Физическая и коллоидная химия (стр. 6 )

Опыт 1. Приготовление буферных растворов

Приготовляют в трех пронумерованных колбах а, б и в по 30 мл ацетатных буферных растворов следующего состава: .

а) 24 мл 0,2 н. раствора СН3СООН + 6 мл 0,2 н. раствора CH3COONa;

б) 6 мл 0,2 н. раствора CH3COOН + 24 мл 0,2 н. раствора CH3COONa;

в) 15 мл 0,2 н. раствора CH3COOН + 15 мл 0,2 н. раствора CH3COONa.

Содержимое колб перемешивают встряхиванием. Рассчитывают рН буферов, используя следующие уравнения:

[H+] = Kк, pH = –lg[H+].

Измерить рН буферных растворов на рН-метре (см. работу 3) и сопоставить полученные данные с расчетными. Сделать вывод о влиянии соотношения концентрации кислоты и соли на рН буферных растворов.

Опыт 2. Разбавление буферных растворов

Берут пипеткой по 10 мл буфера из колбы а (опыт 1) и переносят еще в две колбы – 1 и 2. Раствор в колбе 1 разбавляют в 2,5 раза добавлением 15 мл дистиллированной воды, а в колбе 2 – в 5 раз добавлением 40 мл воды. Содержимое колб перемешивают встряхиванием. 3атем в три пронумерованные пробирки отбирают пипеткой из колб а, 1 и 2 по 5 мл буферного раствора и прибавляют в каждую пробирку по три капли универсального индикатора. Сопоставляя окраску неразбав - ленного раствора (пробирка 1) с окраской разбавленных (колбы 1, 2 и пробирки 2, 3), делают вывод о влиянии разбавления на рН буферных растворов. Сопоставлениe окраски лучше выполнять над листом белой бумаги сверху пробирок через всю толщу буферных растворов.

Опыт 3. Действие кислот и щелочей

Для работы взять шесть пронумерованных пробирок одинакового диаметра. В пробирки 1 и 4 наливают по 2 мл 0,2 н. раствора уксусной кислоты и по 3 мл 0,2 н. ацетата натрия. Рассчитывают рН полученных буферных растворов. В пробирки 2 и 5 наливают по 5 мл физиологического раствора (0,9%-ный раствор хлорида натрия), в пробирки 3 и 6 – по 5 мл дистиллированной воды.

В пробирки 1, 2, 3 добавляют по три капли фенолфталеина и на белом фоне прибавляют, считая капли, 1 н. раствор NaOH до появления малиновой окраски. Затем в пробирки 4, 5, 6 добавляют по три капли метилоранжа и на белом фоне прибавляют, считая капли, 1 н. раствор HСl до появления оранжево-розовой окраски. Результаты наблюдений записывают в таблицу.

Число капель 1 н. раствора	Ацетатный буфер	Физиологический раствор	Вода
NaOH	Пробирка 1	Пробирка 2	Пробирка 3
HCl	Пробирка 4	Пробирка 5	Пробирка 6

Опыт 4. Определение буферной емкости

1. Готовят два буферных раствора, рН которых отличается на единицу. Для этого в первую колбу для титрования сливают пипетками по 5 мл 0,2 н. растворов СН3СООН и CH3COONa. Во второй колбе готовят раствор сравнения с рН (на единииу меньше), сливая 9 мл 0,2 н. раствора СН3СООН и 1 мл 0,2 н. раствора CН3COONa. Рассчитывают и записывают значение рН в таблицу.

В обе колбы добавляют по три капли метилоранжа и содер­жимое первой колбы титруют 0,1 н. раствором НСl до полу­чения одинаковой окраски с раствором сравнения (колба 2). По уравнению рассчитывают буферную емкость:

.

2. Аналогично приготовляют два буферных раствора, рН которых отличается на единицу, используя 0,1 н. растворы СН3СООН и CH3COONa. В первую колбу берут по 5 мл 0,1 н. растворов СН3СООН и CH3COONa. В другой колбе готовят раствор сравнения, имеющий рН на единицу меньше, сливая 9 мл 0,1 н. раствора СН3СООН и 1 мл 0,1 н. раствора CH3COONa. Вычисляют значения рН приготовленных растворов. Затем в обе колбы добавляют по три капли метилоранжа и буферный раствор в первой колбе титруют 0,1 н. раствором НСl до получения одинаковой окраски индикатора в растворе сравнения (буфер в колбе 2). Рассчитывают буферную ем­кость и записывают все данные в таблицу.

Исследуемый буферный раствор	рН1	рН2	NK	Vк	Буферная емкость, экв/л
5 мл 0,2 н. раствора СН3СООН + 5 мл 0,2 н. раст­вора CH3COONa
5 мл 0,1 н. раствора СН3СООН + 5 мл 0,1 н. раст­вора CH3COONa

На основании полученных данных сделать выводы:

а) из­меняется ли рН буферных растворов при изменении концент­рации СН3СООН и CH3COONa, но при неизменном их соот­ношении;

б) влияет ли концентрация соли и кислоты на буферную емкость.

Опыт 5. Определение буферной емкости почвенной вы­тяжки

Отвешивают на технохимических весах 20 г почвы, переносят ее в коническую колбу, приливают 100 мл во­ды и встряхивают в течение 3 мин. Затем фильтруют через складчатый фильтр и определяют рН фильтрата. В две кол­бочки отмеривают по 20 мл приготовленной почвенной вы­тяжки. В одну из колбочек прибавляют две капли фенолфталеина и титруют 0,1 н. раствором NaOH до появления сла­бого малинового окрашивания, в другую добавляют две-три капли индикатора метилового красного и титруют 0,1 н. раст­вором НСl до появления оранжево-розового окрашивания. Рассчитывают буферную емкость. Для срав­нения выполняют такой же опыт с безбуферным раствором, приготовленным из дистиллированной воды с добавлением к нему щелочи или кислоты до достижения такой же величи­ны рН, как и у почвенной вытяжки.

По результатам опыта делают вывод о буферности почвы.

Контрольные вопросы

1. Какие растворы называются буферными? Приведите примеры.

2. Что такое буферная емкость и от каких факторов она зависит?

3. На чем основан механизм действия буферных систем?

4. Привести уравнения для расчета рН буферных раство­ров.

5. Каково значение буферных систем?

3. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ РАСТВОРОВ

ЭЛЕКТРОЛИТОВ. ЭЛЕКТРОХИМИЯ

Раздел физической химии, изучающий процессы, связан­ные со взаимным превращением химической и электрической энергии, называется электрохимией.

При погружении металла в воду с его поверхности под действием полярных молекул отрываются положительно заряженные ионы и, гидратируясь, переходят в жидкость. В результате такого пере­хода жидкость заряжается положительно, а металл – отри­цательно, так как в нем появляется избыток электронов. Че­рез некоторое время устанавливается равновесие, а электри­ческое притяжение между катионами в растворе и избытком электронов на поверхности металла образует двойной элект­рический слой. Электрический потенциал, возникший между металлом и окружающей его водной средой, называют элект­родным потенциалом.

Абсолютное значение электродного потенциала измерить невозможно, поскольку введение любых измерительных уст­ройств приведет к появлению новой контактной разности по­тенциалов. В связи с этим измеряют разность потенциалов между данным электродом и электродом сравнения, потен­циал которого условно принимают равным нулю. В качестве стандартного электрода сравнения используют так называ-е­мый водородный электрод. Потен­циал этого электрода при Р = 101325 Па и aН+ = 1 моль/л определяется равновесием

Н2 ↔ 2Н ↔ 2Н+ + 2ē,

а его электрохимическая схема имеет следующий вид:

(Pt) H2 / 2H+.

Электродные потенциалы, измеренные по отношению к водородному электроду в стандартных условиях, называются стандартными, если электрод погружен в 1 М раствор своей соли, и нормальными, если электрод погружен в 1 н. раствор соли.

В зависимости от величины и знака стандартного элект­родного потенциала относительно потенциала водородного электрода все металлы располагают в ряд электродных по­тенциалов, который представляет собой ряд активности по взаимному вытеснению металлов.

Для расчета электродного потенциала в условиях, отличающихся от стандартных, используют уравнение элект­родного потенциала Нернста:

,

где φ – потенциал электрода в данных условиях, В;

φ° – потенциал электрода в стандартных условиях (таб­личные данные), В;

R – универсальная газовая постоянная, равная 8,313 Дж/моль;

Т – абсолютная температура;

n – заряд иона металла;

F – число Фарадея, равное 96500 Кл/моль;

a Меn+ – активность ионов металла, моль/л.

Классификация электродов. В настоящее время для со­ставления гальванических цепей используется целый ряд электродов. Среди них различают электроды сравнения и ин­дикаторные электроды.

В качестве электродов сравнения используется описан­ный ранее водородный электрод. Он от­носится к типу газовых электродов, изготовление и исполь­зование которых представляет ряд трудностей и неудобств. Более практичными оказались хлорсеребряный и другие электроды сравнения. Электрохимическая схема хлорсеребряного электрода имеет следующий вид:

Ag | AgCl, KCl, или Ag | AgCl, Cl–.

Потенциал хлорсеребряного электрода при температуре 25 °С в нор­мальном растворе хлорида калия равен +0,238 В, а в насы­щенном − +0,222 В. Электродный потенциал промышленного электрода ЭВЛ–1МЗ при 25 °С равен +0,201 В. Среди инди­каторных электродов большое распространение в практике получили стеклянные, платиновые, хингидронные элект­роды. Электрохимическая схема стеклянного электрода (ЭСЛ-41Г-04) в цепи с хлорсеребряным имеет следующий вид:

(+)Ag | AgCl | 0,1 н. НCl | стеклянная мембрана | Н+ | КCl | AgCl | Ag |(–)

стеклянный электрод хлорсеребряный электрод

Кроме названной классификации все электроды делят на три рода.

Электродом первого рода может служить любой металл, погруженный в раствор своей растворимой со­ли. Например:

Me | Men+ (Zn | Zn2+; Ag | Ag+ и т. д.).

Электродом второго рода называется металлический элект­род, погруженный в насыщенный раствор трудно растворимо­го соединения этого металла (соль, оксид) и хорошо раство­римого электролита с одноименным анионом. Например, хлорсеребряный электрод Ag | AgCl, KCl, каломельный электрод Нg | Нg2Cl2, KCl.