Водородный показатель как количественная мера активной кислотности. Кислотно-щелочное равновесие - pH-баланс - соотношение кислоты и щелочи
Водоро́дный показа́тель, pH (произносится «пэ аш», английское произношение англ. pH - piː"eɪtʃ, «пи эйч») - мера активности (в очень разбавленных растворах она эквивалентна концентрации) ионов водорода в растворе, и количественно выражающая его кислотность, вычисляется как отрицательный (взятый с обратным знаком) десятичный логарифм активности водородных ионов, выраженной в молях на один литр: История Это понятие было введено в 1909 году датским химиком Сёренсеном. Показатель называется pH, по первым буквам латинских слов potentia hydrogeni - сила водорода, или pondus hydrogeni - вес водорода. Вообще в химии сочетанием pX принято обозначать величину, равную −lg X, а буква H в данном случае обозначает концентрацию ионов водорода (H +), или, точнее, термодинамическую активность гидроксоний-ионов. Уравнения, связывающие pH и pOH Вывод значения pH В чистой воде при 25 °C концентрации ионов водорода () и гидроксид-ионов () одинаковы и составляют 10 −7 моль/л, это напрямую следует из определения ионного произведения воды, которое равно · и составляет 10 −14 моль²/л² (при 25 °C). Когда концентрации обоих видов ионов в растворе одинаковы, говорят, что раствор имеет нейтральную реакцию. При добавлении к воде кислоты концентрация ионов водорода увеличивается, а концентрация гидроксид-ионов соответственно уменьшается, при добавлении основания - наоборот, повышается содержание гидроксид-ионов, а концентрация ионов водорода падает. Когда > говорят, что раствор является кислым, а при > - щелочным. Для удобства представления, чтобы избавиться от отрицательного показателя степени, вместо концентраций ионов водорода пользуются их десятичным логарифмом, взятым с обратным знаком, который собственно и является водородным показателем - pH. pOH Несколько меньшее распространение получила обратная pH величина - показатель основности раствора, pOH, равная отрицательному десятичному логарифму концентрации в растворе ионов OH − : как в любом водном растворе при 25 °C , очевидно, что при этой температуре: Значения pH в растворах различной кислотности
- Вопреки распространённому мнению, pH может изменяться не только в интервале от 0 до 14, а может и выходить за эти пределы. Например, при концентрации ионов водорода = 10 −15 моль /л, pH = 15, при концентрации ионов гидроксида 10 моль /л pOH = −1.
|
- Для грубой оценки концентрации водородных ионов широко используются кислотно-основные индикаторы - органические вещества-красители, цвет которых зависит от pH среды. К наиболее известным индикаторам принадлежат лакмус, фенолфталеин, метиловый оранжевый (метилоранж) и другие. Индикаторы способны существовать в двух по-разному окрашенных формах - либо в кислотной, либо в основной. Изменение цвета каждого индикатора происходит в своём интервале кислотности, обычно составляющем 1–2 единицы.
- Для расширения рабочего интервала измерения pH используют так называемый универсальный индикатор, представляющий собой смесь из нескольких индикаторов. Универсальный индикатор последовательно меняет цвет с красного через жёлтый, зелёный, синий до фиолетового при переходе из кислой области в щелочную. Определения pH индикаторным методом затруднено для мутных или окрашенных растворов.
- Использование специального прибора - pH-метра - позволяет измерять pH в более широком диапазоне и более точно (до 0,01 единицы pH), чем с помощью индикаторов. Ионометрический метод определения pH основывается на измерении милливольтметром-ионометром ЭДС гальванической цепи, включающей специальный стеклянный электрод, потенциал которого зависит от концентрации ионов H + в окружающем растворе. Способ отличается удобством и высокой точностью, особенно после калибровки индикаторного электрода в избранном диапазоне рН, позволяет измерять pH непрозрачных и цветных растворов и потому широко используется.
- Аналитический объёмный метод - кислотно-основное титрование - также даёт точные результаты определения кислотности растворов. Раствор известной концентрации (титрант) по каплям добавляется к исследуемому раствору. При их смешивании протекает химическая реакции. Точка эквивалентности - момент, когда титранта точно хватает, чтобы полностью завершить реакцию, - фиксируется с помощью индикатора. Далее, зная концентрацию и объём добавленного раствора титранта, вычисляется кислотность раствора.
- Влияние температуры на значения pH
pH (от англ. power Hidrogen - "Активность/сила водорода") - показатель, который используется для определения соотношения кислоты (основания) в каком-либо растворе. Термин неразрывно связан с понятием кислотно-щелочного равновесия (КЩР).
Хотя в научной терминологии понятие pH-среды применяется буквально к любом раствору, в современной популярной научной этот термин используется в основном при обозначении соотношения кислоты и щелочи именно в организме человека.
Какой же показатель pH может говорить о нормальной нормальной среде? Признано, что при pH равном 7,0 среду можно назвать "нейтральной" - активность положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных ионов в такой среде одинакова. Тем не менее, в организме человека почти никогда не формируется кислотно-щелочной баланс - хватит трех долек лимона, чтобы перевесить показатель в сторону повышенной кислотности.
Организм человека постоянно борется за баланс кислотно-щелочной среды, пытаясь за счет внутренних механизмов восстановить это равновесие, если оно нарушено, так как отсутствие КЩР может привести к подрыву работы иммунной системы.
Роль кислотно-щелочного баланса в работе организма
Существуют три состояния кислотно-щелочной среды в организме: сбалансированное состояние среды, повышенная кислотность (ацидоз) и повышенное содержание щелочи в организме (алкалоз).
Повышенная кислотность приводит к плохому усвоению организмом минералов: , магния, калия - все они просто выводятся из организма, не успевая усвоиться. Повышенная кислотность плохо влияет на работу многих органов, особенно ЖКТ, почек и сердечно-сосудистой системы. Основные осложнения, которые могут быть вызваны ацидозом:
Хрупкость костей (как следствие неусвоения кальция);
- прибавление в весе;
- дисфункция почек;
- аллергические реакции;
- снижение иммунитета;
- общая слабость.
Чаще всего повышенную кислотность среды человек ощущает кишечником и желудком - то легкое жжение или даже изжога, возникающие после большого количества выпитого спиртного или съеденного лимона, говорят о повышенной кислотности.
Противоположное повышенной кислотности состояние называется алкалозом - повышенным содержанием щелочи в организме. На самом деле, вызвать по-настоящему повышенный уровень щелочи в организме не совсем просто - чаще всего это состояние возникает после длительного употребления лекарств, содержащих щелочь. К тому же это состояние не способствует развитию таких серьезных проблем, как ацидоз. Возможные осложнения в результате алкалоза:
Проблемы с кожей;
- запах изо рта;
- проблемы с кишечником;
- возможное возникновение аллергических реакций на какие-то продукты.
Залог баланса кислотно-щелочной среды - гармоничное питание и неприятие алкоголя (у любителей "выпить по пятницам" кислотно-щелочной баланс примерно на 1,5%-2,0% выше, чем у тех, кто не пьет). Для восстановления КЩР чаще всего используют ферменты, витаминные комплексы и минеральные комплексы, особенно кальций в больших дозировках.
Вспомните:
Реакция нейтрализации — это реакция между кислотой и щелочью, в результате которой образуются соль и вода;
Под чистой водой химики понимают химически чистую воду, не содержащую никаких примесей и растворенных солей, т. е. дистиллированную воду.
Кислотность среды
Для различных химических, промышленных и биологических процессов очень важной характеристикой является кислотность растворов, характеризующая содержание кислот или щелочей в растворах. Поскольку кислоты и щелочи являются электролитами, то для характеристики кислотности среды используют содержание ионов H+ или OH - .
В чистой воде и в любом растворе вместе с частицами растворенных веществ присутствуют также ионы H+ и OH - . Это происходит благодаря диссоциации самой воды. И хотя мы считаем воду неэлектролитом, тем не менее она может диссоциировать: H 2 O ^ H+ + OH - . Но этот процесс происходит в очень незначительной степени: в 1 л воды на ионы распадается только 1 . 10 -7 моль молекул.
В растворах кислот в результате их диссоциации появляются дополнительные ионы H+. В таких растворах ионов H+ значительно больше, чем ионов OH - , образовавшихся при незначительной диссоциации воды, поэтому эти растворы называют кислотными (рис. 11.1, слева). Принято говорить, что в таких растворах кислотная среда. Чем больше ионов H+ содержится в растворе, тем больше кислотность среды.
В растворах щелочей в результате диссоциации, наоборот, преобладают ионы OH - , а катионы H+ ввиду незначительной диссоциации воды почти отсутствуют. Среда таких растворов щелочная (рис. 11.1, справа). Чем выше концентрация ионов OH - , тем более щелочной является среда раствора.
В растворе поваренной соли количество ионов H+ и OH - одинаково и равно 1 . 10 -7 моль в 1 л раствора. Такую среду называют нейтральной (рис. 11.1, по центру). Фактически это означает, что раствор не содержит ни кислоты, ни щелочи. Нейтральная среда характерна для растворов некоторых солей (образованных щелочью и сильной кислотой) и многих органических веществ. У чистой воды также нейтральная среда.
Водородный показатель
Если сравнивать вкус кефира и лимонного сока, то можно смело утверждать, что лимонный сок намного кислее, т. е. кислотность этих растворов разная. Вы уже знаете, что в чистой воде также содержатся ионы H+, но кислого вкуса воды не ощущается. Это объясняется слишком малой концентрацией ионов H+. Часто бывает недостаточно сказать, что среда кислотная или щелочная, а необходимо количественно ее охарактеризовать.
Кислотность среды количественно характеризуют водородным показателем pH (произносится «пэ-аш»), связанным с концентрацией
ионов Гидрогена. Значение pH соответствует определенному содержанию катионов Гидрогена в 1 л раствора. В чистой воде и в нейтральных растворах в 1 л содержится 1 . 10 7 моль ионов H+, а значение pH равно 7. В растворах кислот концентрация катионов H+ больше, чем в чистой воде, а в щелочных растворах меньше. В соответствии с этим меняется и значение водородного показателя pH: в кислотной среде он находится в пределах от 0 до 7, а в щелочных — от 7 до 14. Впервые водородный показатель предложил использовать датский химик Педер Сёренсен.
Вы могли заметить, что значение pH связано с концентрацией ионов H+. Определение pH напрямую связано с вычислением логарифма числа, которое вы будете изучать на уроках математики в 11 классе. Но взаимосвязь между содержанием ионов в растворе и значением pH можно проследить по следующей схеме:
Значение рН водных растворов большинства веществ и природных растворов находится в интервале от 1 до 13 (рис. 11.2).
Рис. 11.2. Значение рН различных природных и искусственных растворов
Сёрен Педер Лауриц Сёренсен
Датский физико-химик и биохимик, президент Датского королевского общества. Окончил Копенгагенский университет. В 31 год стал профессором Датского политехнического института. Возглавлял престижную физико-химическую лабораторию при пивоваренном заводе Карлсберга в Копенгагене, где сделал свои главные научные открытия. Основная научная деятельность посвящена теории растворов: он ввел понятие о водородном показателе (рН), изучал зависимость активности ферментов от кислотности растворов. За научные достижения Сёренсен внесен в перечень «100 выдающихся химиков XX века», но в истории науки он остался прежде всего как ученый, который ввел понятия «рН» и «рН-метрия».
Определение кислотности среды
Для определения кислотности раствора в лабораториях чаще всего используют универсальный индикатор (рис. 11.3). По его окраске можно определить не только наличие кислоты или щелочи, но и значение рН раствора с точностью до 0,5. Для более точного измерения рН существуют специальные приборы — рН-метры (рис. 11.4). Они позволяют определить рН раствора с точностью до 0,001-0,01.
Используя индикаторы или рН-метры, можно следить за тем, как протекают химические реакции. Например, если к раствору натрий гидроксида приливать хлоридную кислоту, то произойдет реакция нейтрализации:
Рис. 11.3. Универсальным индикатором определяют приблизительное значение рН
Рис. 11.4. Для измерения pH растворов используют специальные приборы — рН-метры: а — лабораторный (стационарный); б — портативный
В этом случае растворы реагентов и продуктов реакции бесцветны. Если же в исходный раствор щелочи поместить электрод рН-метра, то о полной нейтрализации щелочи кислотой можно судить по значению рН образованного раствора.
Применение водородного показателя
Определение кислотности растворов имеет большое практическое значение во многих областях науки, промышленности и других сферах жизни человека.
Экологи регулярно измеряют рН дождевой воды, воды рек и озер. Резкое повышение кислотности природных вод может быть следствием загрязнения атмосферы или попадания в водоемы отходов промышленных предприятий (рис. 11.5). Такие изменения влекут за собой гибель растений, рыбы и других обитателей водоемов.
Водородный показатель очень важен для изучения и наблюдения процессов, происходящих в живых организмах, т. к. в клетках протекают многочисленные химические реакции. В клинической диагностике определяют pH плазмы крови, мочи, желудочного сока и др. (рис. 11.6). Нормальное значение pH крови — от 7,35 до 7,45. Даже небольшое изменение pH крови человека вызывает серьезные заболевания, а при рН = 7,1 и ниже начинаются необратимые изменения, которые могут привести к смерти.
Для большинства растений важна кислотность почвы, поэтому агрономы заранее проводят анализ почв, определяя их рН (рис. 11.7). Если кислотность слишком велика для определенной культуры, почву известкуют — добавляют мел или известь.
В пищевой промышленности при помощью кислотно-основных индикаторов проводят контроль качества продуктов питания (рис. 11.8). Например, в норме для молока pH = 6,8. Отклонение от этого значения свидетельствует либо о наличии посторонних примесей, либо о его скисании.
Рис. 11.5. Влияние уровня pH воды в водоемах на жизнедеятельность растений в них
Важным является значение pH для косметических средств, которые мы используем в быту. В среднем для кожи человека pH = 5,5. Если кожа контактирует со средствами, кислотность которых существенно отличается от этого значения, то это влечет преждевременное старение кожи, ее повреждение или воспаление. Было замечено, что у прачек, которые длительное время использовали для стирки обычное хозяйственное мыло (pH = 8-10) или стиральную соду (Na 2 CO 3 , pH = 12-13), кожа рук становилась очень сухой и покрывалась трещинами. Поэтому очень важно использовать различные косметические средства (гели, кремы, шампуни и т. д.) с pH, близким к естественному pH кожи.
ЛАБОРАТОРНЫЕ ОПЫТЫ № 1-3
Оборудование: штатив с пробирками, пипетка.
Реактивы: вода, хлоридная кислота, растворы NaCl, NaOH, столовый уксус, универсальный индикатор (раствор или индикаторная бумага), пищевые продукты и косметическая продукция (например, лимон, шампунь, зубная паста, стиральный порошок, газированные напитки, соки и т. д.).
Правила безопасности:
Для опытов используйте небольшие количества реактивов;
Остерегайтесь попадания реактивов на кожу, в глаза; при попадании едкого вещества смойте его большим количеством воды.
Определение ионов Гидрогена и гидроксид-ионов в растворах. Установление приблизительного значения pH воды, щелочных и кислых растворов
1. В пять пробирок налейте по 1-2 мл: в пробирку № 1 — воды, № 2 — хлоридной кислоты, № 3 — раствора натрий хлорида, № 4 — раствора натрий гидроксида и № 5 — столового уксуса.
2. В каждую пробирку добавьте по 2-3 капли раствора универсального индикатора или опустите индикаторную бумагу. Определите pH растворов, сравнивая цвет индикатора по эталонной шкале. Сделайте выводы о наличии в каждой пробирке катионов Гидрогена или гидроксид-ионов. Составьте уравнения диссоциации этих соединений.
Исследование pH пищевой и косметической продукции
Испытайте универсальным индикатором образцы пищевых продуктов и косметической продукции. Для исследования сухих веществ, например, стирального порошка, их необходимо растворить в небольшом количестве воды (1 шпатель сухого вещества на 0,5-1 мл воды). Определите pH растворов. Сделайте выводы о кислотности среды в каждом из исследованных продуктов.
Ключевая идея
Контрольные вопросы
130. Наличием каких ионов в растворе обусловлена его кислотность?
131. Какие ионы содержатся в избытке в кислотных растворах? в щелочных?
132. Какой показатель количественно описывает кислотность растворов?
133. Каково значение рН и содержание ионов H+ в растворах: а) нейтральных; б) слабокислотных; в) слабощелочных; г) сильнокислотных; д) сильнощелочных?
Задания для усвоения материала
134. Водный раствор некоторого вещества имеет щелочную среду. Каких ионов больше в этом растворе: H+ или OH - ?
135. В двух пробирках находятся растворы нитратной кислоты и нитрата калия. Какие индикаторы можно использовать для определения, в какой пробирке содержится раствор соли?
136. В трех пробирках находятся растворы барий гидроксида, нитратной кислоты и кальций нитрата. Как с помощью одного реактива распознать эти растворы?
137. Из приведенного перечня выпишите отдельно формулы веществ, растворы которых имеют среду: а) кислотную; б) щелочную; в) нейтральную. NaCl, HCl, NaOH, HNO 3 , H 3 PO 4 , H 2 SO 4 , Ba(OH) 2 , H 2 S, KNO 3 .
138. Дождевая вода имеет рН = 5,6. Что это означает? Какое вещество, содержащееся в воздухе, при растворении в воде определяет такую кислотность среды?
139. Какая среда (кислотная или щелочная): а) в растворе шампуня (рН = 5,5);
б) в крови здорового человека (рН = 7,4); в) в желудочном соке человека (рН = 1,5); г) в слюне (рН = 7,0)?
140. В составе каменного угля, используемого на теплоэлектростанциях, содержатся соединения Нитрогена и Сульфура. Выброс в атмосферу продуктов сжигания угля приводит к образованию так называемых кислотных дождей, содержащих небольшие количества нитратной или сульфитной кислот. Какие значения рН характерны для такой дождевой воды: больше 7 или меньше 7?
141. Зависит ли рН раствора сильной кислоты от ее концентрации? Ответ обоснуйте.
142. К раствору, содержащему 1 моль калий гидроксида, прилили раствор фенолфталеина. Изменится ли окраска этого раствора, если к нему добавить хлоридную кислоту количеством вещества: а) 0,5 моль; б) 1 моль;
в) 1,5 моль?
143. В трех пробирках без надписей находятся бесцветные растворы натрий сульфата, натрий гидроксида и сульфатной кислоты. Для всех растворов измерили значение рН: в первой пробирке — 2,3, во второй — 12,6, в третьей — 6,9. В какой пробирке содержится какое вещество?
144. Ученик купил в аптеке дистиллированную воду. рН-метр показал, что значение рН этой воды равно 6,0. Затем ученик прокипятил эту воду в течение длительного времени, заполнил контейнер до верха горячей водой и закрыл крышкой. Когда вода остыла до комнатной температуры, рН-метр определил значение 7,0. После этого ученик трубочкой пропускал воздух через воду, и рН-метр снова показал 6,0. Как можно объяснить результаты этих измерений рН?
145. Как вы считаете, почему в двух бутылках уксуса от одного производителя могут содержаться растворы с несколько различными значениями рН?
Это материал учебника
При контроле производства пищевых концентратов кислотность является одним из основных показателей, характеризующих доброкачественность сырья и готовой продукции. Кислотность относится также к основным факторам, по которым судят о направлении биохимических и физико-химических процессов пищеконцентратного и овощесушильного производства.
В практике контроля определяют кислотность общую, или титруемую, и активную, т.е. концентрацию водородных ионов - pH (пш).
Определение общей кислотности
Под общей кислотностью подразумевается содержание в продукте всех кислот и веществ, реагирующих со щелочью. Общая кислотность выражается в следующих величинах:
в процентах по массе (весовых) какой-либо кислоты, преобладающей в данном продукте (молочной, лимонной, яблочной и др.);
в «градусах», т.е. в миллилитрах 1 н. щелочи, пошедшей на нейтрализацию кислых соединений в 100 г продукта.
Для выражения кислотности в весовых процентах определенной кислоты количество миллилитров 0,1 н. щелочи, затраченной на нейтрализацию кислых соединений в 100 г продукта, умножают на миллиэквивалент соответствующей кислоты. Общая кислотность может быть определена титрованием раствором щелочи водных растворов продукта в присутствии индикатора до изменения его окраски или потенциометрически методом электрометрического титрования.
Определение кислотности титрованием
Кислотность продукта этим методом определяют в водных вытяжках исследуемых продуктов либо по «болтушке».
В водных вытяжках кислотность определяют следующим образом. В зависимости от характера исследуемого продукта и предполагаемой кислотности берут навеску измельченного продукта в количестве примерно 10 г (точность взвешивания до 0,01 г). Навеску переносят в колбу емкостью 250 мл, заливают 200 мл дистиллированной воды и настаивают в течение 30 мин при частом взбалтывании. Содержимое колбы доводят дистиллированной водой до метки, хорошо перемешивают и фильтруют через бумажный фильтр в сухую колбу. Отмеривают пипеткой 20-25 мл фильтрата, переносят в коническую колбу и титруют 0,1 н. раствором щелочи в присутствии 3-5 капель фенолфталеина до розового окрашивания. Если вытяжки окрашены, то их разбавляют в 2-3 раза дисциллированной водой.
Кислотность рассчитывают по формуле
где V - количество точно 0,1 н. щелочи, пошедшей на титрование, мл; К - коэффициент пересчета на соответствующую кислоту. Для молочной кислоты К - 0,0090, лимонной - 0,0064, яблочной - 0,0067, винной 0,0075, уксусной - 0,0060; g - навеска исследуемого продукта, г; V1 - количество фильтрата, взятого для титрования, мл.
При определении кислотности по «болтушке» навеску измельченного продукта 5 г, взятую с точностью до 0,01 г, переносят в коническую колбу емкостью 150-250 мл, в которую предварительно наливают 30-40 мл дистиллированной воды. Содержимое колбы взбалтывают в течение 2-3 мин до полного исчезновения комочков продукта. Прилипшие к стенкам колбы мелкие частицы смывают дистиллированной водой, в болтушку добавляют пять капель 1%-ного раствора фенолфталеина и титруют 0,1 н. раствором щелочи. Титрование ведут медленно (особенно в конце реакции), при постоянном тщательном взбалтывании содержимого колбочки, до появления ярко-розового окрашивания, не исчезающего в течение 1 мин.
Кислотность, выражаемую в градусах на 100 г изделий (х), вычисляют по формуле
где V - количество 0,1 н. раствора щелочи, пошедшей на титрование, мл; 20 - коэффициент пересчета на 100 г изделий; 10 - коэффициент пересчета на 1 н. раствор щелочи.
Расхождение между результатами параллельных определений не должно превышать 0,5°. Метод электрометрического титрования применяют при определении кислотности интенсивно окрашенных или мутных растворов.
Определение кислотности электрометрическим титрованием
Он основан на определении электропроводности исследуемого раствора при титровании его раствором щелочи. В цепи гальванического элемента, состоящего из двух хингидронных электродов, возникает разность потенциалов, когда один из электродов погружен в стандартный раствор с нейтральной реакцией, а другой в исследуемый раствор. При титровании испытуемого раствора раствором щелочи разность потенциалов снижается. По достижении нейтральной точки разность потенциалов равна нулю, ток в цепи исчезает, потенциал индикаторного электрода оказывается равным потенциалу электрода сравнения. Отсутствие тока устанавливают по гальванометру гальванического элемента, включенного в цепь.
Для электрометрического титрования применяют специальную установку или приборы для измерения pH (пш): ИМ-2М, ЛП-58 (рис. 16, а), ЛПУ-01 (рис. 16, б) и др. Схема специальной установки изображена на рис. 17. Этот прибор состоит из конической колбы емкостью 250-300 мл, в которую вставлена пробка с тремя отверстиями. В одно отверстие вставлена стеклянная трубка с краном 1 (диаметр трубки 0,8-1 см, длина 15-20 см).
В трубку наливают 5-8 мл насыщенного раствора хлористого калия, нейтрализованного 0,01 н. раствором щелочи в присутствии фенолфталеина до слабо-розовой окраски. Конец трубки ниже крана также должен быть заполнен раствором KCl, чтобы в трубке не было пузырьков воздуха. В трубку 1 вставляют при помощи резинового кольца платиновый электрод 2. Во второе отверстие колбы вводят платиновый электрод 3; в третье отверстие - конец бюретки, которую наполняют раствором щелочи. Один электрод при помощи звонковой проволоки присоединяют непосредственно к одному из контактов гальваномера 4, другой электрод присоединяют к телеграфному ключу 5, а затем от него к другому контакту гальванометра.
При определении в коническую колбу переносят 25-50 мл исследуемой жидкости, в случае необходимости доводят объем жидкости в колбе до 50-60 мл свежепрокипяченной дистиллированной водой. В колбу с жидкостью вносят на кончике ножа (10-20 мг) хингидрон и содержимое осторожно перемешивают. Немного хингидрона вносят также в трубку с раствором хлористого калия и перемешивают погруженным в него платиновым электродом. Колбу закрывают пробкой, при этом концы электродов должны быть погружены в жидкость. Затем в третье отверстие вставляют насадку бюретки с раствором 0,1 н. щелочи. Нажимая на ключ 5, проверяют действие прибора по наличию тока в цепи и отклонению стрелки гальванометра.
После этого жидкость в колбе титруют 0,1 н. раствором щелочи, приливая небольшие количества раствора щелочи и каждый раз взбалтывая содержимое колбы. Затем короткими и быстрыми движениями нажимают ключ и отмечают движение стрелки гальванометра. К концу титрования добавляют раствор щелочи по одной капле. Титрование считается законченным, если после прибавления последней капли щелочи в цепи не обнаруживается тока. По количеству миллилитров 0,1 н. раствора щелочи, пошедшей на титрование, рассчитывают кислотность по общепринятой формуле.
После проведения определения колбу, электроды и трубку тщательно смывают дистиллированной водой. В период, когда не проводят определения кислотности, электроды должны быть погружены в дистиллированную воду.
Определение активной кислотности (pH)
Активная кислотность раствора выражается концентрацией активных водородных ионов (pH). Кислоты, щелочи и соли в водных растворах диссоциируют на ионы водорода Н и гидроксила ОН", поэтому кислотность или обусловлена наличием в ней ионов водорода или гидроксила.
В единице объема нейтрального раствора содержится равное число ионов водорода и гидроксила. Концентрация водородных ионов чистой воды выражается в виде десятичного логарифма, взятого с отрицательным знаком, и обозначается символом pH (рн). Химически чистая вода обладает нейтральной реакцией и ее pH - lg10-7 = 7.
В кислой среде число ионов водорода больше числа ионов гидроксила и величина pH (рн) будет меньше 7. В щелочной среде ионы гидроксила преобладают над ионами водорода, величина pH при этом будет больше 7.
Активную кислотность определяют в основном электрометрическим методом при помощи специальных приборов - потенциометров. При ориентировочном определении pH можно пользоваться специальными индикаторными бумажками, снабженными шкалой сравнения. Для этого на индикаторную бумажку наносят испытуемый раствор и по образовавшейся окраске определяют величину pH, сравнивая полученную окраску со шкалой сравнения.
Электрометрический () метод определения pH. Электрометрический метод определения pH основан на измерении электродвижущей силы (э.д.с.) гальванического элемента, собранного из полуэлемента основного электрода, погруженного в исследуемый раствор, и полуэлемента сравнения (стандартного электрода). Сущность потенциометрического метода заключется в том, что при погружении металлического электрода в раствор, содержащий ионы того же металла, вследствие ионного обмена электрод заряжается и на нем возникает электрический потенциал, величина которого зависит от концентрации ионов металла в растворе.
Электродвижущую силу можно измерять двумя методами: при помощи чувствительного вольтметра и компенсационным методом. Первый метод заключается в соединении обоих электродов через вольтметр, показывающий величину э.д.с. элемента. Этот метод менее точен, так как во время измерения непрерывно расходуется ток и при весьма низких значениях силы тока в концентрационном элементе возникает погрешность в результатах измерения э.д.с. Компенсационный метод измерения э.д.с. наиболее точен потому, что э.д.с. исследуемого элемента, вызывающей ток в цепи, противопоставляют другую известную по величине э.д.с., которая также вызывает ток в той же цепи, но в обратном направлении.
В практике контроля для определения pH (рн) пользуются специальными приборами - потенциометрами, основой электрической схемы которых служит компенсационный метод измерения э.д.с. В этих приборах цена деления реохорда откалибрована в милливольтах или в единицах pH. Милливольты э.д.с. переводят в значения pH по специальным таблицам.
Наиболее широкое распространение получили следующие потенциометры: П-4, ЛП-5, ППТВ-1, ЛП-58 и ЛПУ-01. Методика определения pH и схемы устройств потенциометров обычно описаны в инструкциях, прилагаемых к приборам.
При определении pH в растворах, не содержащих сильных окислителей и восстановителей, можно применять прибор более простой конструкции - иономер ИМ-2М (рис. 18). Действие иономера основано на измерении милливольтметром э.д.с. гальванического элемента при погружении его электродов в исследуемый раствор.
Рабочим электродом в гальваническом элементе представлен сурьмяный электрод 1, который изготовлен в виде чаши, отлитой из металлической сурьмы. Электродом сравнения является насыщенный хлорсеребряный полуэлемент 2. Шкала измерительного магнитоэлектрического прибора 3 градуирована в милливольтах от 0 до 600 и в единицах pH от 0 до 12.
Точность иономера невелика и находится в пределах ±0,3pH. Однако применение его позволяет просто и быстро определить pH в широком диапазоне (от 1 до 12), причем в интервале температур от 10 до 35° С. Кроме того, для иономера не требуется источников электрического питания.
Водородный показатель – рН – это мера активности (в случае разбавленных растворов отражает концентрацию) ионов водорода в растворе, количественно выражающая его кислотность, вычисляется как отрицательный (взятый с обратным знаком) десятичный логарифм активности водородных ионов, выраженной в молях на литр.
pН = – lg
Это понятие было введено в 1909 году датским химиком Сёренсеном. Показатель называется pH, по первым буквам латинских слов potentia hydrogeni – сила водорода, или pondus hydrogenii – вес водорода.
Несколько меньшее распространение получила обратная pH величина – показатель основности раствора, pOH, равная отрицательному десятичному логарифму концентрации в растворе ионов OH:
рОН = – lg
В чистой воде при 25°C концентрации ионов водорода () и гидроксид-ионов () одинаковы и составляют 10 -7 моль/л, это напрямую следует из константы автопротолиза воды К w , которую иначе называют ионным произведением воды:
К w = · =10 –14 [моль 2 /л 2 ] (при 25°C)
рН + рОН = 14
Когда концентрации обоих видов ионов в растворе одинаковы, говорят, что раствор имеет нейтральную реакцию. При добавлении к воде кислоты концентрация ионов водорода увеличивается, а концентрация гидроксид-ионов соответственно уменьшается, при добавлении основания – наоборот, повышается содержание гидроксид-ионов, а концентрация ионов водорода падает. Когда > говорят, что раствор является кислым, а при > – щелочным.
Определение рН
Для определения значения pH растворов широко используют несколько способов.
1) Водородный показатель можно приблизительно оценивать с помощью индикаторов, точно измерять pH-метром или определять аналитически путём, проведением кислотно-основного титрования.
Для грубой оценки концентрации водородных ионов широко используются кислотно-основные индикаторы – органические вещества-красители, цвет которых зависит от pH среды. К наиболее известным индикаторам принадлежат лакмус, фенолфталеин, метиловый оранжевый (метилоранж) и другие. Индикаторы способны существовать в двух по-разному окрашенных формах – либо в кислотной, либо в основной. Изменение цвета каждого индикатора происходит в своём интервале кислотности, обычно составляющем 1-2 единицы (см. Таблица 1, занятие 2).
Для расширения рабочего интервала измерения pH используют так называемый универсальный индикатор, представляющий собой смесь из нескольких индикаторов. Универсальный индикатор последовательно меняет цвет с красного через жёлтый, зелёный, синий до фиолетового при переходе из кислой области в щелочную. Определения pH индикаторным методом затруднено для мутных или окрашенных растворов.
2) Аналитический объёмный метод – кислотно-основное титрование – также даёт точные результаты определения общей кислотности растворов. Раствор известной концентрации (титрант) по каплям добавляется к исследуемому раствору. При их смешивании протекает химическая реакции. Точка эквивалентности – момент, когда титранта точно хватает, чтобы полностью завершить реакцию, – фиксируется с помощью индикатора. Далее, зная концентрацию и объём добавленного раствора титранта, вычисляется общая кислотность раствора.
Кислотность среды имеет важное значение для множества химических процессов, и возможность протекания или результат той или иной реакции часто зависит от pH среды. Для поддержания определённого значения pH в реакционной системе при проведении лабораторных исследований или на производстве применяют буферные растворы, которые позволяют сохранять практически постоянное значение pH при разбавлении или при добавлении в раствор небольших количеств кислоты или щёлочи.
Водородный показатель pH широко используется для характеристики кислотно-основных свойств различных биологических сред (Табл. 2).
Кислотность реакционной среды особое значение имеет для биохимических реакций, протекающих в живых системах. Концентрация в растворе ионов водорода часто оказывает влияние на физико-химические свойства и биологическую активность белков и нуклеиновых кислот, поэтому для нормального функционирования организма поддержание кислотно-основного гомеостаза является задачей исключительной важности. Динамическое поддержание оптимального pH биологических жидкостей достигается благодаря действию буферных систем.
3) Использование специального прибора – pH-метра – позволяет измерять pH в более широком диапазоне и более точно (до 0,01 единицы pH), чем с помощью индикаторов, отличается удобством и высокой точностью, позволяет измерять pH непрозрачных и цветных растворов и потому широко используется.
С помощью рН-метра измеряют концентрацию ионов водорода (pH) в растворах, питьевой воде, пищевой продукции и сырье, объектах окружающей среды и производственных систем непрерывного контроля технологических процессов, в т. ч. в агрессивных средах.
рН-метр незаменим для аппаратного мониторинга pH растворов разделения урана и плутония, когда требования к корректности показаний аппаратуры без её калибровки чрезвычайно высоки.
Прибор может использоваться в лабораториях стационарных и передвижных, в том числе полевых, а также клинико-диагностических, судебно-медицинских, научно-исследовательских, производственных, в том числе мясо-молочной и хлебопекарной промышленности.
Последнее время pH-метры также широко используются в аквариумных хозяйствах, контроля качества воды в бытовых условиях, земледелия (особенно в гидропонике), а также – для контроля диагностики состояния здоровья.
Таблица 2. Значения рН для некоторых биологических систем и других растворов
|
Система (раствор) | |
|
Двенадцатиперстная кишка | |
|
Желудочный сок | |
|
Кровь человека | |
|
Мышечная ткань | |
|
Панкреатический сок | |
|
Протоплазма клеток | |
|
Тонкая кишка | |
|
Морская вода | |
|
Белок куриного яйца | |
|
Апельсиновый сок | |
|
Томатный сок | |
