165986 (Стандартизация измерения рН в неводных средах. Методы определения рН стандартных буферных растворов)

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. В.Н. Каразина

Кафедра физической химии

СТАНДАРТИЗАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЯ рН В НЕВОДНЫХ СРЕДАХ. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ рН СТАНДАРТНЫХ БУФЕРНЫХ РАСТВОРОВ

Курсовая работа

студентки III курса

химического факультета

****************

ХАРЬКОВ 2008

СОДЕРЖАНИЕ:

ВВЕДЕНИЕ

1.Понятие pH

2.Кислотность неводных растворов

2.1.Шкала рНр

2.2 Единая шкала кислотности

2.3 Метод Михаэлиса. Шкала рН_HAc Конанта и Хелла

2.4 Определение кислотности методом Гамметта

2.5Метод нормального потенциала Плескова

2.6.Применение средних коэффициентов активности ионов для оценки единой шкалы кислотности

2.7 Нахождение единой кислотности рА с помощью протонов

3.Буферные растворы

3.1.Классификация кислотно-основных буферных систем

3.2.Определение pH стандартных буферных растворов

ВЫВОД

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

РЕФЕРАТ

Данная курсовая работа содержит 3 раздела, 35 страниц и 2 таблицы.

Целью работы является изучение кислотности неводных растворов, методы ее определения и стандартизация измерения, а также изучение методов определения pH стандартных буферных растворов.

В работе рассмотрено несколько методов определения кислотности неводных растворов, а также стандартных буферных растворов, проведено их сравнение в соответствии с допустимыми погрешностями измерения.

Ключевые слова: НЕВОДНЫЙ РАСТВОР, КИСЛОТНОСТЬ, КОЭФФИЦИЕНТ АКТИВНОСТИ, ПОТЕНЦИАЛ, БУФЕРНЫЙ РАСТВОР.

РЕФЕРАТ

Курсова робота містить 3 розділи, 35 сторінок та 2 малюнка.

Ціллю роботи є вивчення кислотності неводних розчинів, методи її визначення та стандартизація вимірювання, а також вивчення методів визначення рН стандартних буферних розчинів.

В роботі розглянуто кілька методів визначення кислотності неводних розчинів, а також стандартних буферних розчинів, проведено їх порівняння відповідно до припустимих похибок вимірювань.

Ключові слова: НЕВОДНИЙ РОЗЧИН ,КИСЛОТНІСТЬ, ПОТЕНЦІАЛ, КОЕФІЦІЄНТ АКТИВНОСТІ, БУФЕРНИЙ РОЗЧИН.

ABSTRACT

This term paper consists of 3 sections, 35 pages and 2 pictures.

The aim of the work is studying the acidity of nonaqueous solutions, methods of their determination, standartization of their measuring, and also studying the methods of measuring pH in standard buffer solutions.

In this work are considered several methods of acidity measuring. They were compared in accordance with acceptable errors.

Key words: ACIDITY, ACTIVITY COEFFICIENT, POTENTIAL, BUFFER SOLUTION.

ВВЕДЕНИЕ

Сложность явлений, происходящих в растворах, а также необходимость изучения растворов с широким диапазоном физических и хи­мических свойств растворителя неизбежно привлекали внимание ис­следователей к неводным средам. Неводные растворители по­степенно начали использовать не только для научных исследований, но и в практической деятельности. Они широко применяются в аналити­ческой практике для улучшения условий титрования. Неводные растворители часто используются в химической, фармацевтической, нефтеперерабатывающей про­мышленности, в промышленности высокополимеров и в других отрас­лях народного хозяйства.

Быстрыми темпами осуществ­ляется переход к проведению процессов органического синтеза в не­водных средах. Замена воды органическими растворителями и переход на замкнутые системы производства позволяет, во-первых, резко ин­тенсифицировать химические процессы, во-вторых, упрощает решение проблем, связанных с очисткой сточных вод и с нарастающей нехваткой пресной воды. Поэтому понятен интерес к методам оценки кислотности неводных растворов и растворов в смешанных растворителях.

Используемые в качестве эталонов для измерений буферные растворы введены давно. Стандартные буферные растворы используются для калибровки приборов, поэтому точность определения кислотности этих растворов должна быть высокой.

1.Понятие pH

Водородный показатель, pH — это мера активности(в случае разбавленных растворов совпадает с концентрацией) ионов водорода в растворе, количественно выражающая его кислотность, вычисляется как отрицательный десятичный логарифм концентрации водородных ионов, выраженной в молях на литр:

(1)

Зависимость громадного коли­чества химических, биохимических, природ­ных, технологических и многих других про­цессов от величины рН стимулирует разви­тие теории и техники измерения этого по­казателя.

Трудно отыскать такую область науки, технологии и химии растворов, в которой не использовалась бы ве­личина рН. Шкала рН была предложена датским хими­ком Зеренсеном. Изучая биохимические реакции, в ча­стности гидролиз пепсина и усвоение протеинов в кислотно-солевых смесях, Зеренсен в 1909 году обна­ружил их чрезвычайно сильную зависимость от изме­нения концентрации ионов водорода. Он нашел, что эффективная концентрация ионов водорода, непо­средственно воздействующих на процесс, изменялась в широком диапазоне концентраций и часто оказыва­лась непривычно малой величиной. Для удобства Зе­ренсен предложил записывать ее в экспоненциальной форме с_Н + = 10^-р = 1/10^р. Позднее символ -^р был заменен обозначением рН. На современном языке р понимают как оператор р = -lg, таким образом, pH = -lg[H⁺]. Именно так трактуется это обозначение в Номенкла­турных правилах Международного союза по теоретиче­ской и прикладной химии (International Union for Pure and Applied Chemistry), ИЮПАК.

2.Кислотность неводных растворов.

2.1.Шкала рН_р

Важным вопросом является определение рН в неводных и смешанных растворителях. Этот вопрос имеет практическое значение, так как в пищевой промышленности, промышленности пластмасс, фото- кино- промышленности и других отраслях промышленности широко используют измерения рН в неводных растворах.

При определении рН в неводных растворах делается еще большее количество ошибок, чем при определении рН в водных растворах.

При решении проблемы о кислотностях неводных растворов следует поставить два вопроса. Как поступать при сравнении кислотности двух растворов в одном и том же растворителе? Как поступать при сравнении кислотности растворов в двух разных растворителях? Эта задача отличается принципиально от задачи сравнения между собой кислотности в пределах одного растворителя.

Очень часто намерении pН в неводных растворах производят по отношению к водному каломельному электроду, потенциал которого определяется по водному стандарту. При этом фактически измерения сводят к измерению э.д.с цепи:

Pt(H₂) | стандартный | исследуемый | Pt(H₂) (2.1.1)

р-р в воде р-р в неводн р-ле

Таким образом значения рН неводных растворов не могут быть полу­чены путем непосредственного сопоставления потенциалов индикаторных электродов в водных и неводных растворах, а следовательно, и рН-метр, калиброванный по водным стандартам, не может дать правильных значений рН неводного раствора.

Рис. 1. Шкала рН_р и шкала р_аН в различных растворителях.

По вопросу о стандартизации рН в неводных растворах нет единого мнения. Тем не менее расширение этого вопроса становится все более насущным в связи с широким распространением неводных растворителей, и особенно их смесей с водой, в промышленности и аналитической практике.

Задача сравнения кислотности в пределах одного неводного растворителя принципиально не отличается от задачи определения рН в водных растворах. Величина рН определяется отрицательным логарифмом активности ионов водорода в данном растворителе М:

pH_p=-lga^*=-lgc ^*

т.е. отрицательным логарифмом произведения концентрации ионов лиония

на соответствующий концентрационный коэффициент активности. Коэффициент активности относится к бесконечно разбавленному раствору в данной среде как стандарту.

Переходя от воды в неводному растворителю, переходят от кислотности, выраженной в концентрациях или активностях одного иона - иона гидроксония, к кислотности, выраженном в концентрациях или активностях другого иона – лиония. Действительно, в воде носителем кислотных свойств является ион Н₃О⁺. Когда по отношению к водному раствору мы говорим, что его рН = 5, это значит, что активность ионов Н₃О⁺ равна 10^-5. В спиртовом растворе носителем кислотных свойств являются ионы этоксония С₂Н₅ОН₂⁺, в аммиаке носителем кислотных свойств — соответственно ионы аммония NH₄⁺ и т. д.

При оценке рН растворов в пределах одного растворителя следует учитывать протяженность шкалы рН: в.воде вся шкала рН равна 14,0, но в этиловом спирте 19,3; в муравьиной кислоте. 6,1 и т. д. (рис. 1)

Стандартизация рН в неводных растворах может быть выполнена так же как и в водных растворах, т. е. путем изготовления стандартных растворов в том же растворителе, что и исследуемый раствор. Однако в этом случае возникает ряд затруднений. Например, коэффициенты активности сильных кислот значительно больше отличаются от единицы, чем в водных растворах; сильные в воде кислоты становятся в неводных растворах слабыми; хуже растворимы соли; значительно меньше имеется данных о коэффициентах активности.

В настоящее время единственным веществом, с помощью которого может быть произведена стандартизация рН в неводных растворах, является хлористый водород, так как для него имеются данные о коэффициентах активности в большинстве широко используемых растворителей и в их смесях с водой. В качестве электрода сравнения при измерениях в неводных растворах может быть использован хлорсеребрянный электрод в растворе НCl, который вполне пригоден для измерений в ряде чистых неводных растворителей и их смесях с водой.

Измеренная по отношению к стандарту в данном растворителю рН не является абсолютном мерой кислотности неводного раствора и может быть использована для характеристики кислотности только в пределах данного растворителя. Это следует из того, что начало шкалы кислотности р_аН_р =0 не соответствует равенству абсолютных активностей ионов водорода во всех растворителях. Величины р_аН нейтральных растворов в разных растворителях не совпадают друг с другом, так как протяженность шкал, зависящая от ионного произведения растворителя, различна. В верхней части рис. 1 в качестве примера приведены шкалы рН_р в воде и не которых неводных средах. В воде шкала рН изменяется от 0 до 14; нейтральным раствором называется раствор с рН = 7. Если раствор имеет рН=0, это раствор кислоты с активностью ионов Н⁺, равной единице; если раствор имеет рН = 14, это раствор щелочи с активностью ионов ОН^--, равной единице, но это не значит, что не может быть растворов в воде с рН меньше нуля и больше 14.

Раствор, у которого рН =15, означает раствор щелочи с активностью, равной 10, растворы с рН=-1 являются растворами кислоты с активностью, равной 10.

В воде между одноактивным раствором кислоты и одноактивным раствором щелочей изменение рН равно 14, это является следствием того, что ионное произведение воды равно 10^-14. В метиловом спирте ионное произведение равно 10^-16,5. Это значит что между одноактивным раствором щелочи и одноактивным раствором кислоты изменение рН будет составлять 16,5 единицы. У нейтрального раствора рН будет не 7, как в воде, а 8,3. Этиловый спирт имеет шкалу протяженностью 19,3 единицы; следовательно, рН нейтрального раствора будет составлять 9,7. В аммиаке шкала имеет протяженность 32,7 единицы и нейтральный раствор в нем будет иметь рН = 16,3.

Таким образом, нужно иметь в виду, как относится величина рН дан­ного раствора к рН нейтрального раствора.

Поэтому предложено отмечать показатель рН индексом, равным рН нейтральной точки. В воде рН-следует отмечать индексом 7 - рН₇, в эти­ловом спирте индексом 9,7 — рН₉,₇ и т. д.

Мы уже говорили о невозможности определения рН в цепях, содержа­щих водный и неводный растворы. Измерение рН должно производиться в цепи, содержащей только один растворитель; стандартный и измеряемый растворы должны быть в одном и том же растворителе. При измерении рН в спирте стандартные растворы должны быть также спиртовыми.

Это положение не исключает практического применения водного стан­дарта. Можно пользоваться водным каломельным электродом и в этих слу­чаях, но его потенциал следует измерять по отношению к неводному стан­дарту. В принципе стандартизация шкалы рН_р всегда должна быть произ­ведена по отношению к неводному раствору ионов водорода.

2.2 Единая шкала кислотности

Для решения ряда практически важных вопросов возникает необхо­димость сопоставления кислотности растворов в различных растворителях, приведение значений рН_р к единому началу отсчета. Можно было бы полагать, что измерения, произведенные на рН-метре, откалиброванном по вод­ным стандартам, должны давать значения рН по отношению к единому стандарту, так как электрод сравнения остается неизменным и измеряемая э.д.с представляет собой разность потенциалов электродов, обратимых но отношению к ионам водорода, опущенных в стандартный водный и иссле­дуемый неводный растворы. Однако, как уже говорилось, наличие фазового потенциала не позволяет находить значения р_аН_р, отнесенные к единому водному стандарту.