Determinarea marimii pH-lui solutiilor si a PH-lui de precipitare a hidroxizilor prin metoda potentiometrica

Determinarea marimii pH-lui solutiilor si a PH-lui de precipitare a hidroxizilor prin metoda potentiometrica.

Scopul lucrarii: Insusirea metodei potentiometrice de determinare a pH-lui in solutii si utilizarea acestei metode in practica.

Aparatajul, materiale si reagenti: potentiometru de tipul ЭB-74 ori ЭB-121, agitator magnetic, pahare electrozi de sticla si de clorura de argint, biureta, solutii de NaOH, solutii de saruri ai ionilor de metale, solutii cu pH necunoscut, apa distilata, hirtie de filtru,

Aspecte teoretice

Metoda potentiometrica este una din principalele metode folosite pentru determinarea pH-lui in solutii. Aceasta metoda este bazata pe masurarea tensiunii electromotoare (TEM) a elementului galvanic, format din electrodul-indicator de sticla, potentialul caruia depinde de concentratia ionilor de hidrogen in solutie si din electrodul de referinta de clorura de argint.

Electrodul de sticla este format dintr-un tub de sticla, care in partea de jos se termina cu o sfera din sticla speciala cu pereti foarte subtiri, menita cu rolul de membrana schimbatoare de ioni. Aceasta contine cationi ca H⁺ Na⁺ K⁺ Li⁺, care pot fi usor schimbati cu alti cationi din solutie.

In sfera de sticla se toarna solutie de 0,1 moli de gram-echivalenti HCl, in care se introduce electrodul de clorura de argint. Acest electrod este un conducator reversibil de electroni. Potentialul electrodului intern este o marime constanta.

La introducerea electrodului in solutie, ionii de hidrogen din solutie patrund in
stratul de la suprafata sticlei, inlocuind ionii componenti, de exemplu ionii de Na⁺:

H⁺_sol + Na⁺_sticla = H⁺_sticla + Na⁺_sol (1)

Intre sticla si solutie apare o diferenta de potential, care este determinata de activitatea ionilor de hidrogen in solutie. De obicei electrodul intern si solutia interna a electrodului de sticla sunt constante din care cauza diferenta de potential intre electrodul de clorura de argint si solutia interna Cl/AgCl,Ag este o marime constanta. Potentialul suprafetei interne de contact a membranei _st.int de sticla si solutie deasemenea este o marime constanta. In acelasi timp, diferenta de potential ce apare la suprafata exterioara de contact a membranei electrodului de sticla cu solutia studiata este variabila si depinde de concentratia ionilor H⁺ in ea. Deoarece potentialul electrodului de referinta nu variaza cu schimbul pH-lui mediului, TEM a elementului v-a depinde de activitatea ionilor de hidrogen in solutie.

Potentialul ce apare la granita metal-solutie ( ) se numeste potential de electrod. Potentialul ce apare la granita metal-solutie a sarii aceluiasi Me cu aMe^Z = l se numeste potential normal al metalului dat.

Marimea potentialului de electrod depinde de natura metalului si a solutiei, de concentratia solutiei si se exprima prin urmatoarea formula a lui Nernst:

+ (RT / ZF) ln aMe^Z+ (2)

unde marimile potentialului de electrod si a potentialului normal de electrod;

R - constanta gazului perfect egala cu 8,313 J/gram.mol;

T - temperatura in grade Kelvin egal cu 298°;

Z - sarcina ionului de Me;

F - numarul lui Faradey = 96500 culoni;

aMe^Z+ - activitatea ionilor in solutie.

La trecerea de la logaritmul natural la logaritmul zecimal (ln a = 2,303 lg a) si luind in consideratie constanta F, la temperatura 25°C obtinem:   

+ 0,0592 lg aMe^Z+

Marimea se exprima prin formula:

= + (RT / ZF) ln K                 (3),

Eseu: ELEMENTE DE BOTANICA - criterii ( intrebari ) minimale Document online: Bazele moleculare ale apoptozei

unde K - este constanta de echilibru.

In calitate de electrod de referinta in cele mai dese cazuri se foloseste electrodul de clorura de argint de tipul B - l - 43, care este introdus in solutie saturata de KC1, potentialul caruia la temperatura 25°C este egal:

= 0,201 B.

La imersarea electrozilor de sticla si de referinta in solutia studiata se obtine o celula galvanica. Diferenta de potential ce apare intre electrodul pozitiv si cel negativ ale celulei galvanice v-a exprima marimea tensiunii electromotoare:*

E =

* Forta electromotoare a sistemului galvanic obtinut se determina cu ajutorul aparatului, numit potentiometru, (ionomer, ori pH-metr), la care se unesc electrozii indicator si de referinta.

Electrodul de sticla, pina a incepe lucrul in prealabil, se tine 2-3 zile in solutie de
0,1 M HCl, iar electrodul de clorura de argint tot atit timp in solutie saturata de KCl. In continuarea ionomerul se calibreaza dupa 2-3 solutii-tampon cu pH-ul cunoscut, si numai dupa aceasta sistemul este pregatit pentru efectuarea cercetarilor practice.

Efectuarea experimentala a lucrarii

Varianta I. Determinarea pH in solutie prin metoda potentiometrica.

Potentiometrul se conecteaza in reteaua electrica si se pregateste de lucru in corespundere cu instructajul din instructia aparatului. In pahare cu volumul de 30-50 ml se toarna solutia studiata, se masoara pH asa cum e descris in metodica descrisa in institutie. Dupa determinarea pH-lui, electrozii se scot din solutie, se clatesc cu apa distilata, fin si atent se usuca cu hirtie de filtru, dupa ce se introduc in solutia urmatoare.

Varianta II. Determinarea pH-lui de precipitare a hidroxizilor prin metoda potentiometrica

pH-ul la care se formeaza faza solida de hidroxid a oricarui metal in solutia sarii lui se numeste - pH de precipitare. Pentru determinarea experimentala a pH-lui de precipitare se aplica metoda curbelor titrarii potentiometrice a solutiei neutre cu o baza. In timpul acestei titrari din biureta, se masoara pH-ul solutiei, care se agita cu ajutorul unui agitator magnetic. De regula, initial se observa o crestere treptata a pH-lui, care se intrerupe atunci cind se atinge momentul corespunzator depunerii hidroxidului solid al metalului si pe curba de titrare apare un segment orizontal

Pe parcursul acestui segment, solutia de hidroxid adaugata se consuma pentru precipitarea unei noi portii de hidroxid de metal. Din aceasta cauza poate fi trasata numai dupa ce toti ionii de metal prezenti in solutie se vor compensa cu ionii hidroxil.

V₁M₁NaOH

Fig.1. Curba de titrare.

Fie produsul de solubilitate al hidroxidului Me (OH)₂

P_s(Me(OH)₂) = Me²⁺ OH^- Me²⁺ PH₂O H⁺

in care PH₂O este produsul ionic al apei. Deoarece concentratia initiala a solutiei sarii metalului este cunoscuta, cunoscind pH-ul de sedimentare si considerind volumul solutiei adaugate de hidroxid, cu o oarecare aproximatie, se poate calcula valoarea P_s a hidroxidului. Urmeaza sa avem in vedere, ca concentratia ionilor hidroxil la pH-ul de precipitare se determina cu relatia:

lg PH₂O + pH = lg [OH^-] = ½ lg P_s (Me (OH)₂)- ½ lg [Me²⁺]

Din aceasta relatie rezulta ca pH-ul de precipitatie este corelat cu concentratia initiala a sarii. Cu cit concentratia este mai mare, cu atit la valori mai coborite ale pH-lui trebuie sa inceapa depunerea sub forma de precipitat a hidroxidului metalului. Cantitativ aceasta dependenta rezulta din relatia de mai sus, pH-ul exprima prin relatia:

pH = ½ lg P_s, Me (OH)₂ - lg PH₂O - ½ lg [Me²⁺]

Calculul mai exact al P_s se obtine daca se are in vedere factorul de activitate a ionilor de metal din solutie. O valoare aproximativa a factorului de activitate (f) la o forta ionica data se obtine din tabelul de mai jos

Tabelul 1

Initial se calibreaza electrodul de sticla, dupa care se titreaza solutii de diferite concentratii ale unei sari a metalului studiat. In balonase de 200 ml se introduc cite
50 ml solutie de concentratiile 0,001; 0,005; 0,01; 0,02 N si la agitarea continua se titreaza cu solutie alcalina 0,1 N din biureta, notind pH-ul dupa fiecare adaugare de titrant. Saruri ce pot fi utilizate: Fe₂SO₄, FeCl₂, CuSO₄, ZnSO₄. Datele experimentale pentru fiecare concentratie a sarii se vor inscrie in tabelul 2:

Tabelul Nr.2

Din datele obtinute se traseaza graficul dependentei pH-lui de volumul de solutie de baza alcalina adaugat si se afla punctul de intrerupere, dupa care urmeaza portiunea orizontala a acestei curbe, care v-a defini tocmai pH-ul de precipitare pentru solutia data.

Determinind concentratia ionilor metalului si cunoscind anionul care intra in componenta sarii, se calculeaza forta ionica a solutiei (I = 1/2ΣC_iZ_i²). Valoarea factorului de activitate (f) se i-a din tabelul 2 si se calculeaza activitatea ionului metalului (a=fc) in solutia data, pentru ca apoi sa se calculeze produsul de solubilitate al hidroxidului metalului corespunzator. De asemenea se construieste graficul dependentei pH-ul de precipitare de activitatea metalului.

Intrebarile pentru pregatirea catre lucrarea de laborator.

1. Cum apare si ce este potentialul de electrod?
2. Clasificarea electrozilor.
3. Electrod de hidrogen.
4. Electrod de sticla. Potentialul electrodului de sticla.
5. Ce este electrodul de referinta? Dati pilde.
6. Ce metode de determinare a pH-lui solutiilor cunoasteti?
7. Lamuriti esenta metodei potentiometrice.
8. Cum se poate determina pH de sedimentare a hidroxizilor?