С помощью универсального индикатора и цветной шкалы ориентировочно устанавливают величину рН исследуемой жидкости. По таблице подбирают индикатор, в зоне перехода окраски которого находится найденное значение рН исследуемой жидкости. Например, если приблизительное значение рН=7,0, его зона перехода равна 6,0-7,6.
Ход работы. В восемь пробирок одинакового цвета и диаметра вносят по 2 мл буферных растворов с различным значением рН и в девятую пробирку – такое же количество исследуемой жидкости. Затем во все пробирки прибавляют по 2-3 капли выбранного индикатора, перемешивают и среди буферных растворов находят такой, цвет которого совпадает с цветом исследуемой жидкости. Зная рН буферного раствора, устанавливают рН жидкости, взятой для анализа.
Потенциометрический метод определения pH растворов
Колориметрические методы определения pH недостаточно точны, а при наличии мутных систем совсем непригодны.
В настоящее время большое значение приобрел потенциометрический метод, который позволяет быстро и точно определять значения pH даже при исследовании мутных и окрашенных растворов. Этот метод определения концентрации ионов водорода (pH растворов) основан на измерении электродвижущей силы (ЭДС) гальванического элемента, для которого потенциал одного электрода известен (электрод сравнения). Второй электрод (индикаторный) выбирается таким образом, чтобы величина его потенциала зависела от pH данного раствора.
Опыт 5. Определение pH прозрачных и мутных растворов с помощью pH-метра
Ход работы. По стандартному буферному раствору калибруют pH-метр, промывают электроды дистиллированной водой, подсушивают фильтровальной бумагой или ополаскивают исследуемым раствором и определяют pH анализируемого раствора.
Сравните значения pH, полученные для одного и того же раствора с помощью универсального индикатора, буферного и безбуферного методов, pH-метра.
Работа 2. Буферные растворы
Буферными называются растворы, представляющие собой смесь слабой кислоты и ее соли с сильным основанием или слабого основания и его соли с сильной кислотой. Они способны сохранять постоянным рН при разведении и добавлении небольших количеств сильных кислот или оснований. Такая способность системы противодействовать изменению рН называется буферным действием и количественно характеризуется буферной емкостью.
Буферная емкость определяется количеством миллиграмм-эквивалентов сильной кислоты или щелочи, которое необходимо добавить к 1 литру буферного раствора, чтобы изменить рН на единицу. Буферные системы имеют большое значение для живых организмов, так как принимают участие в поддержании постоянства рН тканей и биологических жидкостей.
Опыт 1. Приготовление буферных растворов
Ход работы. В шесть пробирок с помощью мерных пипеток вносят 0,1 н раствор уксусной кислоты и 0,1 н раствор ацетата натрия в количествах, указанных в таблице, добавляют по 3 капли универ-сального индикатора и определяют приблизительное значение рН по цветной шкале, которое записывают в таблицу.
| № проби-рок | 0,1 н раствор СН3СООН (мл) | 0,1 н раствор СН3СООNa (мл) | Вычисленные значения рН | Найденное в опыте значение рН |
| 1 | 0,9 | 0,1 | ||
| 2 | 0,8 | 0,2 | ||
| 3 | 0,6 | 0,4 | ||
| 4 | 0,4 | 0,6 | ||
| 5 | 0,2 | 0,8 | ||
| 6 | 0,1 | 0,9 |
Содержимое пробирок № 1 и № 6 оставляют для опыта 2. Сопоставляют значение рН, найденное в опыте, с вычисленным по формуле:
рН = рКа + lg ([соль] · a / [кислота])
Константа диссоциации уксусной кислоты равна 1,75·10-5, а степень диссоциации 0,1 н раствора уксуснокислого натрия составляет 0,79.
Опыт 2. Влияние кислоты и щелочи на рН буферного раствора
Ход работы. В пробирку № 6 (опыт 1) прибавляют 4 капли 0,1 н раствора соляной кислоты, а в пробирку № 1 – 4 капли 0,1 н раствора едкого натра. Цвет растворов практически не изменяется. Следовательно, небольшие количества кислоты и щелочи почти не изменяют рН буферного раствора.
Опыт 3. Влияние разведения на рН буферного раствора
Ход работы. В три пробирки вносят соответственно 6, 3 и 2 мл буферного раствора с рН = 5. Во вторую пробирку добавляют 3 мл, а в третью – 4 мл воды. Во все пробирки прибавляют по 3 капли раствора индикатора метилового красного. Окраска всех растворов одинакова. Следовательно, разведение не изменяет значительно рН буферного раствора.
Опыт 4. Определение буферной емкости растворов
Ход работы. В колбу вносят 10 мл буферного раствора с рН=5 и, добавив 3 капли раствора метилового красного, титруют 0,1 н раствором едкого натра до появления желтой окраски раствора (рН=6,0). Вычисляют буферную емкость ацетатной смеси, как указано ниже.
Пример расчета: если на титрование 10 мл буферной смеси пошло 4,8 мл щелочи, то на титрование 1 л смеси пойдет Х мл щелочи:
Х = 4,8·1000 / 10 = 480 мл
Буферная емкость (В) или число миллиграмм-эквивалентов щелочи, содержащееся в данном объеме, рассчитывается по формуле:
В = N·Х
где N – нормальность щелочи, или ее количество (мг · экв) в 1 мл (в данном случае N = 0,1).
В = 0,1·480 = 48
Опыт 5. Влияние разведения на буферную емкость
Ход работы. В колбу вносят 1 мл буферного раствора (рН=5), 9 мл воды и 3 капли раствора метилового красного. Определяют буферную емкость этого раствора, как описано в опыте 4. Сравнивают ее значение с величиной буферной емкости неразбавленного буферного раствора и делают соответствующие выводы.
Опыт 6. Определение буферной емкости плазмы крови
Буферная емкость плазмы крови обусловлена наличием трех буферных систем: бикарбонатной (H2CO3/NaHCO3), фосфатной (NaH2PO4/Na2HPO4) и белковой.
Ход работы. В две колбочки вносят по 5 мл плазмы (рН=7,36). В одну колбочку добавляют 2 капли раствора фенолфталеина и титруют 0,1 н раствором едкого натра до появления слабо-розового окрашивания (рН=8,4). В другую колбочку добавляют 2 капли раствора индикатора бромкрезолового пурпурного и титруют 0,1 н раствором соляной кислоты до появления синевато-фиолетовой окраски (рН=6,4). Вычисляют буферную емкость плазмы по отношению к щелочи и кислоте, как описано в опыте 4. Обратите внимание на то, что буферная емкость плазмы крови по отношению к кислоте является более высокой, чем по отношению к щелочи.
Работа 3. Методы получения коллоидных систем (гидрофобные и гидрофильные золи и эмульсии)
Системы, изучаемые физической химией, – это молекулярные (ионные) или истинные растворы, то есть гомогенные смеси нескольких веществ. Они состоят из сравнительно небольших частиц (ионов, атомов, молекул) с размерами <10-7 см.
Коллоидная химия – это наука о физико-химических свойствах гетерогенных высокодисперсных (10-7 - 10-5 см) систем и растворов высокомолекулярных соединений. Однако она изучает и грубодисперсные системы (10-5 - 10-2 см) – суспензии, пены, эмульсии, порошки. К ним, в частности, относятся многие продукты питания (творог, сыр, хлеб, мука, сливочное масло, соки), моющие средства, пасты, краски, строительные материалы (цемент, алебастр) и др.
Коллоидные растворы (золи) занимают промежуточное положение между грубодисперсными и молекулярными системами. Поэтому их можно получать двумя методами: либо дроблением крупных кусков вещества до требуемой дисперсности (диспергирование), либо объединением молекул или ионов в агрегаты коллоидных размеров (конденсация).
Диспергационные методы получения золей
Эти методы включают механическое, электрическое или ультразвуковое дробление и требуют затрат энергии. К ним также относится и метод пептизации – получение золей из рыхлых свежеприготовленных осадков. Например, при адсорбционной пептизации добавленные к осадку электролиты адсорбируются на поверхности частиц осадка, сообщают им заряд и таким образом способствуют переходу их во взвешенное состояние. Следует отметить, что при пептизации степень дисперсности фактически не изменяется, так как частицы рыхлого осадка уже имеют коллоидные размеры.
Опыт 1. Получение золя гидроксида железа (III) методом адсорбционной пептизации
Ход работы. В пробирку наливают 2-3 мл 2%-го раствора FeCl3 и прибавляют 4-5 капель 10%-го раствора гидроксида аммония. Образовавшийся осадок отфильтровывают и отмывают от хлорида аммония и избытка аммиака 3-4 раза дистиллированной водой (до исчезновения запаха аммиака). Воронку с промытым осадком переносят в чистую пробирку и добавляют 2-3 мл теплого раствора FeCl3 (пептизатор). Через фильтр проходит прозрачный красно-бурый золь гидроксида железа (III). Определите заряд золя (см. опыт 8).
Опыт 2. Получение эмульсии жира в воде
Эмульсией называется дисперсная система, состоящая из взаимно нерастворимых жидких фаз. Вещества, образующие различные фазы, должны сильно отличаться по своей полярности. Как правило, эмульсии являются грубодисперсными системами, устойчивыми только в присутствии эмульгаторов (стабилизаторов).
Ход работы. В пробирку, заполненную наполовину дистиллированной водой, добавляют несколько капель растительного масла. Встряхивание ее содержимого приводит к образованию нестойкой (расслаивающейся) эмульсии. Добавьте в пробирку несколько капель раствора мыла. После взбалтывания смеси образуется стойкая (нерасслаивающаяся) эмульсия.