Цель работы: исследовать характер изменения кислотности среды различных растворов с помощью датчика рН
Общая информация
Одно из важнейших свойств водных растворов – их кислотность (или щелочность), которая определяется концентрацией ионов Н+ и ОН-. Концентрации этих ионов в водных растворах связаны простой зависимостью [H+][OH-] = Кw. Величина Kw называется ионным произведением воды и при данной температуре постоянна. Чаще всего пользуются значением Kw при 25°С, которое равно 1,00*10–14. В абсолютно чистой воде, не содержащей даже растворенных газов, концентрации ионов Н+ и OH- равны (раствор нейтрален). В других случаях эти концентрации не совпадают: в кислых растворах преобладают ионы Н+, в щелочных – ионы OH-. Но их произведение в любых водных растворах постоянно. Поэтому если увеличить концентрацию одного из этих ионов, то концентрация другого иона уменьшится во столько же раз. Так, в слабом растворе кислоты, в котором [H+] = 10–5 моль/л, [OH-] = 10–9 моль/л, а их произведение по-прежнему равно 10–14.
Из сказанного следует, что можно однозначно выразить кислотность раствора, указав концентрацию в нем только ионов водорода. Например, в чистой воде [H+] = 10–7 моль/л. На практике оперировать такими числами неудобно. Кроме того, концентрации ионов Н+ в растворах могут отличаться в сотни триллионов раз – примерно от 10–15 моль/л (крепкие растворы щелочей) до 10 моль/л (концентрированная соляная кислота), что невозможно изобразить ни на каком графике, поэтому используется показатель степени.
Этот показатель степени получил название водородного показателя, а сокращенно рН – от обозначения водорода и немецкого слова Potenz – математическая степень. Таким образом, по определению, рН = –lg[Н+]; эта величина может изменяться в небольших пределах – всего от –1 до 15 (а чаще – от 0 до 14). При этом изменению концентрации ионов Н+ в 10 раз соответствует изменение рН на одну единицу.
Датчик рН
Прибор находится в яйцеобразном пластиковом корпусе и снабжен электродом для измерения концентрации ионов Н+, а также системой температурной компенсации. Для осуществления температурной компенсации к регистратору следует подключить вместе с рН-метром датчик температуры. Термокомпенсация в pH-метре вносит поправку на изменение характеристик электрода от температуры, с тем, чтобы прибор правильно рассчитал значение pH для текущей температуры, если она отличается от той, при которой выполнялась градуировка (расчет проводится автоматически и учитывается при получении итогового значения рН. От исследователя на данной стадии вмешательства не требуется).
Принцип действия: внутри рН-метра имеются две полуячейки. Одна из них содержит элемент сравнения с известной концентрацией ионов водорода Н+. Другая, расположенная на дне электрода, является Н+-чувствительной стеклянной мембраной (рН = -log (Н+)). Разность потенциалов между двумя полуячейками представляет собой выходной сигнал электрода, который несет информацию о значении рН анализируемого раствора. В корпусе прибора этот сигнал преобразуется с помощью усилителя и подстроечного конденсатора в напряжение в диапазоне 0-5 В, воспринимаемое аналого-цифровым преобразователем устройства регистрации и сбора данных и хранится в его памяти, а затем может быть передан на КПК или ПК. При измерении рН чувствительный элемент электрода должен быть погружен в раствор. Датчик хрупок, поэтому им нельзя ничего перемешивать!
Теxнические xарактеристики:
· Диапазон измерений 0-14 рН
· Рабочий диапазон температур 0-100 °С
· Погрешность измерений 2% во всем диапазоне измерения
Лабораторная работа 1.
«Отработка экспериментальных навыков обращения с датчиком рН»
Задание 1. Измерение рН исследуемого раствора
«Измерение рН 0,1 М раствора гидроксида натрия»
Оборудование
· Датчик рН
· Электрод для измерения рН
· Соединительный провод для датчика
· Датчик температуры для термокомпенсации
· Nova
· Магнитная мешалка
· Химический стакан на 150 мл, 2 шт.
· NaOH 0,1 М раствор 50 мл
Монтаж экспериментальной установки
Соберите прибор в соответствии с инструкцией:
1. Закрепите электрод в штативе и подсоедините к датчику рН.
2. Подключите датчик рН к Nova.
3. Подключите датчик температуры к Nova
4. Опустите электрод и датчик температуры в стакан с водой.
5. Включите Nova и запустите программу MultiLab двойным щелчком мыши на иконке программы (MultiLab)
6. В программе MultiLab установите параметры измерений при помощи кнопки Настройка
Настройка параметров измерения
· частота измерений – каждую секунду
· число замеров - 2000
Порядок проведения эксперимента:
1. Налейте в стакан 50 мл 0,1 М раствора гидроксида натрия
2. Поставьте стакан на магнитную мешалку (если мешалка отсутствует, необходимо перемешивать раствор вручную)
3. Опустите в стакан с исследуемым раствором стеклянный электрод, подсоединенный к датчику рН.
4. Поместите в стакан с исследуемым раствором датчик температуры для температурной компенсации.
5. Включите магнитную мешалку.
6. Начинайте регистрацию данных. Для этого нажмите кнопку Пуск на панели инструментов MultiLab. Показания датчиков будут отображаться на экране в виде графика.
7. Дождитесь стабилизации показаний датчика.
8. Остановите регистрацию, нажав кнопку Стоп на панели инструментов MultiLab.
9. Сохраните данные опыта, запишите значение рН в исследуемом растворе.