Камчатский государственный технический университет

Камчатский государственный технический университет
Кафедра химии
ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОЙ РЕАКЦИИ СРЕДЫ (рН) МЕТОДОМ СТАНДАРТНЫХ
РАСТВОРОВ
Методические указание к лабораторной работе по дисциплине и «Химия воды» для студентов специальности 020800 «Экология и природопользование»
очной и заочной формы обучения формы обучения
Петропавловск-Камчатский
2007
Цель работы
Изучение основных методов определения активной реакции среды, закрепление знаний
по расчету рН водных растворов.
Задание
1. Приготовить стандартные буферные растворы.
2. Рассчитать рН каждого буферного раствора.
3. Методом сравнения со стандартными буферными растворами определить рН исследуемого раствора и вычислить концентрацию ионов гидроксония [H3О+].
Теоретическая часть
Активная реакция среды количественно характеризуется концентрацией ионов водорода,
которую принято выражать водородным показателем рН, представляющим собой отрицательный десятичный логарифм [Н+]:
рН = – lg[Н+].
Нейтральные растворы имеют рН = 7, кислые – рН < 7, щелочные рН > 7. Активная реакция большинства природных вод близка к нейтральной (рН = 6,8–7,3). Сточные воды, подаваемые на сооружения биологической очистки, должны иметь рН в пределах 6,5–8,5. Поддержание рН близким к нейтральному необходимо для обеспечения нормального протекания
некоторых процессов очистки воды при использовании ее в быту и промышленности.
Активная реакция среды сточных вод существенно влияет на кинетику и динамику биохимических процессов при очистке сточных вод, скорость которых значительно уменьшается при резком изменении реакции среды. Постоянство рН природных вод также имеет большое значение для нормального протекания в них различных биологических и физикохимических процессов и обеспечивается наличием буферной системы, состоящей из растворенной в воде угольной кислоты Н2СО3 и гидрокарбонат-ионов НСО 3− . Эта буферная система образуется благодаря диссоциации угольной кислоты и гидрокарбоната кальция, всегда
содержащихся в природных водах:
Н2СО3 ↔ Н+ + НСО 3−
Са(НСО3)2 ↔ Са2+ + 2НСО 3− .
Буферные системы – растворы смесей слабых кислот или слабых оснований с их солями.
Концентрация ионов водорода в таких системах мало изменяется с разбавлением. Прибавление к воде небольших количеств кислоты или щелочи также незначительно изменяет их рН.
Емкость углекислотной буферной системы не очень велика, но все же позволяет поддерживать рН воды почти неизменной даже при различных процессах ее обработки: хлорировании, коагулировании, известковании и т. д. Изменение рН воды свидетельствует о загрязнении ее продуктами распада органических соединений, сточными водами различных промышленных предприятий.
В полевых условиях рН воды определяют колориметрическим методом (методом одноцветных нитрофенольных индикаторов). Одноцветные индикаторы – слабые кислоты, которые в недиссоциированном состоянии бесцветны, а в диссоциированном – окрашены. Интенсивность их окраски пропорциональна степени диссоциации, обусловленной концентрацией
ионов водорода. Например, в присутствии недиссоциированных молекул фенолфталеина
раствор бесцветен, а анионы окрашивают раствор в красный цвет. Фенолфталеин является
слабой кислотой: обозначив его молекулу через НInd, диссоциацию
в водных растворах
можно выразить схемой:
раствор
НInd ↔ Н+ + Ind–
раствор
2
бесцветный
красного
цвета
Если к этому раствору прибавить какой-нибудь сильной кислоты – равновесие диссоциации сместится влево по принципу Ле-Шателье и раствор обесцветится. Если же к раствору
фенолфталеина прибавить щелочи, то ОН– – ионы будут связывать Н+ – ионы фенолфталеина, равновесие диссоциации сместится вправо и раствор окрасится в малиновый цвет. Каждый индикатор меняет окраску раствора в определенном, характерном для него интервале
значений рН, который называется областью перехода индикатора.
Для определения концентрации ионов водорода в природных водах в качестве индикатора часто применяют метанитрофенол. При проведении анализа готовят постоянную цветную
шкалу индикаторов в зависимости от рН (эталоны), а затем сравнивают окраску индикатора
в исследуемой воде с окраской индикатора эталонной шкалой. Выбирают тот эталон, который по цвету совпадает с исследуемой водой и устанавливают рН. В лаборатории рН воды
определяют потенциометрическим методом.
Порядок выполнения работы
1.Приготовление стандартных буферных растворов
В семь нумерованных одинаковых пробирок из бюреток налейте заданные объемы растворов в соответствии с табл. 1 и 2.
Таблица 1
Ацетатная буферная смесь
№ пробирок
Объем
0,10 М.
СН3СООН, мл
Объем
0,10 М.
СН3СООNa, мл
рН раствора
Окраска раствора
1
2
3
4
5
6
7
2,0
1,6 1,2 1,0 0,4 0,2
0,1
8,0
8,4 8,8 9,0 9,6 9,8
9,9
В каждую пробирку с ацетатным буферным раствором добавьте по 8 капли раствора индикатора метилового красного. В пробирки с фосфатным буферным раствором добавьте по 8
капель индикатора бромтимолового синего или фенолового красного (по указанию преподавателя). Содержимое пробирок перемешайте и отметьте окраску раствора. Полученную эталонную шкалу оставьте до следующего опыта.
Таблица 2
Фосфатный буферный раствор
№ пробирок
Объем
0,2 М. KН2PO4,
мл
Объем
0,01 М.
Na2HPO4, мл
рН раствора
Окраска рас-
1
2
3
4
5
6
7
5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,5 0,1
5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 9,5 9,9
3
твора
Для каждого раствора вычислите значение рН с точностью до первого знака после запятой, пользуясь следующими формулами:
CV
рН = – lg[H3О+];
[H3О+] = K k k k ,
C cV c
где C k и Vk – молярная концентрация и объем раствора СН3СООН или КН2РО4;
N c и Vc – молярная концентрация и объем раствора СН3СООNa или Na2HPO4;
Kk – константа ионизации.
Кк = 1,74·10–5 – константа ионизации уксусной кислоты,
Кк = 6,2·10–8 – константа ионизации фосфорной кислоты по второй ступени.
2. Контрольное определение рН
Получите у преподавателя исследуемый раствор и налейте его в три пробирки по 10 мл в
каждую, прибавьте в одну пробирку 8 капель раствора метилоранжа, во вторую 8 капель
бромтимолового синего и в третью 8 капель фенолового красного. После перемешивания окраску пробы сравните на белом фоне с цветом буферных растворов с известным значением
рН (эталонная шкала, полученная в предыдущем опыте). По окраске данного раствора и эталонных растворов определите величину рН контрольной пробы. Результаты округлите до
десятых долей значения рН и сдайте их преподавателю.
Контрольные вопросы
1. Что понимают под активной реакцией среды?
2. Какие значения рН соответствуют природным водам?
3. Что способствует поддержанию рН природных вод?
4. О чем свидетельствует изменение рН природной воды?
5. Какими методами определяют рН воды?
6. В чем состоит колориметрический метод определения рН? Какие индикаторы при этом
используют?
7. Вычислите рН карбонатной буферной смеси, содержащей 0,1 моля гидрокарбоната калия и 0,5 моля карбоната натрия. Кк = 4,5·10–7.
4