Determinarea pH-ului solutiilor

Determinarea pH-ului solutiilor

Consideratii teoretice

Caracterul acid sau bazic al unei solutii este dat de concentratia in ioni de hidrogen [H⁺], si se exprima in numere de tipul 10^-p. Deoarece aceasta exprimare este greoaie, s-a introdus notiunea de pH.

pH-ul unei solutii indica concentratia in ioni de hidrogen si se exprima prin logaritmul cu semn schimbat al [H⁺].

pH = -lg [H⁺]

Aceasta marime se defineste mai exact prin intermediul "activitatii" ionilor de hidrogen. Activitatea (a_H+) este data de produsul dintre factorul de activitate (f_H+) si concentratia ionilor de hidrogen [H⁺] a solutiei: a_H+ = f_H+ [H⁺] si pH = -lg a_H+ .

Factorul de activitate (f_H+) este egal cu 1 pentru solutii ideale. Pentru solutii diluate f_H+ 1 si a_H+ [H⁺], activitatile fiind practic egale cu concentratiile, astfel ca ecuatia pH = - lg[H⁺] este mai frecvent utilizata, desi cealalta este mai corecta.

Analog se poate defini o marime similara pOH, pentru a exprima concentratiile ionilor de hidroxil:

pOH = - lg [HO^-]

Stiind ca produsul ionic al apei este:

K_H2O = [H⁺] [HO^-] = 10^-14

si scriind ecuatia sub forma logaritmica si cu semn schimbat:

- lg K_H2O = -lg [H⁺]-lg[HO^-] = 14

se poate scrie:

pH + pOH = 14

pH-ul are valori intre 0 si 14.

Pentru solutii: - neutre: [H⁺] = [HO^-] = 10^-7      deci pH = 7;

- acide: [H⁺] > 10^-7 > [HO^-]      deci pH < 7;

- bazice: [H⁺] < 10^-7 < [HO^-] deci pH > 7.

Cunoasterea pH-ului unei solutii si a semnificatiei acestuia, prezinta o importanta deosebita in analiza chimica, in controlul si reglarea proceselor tehnologice, studiul proceselor electrochimice, cercetari biologice, etc.

In cazul solutiilor de acizi tari, total ionizati, [H⁺] este egala cu concentratia normala a acidului:

[H⁺] = C_{N acid}

In cazul acizilor slabi valoarea [H⁺] se afla tinand seama de faptul ca acidul este putin ionizat si ca cea mai mare parte a lui se gaseste sub forma moleculara. In acest caz:

[H⁺] =

unde K_a este constanta de aciditate a acidului.

In cazul solutiilor de baze tari, total ionizate, [HO^-] este egala cu concentratia normala a bazei:

[HO^-] = C_{N baza}

In cazul bazelor slabe valoarea [HO^-] se afla tinand seama de faptul ca baza este putin ionizata si ca cea mai mare parte a ei se gaseste sub forma moleculara. In acest caz:

[HO^-] =

unde K_b este constanta de bazicitate a bazei.

Solutiile tampon sunt amestecuri de substante al caror pH, in mediu apos, este putin sensibil cu dilutia sau la adaugarea de mici cantitati de acizi sau de baze. Ele sunt formate in principiu din:

- acid slab si sarea sa cu o baza tare, de exemplu CH₃COOH + CH₃COONa;

- baza slaba si sarea sa cu un acid tare, de exemplu NH₃ + NH₄Cl;

- doua saruri, una cu caracter acid si cealalta cu caracter bazic.

De exemplu in sistemul acid acetic acetat de sodiu in solutie vom avea molecule nedisociate de CH₃COOH (electrolit slab) si CH₃COO^- si Na⁺, formati in urma disocierii sarii (electrolit tare). Daca in sistem se adauga o mica cantitate de HCl, in urma disocierii acestuia s-ar forma ioni de hidrogen, care ar determina cresterea aciditatii (micsorarea pH-ului). Ionii acetat existenti in sistemul tampon preiau acesti ioni formand molecule de acid acetic:

CH₃COO^- + H⁺ CH₃COOH

La adaugarea unei mici cantitati de baza, ionii hidroxil (OH^-), rezultati din disocierea acesteia, a caror prezenta ar determina cresterea pH-ului, reactioneaza cu moleculele de acid acetic din sistemul tampon, anihilandu-se deci prezenta si efectul acestora:

CH₃COOH + OH^- CH₃COO^- + H₂O

Concentratia ionilor de hidrogen a unei solutii tampon este data de relatia:

Concentratia ionilor hidroxil a unei solutii tampon este data de relatia:

Indicatorii acido-bazici sunt substante organice cu caracter slab acid sau slab bazic ce isi schimba culoarea intr-un anumit domeniu de pH, numit domeniu de viraj, datorita unor modificari structural moleculare. In solutii apoase indicatorul reprezinta un cuplu acid-baza de forma generala:

HIn + H₂O      H₃O⁺ + In^-

Indicator forma acida      Indicator forma bazica

Cele doua forme ale indicatorului au culori diferite, in functie de pH, usor de sesizat cu ochiul liber.

Doua solutii au acelasi pH, daca un indicator, adaugat in cantitati egale, produce aceeasi nuanta si intensitate a culorii in ambele solutii. Metoda nu se aplica solutiilor colorate.

Indicatorii universali sunt amestecuri de indicatori, care au intervalul de viraj in diferite domenii ale pH-ului si astfel isi schimba culoarea intr-un domeniu mai larg al pH-ului. Precizia cu care acesti indicatori arata pH-ul nu este mare, totusi se folosesc pentru a capata rapid si cu oarecare exactitate indicatii asupra pH-ului unei solutii.

In urmatorul tabel sunt indicate domeniile de viraj a catorva indicatori folositi in practica:

Metodele colorimetrice de determinare a pH-ului se bazeaza pe utilizarea indicatorilor si a unor etaloane (solutii tampon cu pH-ul cunoscut) sau a unor hartii indicatoare de pH.

Metoda determinarii pH-ului cu hartii indicatoare este o metoda simpla si rapida dar mai putin precisa. Determinarea colorimetrica a pH-ului prin metoda cu solutii tampon se foloseste in scopul determinarii mai precise a pH-ului unei solutii.

Aparatura si substante necesare

Solutii tampon de pH cunoscut (etaloane), solutii cu pH-ul necunoscut, dar cuprins in domeiul de pH pentru care avem solutiile etalon, indicatori de pH pentru acelasi domeniu, hartie indicatoare de pH, stativ cu eprubete, pipeta de 2 ml.

Mod de lucru

a) Determinarea pH-ului prin metoda colorimetrica cu solutii tampon. La inceput se efectueaza o incercare preliminara pentru a stabili ordinul de marime al pH-ului si indicatorul folosit. Indicatorul se alege in asa fel incat sa nu ia o culoare extrema pentru solutia de cercetat, ci aceasta sa fie cuprinsa in domeniul de viraj al indicatorului. In acest caz culoarea indicatorului are o sensibilitate maxima pentru modificari mici ale valorii pH-ului.

In lucrarea de fata se va lucra in domeniul de pH cuprins intre 6,2 si 7,2 si ca urmare se va folosi ca indicator, o solutie de albastru de brom timol.

Se iau probe de cate 2 ml din solutiile etalon si din solutiile de cercetat si se pun in cate o eprubeta, in care apoi se aduga cate 2-3 picaturi de indicator. Solutiile se vor colora diferit in functie de valoarea pH-ului din fiecare eprubeta. In continuare se iau eprubetele cu solutiile de cercetat si se compara culoarea acestora cu aceea a solutiilor etalon. pH-ul solutiilor de cercetat va fi egal cu pH-ul etalonului care are aceeasi culoare.

b) Determinarea pH-ului prin metoda colorimetrica cu hartie indicatoare de pH Se ia o bucata de hartie indicatoare de pH, se umecteaza cu solutia de cercetat si culoarea obtinuta se compara cu scala colorimetrica de pe capacul cutiei. Valoarea pH-ului solutiei de cercetat este egala cu valoarea inscrisa in dreptul culorii ce corespunde hartiei umectate.

Prelucrarea datelor experimentale

Rezultatele determinarilor se vor trece intr-un tabel de forma: