chemie Stanovení ph vodných roztoků

Transkript

1 chemie Stanovení ph vodných roztoků Během laboratorního cvičení se studenti seznámí s metodou stanovení ph. Ke stanovení použijeme ph-metr, který nám s velkou přesností (na dvě desetinná místa) určí ph. Výsledky studenti sestaví do tabulky. Následně využijí zjištěné skutečnosti ke stanovení ph kapalin ze svého okolí a přemýšlejí o problémech s použitím těchto kapalin v praktickém životě.

2 chemie Obsah Obsah... 2 Úvod... 3 Cíle... 3 Teoretická příprava (teoretický úvod)... 4 Motivace studentů... 6 Doporučený postup řešení... 7 Příprava úlohy... 7 Materiály pro studenty... 7 Záznam dat... 7 Analýza dat... 7 Syntéza a závěr... 7 Hodnocení... 7 Internetové odkazy a další rozšiřující informační zdroje... 7 Pracovní návod... 8 Zadání úlohy... 8 Pomůcky... 8 Bezpečnost práce... 8 Teoretický úvod... 9 Příprava úlohy (praktická příprava)... 9 Postup práce... 9 Protokol (řešená učitelská varianta) Úkoly Pomůcky Princip Nákres Postup Výsledky Závěr Protokol (žákovská varianta) Úkoly Pomůcky Princip Nákres Postup Výsledky Závěr... 14

3 3 Zařazení do výuky Experiment je vhodné zařadit v rámci učiva o vlastnostech látek, analytické chemii (instrumentální metody), sledování ph látek v životním prostředí, vliv kyselin a zásad na metabolismus atd. Vyučovací předměty: chemie, biologie, enviromentální výchova Průřezová témata: Enviromentální výchova Problematika vztahů organismů a prostředí Osobnostní a sociální výchova Spolupráce a soutěž Tip Ve vyšších ročnících je vhodné zařadit variantu pokusu směřující ke stanovení ph roztoku určité látky např. v půdním výluhu, v povrchové vodě, v mýdle, v pracím nebo čisticím prostředku atd. Časová náročnost Příprava experimentu příprava techniky (5 minut), instruktáž studentů (5 minut) Vlastní pokus (40 minut) Dvě hodiny (2 x 45 min) Čas včetně přípravy, úvodní diskuze a vyhodnocení výsledků skupin se závěrečnou diskuzí. Chemikálie vodný roztok NaOH (w = 1%) Úvod Během laboratorního cvičení se studenti seznámí s metodou stanovení ph. Ke stanovení použijeme ph-metr, který nám s velkou přesností (na dvě desetinná místa) určí ph. Výsledky studenti sestaví do tabulky. Následně využijí zjištěné skutečnosti ke stanovení ph kapalin ze svého okolí a přemýšlejí o problémech s použitím těchto kapalin v praktickém životě. Typ experimentu: žákovský Cíle Studenti by měli zvládnout: použít odpovídající instrumentální vybavení (senzor ph Pasco) k určení ph ve vodných roztocích odhad kyselosti nebo zásaditosti kapalin ze svého okolí sestavit tabulku z naměřených hodnot ph známých vodných roztoků využít tabulky k určení kyselosti nebo zásaditosti vzorku Klíčové kompetence: kompetence k řešení problémů student uplatňuje při řešení problémů vhodné metody a dříve získané vědomosti a dovednosti, kromě analytického a kritického myšlení využívá i myšlení tvořivé s použitím představivosti a intuice kompetence k učení student si své učení a pracovní činnost sám plánuje a organizuje, využívá je jako prostředku pro seberealizaci a osobní rozvoj chemie Stanovení ph vodných roztoků Materiály pro učitel vodný roztok HCl ( w = 1%) destilovaná voda vzorky vodných roztoků od studentů mléko Žíraviny způsobují těžké poleptání kůže a poškození očí. NaOH R 35 S 1/ /39-45 HCl R S 26,36/37/39,45 Souhrn: Zdraví škodlivý při požití. Dráždí oči, kůži a dýchací cesty. Zabraňte uvolnění do životního prostředí Nebezpečnost: C. Bezpečnost práce Hydroxid sodný a kyselina chlorovodíková jsou řazeny mezi žíraviny. Nutno zkontrolovat také vzorky, které donesli studenti! Žíravina (též žíravá látka) je chemická látka, která může zničit nebo nevratně poškodit jinou látku, se kterou přijde do styku. Žíraviny jsou nebezpečné zejména pro možnost

4 4 poškození očí, kůže nebo tkáně pod kůží, vdechování nebo požití žíraviny může poškodit dýchací, resp. trávicí ústrojí. Expozice žíravině vede k poleptání. Žíraviny se v rámci bezpečnostní klasifikace označují písmenem C a následujícím piktogramem: Globálně harmonizovaný systém klasifikace a označování chemikálií (GHS) používá pro žíraviny tento piktogram: GHS05 Slovníček pojmů KYSELOST ZÁSADITOST ph ACIDOBAZICKÉ INDIKÁTORY Viz pracovní list (učitel). Přehled pomůcek počítač s USB portem PASPORT USB Link (Interface) nebo Xplorer GLX ph senzor (PS-2102) software DataStudio kádinky (8), 250 ml vodný roztok NaOH (w=1%), 50 ml vodný roztok HCl (w=1%), 50 ml mléko, 50 ml vzorky kapalin, 50 ml (každý vzorek) popisovač kádinek (lihový fix) střička s destilovanou vodou, 250 ml odměrný válec ph universální papírek pracovní návod pracovní list ochranné pracovní pomůcky Teoretická příprava (teoretický úvod) ph je definován jako záporný dekadický logaritmus molární koncentrace oxoniových kationtů. Ve zředěných vodných roztocích lze hodnotu ph také určit a pak platí: ph = log [H 3 O + ] Ve vodném roztoku je vždy kromě molekul H 2 O také určité množství oxoniových kationtů H 3 O + a hydroxylových aniontů OH -. Součin koncentrací obou těchto iontů je ve vodných roztocích vždy konstantní, je označován jako iontový součin vody a nabývá hodnoty V čisté vodě je látková koncentrace obou iontů stejná: To odpovídá ph = 7. Kyselost vzniká přebytkem H 3 O+. Zvýšení jejich koncentrace na stonásobek, tedy 10-5, odpovídá ph = 5. Zásaditost je přebytek hydroxylových iontů na úkor oxoniových. Je-li v roztoku např více OH- než ve vodě, klesne koncentrace iontů H 3 O+ na 10-10, což odpovídá ph = 10. U kyselin je ph < 7, čím menší číslo, tím silnější kyselina; naopak zásady mají ph > 7, čím větší číslo, tím silnější zásada. Typy vodných roztoků podle hodnot ph: a) kyselý roztok (ph 7) b) neutrální roztok (ph = 7) c) zásaditý roztok (ph 7) Acidobazické indikátory mění uspořádání dvojných vazeb v molekule v závislosti na ph prostředí, což se projeví změnou zabarvení roztoku. Kyselost nebo zásaditost můžeme měřit přidáním indikátoru do roztoku a porovnáním barvy s kalibrovanou barevnou škálou. Používají se zejména tyto látky: Lakmus přechází z kyselé červené formy na zásaditou modrou. Fenolftalein přechází z kyselé bezbarvé formy na zásaditou fialovou v oblasti ph 8,0 9,8. Methyloranž přechází z kyselé oranžové formy na zásaditou žlutou v oblasti ph 3,1 4,5. Methylčerveň přechází z kyselé červené formy na zásaditou žlutou v oblasti ph 4,4 6,3. Přírodním indikátorem je například barvivo v červeném zelí, které při okyselení roztoku změní barvu z modré na červenou. chemie Stanovení ph vodných roztoků Materiály pro učitel Praktické provedení Při laboratorní práci můžeme získat hodnoty ph dvěma způsoby: a) pomocí ph senzoru (potenciometrické měření s velkou přesností) b) pomocí univerzálního ph papírku (orientační, s přesností na jednotky) Potenciometrické měření ph Názvem potenciometrie se označují metody využívající pro stanovení aktivity (koncentrace) sledované látky měření elektromotorického napětí elektrochemických článků, které nejsou proudově zatíženy (článkem protéká prakticky nulový proud). Je-li aktivita stanovované složky určována přímo z hodnoty elektromotorického napětí článku, jedná se o přímou potenciometrii (např. měření ph). Elektrochemické články používané při potenciometrických metodách se skládají ze dvou elektrod: elektrody měrné (indikační), jejíž potenciál je závislý na koncentraci stanovované látky a elektrody referentní, jejíž potenciál je za daných podmínek konstantní. Jako referentní elektrody se používají např. elektrody chloridostříbrné, chloridortuťné

5 5 Tipy Kalibraci senzoru ph může vyučující provést před laboratorní prací. Při instrukci před laboratorní prací opakovaně upozornit na nutnost důkladně umýt senzor ph destilovanou vodou. Rozhodně doporučuji zkontrolovat vzorky, které přinesli studenti! Po ukončení experimentu se senzor ph ukládá do nádobky s uchovávajícím roztokem. (kalomelové) a merkurosulfátové; jako měrné pak většinou elektrody z kovu, jehož ionty jsou obsaženy v měřeném roztoku, nebo iontově selektivní elektrody membránové, z nichž nejznámější je elektroda skleněná. Membránový potenciál vzniká na fázovém rozhraní membrána-elektrolyt, jestliže membránou může prostupovat pouze jediný ion. Důsledkem zabránění difuze odpovídajícího protiontu (např. sodného kationtu, jestliže bychom ponořili tuto elektrodu do roztoku fluoridu sodného) je vznik Donnanova potenciálu na obou stranách membrány a membránového potenciálu. V roztoku uvnitř elektrody je aktivita iontu, který může difundovat membránou konstantní, a je do něj ponořena vnitřní referentní elektroda, pomocí níž je ISE spojena s měřicím přístrojem (voltmetrem). Skleněná elektroda Skleněná elektroda patří mezi membránové iontově selektivní elektrody. Je tvořena tenkou skleněnou membránou (nejčastěji kulovitého tvaru), zhotovenou ze speciálního sodnovápenatého skla. Elektroda je naplněna tlumičem o konstantním ph, do kterého je ponořena vnitřní referentní elektroda, označovaná také jako svodná elektroda. Nejčastěji se k tomuto účelu používá elektroda chloridostříbrná. Působením vody dochází k hydrolýze skleněné membrány a k vzájemné výměně sodíkových iontů ze skla za vodíkové ionty z roztoku. Měření aktivity iontů H +, resp. měření ph, skleněnou elektrodou ze sodnovápenatých skel je v silně alkalických roztocích (ph>12) zatíženo sodnou (alkalickou) chybou. Naměřená hodnota ph je menší než teoretická. V silně kyselých roztocích (ph<1) se uplatňuje kyselá chyba. Naměřená hodnota ph je větší než teoretická. Tyto chyby lze eliminovat použitím elektrod zhotovených ze speciálních lithných skel. Na výslednou hodnotu potenciálu skleněné elektrody má vliv i tzv. asymetrický potenciál, jehož vznik nebyl dosud jednoznačně objasněn. Hodnota asymetrického potenciálu je pro každou elektrodu jiná a s časem se mění (pozvolna klesá). Uvedené chyby se v praxi nejčastěji eliminují kalibrací měřicího zařízení, tj. použitého přístroje a indikačního článku, pomocí standardních roztoků. Protože potenciál skleněné elektrody je výsledkem iontově výměnné reakce, není měření skleněnou elektrodou ovlivňováno přítomností oxidačně-redukčních soustav, iontů těžkých kovů, bílkovin, povrchově aktivních látek a některých organických rozpouštědel. Nevýhodou skleněné elektrody je její křehkost a vysoký odpor (řádově MΩ), což vyžaduje použití měřicích přístrojů s vysokou vstupní impedancí. Zdroj: chemie Stanovení ph vodných roztoků Materiály pro učitel

6 6 chemie Stanovení ph vodných roztoků Materiály pro učitel Obr. 1: Orientační stupnice ph Zdroj: Motivace studentů V běžném životě je důležité znát vlastnosti chemických látek, které používáme. Jednou z nich je ph, resp. zařazení chemické látky mezi kyseliny nebo zásady. Některé z nich jsou žíraviny, které mohou způsobit poleptání, přesto se jejich působení liší. Existují látky, které použijeme při odstraňování kotelního kamene a jiné, kterými můžeme odstraňovat usazeniny z odpadu. Obr. 2 Obr. 3 Velký problém může vzniknout při jejich vylití. K vhodné sanaci potřebujeme znát ph roztoku vylité chemické látky.

7 7 Doporučený postup řešení 1. Před samotným měřením studenti obdrží pracovní návod k domácímu studiu a také pracovní listy. 2. Zvážíme, zda budeme měřit jen s Xplorerem a nebo budeme výsledky zpracovávat v DataStudiu nebo Sparkvue. 3. Připravíme Xplorer (případně PC) a pomůcky k měření. Příprava úlohy Před měřením zadáme studentům k vypracování přípravnou část z pracovního listu. Zjistíme domácí přípravu studentů, zda si vyplnili slovníček pojmů a zda rozumí podstatě dané úlohy. Před měřením si připravíme všechny potřebné pomůcky k měření a rozdělíme studenty do pracovních skupin. Materiály pro studenty Pracovní návod k nastudování laboratorního cvičení, zejména teorie. Pracovní list - nastavení Xploreru, zaznamenání zjištěných dat, analýza a pochopení naměřených veličin. Porovnání s teorií. Vyslovení závěrů. chemie Stanovení ph vodných roztoků Materiály pro učitel Záznam dat Data lze zaznamenat Xplorerem a naměřené veličiny zpracovat přímo v Xploreru. Tato volba je méně náročná na technické vybavení. Uložená naměřená data mohou studenti zpracovat také v DataStudiu nebo Sparkvue, ve kterém může učitel přímo připravit pro studenty pracovní list. Analýza dat Z naměřených dat a z provedených výpočtů studenti zjistí hodnoty ph vodných roztoků. Syntéza a závěr Studenti shrnou své poznatky o tom co dělali a k jakým závěrům dospěli a své výsledky porovnají s teorií. Pokud by se výrazně lišili od teorie, pokusí se zdůvodnit, co by mohlo být příčinou. Hodnocení Určili studenti správně hodnotu ph? Určili správně vlastnost vodného roztoku (zásaditý, neutrální, kyselý)? Odvodili možnosti a princip použití? Odvodili možnosti první pomoci při vylití nebo poleptání? Internetové odkazy a další rozšiřující informační zdroje FLEMR, V., DUŠEK, B.: CHEMIE I. pro gymnázia (obecná a anorganická chemie). SPN, Praha, ISBN

8 chemie Stanovení ph vodných roztoků Pracovní návod Zadání úlohy Určete hodnotu ph a přiřaďte vlastnost vodného roztoku. Pomůcky Xplorer GLX ph senzor (PS-2102) software Sparkvue nebo DataStudio kádinky střička s destilovanou vodou odměrný válec ph univerzální papírek Bezpečnost práce Dodržujte pracovní návod, laboratorní řád učebny chemie, pokyny vyučujícího. Pracujete s chemickými látkami, které jsou řazeny mezi žíraviny. Globálně harmonizovaný systém klasifikace a označování chemikálií (GHS) používá pro žíraviny tento piktogram: Žíravina (též žíravá látka) je chemická látka, která může zničit nebo nevratně poškodit jinou látku, se kterou přijde do styku. Žíraviny jsou nebezpečné zejména pro možnost poškození očí, kůže nebo tkáně pod kůží, vdechování nebo požití žíraviny může poškodit dýchací, resp. trávicí ústrojí. Expozice žíravině vede k poleptání. Žíraviny se v rámci bezpečnostní klasifikace označují písmenem C a následujícím piktogramem: NaOH HCl R 35 R S 1/ /39-45 S 26,36/37/39,45 Souhrn: Zdraví škodlivý při požití Dráždí oči, kůži a dýchací cesty. Zabraňte uvolnění do životního prostředí Nebezpečnost: C.

9 9 Teoretický úvod ph je definován jako záporný dekadický logaritmus molární koncentrace oxoniových kationtů. Ve zředěných vodných roztocích lze hodnotu ph také určit a pak platí: ph = log [H3O + ] Ve vodném roztoku je vždy kromě molekul H 2 O také určité množství oxoniových kationtů H 3 O + a hydroxylových aniontů OH-. Součin koncentrací obou těchto iontů je ve vodných roztocích vždy konstantní, je označován jako iontový součin vody a nabývá hodnoty V čisté vodě je látková koncentrace obou iontů stejná: To odpovídá ph = 7. Kyselost vzniká přebytkem H 3 O +. Zvýšení jejich koncentrace na stonásobek, tedy 10-5, odpovídá ph = 5. Zásaditost je přebytek hydroxylových iontů na úkor oxoniových. Je-li v roztoku např více OH - než ve vodě, klesne koncentrace iontů H 3 O + na 10-10, což odpovídá ph = 10. U kyselin je ph < 7, čím menší číslo, tím silnější kyselina; naopak zásady mají ph > 7, čím větší číslo, tím silnější zásada. Typy vodných roztoků podle hodnot ph: d) kyselý roztok (ph 7) e) neutrální roztok (ph = 7) f) zásaditý roztok (ph 7) Acidobazické indikátory mění uspořádání dvojných vazeb v molekule v závislosti na ph prostředí, což se projeví změnou zabarvení roztoku. Kyselost nebo zásaditost můžeme měřit přidáním indikátoru do roztoku a porovnáním barvy s kalibrovanou barevnou škálou. Používají se zejména tyto látky: Lakmus přechází z kyselé červené formy na zásaditou modrou. Fenolftalein přechází z kyselé bezbarvé formy na zásaditou fialovou v oblasti ph 8,0 9,8. Methyloranž přechází z kyselé oranžové formy na zásaditou žlutou v oblasti ph 3,1 4,5. Methylčerveň přechází z kyselé červené formy na zásaditou žlutou v oblasti ph 4,4 6,3. Přírodním indikátorem je například barvivo v červeném zelí, které při okyselení roztoku změní barvu z modré na červenou. chemie Stanovení ph vodných roztoků Pracovní návod Obr. 4 Zdroj: Příprava úlohy (praktická příprava) Před příchodem do laboratoře se seznamte s teorií a vyplňte teoretickou část pracovního listu. Postup práce Nastavení HW a SW a) měření jen s Xplorerem Založte nový soubor např.: ph kapalin - Zapněte Xplorer a vyberte si položku Data Files - Zmáčkněte F4 (Files) a zvolte New Files - Zmáčkněte F4 (Files)a zvolte Save as a pojmenujte soubor (v našem případě ph kapalin) - Zmáčkněte F2 Save a zmáčkněte domeček Připojte senzor ph - Po připojení senzoru ph k Xploreru vyberte v hlavní nabídce položku Senzors.

10 10 - V přehledu senzorů se objeví ph (Visible), u ostatních zkontrolujte nefunkčnost (Not visible). Tento způsob umožní lepší přehlednost při měření. - zmáčkněte domeček Z hlavní nabídky Xploreru zmáčkněte Digits. Příprava měření Připravte si kádinky s různými vzorky, střičku s destilovanou vodou (opláchnutí senzoru ph) a univerzální ph papírky... Vlastní měření (záznam dat) Změříme ph vodných roztoků a hodnoty zapíšeme do připravené tabulky. Do kádinky nalijte 50 ml vzorku a vložte ph senzor. Senzor ph vložte do 1. kádinky se vzorkem vodného roztoku. Zmáčkněte tlačítko START. Po změření hodnoty ph zmáčkněte tlačítko STOP. Vyjměte sondu ze zkumavky a opláchněte ji destilovanou vodou. Do zkumavky vložte ph papírek a změřte hodnotu ph vodného roztoku. ph papírek vyndejte ze zkumavky a určete ph. Postup měření opakujte stejně i u ostatních vzorků. Analýza naměřených dat Naměřené hodnoty ph (senzorem i ph papírkem) budou seřazeny v tabulce. Seřazení dle rostoucího ph (od kyseleného k zásaditému roztoku). chemie Stanovení ph vodných roztoků Pracovní návod

11 chemie Stanovení ph roztoku Protokol (řešená učitelská varianta) pracoval(a): spolupracovali(y): datum: třída: Úkoly: 1. Určete ph zadaných chemických látek pomocí ph-senzoru systému Pasco. 2. Určete ph zadaných chemických látek pomocí univerzálního indikátoru. 3. Určete ph vámi přinesených 6 vzorků. 4. Zařaďte všechny zkoumané vzorky podle hodnot ph. Pomůcky: Xplorer GLX ph senzor (PS-2102) software DataStudio kádinky střička s destilovanou vodou odměrný válec ph univerzální papírek Princip a) zapište základní skupiny rozdělení roztoků podle hodnot ph a) 1. kyselé roztoky (ph<7); 2. neutrální roztok (ph =7); 3. zásadité látky (ph>7) b) napište, jak se definuje kyselina podle Brönsteda b) Kyselina je látka schopná odštěpit H+. c) napište, jak se definuje zásada podle Brönsteda c) Zásada je látka schopná přijmout H+. Nákres Xplorer se senzorem ph

12 12 Postup 1. Do kádinky nalijte 50 ml vzorku a vložte ph senzor. 2. Stiskněte START pro záznam hodnoty ph. 3. Měření ukončete tlačítkem STOP. 4. Vyjměte sondu ze zkumavky a opláchněte ji destilovanou vodou. 5. Do zkumavky vložte ph papírek a změřte hodnotu ph vodného roztoku. ph papírek vyndejte ze zkumavky a určete ph. 6. Tento postup opakujte u každého vzorku. Výsledky Vzorek Hodnota ph (senzor Pasco) HCl 1,29 1 Kofola 3,57 4 Becherovka 5,83 5 Mattoni pomeranč 4,22 5 Dobrá voda jemně perlivá 5,23 6 Černý čaj s citronem 5,81 6 Voda z vodovodu 5,95 7 Dobrá voda bezinka 6,02 6 NaOH 12,63 13 Hodnota ph (univerzální ph papírek) Vzorek Hodnota ph Druh roztoku HCl 1,29 Kofola 3,57 Mattoni pomeranč 4,22 Dobrá voda perlivá 5,23 Černý čaj s citronem 5,81 Becherovka 5,83 Dobrá voda bezinka 6,02 kyselý NaOH 12,63 zásaditý Závěr Zde uvedete zhodnocení výsledků měření. Napište: Co jste dělal, jak a k čemu jste došli. (Pozor závěr není postup!) Často se naměřené hodnoty porovnávají s tabulkovými hodnotami (pokud lze porovnávat). CHEMIE Stanovení ph vodných roztoků Protokol (řešená učitelská varianta) Výsledky měření pomocí senzoru ph je přesnější (až 2 desetinná místa). Až neuvěřitelná přesnost ve srovnání s universálními ph papírky. Největší rozdíl byl u vody z vodovodu. Měřeno přístrojem 5,95 a pomocí ph-papírku 7 (rozdíl 1,05). Většina vzorků jsou kyselé roztoky. Zřejmě proto, že vzorky byly tvořeny nápoji. Tím, že je běžně používáme ke konzumaci, můžeme přispívat k překyselení našeho organismu. Toto může vést k zadržování vody v našem těle a docházet k nárůstu hmotnosti. Výjimkou byly kontrolní vzorky HCl a NaOH.

13 chemie Stanovení ph roztoku Protokol (žákovská varianta) pracoval(a): spolupracovali(y): datum: třída: Úkoly: 1. Určete ph zadaných chemických látek pomocí ph-senzoru systému Pasco. 2. Určete ph zadaných chemických látek pomocí univerzálního indikátoru. 3. Určete ph vámi přinesených 6 vzorků. 4. Zařaďte všechny zkoumané vzorky podle hodnot ph. Pomůcky: Xplorer GLX ph senzor (PS-2102) software DataStudio kádinky střička s destilovanou vodou odměrný válec ph univerzální papírek Princip a) zapište základní skupiny rozdělení roztoků podle hodnot ph b) napište, jak se definuje kyselina podle Brönsteda c) napište, jak se definuje zásada podle Brönsteda

14 14 Nákres Xplorer se senzorem ph Postup 1. Do kádinky nalijte 50 ml vzorku a vložte ph senzor. 2. Stiskněte START pro záznam hodnoty ph. 3. Měření ukončete tlačítkem STOP. 4. Vyjměte sondu ze zkumavky a opláchněte ji destilovanou vodou. 5. Do zkumavky vložte ph papírek a změřte hodnotu ph vodného roztoku. ph papírek vyndejte ze zkumavky a určete ph. 6. Tento postup opakujte u každého vzorku. CHEMIE Stanovení ph vodných roztoků Protokol (žákovská varianta) Výsledky Vzorek HCl Hodnota ph (senzor Pasco) Hodnota ph (univerzální ph papírek) NaOH Závěr