Для подготовки к лабораторной работе необходимо завести 12 л. тетрадь и оформить в ней теоретическую часть (все, что требуется записать в тетрадь выделено зеленым маркером).
Лабораторная работа № 1.
Определение pH среды различными методами. Изучение гидролиза солей разного типа. Приготовление буферных растворов
Цель работы: научиться определять pH среды растворов, используя индикаторы и pH-метр; закрепить знания по определению pH среды растворов различными методами; закрепить умения определять характер среды по уравнению гидролиза солей; научиться готовить буферные растворы.
Теоретическая часть
Определение pH среды различными методами. Изучение гидролиза солей разного типа.
Для измерения pH среды пользуются индикаторами, веществами, изменяющими свою окраску в зависимости от концентрации ионов Н+ или ОН-. Индикаторы могут быть в виде растворов или индикаторной бумаги.
Каждый индикатор характеризуется интервалом перехода окраски, то есть областью между двумя значениями pH, в которой происходит различимое изменение цвета индикатора (см. таблицу 1).
Кроме перечисленных применяются универсальные индикаторы, которые позволяют определить любое значение pH (например, универсальная индикаторная бумага pH 0–12). Универсальные индикаторы представляют собой смеси обычных индикаторов (например, для приготовления универсального индикатора, изменяющего окраску в пределах pH от 2,0 до 10,0, применяют смесь диметиламинобензола, бромтимолового синего, метилового красного, фенолфталеина и тимолфталеина).
При определении pH раствора универсальными индикаторами каплю раствора индикатора смешивают с исследуемым раствором. Появляющуюся окраску сравнивают с прилагаемой к данному индикатору таблицей цветов, соответствующих определенным значениям pH.
Таблица 1 – Изменение цвета индикаторов при различных значениях pH
| Название индикатора | Значение pH | Цвет индикатора |
| Метиловый фиолетовый | 0,5–1–2–3 | Желтый–зеленый–голубой–фиолетовый |
| Метиловый оранжевый | 3–4–5 | Красный–оранжевый–желтый |
| Метиловый красный | <4,2÷6,3< | Красный–оранжевый–желтый |
| Бромкрезоловый пурпуровый | 5,2–6,8 | Желтый–пурпурово-фиолетовый |
| Феноловый красный | 6,8–8,0 | Желтый–красный |
| Лакмус | <5÷8< | Красный–фиолетовый–синий |
| Фенолфталеин | 8–9–10 | Бесцветный–бледно-малиновый–малиновый |
| Тимолфталеин | 9,5–10,5 | Бесцветный–синий |
| Ализарин желтый | 10-11–12 | Желтый–оранжевый–лиловый |
| Тропеолин О | 11–12–13 | Желтый–оранжевый–коричневый |
| Универсальная индикаторная бумага | От 0 до 12 | От красного до синего (в соответствии со шкалой) |
Определение pH в мутных и окрашенных растворах при помощи индикаторов затруднено. В этих случаях пользуются специальными электрическими приборами, так называемыми pH-метрами.
pH-метр – электронный потенциометр, который измеряет разность потенциалов между двумя электродами, погруженными в раствор. Один из электродов имеет постоянный потенциал (электрод сравнения), а потенциал второго электрода почти линейно зависит от концентрации ионов водорода в растворе. Чем больше [H+] в растворе, тем больше разность потенциалов.
Приготовление буферных растворов
Прежде чем дать прописи буферных смесей, необходимо напомнить, что для определения концентрации растворов реактивов приняты понятия молярность (М) и нормальность (N).
Молярность раствора (М) — количество грамм-молей вещества, содержащихся в 1 л раствора. Грамм-моль — молекулярная масса данного вещества, выраженная в граммах. Например, для приготовления раствора в концентрации 0,2 М необходимо на 1 л раствора взять вещество в количестве, равном 0,2 его молекулярной массы.
Нормальность (N) — количество грамм-эквивалентов в 1 л раствора.
Грамм-экивалент — количество данного вещества, химически равноценное в данной реакции 1 грамм-атому водорода.
Для сложных веществ - это количество вещества, соответствующее прямо или косвенно при химических превращениях 1 грамму водорода или 8 граммам кислорода.
Поэтому:
Эоснования = Моснования / число замещаемых в реакции гидроксильных групп
Экислоты = Мкислоты / число замещаемых в реакции атомов водорода
Эсоли = Мсоли / произведение числа катионов на его заряд
Пример
Э H2SO4 = М H2SO4 / 2 = 98 / 2 = 49 г
Э Ca(OH)2 = М Ca(OH)2 / 2 = 74 / 2 = 37 г
Э Al2(SO4)3 = М Al2(SO4)3 / (2· 3) = 342 / 2= 57 г
Фосфатный буфер (рН 6,0—8,0).
Растворы:
А — 0,2 М КН2РО4 (13,6 г соли в 1 л дистиллированной воды);
Б — 0,2 М Na2 НР04 (31,2 г Na2 НРО4. 2Н2 О в 1л дистиллированной воды).
Для получения 100 мл буфера нужного рН следует слить растворы Аи Б в количествах, указанных в табл. 2.
Таблица 2
| Значение рН | 6,0 | 6,5 | 7,0 | 7,2 | 7,4 | 7,6 | 8,0 |
| Объем раствора, мл | |||||||
| А Раствор, мл | 87,9 | 68,7 | 48,8 | 27,4 | 18,2 | 11,5 | 3,1 |
| Б Раствор, мл | 12,1 | 31,3 | 51,2 | 72,6 | 81,8 | 88,5 | 96,9 |
Ацетатный буфер (рН 3,6—5,6).
Растворы:
А — 0,5N СН3СООН (30 мл ледяной уксусной кислоты долить к 970 мл дистиллированной воды);
Б — O,5N CH3COONa (68 г соли растворить в 1 л дистиллированной воды).
Слить растворы А и Б в количествах, указанных в табл. 3.
Таблица 3
| Значение рН | 3,6 | 3,8 | 4,0 | 4,2 | 4,4 | 4,6 | 4,8 | 5,0 | 5,2 | 5,4 | 5,6 |
| Объем раствора, мл | |||||||||||
| А Раствор, мл | |||||||||||
| Б Раствор, мл |
Практическая часть
Оборудование и реактивы: растворы солей (сульфат цинка, сульфат алюминия, сульфат магния, сульфат меди, сульфат натрия, карбонат натрия, ацетат натрия, хлорид натрия и др.), растворы органических веществ (крахмал, сахароза, глюкоза и др.), индикаторы (универсальная индикаторная бумага, фенолфталеин, метиловый оранжевый или др.), химические стаканы, пробирки, пипетки, pH-метр; необходимые растворы для приготовления буферных растворов.
Порядок выполнения работы
1. Получите растворы веществ и запишите их названия и формулы в первый столбец таблицы 2 – Результаты наблюдений.
2. На полоски универсальной индикаторной бумажки нанесите по 1 капле полученных растворов веществ. Отметьте цвет и определите по шкале универсальной индикаторной бумаги значение pH растворов, запишите в таблицу 2.
3. По значениям pH растворов, найденным по шкале универсальной индикаторной бумаги и используя данные из таблицы 1, определите вещества, растворы которых имеет смысл исследовать индикатором фенолфталеин (растворы, у которых значение pH ≥ 8). В чистые пробирки налейте по 3-5 капель выбранных растворов и добавьте по 1-2 капли раствора фенолфталеина. Отметьте цвет раствора, по его интенсивности (см. таблицу 1) определите значение pH растворов. Запишите в таблицу 4.
Таблица 4 – Результаты наблюдений
| Название и формула вещества | Название индикатора | Значения pH по показаниям pH-метра | Среда раствора | |||||
| Универсальная индикаторная бумага | Фенол-фталеин | Метиловый оранжевый | ||||||
| цвет | pH | цвет | pH | цвет | pH | |||
| Сульфат алюминия Al2(SO4)3 | ||||||||
| Сульфат меди (II) CuSO4 | ||||||||
| Сульфат цинка ZnSO4 | ||||||||
| Крахмал C6H10O5 | ||||||||
| … | ||||||||
| … | ||||||||
| … | ||||||||
| … |
4. Используя данные из таблицы 1 и логически рассуждая, заполните в таблице 4 оставшиеся пустыми строки столбца, указывающего на цвет индикатора фенолфталеина и значения pH в растворах веществ, которые не были исследованы индикатором фенолфталеин.
5. По значениям pH растворов, найденным по шкале универсальной индикаторной бумаги и используя данные из таблицы 1, определите вещества, растворы которых имеет смысл исследовать раствором индикатора метилового оранжевого (растворы, у которых значение pH от 3 до 5). В чистые пробирки налейте по 3-5 капель выбранных растворов и добавьте по 1-2 капли раствора метилового оранжевого. Отметьте цвет раствора, по его интенсивности (см. таблицу 1) определите значение pH растворов. Запишите в таблицу 2.
6. Используя данные из таблицы 1 и логически рассуждая, заполните в таблице 2 оставшиеся пустыми строки столбца, указывающего на цвет индикатора метилового оранжевого и значения pH в растворах веществ, которые не были исследованы этим индикатором.
7. Проведите измерения pH всех полученных растворов, используя карманный pH-метр. Перед использованием прибора уточните у преподавателя, что он был предварительно откалиброван. Для проведения измерений необходимо:
– снять защитный колпачок и включить прибор;
– погрузить электрод в исследуемый раствор не выше уровня погружения;
– осторожно помешивая, дождаться стабилизации показаний на дисплее, записать их и выключить прибор;
– после измерений ополоснуть электрод в водопроводной воде (не использовать дистиллированную воду!);
– продолжить измерения pH в других исследуемых растворах;
– после работы, ополоснув электрод в водопроводной воде (не использовать дистиллированную воду!), надеть защитный колпачок.
Все полученные результаты измерений pH занесите в соответствующий столбец таблицы 2.
8. Сделайте вывод о действии растворов веществ на индикаторы, определите реакцию среды растворов, учитывая, что при pH ≈ 7 – среда нейтральная, при pH > 7 – среда щелочная, а при pH < 7 – среда кислая. Заполните последний столбец таблицы.
9. Напишите уравнения электролитической диссоциации каждого электролита.
10. Напишите уравнения реакций гидролиза солей в молекулярной и ионной формах и объясните, присутствием каких ионов обусловлены кислая и щелочная среда растворов.
11. Сформулируйте вывод по лабораторной работе.