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 чёткого представления о состоянии объекта, поскольку мы не указываем единицу измерения и конкретное числовое значение. В то же время, если мы говорим, что температура молока составляет 10 °C, это уже точное утверждение. Точно так же, когда мы говорим, что pH слабой кислоты равен 5,2, это также является точным понятием.

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 высвобождению 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, протон не существует в свободном состоянии, пока не образует гидратную оболочку с молекулами воды.

Х ₂ О+Х ₂ О=Н ₃ О ⁺ +ОН ^-

Из-за гидратированных ионов водорода (H ₃ Концентрацию O) можно рассматривать как эквивалентную концентрации ионов водорода (H), в результате чего 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 «ионом гидроксида».

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 активность; 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:

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.

С практической точки зрения можно сделать следующие выводы:

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

Как проводить измерение pH‑значения?

Практически каждый знает о методе измерения с использованием 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 ионы металлов или органические соединения, наблюдаются заметные погрешности (не более 2 единиц pH).

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