1.7: рН та буфери

Last updated
Save as PDF

Page ID: 6276

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Цілі:

Точно виміряйте рН розчинів за допомогою смужок індикатора рН та рН-метра.
Створюйте буферні розчини та тестуйте ефекти додавання кислоти та основи до кожного.

Результати навчання студентів:

Після закінчення цієї лабораторії студенти зможуть:

Опишіть шкалу рН.
Правильно використовувати смужки індикатора рН і рН-метр.
Поясніть функцію та склад буфера.

Вступ

РН розчинів є важливою характеристикою. Клітини повинні підтримувати постійний рН, щоб ферменти і процеси, що відбуваються всередині клітин, тривали в міру необхідності. Хімічні та ферментативні реакції, як правило, залежать від конкретного діапазону рН. Таким чином, важливо розуміти рН і вміти визначати рН різних розчинів.

Шкала рН - знайоме поняття для студентів, які вивчають науку. Значення рН розчину відображає відносну концентрацію іонів водню (Н+) або протонів до концентрації гідроксидних іонів (ОН-) в розчині. Розчини зі значенням рН менше 7 є кислими, а ті зі значенням більше 7 - основними, або лужними. Значення 7 є нейтральним, тобто кількість Н+ в розчині дорівнює кількості ОН- в розчині. Чиста вода H ₂ O, яка може дисоціювати природним шляхом на H ⁺ і OH ^- іони, мала б значення 7.

Рівняння 1

\[\ce{H2O <=> H^{+} + OH^{-}} \nonumber\]

Таблиця 1. Шкала рН
[H +] в моль/л	рН	[ОН -] в моль/л	рН Класична дія
1.0	0	10 ^-14	Кислий
0.1	1	10 ^-13	Кислий
0,01	2	10 ^-12	Кислий
0,001	3	10 ^-11	Кислий
10 ^-4	4	10 ^-10	Кислий
10 ^-5	5	10 ^-9	Кислий
10 ^-6	6	10 ^-8	Кислий
10 ^-7	7	10 ^-7	Нейтральний
10 ^-8	8	10 ^-6	Базовий
10 ^-9	9	10 ^-5	Базовий
10 ^-10	10	10 ^-4	Базовий
10 ^-11	11	0,001	Базовий
10 ^-12	12	0,01	Базовий
10 ^-13	13	0.1	Базовий
10 ^-14	14	1.0	Базовий

Завдання перед лабораторним читанням:

Огляд хімії

У хімічному рівнянні змінні, які оточені дужками «[«і «]», є виразами концентрації, або питомої кількості молекули в заданому обсязі розчину. Наприклад, якщо ви бачите «[H+]» у рівнянні, це читається як «концентрація іона водню».

Концентрація розчину часто виражається в одиницях молі на літр (моль/л). Подібно до того, як одна «десятка» представляє кількість 12 предметів, один «моль» представляє кількість приблизно 6.022 X 10 ²³ предметів.

один десяток молекул = 12 молекул

один моль молекул = 602 200 000 000 000 000 молекул!

Примітка: «n» використовується в рівняннях для позначення величини, виміряної в молі. Наприклад, якщо ви бачите «n _Acid» у рівнянні, це читається як «молі кислоти».

Термін «молярність» вказує на те, що концентрація розчину знаходиться в одиницях молів на літр. Один молярний розчин (1 М) містить один моль розчиненої речовини в межах кожного літра цього розчину. Реагенти, що використовуються в лабораторії, часто маркуються їх концентраціями, вираженими з точки зору молярності.

Відносна концентрація H+ або OH- може дуже різко змінюватися в розчині, тому для вираження концентрації використовується логарифмічна шкала (називається pH) замість лінійної шкали. Рівняння 2 і 3 можуть бути використані для розрахунку рН на основі концентрації іонів водню або навпаки.

Рівняння 2

Для розрахунку рН на основі концентрації іонів водню [H ⁺]:

рН = -лог [Н ⁺]

Рівняння 3

Для розрахунку концентрації іонів водню [H ⁺] на основі рН:

[Н ⁺] = 10 ^-рН

Буфери

Буфер являє собою суміш слабкої кислоти (HA) та її солі (наприклад, NaA), і іноді його називають кон'югатною кислотно-лужною парою. Як уже згадувалося вище, буфери відіграють головну роль у стабілізації рН живих систем. Хребетні організми підтримують рН крові за допомогою буфера, що складається з суміші вугільної кислоти (H ₂ CO ₃) і бікарбонату натрію (^Na+ HCO ₃ ^-). Слабкою кислотою в цьому буфері є вугільна кислота, а сіль - бікарбонат натрію. При розчиненні у воді бікарбонат натрію повністю дисоціюється на іони натрію (Na ⁺) і бікарбонатні іони (HCO ₃ ^-). H ₂ CO ₃ - це кон'югатна кислота HCO ₃ ^- а HCO ₃ ^- є кон'югатною основою H ₂ CO ₃. Разом ця кон'югатна кислотно-лужна пара функціонує як бікарбонатна буферна система.

Буферні системи також мають особливе значення для експериментальної клітинної біології.

Показник рН буферного розчину може бути розрахований наступним чином:

Рівняння 4

Показник рН буферного розчину може бути розрахований наступним чином:

\[pH=pK_a + log \frac{n_A}{n_{HA}}\nonumber\]

Де pK _a = константа дисоціації кислоти, n _A = початкова кількість молів солі в буфері, а n _HA = початкова кількість молей кислоти в буфері.

Якщо ви знаєте ці значення, то можна точно розрахувати рН буферної системи перед її створенням!

pK _а оцтової кислоти (використовується в сьогоднішньому експерименті) становить 4,75

Рівняння 5

Щоб знайти обсяг кон'югатної основи або кон'югатної кислоти:

n _A = об'єм сполученої основи (мл)\( \times \dfrac{1\: L}{100\: mL} \times \) concentration of conjugate base (mol/L)

n _H _A = об'єм кон'югатної кислоти (мл)\( \times \dfrac{1\: L}{100\: mL} \times \) concentration of conjugate acid (mol/L)

Використання смужок індикатора pH

РН розчину можна приблизно наблизити за допомогою смужок паперу, оброблених реагентами індикатора, що змінюють колір. Смужки занурюють в тестований розчин на кілька секунд, а потім видаляють. Потім колір індикаторної смужки порівнюється з еталонною діаграмою, часто надрукованою на боці контейнера смужки. Довідковий колір на діаграмі, який найбільш точно відповідає кольору реагуючої смуги, матиме значення рН, надруковане під ним, і це буде приблизний рН. Однією з переваг використання смужок індикатора pH є те, що вони відносно недорогі, прості у використанні та адекватні для визначення рН, де допустима похибка +/- 1 одиниця рН. Більш точним методом визначення рН є використання каліброваного рН-метра, який може визначити точний рН до одного або декількох знаків після коми в залежності від якості приладу.

Використання рН-метра

РН-метр вимірює кислотність розчину. Це науковий прилад, який використовує електроди для вимірювання концентрації іонів водню (протонів) розчинів на водній основі. По суті, рН-метр - це вольтметр, який буде вимірювати різницю між двома електродами. Зонд, який ви поміщаєте в розчин, містить еталонний електрод і електрод детектора. На еталонний електрод не впливає вимірюваний розчин і контактує з розчином хлористого калію. Електрод детектора контактує з досліджуваним розчином. Іони водню в досліджуваному розчині взаємодіють з електродом, і різниця електричного потенціалу між двома електродами виявляється і повідомляється як мілівольт або перетворюється на значення рН.

Для точних вимірювань важливо відкалібрувати рН-метр перед використанням з буферними розчинами відомих значень. Найкраще відкалібрувати лічильник за допомогою буферних розчинів, які знаходяться поблизу очікуваного або бажаного рН вашого тестового розчину. Також слід промокнути зонд лабораторними серветками між розчинами, щоб уникнути забруднення, але уникнути натирання. Потирання зонда може спричинити накопичення заряду статичної електрики на електроді, що призведе до виникнення неточних показань. Випадкове надання зонду висохнути також призведе до того, що він перестане працювати, тому завжди тримайте кінець зонда зануреним у утримуючий розчин, коли не знімаючи вимірювань. Не забудьте повернути його в розчин для зберігання, як тільки ви закінчите експеримент.

Перед проведенням вимірювань відкалібруйте рН-метр для pH 4, 7 та 10. Якщо калібрувати належним чином, ваш рН-метр повинен проводити вимірювання з точністю +/- 0,06 одиниць рН. Завжди перевіряйте свій лічильник після калібрування за допомогою стандартних буферів та повторно калібруйте лічильник, якщо це необхідно, перш ніж продовжувати.

Ваш інструктор продемонструє правильну калібрування, догляд та використання лічильника. Обов'язково робіть хороші замітки!

Діяльність 1: Вимірювання рН

Матеріали

На групу з 4 осіб:

1 Набір з 4 невідомих розчинів (в тубах 30 мл з гвинтовими верхніми кришками)
1 контейнер смужок індикатора рН та кольорова довідкова діаграма
1 пара щипців
1 рН-метр (калібрований - див інструктора для вказівок)

Порядок дій

Отримати набір невідомих рішень від інструктора.
Виміряйте рН кожного розчину спочатку за допомогою смужок індикатора рН. Тримайте смужки щипцями. Використовуйте нову смужку для кожного розчину!
Запишіть свої дані в таблицю 1.
Виміряйте рН кожного розчину за допомогою рН-метра. Обов'язково промийте кінчик зонда водою DI перед тим, як вводити зонд в кожен зразок! (Попросіть інструкцію у інструктора, якщо ви не впевнені, як правильно калібрувати і використовувати рН-метр).
Запишіть свої дані в таблицю 2.

Таблиця 2. Вимірювані значення рН відомих тестових розчинів
Невідоме рішення	Значення рН вимірюється за допомогою індикаторних	Значення рН вимірюється за допомогою рН-метра	Очікуване значення рН (Запитайте інструктора)
A
Б
C
D

Аналіз даних

Як ваші значення смужки індикатора рН порівнюються з вашими значеннями рН-метра?
Перевірте виміряні значення рН з показниками інших команд. Чи схожі ваші цінності?
Перевірте з інструктором, щоб побачити, які фактичні значення рН повинні бути. Наскільки ви були точними?

Діяльність 2: Підготовка ацетатного буфера

Матеріали

За класом:

1 флакон запасного розчину 0,1 М оцтової кислоти (СН ₃ СООН)
1 пляшка запасного розчину 0,1 М ацетату натрію (^Na+ CH ₃ COO ^-)

У групі з 4:

6 чистих пластикових туб 30 мл
2 чисті серологічні піпетки по 5 мл
2 піпетки-насоси (ємністю 10 мл)
1 Маркер Шарпі

Порядок дій

За допомогою маркера шарпі позначте дві пробірки об'ємом 30 мл - одну як «Оцтову кислоту», а іншу - «Ацетат натрію». Заповніть кожну трубку правильним складовим розчином.
За допомогою маркера шарпі позначте кожну з двох піпеток по 5 мл - одну як «AA», а іншу - як «SA». Щоб уникнути забруднення, НЕ занурюйте піпетки у пляшки з розчином, а лише використовуйте призначену піпетку для перенесення оцтової кислоти або ацетату натрію з маркованих пробирок вашої групи.
Використовуючи маркер шарпі, позначте чисту трубку 30 мл як «Буфер 1», іншу як «Буфер 2», третю - як «Буфер 3», а четверту - як «H2O». Кожен учень у вашій групі візьме по одній трубці. Якщо учнів всього 3, один з вас також може взяти трубку «Н2О». Запишіть свої імена в перший стовпець таблиці 2 поруч із трубками, з якими ви будете працювати.
Створіть ацетатні буфери за допомогою маркованих серологічних піпеток та зазначених обсягів оцтової кислоти та ацетату натрію в таблиці 2.
- Обов'язково точно пипет зазначені обсяги, щоб отримати хороші результати! Перегляньте правильну техніку піпетування з інструктором, якщо це необхідно.
- Для трубки «H2O» просто заповніть трубку приблизно на третину чистою деіонізованою водою
Закрийте кришки і обережно струсіть кожну трубочку близько 20 секунд або більше, щоб змішати вміст.
Виміряйте рН кожного розчину за допомогою рН-метра, використовуючи належну техніку, і введіть свої вимірювання в таблицю 2.

Діяльність 3: Ефекти додавання кислоти та основи до ацетатного буфера

Матеріали

У групі з 4:

Все від діяльності (2 вище)
30 мл пляшка-крапельниця 0,1 М HCl (соляна кислота)
30 мл пляшка-крапельниця 0,1 М NaOH (гідроксид натрію)

Порядок дій

Додайте одну краплю HCl до кожної з 4 трубок вашої команди. Закрийте кришки і акуратно струсіть трубочки, щоб ретельно перемішати вміст.
Виміряйте рН кожного розчину і введіть значення рН в таблицю 4.
Продовжуйте додавати краплі HCl відповідно до таблиці, вимірюючи рН та записуючи значення.
Коли ви завершите таблицю 3, тепер ви почнете додавати краплі NaOH (бази) до ваших тюбиків відповідно до таблиці 5.
Обов'язково струсіть пробірки, щоб вміст ретельно перемішати, перш ніж вимірювати рН і вводити значення в таблиці 5.
Подивіться на свої результати та порівняйте зміни рН у ваших 4 пробірках. Що ви помічаєте про зміни рН, коли порівнюєте їх?
Порівняйте значення рН з показниками інших команд. Попросіть у інструктора очікувані значення.

Таблиця 3. Експериментальний ацетат буфери змішування
Трубка	Обсяг оцтової кислоти (мл)	Обсяг ацетату натрію (мл)
Буфер 1	5.0	5.0
Буфер 2	7.0	3.0
Буфер 3	3.0	7.0
Н ₂ О	Жоден	Жоден

Таблиця 4. Ефект додавання 0.1 M HCl (кислоти) до ацетатних буферів і води
Трубка	рН після 1 краплі HCl додається	рН після 2 крапель HCl додається	рН після 3 крапель HCl додається
Буфер 1
Буфер 2
Буфер 3
Н ₂ О

Таблиця 4. Ефект додавання 0.1 M NaOH (бази) до ацетатних буферів і води
Трубка	рН після 1 краплі NaOH додано	pH після 2 крапель додається NaOH	pH після 3 крапель додається NaOH
Буфер 1
Буфер 2
Буфер 3
Н ₂ О

Навчальні питання

Який діапазон значень рН вказує на те, що розчин кислий? Основний?
Загалом, як відносна концентрація іонів водню [H+] порівнюється з концентрацією гідроксидних іонів [ОН-] в нейтральному, кислому та основному розчині?
Виходячи з ваших спостережень, як би ви описали, що робить буфер?
Які фактори визначають точність показань за допомогою рН-метра?
Який рН розчину, який має концентрацію іонів водню 2,46 X 10 ^-5 М?
Який очікуваний рН буфера, виготовленого з 25,7 мл 2,0 М оцтової кислоти та 0,0492 л 0,90-М ацетату натрію?