㈠ Измерение pH

Основные принципы измерения pH

Пожалуй, самым известным и древним методом измерения нулевого тока, применяемым для определения хода химических реакций, является pH-метрия.

Что такое pH и что следует знать о измерении pH?

Как правило, измерение pH используется для определения кислотно-щелочного состояния данного раствора.

При добавлении кислоты в воду её кислотность повышается, а значение pH снижается. При добавлении щёлочи в воду её щёлочность повышается, а значение pH — это единица, используемая для выражения степени кислотности или щёлочности. Когда мы говорим, что молоко «прохладное» или что кислота «слабая», это не даёт точного представления о состоянии соответствующих объектов, поскольку мы не указываем единицу измерения и конкретное числовое значение. Если же мы говорим, что температура молока составляет 10 °C, это уже чёткое и определённое утверждение. Точно так же, когда мы говорим, что pH слабой кислоты равен 5,2, это тоже чёткое и точное утверждение.

В мире существует множество кислот и щелочей с различной степенью кислотности и щёлочности. Например, соляная кислота является очень сильной кислотой, тогда как борная кислота — весьма слабая (её можно использовать для промывания глаз и ран).

Степень кислотности определяется главным образом тем, насколько полно ионы водорода диссоциируют в растворе. В сильных кислотах ионы водорода диссоциируют практически полностью, тогда как в слабых — лишь в незначительной степени. Соляная кислота является сильной кислотой потому, что хлор способствует почти полному выделению ионов водорода. Борная кислота, напротив, относится к слабым кислотам, поскольку ионы водорода диссоциируют лишь в очень малом количестве. Даже химически чистая вода содержит следы диссоциации: строго говоря, свободный протон существует лишь до тех пор, пока не образует гидратную структуру с молекулами воды.

Х ₂ О+Х ₂ О=Н ₃ О ⁺ +ОН ^-

Поскольку концентрацию гидрония (H3O+) можно считать равной концентрации протона (H+), указанное уравнение можно упростить до следующей широко используемой формы:

Х ₂ О=Н ⁺ +ОН ^-

Положительный ион водорода в химии обозначается как «ион H» или «ядеро водорода». Гидратированный ядеро водорода обозначается как «гидратированный ион водорода». Отрицательный ион гидроксида называется «гидроксид-ионом».

Используя закон действия масс, для диссоциации чистой воды можно определить и выразить равновесную константу:

Поскольку вода диссоциирует лишь в крайне незначительной степени, молярная концентрация воды фактически является постоянной, и на основе константы равновесия K можно вычислить ионный произведение воды KW.

KW=K×H ₂ O KW = H ₃ О ⁺ ·ОН ^- =10 ^-7 ·10 ^-7 =10 моль/л (25℃)

То есть, для одного литра чистой воды при 25°C существует 10 ^-7 Мур H ₃ О ⁺ Ионы и 10 ^-7 Мур ОН ^- Ион.

Чтобы избежать вычислений с использованием отрицательной степени концентрации ионов водорода, биолог Зёренсен (Soernsen) в 1909 году предложил заменить этот неудобный показатель логарифмом и ввёл понятие «pH». Математически pH определяется как отрицательное значение десятичного логарифма концентрации ионов водорода. То есть:

pH = -logH ⁺

Строго говоря, эта формула игнорирует ионы водорода (H ⁺ ) и гидроксид-ионы (OH ^- ) взаимодействие, поскольку между ионами действуют электрические силы, которые заметно снижают их подвижность. Иными словами: эффективная концентрация (то есть активность) ионов водорода зависит также от всех остальных растворённых ионов.

Например: когда концентрация ионов водорода составляет 10 ^-1 При концентрации 1 моль/л теоретически значение pH должно составлять 1,0, тогда как мы измерили лишь 1,08. Это свидетельствует о том, что коэффициент активности f ≠ 1, а равен 0,823. Иными словами, точное определение pH должно быть следующим: pH

Измерение температурного коэффициента раствора:

Поскольку ионный произведение сильно зависит от температуры, нейтральная точка чистой воды распределяется следующим образом:

0℃ = pH

25℃ = pH

75℃ = pH

00℃ = pH

Кислоты и основания разбавляются водой, и, разумеется, для них также характерна указанная зависимость pH от температуры.

Для сильных кислот влияние самодиссоциации воды равно нулю, и значение pH определяется исключительно степенью диссоциации кислоты:

При 0℃ При 25℃ При 50℃

0,001 нГн 3,00 pH 3,00 pH 3,00 pH

0,1 н HCl 1,08 pH 1,08 pH 1,08 pH

В случае щелочных растворов указанные выше эффекты становятся весьма значительными. Это объясняется тем, что в таких условиях активность ионов водорода снижается, тогда как процесс самодиссоциации воды приобретает преобладающее значение.

При 0℃ При 25℃ При 50℃

0,001 н. NaOH 11,94 pH 11,00 pH 10,26 pH

Насыщенный известковый раствор ┄┄ 12,4 pH 11,68 pH

С практической точки зрения можно сделать следующие выводы:

При контроле pH в процессах необходимо одновременно учитывать температурные характеристики раствора; сравнение значений pH может проводиться только в том случае, если измеряемая среда находится при одинаковой температуре.

Как проводить измерение pH‑значения?

Практически каждый знает о методе измерения с помощью лакмусовой бумаги, которая меняет цвет в зависимости от значения pH. Например, в кислом растворе лакмусовая бумага окрашивается в тёмно-красный или светло-красный цвет, а в щелочном — в тёмно-синий или светло-синий.

Однако при использовании этого метода в слабых буферных растворах, а также в растворах, содержащих металлические ионы или органические соединения, наблюдаются значительные погрешности (до 2 единиц pH).

Для получения точного и воспроизводимого значения pH необходимо использовать потенциометрический метод измерения pH.