METÓDY STANOVENIA ph Na meranie ph sa môže použiť kolorimetrická, potenciometrická alebo konduktometrická metóda. Z hodnoty ph sa určuje koncentrácia oxóniových iónov H 3 O + (katiónov H + ), hydroxylových iónov OH -, a tým kyslosť a zásaditosť prostredia. 1. MERANIE ph KOLORIMETRICKOU METÓDOU Pri kolorimetrickom meraní ph sa využíva vlastnosť niektorých organických látok - indikátorov - meniť svoje zafarbenie v závislosti od kyslosti prostredia (tab. 1). Indikátory sa používajú buď v roztoku (napr. v odmernej analýze), alebo napustené na filtračnom papieri. Pri použití v roztoku meraním intenzity zafarbenia (vizuálne alebo pomocou fotometrov) možno určiť hodnotu ph. Indikátor Kryštálová fialová Krezolová červená Brómfenolová modrá Kongo červená Metylová oranžová Metylová červená Brómtymolová modrá Lakmus Fenolftalein Tymolftalein Alizarínová žltá R Indigokarmín Oblasť ph farebného prechodu 0,0-2,0 0,2-1,8 3,0-4,6 3,0-5,2 3,1-4,4 4,4-6,2 6,0-7,6 7 8,2-10 9,3-10,5 10,2-12,1 11,6-14,0 Zafarbenie zelené - modré červené - žlté žlté - modré modré - červené červené - oranžovo žlté červené - žlté žlté - modré červené - modré bezfarebné-červené bezfarebné-modré žlté-fialové modré-žlté Roztok indikátora 0,05% (etanol) 0,04% (voda) 0.04% (etanol) 0,20% (60% etanol) 1,00% (voda) 0,10% (70% etanol) 0,04% (etanol) Tabuľka 1. Prehľad niektorých indikátorov a oblasti ich farebného prechodu V laboratórnej praxi sa na približné určenie hodnoty ph obyčajne používajú indikátorové papieriky. Sú to prúžky filtračného papiera impregnované roztokom indikátora. Po ponorení do roztoku sa sfarbia podľa ph prostredia, napr. lakmusový papierik je v kyslom prostredí červený a v zásaditom modrý. Univerzálne indikátorové papieriky sú
impregnované zmesou indikátorov, čo umožňuje merať ph v užšom alebo celom rozsahu. Zafarbenie papierika sa hodnotí podľa stupnice pripojenej k ph papierikom (obr. 1). Presnosť merania je ±0,5 jednotky ph. Presnejšie sú "Phan" papieriky. Sú to prúžky filtračného papiera, ktoré majú porovnávaciu farebnú stupnicu a v strede je indikačný prúžok. Po ponorení do roztoku určíme, ktorý prúžok porovnávacej stupnice má rovnaké sfarbenie ako indikačný prúžok. Podľa priloženej stupnice určíme hodnotu ph s presnosťou ±0,1 0,2 jednotky ph. Papieriky "Phan" sa vyrábajú pre širší aj užší rozsah stupnice ph (napr. 1-7; 7-14; 0,4-1,4; 5,2-6,7; 7,3-8,8; 9,2-11,0 a pod.). Obrázok 1. Indikátorové ph papieriky. 2. MERANIE ph POTENCIOMETRICKOU METÓDOU Potenciometrické meranie ph patrí k najčastejším úkonom v chemických a biochemických laboratóriách a ide o najpresnejšiu metódu merania ph. Patrí medzi elektrochemické analytické metódy a zakladá sa na princípe merania rovnovážneho napätia galvanického článku, ktorého jedna elektróda je merná indikačná a druhá je porovnávacia referenčná (t.j. so známou hodnotou potenciálu). Elektródy sú volené tak, že potenciál indikačnej elektródy závisí od ph prostredia a potenciál referenčnej elektródy nezávisí od ph prostredia. Ako indikačná elektróda sa používa: vodíková, sklená, chinhydrónová alebo oxidové elektródy (antimónová, arzénová a iné). Ako referenčná elektróda sa používa: kalomelová alebo argento-chloridová elektróda. 2.1. KOMBINOVANÁ ELEKTRÓDA V laboratóriách sa najčastejšie používa kombinovaná elektróda, ktorá je konštruovaná tak, že v jednom celku je zabudovaná súčasne indikačná (sklená) aj referenčná (kalomelová alebo argento-chloridová) elektróda (obr. 2). Pri použití sklenej a kalomelovej elektródy sa
vytvorí galvanický článok. Keďže potenciál krajných elektród je konštantný, pri zmene ph meraného roztoku sa mení len potenciál na vonkajšej strane membrány, čo sa prejaví zodpovedajúcou hodnotou elektromotorického napätia článku (E). Platí: E = E ref - E ind kde: E ref = potenciál referenčnej (kalomelovej) elektródy, E ind = potenciál indikačnej (sklenej) elektródy. Obrázok 2. Kombinovaná ph elektródou Po ponorení oboch elektród do roztoku môžeme pomocou citlivého voltmetra merať elektromotorické napätie (E) vytvoreného galvanického článku. Ak majú prístroje stupnicu vyjadrenú v jednotkách ph, nazývajú sa ph-metre a pri meraní môžeme priamo odčítať hodnotu ph. Pri meraní treba dať pozor, aby membrána sklenej elektródy, ale aj difúzny mostík kalomelovej elektródy boli ponorené v meranom roztoku. Ak ph nemeriame, kombinovanú elektródu uchovávame ponorenú v destilovanej vode tak, že je ponorená len banka na konci elektródy, ale nie je ponorený difúzny mostík elektródy. 2.2. SKLENÁ ELEKTRÓDA Sklená elektróda je tvorená sklenou bankou naplnenou štandardným roztokom (obyčajne roztok HCl s koncentráciou 0,1 mol/l), do ktorého je ponorená referenčná elektróda, väčšinou argento-chloridová (je to vnútorná elektróda). Na vyjadrenie potenciálu sklenej elektródy sa prijíma predstava o výmene vodíkových iónov v roztoku, do ktorého je
ponorená, za sodné ióny z povrchu elektródy. Táto výmena prebieha vo vrstvičke kremičitanového gélu (v membráne), ktorá sa vytvára na povrchu elektródy po jej namočení do vody. Povrch elektródy takto pôsobí ako menič iónov. Nernstova rovnica pre potenciál sklenej elektródy sa môže písať v tvare: RT RT E = E* + ln [H 3 O + ] = E* - 2,303 ph F F kde R = 8,314 J K -1 mol -1 ; T = absolútna teplota (K); F = Faradayova konštanta (= 9,68. 104 C mol -1 ). Konštantu E* treba určiť kalibráciou pomocou štandardného tlmivého roztoku o známej hodnote ph. Hodnota potenciálu E* závisí od druhu skla, z ktorého bola elektróda zhotovená, od jeho spracovania, od hrúbky membrány a od zloženia (koncentrácie) roztoku, ktorým je elektróda naplnená. Výhodou merania ph sklenou elektródou je pomerne široká oblasť ph (1-10), v ktorej možno merať. Okrem toho sa veľmi rýchlo ustaľuje rovnováha napätia. Meranie neruší prítomnosť plynných (O 2, CO 2 a i.), ani oxidačno-redukčných látok. Sklenú elektródu možno použiť aj na meranie ph koloidných roztokov. Pravidlá pri práci so sklenou elektródou: a) Pred použitím sa nová elektróda nechá 24 hodín aktivovať namočením v roztoku HCl (c = 0,1 mol.l -1 ) a potom 1-2 dni v destilovanej vode. Vytvorí sa membránový kremičitanový gél. b) Ak sa elektróda nepoužíva (nie je ponorená v meranom roztoku), musí byť vždy ponorená v destilovanej vode, aby sa nevysušil kremičitanový gél. c) Elektróda sa čistí vodou a regeneruje sa roztokom HCl (c = 0,1 mol.l -1 ), hlavne po meraní v alkalickej oblasti ph a v roztoku s vysokou koncentráciou iónov Na +. d) Na čistenie elektródy nie sú vhodné organické rozpúšťadlá (napr. alkohol, acetón a pod.). Všeobecný postup merania ph pomocou ph-metrov: 1. Na meranie sa používajú rôzne typy ph-metrov. Pred meraním je preto potrebné prečítať si postup merania na konkrétnom prístroji. 2. Kalibrácia elektródy. Pretože nepoznáme štandardný potenciál sklenej elektródy (E* je pre každú elektródu iný), musíme ph-meter spolu s elektródou kalibrovať pomocou
aspoň dvoch štandardných tlmivých roztokov s presnou hodnotou ph (tab.3). Používame roztoky s hodnotou ph blízkou meranému roztoku. Väčšina ph-metrov má zariadenie na korekciu teploty. Príslušný ukazovateľ sa nastaví na teplotu meraného roztoku. Do kadičky nalejeme štandardný tlmivý roztok so známou hodnotou ph a ponoríme do neho čistú, osušenú elektródu. Asi po minúte sa potenciál ustáli, a potom ručičku na stupnici ph-metra nastavíme na hodnotu ph štandardného roztoku. Elektródu z roztoku vyberieme, dobre opláchneme destilovanou vodou a utrieme papierovou vatou. Pre presné meranie použijeme aj druhý štandardný roztok s inou hodnotou ph a skontrolujeme presnosť prístroja. Potom čistú a suchú elektródu ponoríme do meraného roztoku a na stupnici ph-metra odčítame hodnotu ph. 3. Po skončení merania elektródu opláchneme destilovanou vodou. Sklenú elektródu ponoríme do destilovanej vody a pri kombinovanej elektróde dáme pozor, aby v destilovanej vode bola ponorená len banka sklenej elektródy, ale nie difúzny mostík. Štandard Koncentrácia Množstvo ph (mol.l -1 ) (g.l -1 ) 20 C 25 C 30 C KH 3 (C 2 O 4 ) 2.2H 2 O* 0,05 12,61 1,675 1,679 1,683 Hydrogenvínan draselný 0,034 nasýt. roztok - 3,557 3,552 Hydrogenftalan draselný KH 2 PO 4 / Na 2 HPO 4 KH 2 PO 4 / Na 2 HPO 4 Na 2 B 4 O 7.10 H 2 O Ca(OH) 2 0,05 0,025/0,025 0,00869/0,03043 0,01 10,12 3,39 / 3,53 1,179 / 4,30 3,80 nasýt. roztok 4,002 4,008 4,015 6,881 6,865 6,853 7,429 7,413 7,400 9,225 9,180 9,139 12,64 12,47 12,30 *adičná zlúčenina hydrogenšťavelanu draselného a dihydrátu kyseliny šťavelovej. Tab. 3. Niektoré štandardné tlmivé roztoky pre kalibráciu stupnice ph-metrov.