Jacek Bednarek

Chemia nieorganiczna - laboratorium

ćw. 1. skala pH

Data wykonania 15.III.2009

1. Wstęp teoretyczny

Kwasy - związki chemiczne wykazujące charakter kwasowy, co w zależności od definicji może oznaczać zdolność do

• zakwaszania środowiska (definicja Arrheniusa)

• dostarczania kationów wodorowych (definicja Brønsteda-Lowry'ego)

• przyjmowania pary elektronowej (definicja Lewisa).

W najprostszym podejściu kwasy są to związki chemiczne zawierające łatwo dysocjujące atomy wodoru. W roztworach wodnych dysocjują one na kation wodorowy i anion reszty kwasowej. Związki chemiczne o właściwościach przeciwnych do kwasowych to zasady.

Zasady, wodorotlenki rozpuszczalne w wodzie, obok kwasów, jedno z podstawowych pojęć chemicznych. Wg klasycznej definicji S.A. Arrheniusa, zasadami są związki chemiczne, które podczas dysocjacji elektrolitycznej pod wpływem wody odszczepiają jony wodorotlenowe OH^- (anion).
Zasady nazywa się mocnymi, jeśli łatwo ulegają dysocjacji (miarą mocy zasad jest wartość ich stałej dysocjacji). Reagując z kwasami tworzą związki o ogólnej nazwie sole.
Zasady można formalnie podzielić na nieorganiczne (np. wodorotlenek sodu, wodorotlenek magnezu) i organiczne (np. anilina, metyloamina).
Rozcieńczone roztwory wielu zasady mają smak mydła (stężone porażają zmysł smaku). Ich stężone roztwory (podobnie jak stężone roztwory kwasów) mogą niszczyć niektóre materiały.

Iloczyn jonowy wody: Szczególnie duże, praktyczne znaczenie ma iloczyn jonowy wody:

Tak zdefiniowany iloczyn jonowy jest stały tylko w przybliżeniu, podobnie jak każda stała równowagi reakcji. Po uwzględnieniu współczynników aktywności zależnych m.in. od siły jonowej roztworu i zastąpieniu stężeń [X] aktywnościami a_x jonów otrzymamy stałą o charakterze termodynamicznym:

- iloczyn jonowy wody (termodynamiczny):

Iloczyn jonowy wody jest uproszczonym wyrażeniem opisującym równowagę dynamiczną określoną przez prawo działania mas Guldberga i Waagego, w którym formalnie rzecz biorąc należałoby jeszcze uwzględnić aktywność cząsteczek niezdysocjowanych. W przypadku bardzo słabych elektrolitów takich jak woda, ze względu na słabą dysocjację stężenie cząsteczek niezdysocjowanych pozostaje praktycznie stałe i dlatego można je pominąć. Dla wody w 20°C stężenie jonów hydroniowych i wodorotlenowych jest rzędu 10^-7 mol/dm³, co odpowiada stopniowi dysocjacji ok. 2·10^-7% zdysocjowanych cząsteczek wody - autodysocjacja wody nie ma zatem praktycznie żadnego wpływu na stężenie molowe niezdysocjowanej wody w wodzie destylowanej, które wynosi ok. 55 mol/dm³

Skala pH - ilościowa skala kwasowości i zasadowości roztworów wodnych związków chemicznych. Skala ta jest oparta na aktywności jonów hydroniowych [H₃O⁺] w roztworach wodnych.

Tradycyjnie pH definiuje się jako:

pH = -log₁₀[H₃O⁺]

czyli minus logarytm dziesiętny aktywności jonów hydroniowych wyrażonych w molach na decymetr sześcienny. Współcześnie jednak nie jest to ścisła definicja tej wielkości.

Pojęcie pH wprowadził duński biochemik Søren Sørensen w 1909 r. Oryginalnie pH zostało zdefiniowane jako minus logarytm stężenia jonów wodorowych (H⁺). Współczesne badania wykazały jednak, że wolne jony wodorowe (wolny proton) nigdy nie występują w roztworach wodnych, gdyż ulegają natychmiast solwatowaniu wg równania:

H⁺ + H₂O → H₃O⁺

W wielu podręcznikach jednak, dla uproszczenia, pomija się ten fakt i nadal podaje się starą definicję skali pH.

Wskaźniki pH:

Wskaźnik

Zakres zmian barwy pH

Barwa wskaźnika pH 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Błękit tymolowy

1,2 - 2,8

Oranż metylowy

3,0 - 4,4

Błękit bromofenylowy

3,0 - 4,6

Czerwień metylowa

4,4 - 6,2

Lakmus

5,0 - 8,0

Błękit bromotymolowy

6,0 - 7,6

Błękit tymolowy

8,0 - 9,6

Fenoloftaleina

8,4 - 10,0

Reakcje kwasów i zasad:

Jedną z ważniejszych reakcji chemicznych jest reakcja zobojętniania. Przedstawia ona połączenie jonu hydroniowego z jonem wodorotlenowym

H₃O⁺ + OH^- --> 2H₂O

Jest to reakcja odwrotna do reakcji dysocjacji wody. Wyjaśnia to fakt, że o ile zmieszamy kwas i zasadę, to w wyniku reakcji tworzy się woda jako produkt końcowy, czemu towarzyszy efekt cieplny 13,8 kcal/mol.
Całkowitą reakcję zobojętniania można ująć następująco:

H₃O⁺ + A^- + B⁺ + OH^- --> 2H₂O + B⁺ + A^-

Drugi obok wody produkt tej reakcji (B⁺ + A^-) nazywany jest solą.
Równanie reakcji zobojętniania można także zapisywać nie jonowo, lecz cząsteczkowo, należy jednak pamiętać, iż w rzeczywistości reakcje te przebiegają pomiędzy jonami lub w wyniku ich powstają jony odpowiednich soli.

Kwasy wieloprotonowe (kwasy wielozasadowe): kwasy o cząsteczkach zawierających 2 lub więcej atomów wodoru mogących odszczepiać się podczas dysocjacji elektrolitycznej; kwasem dwuprotonowym (dwuzasadowym) jest np. kwas siarkowy(VI), dysocjujący wg równania: H₂SO₄ = 2H⁺ + SO₄^2-.

Zasady wielowodorotlenowe: zasady o cząsteczkach zawierających dwie lub więcej cząsteczek OH^- mogących odszczepiać się podczas dysocjacji elektrolitycznej; zasadą dwu-wodorotlenową jest np. Ca(OH)₂.

2. Opracowanie wyników:

1.1. Skala pH

1.1.1

Stężenie molowe kwasu:	0,1	0,01	0,001	0,0001	0,00001
pH	1,98	2,87	4,2	5,3	6,3
Stężenie molowe zasady:	0,1	0,01	0,001	0,0001	0,00001
pH	12	11,1	9,8	8,2	7,7
Stężenie molowe kwasu: CH3COOH lub (COOH)2	0,1	0,01	0,001	0,0001	0,00001
pH	3,7	5,1	5,7	6,0	6,8

Wyniki na podstawie badań w laboratorium

1.2. pH zmiany barwy naturalnych wskaźników

Obserwacje

Do roztworu sporządzonego z 30cm³ 1,0M NaOH, 20cm³ H₂O i 50cm³ soku z czerwonej kapusty dodawaliśmy 1,0M HCl. Wykres pokazuje zależność pH od dolanych cm³ HCl

Barwy zmieniały się następująco:

• pH: 12,5- zielony przechodzący w żółty

• pH: 10,1- jasno zielony

• pH: 9,0- intensywniejsza zieleń

• pH: 7,0- jasny różowy

• pH: 5,0- różowy

• pH: 3,0- jasny czerwony

Inne naturalne wskaźniki pH:

• napar herbaty czarnej przy pH > 7,5 posiada barwę ciemnobrązową, przy pH = 6 barwę jasnobrązową, zaś przy pH < 5,5 barwę jasnożółtą.

• Najpopularniejszym wskaźnikiem pH pochodzenia naturalnego jest lakmus. Jest to niebieski barwnik otrzymywany z porostów Rocecella i Lecanora występujących na wybrzeżu Morza Śródziemnego i Atlantyku. Nazwa "lakmus" pochodzi od holenderskiego słowa lacmoes (od moes="papka, pulpa"). Roztwór lakmusu w środowisku zasadowym barwi się na niebiesko, zaś w obecności kwasów na czerwono. Zakres zmiany barwy przypada na pH ok. 5-8.

• sok z buraków jest purpurowy w środowisku kwaśnym (w obecności kwasu octowego w barszczu). Zabarwienie to utrzymuje się do pH=7. Po dodaniu do takiego roztworu amoniaku następuje zmiana barwy na niebieskofioletowy, a przy pH=12 na brązowy.

---