laborator. Prin urmare, becul se aprinde în toate cele trei pahare de laborator, iar un elev care se așteaptă ca doar acidul să conducă a confundat termenul “ionic” cu “acid”. Cei trei compuși nu sunt însă conductori la fel de buni, iar acesta este singurul aspect în care becul ascunde ceva interesant.

De ce doar acidul atacă magneziul. Magneziul este oxidat, iar hidronium este redus: Mg(s) + 2 H₃O⁺ → Mg²⁺ + H₂(g) + 2 H₂O, sau sub forma scrisă de obicei, Mg + 2 HCl → MgCl₂ + H₂. Forța motrice este mare: E° pentru Mg²⁺/Mg este de −2,37 V față de 0,00 V pentru cuplul hidrogen, astfel încât potențialul celulei este de +2,37 V, iar reacția este suficient de rapidă încât să se observe sub forma unui flux de bule. În soluția de sare nu există niciun agent oxidant mai puternic decât apa, iar în hidroxidul de sodiu metalul este protejat de un strat aderent de Mg(OH) insolubil.₂; ambele sunt înregistrate ca lipsite de reacție. Bulele din paharul de laborator B sunt hidrogen și sunt singurul gaz produs oriunde în acest laborator.

Partea B — concentrație și pH. Se fac patru diluții din aceeași soluție stoc de 1 mol/L, a cărei concentrație masică este 1,00 mol/L × 36,46 g/mol = 36,5 g/L. Fiecare diluție respectă C_dV_d = C_nV_n, deci C_n = C_dV_d/V_n. Pentru soluția 1, C₁ = 36,5 g/L × 10 mL / 30 mL = 12,2 g/L, iar aceeași substituție ne dă restul.

pH-ul unui acid puternic este logaritmul diluției sale. Acidul clorhidric ionizează complet, deci [H₃O⁺] este egală cu concentrația preparată și pH = −log C. Împărțirea concentrației la un factor f prin urmare, crește pH-ul cu log f, și nimic altceva. Această singură afirmație explică fiecare rând din tabel: log 3 = 0,48, log 6 = 0,78, log 10 = 1,00 și log 100 = 2,00, care sunt cele patru valori ale pH-ului fără nicio altă calculare. De asemenea, explică de ce pașii din această serie sunt inegali, în timp ce cei din laboratorul 048 sunt cu toții egali — aici factorii de diluție sunt 3, 6, 10 și 100, nu un zece constant.

Citirea cântarului în sens invers. Deoarece scara este logaritmică, o unitate de pH reprezintă un factor de zece în [H₃O⁺]: soluția 4 la pH 2,00 are o sutime din concentrația de hidroniu a soluției mamă la pH 0,00 și o zecime din cea a soluției 3. Mergând în sens invers, [H₃O⁺] = 10^−pH, deci o valoare de 0,78 corespunde la 10^−0,78 = 0,166 mol/L, ceea ce aduce concentrația soluției 2 înapoi la trei cifre semnificative. Faptul de a putea efectua calculul în ambele direcții este ceea ce face ca pH-metrul să fie un instrument de măsurare a concentrației, mai degrabă decât o simplă comparație de culori.

Rezumatul temei pe intervale de note

Clasele a IX-a și a X-a

Concentrare: efectuând patru teste cu atenție și descriind ce arată fiecare.

Activități: completați tabelul din Partea A pentru toate cele trei soluții din observarea directă; precizați care soluție este acidul, care este baza și care este sarea și numiți singurul test care a lămurit fiecare aspect; explicați de ce s-a aprins becul pentru toate cele trei; scrieți ecuația în cuvinte pentru reacția magneziului cu acidul clorhidric și numiți gazul; preparați cele patru diluții și plasați cele cinci citiri ale pH-ului în ordine, observând că, cu cât acidul este mai diluat, cu atât pH-ul este mai ridicat.

Clasa a XI-a

Concentrare: aritmetica diluției și a unei scări logaritmice.

Activități: calculează concentrația fiecăreia dintre cele patru diluții din C_dV_d = C_nV_n, atât în mol/L, cât și în g/L, arătând substituția; preziceți fiecare pH ca −log C înainte de a-l măsura și comparați-l cu aparatul de măsură; convertiți fiecare pH măsurat înapoi la o concentrație de hidroniu; arătați că creșterea pH-ului este egală cu logaritmul factorului de diluție pentru toate cele patru soluții; echilibrați reacția magneziului și calculați volumul de hidrogen pe care o bandă de 0,10 g l-ar da în condiții de cameră.

Clasa a XII-a / Nivel universitar

Concentrare: mecanismul, precizia și limitele fiecărei metode.

Activități: Conductibilitatea molară anomal de ridicată a ionului de hidrogen $\text{H}^+$ (sau, mai corect, a ionului de hidroniu, $\text{H}_3\text{O}^+$) se datorează mecanismului de transport Grotthuss, cunoscut și sub numele de mecanismul de săritură a protonului. Spre deosebire de alți ioni din soluție (cum ar fi $\text{Na}^+$ sau $\text{Cl}^-$), care trebuie să se deplaseze fizic prin solvent prin difuzie și migrare (fapt care îi face să se miște relativ lent din cauza fricțiunii cu moleculele de apă), protonul nu are nevoie să se deplaseze propriu-zis. În schimb, sarcina pozitivă se propagă printr-o rețea de molecule de apă prin ruperea și formarea rapidă a legăturilor de hidrogen. Mai exact, un proton de pe un ion $\text{H}_3\text{O}^+$ se poate „transfera” la o moleculă de apă vecină, transformând-o într-un nou ion $\text{H}_3\text{O}^+$, în timp ce molecula anterioară devine o moleculă normală de apă. Acest proces acționează ca o „reacție în lanț” electrostatică, permițând sarcinii să se deplaseze prin soluție cu o viteză considerabil mai mare decât cea corespunzătoare mișcării fizice a moleculei. Un mecanism similar (deși ușor mai puțin eficient) explică și conductibilitatea ridicată a ionului de hidroxid $\text{OH}^-$.₃O⁺ și OH⁻ în ceea ce privește transferul de protoni între moleculele de apă și să se prezică raportul conductivităților celor trei soluții; să se expliciteze cantitativ pH-ul soluției de clorură de sodiu folosind K_w și absența hidrolizei; estimați coeficientul de activitate necesar pentru a reconcilia un pH măsurat de 0,1 cu o soluție stoc de 1 mol/L și comentați direcția abaterii; identificați cele două citiri ale aparatului de măsură care nu concordă cu −log C și cuantificați discrepanța; propuneți un control care ar face testul de conductivitate discriminatoriu și preziceți-i rezultatul; discutați de ce hârtia de turnesol, hârtia de pH și un electrod de sticlă diferă ca precizie cu aproximativ un ordin de mărime la fiecare pas.

Esențiale de laborator

Instrumente

• Detector de conductivitate electrică (ECD), cu bec și electrozi
• pH-metru
• Pensetă
• Hârtie absorbantă
• Cilindru gradat (100 mL)
• Cilindru gradat (10 mL)
• Pahare Berzelius 50 mL (3, etichetate A, B și C)
• Pahare Berzelius 100 mL (4 bucăți, numerotate de la 1 la 4)
• Pahare cu soluție stoc (4, pe banca de reactivi)
• Hârtie de turnesol albastră și roșie
• Benzi universale de pH cu scală de culori
• Coșul de reciclare

Produse

• NaCl 0,1 mol/L (soluție)
• HCl 0,1 mol/L (soluție)
• NaOH 0,1 mol/L (soluție)
• HCl 1,0 mol/L (soluție, 36,5 g/L)
• Benzi de magneziu
• Apă distilată