При написании отчета укажите марку прибора).

абораторная работа №__

(при написании отчета укажите порядковый номер работы)

ема: Ионометрия. Прямое потенциометрическое определение активной концентрации ионов натрия в растворе.

Цель: Определить активную концентрацию ионов натрия в растворе.

реактивы И Оборудование:

Исследуемый раствор – раствор соли натрия №__

при написании отчета укажите номер полученного для анализа раствора).

Стандартные (эталонные) растворы – растворы хлорида натрия с аналитическими концентрациями 10^-3, 10^-2, 10^-1, 3×10^-1 моль/л.

Дистиллированная вода.

Иономер или лабораторный рН-метр

при написании отчета укажите марку прибора).

Электрод определения – натрий-селективный электрод.

Электрод сравнения – насыщенный хлоридсеребряный электрод.

Химические стаканы (50 мл).

Фильтровальная бумага.

Миллиметровая бумага.

Теоретические основы метода

К потенциометрическим относят методы исследования, основанные на измерении электродвижущей силы гальванического элемента.

Потенциометрическое определение активной концентрации ионов в растворе основано на зависимости электродвижущей силы (ЭДС) гальванического элемента (составленного из ионоселективного электрода и электрода сравнения) от активной концентрации исследуемых ионов в растворе, т.к. потенциал ионоселективного электрода зависит от этой характеристики раствора.

Зависимость величины потенциала ионоселективного электрода (f_ИСЭ) от активной концентрации ионов в растворе выражается уравнением (1):

fИСЭ	=	f0ИСЭ	+	2,3RT	lgaИ	(1),
zF

где z – заряд иона,

a_И – активная концентрация ионов в растворе (моль/л), T – абсолютная температура (К),

R – универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/моль×К),

F – постоянная Фарадея (9,65×10⁴ Кл/моль),

f⁰_ИСЭ – стандартный потенциал ионоселективного электрода. Точное значение f⁰_ИСЭ заранее неизвестно, т.к. зависит от условий подготовки электрода к работе.

В соответствии с уравнением (1) величина потенциала натрий-селективного электрода (z_Na+ = +1) при 25 ⁰С (298 К) определяется следующим образом:

f_NaСЭ = f⁰_NaСЭ + 0,059lga_Na+ = f⁰_NaСЭ - 0,059рNa (В)

Для вывода уравнения, характеризующего зависимость ЭДС элемента, составленного из натрий-селективного и насыщенного хлоридсеребряного электродов, от концентрации ионов натрия в растворе, проведем ряд преобразований:

E = f⁺ - f^- = f_NaСЭ - f_НХС = f⁰_NaСЭ - 0,059рNa - f_НХС =

= f⁰_NaСЭ - f_НХС - 0,059рNa = Е⁰ - 0,059рNa

где f_НХС – потенциал насыщенного хлоридсеребряного электрода, а E⁰ = f⁰_NaСЭ - f_НХС.

E⁰ называется постоянной данного гальванического элемента – это ЭДС элемента при условии, что активная концентрация ионов натрия в растворе составляет 1 моль/л.

Таким образом, получили уравнение (2). ЭДС – линейная функция параметра рNa:

E = E0 - 0,059рNa (В)

или

E = E0 - 59рNa (мВ)

(2)

Отметим, что применение ионоселективных электродов для измерения активной концентрации ионов в растворе ограничивается диапазонами концентраций ионов, в пределах которых сохраняется линейная зависимость ЭДС гальванического элемента от величины рИ (-lga_И) (так называемая Нернстовская область).

Диапазоны допустимых концентраций ионов указаны в прилагаемой к ионоселективному электроду инструкции по его эксплуатации и, как правило, составляют 4-5 единиц рИ.

Методы обработки результатов

1. Метод «подстановки в формулу»

Из уравнения (2) выразим рNa:

	рNa	=	E0 - E	(3)

Величину рNa можно рассчитать, «поставив» значения Е и Е⁰ в формулу (3). ЭДС гальванического элемента для раствора с неизвестной активной концентрацией ионов натрия (Е) можно измерить, но постоянная данного гальванического элемента (E⁰) в данном случае нам неизвестна. Поэтому этим методом обработки результатов мы воспользоваться не сможем.

2. Метод «калибровочного графика»

Для растворов с известной активной концентрацией ионов натрия (стандартные, или эталонные), можно измерить ЭДС элемента и получить ряд точек соответствия «параметр (рNa) – функция (E)», по которым построить калибровочный график.

Поскольку в данном случае речь идет о линейной зависимости (у = а + bх), график должен представлять собой прямую линию («калибровочная прямая») с заданным тангенсом угла наклона (tga = b = -59).

Количество эталонных растворов, необходимых для построения калибровочного графика, определяется точностью проводимых измерений, в данной работе достаточно использовать 4-6.

Из-за ошибок измерений, неизбежных при проведении эксперимента, эти точки не будут лежать на одной прямой (разброс результатов). При строгом математическом подходе к обработке результатов, с учетом погрешностей измерений, построение прямой требует предварительных расчетов. Мы же будем работать в приближении равновероятности всех результатов и проводить прямую таким образом, чтобы она максимально близко проходила к каждой из полученных точек.

После построения калибровочного графика зависимости E от рNa и измерения ЭДС гальванического элемента для исследуемого раствора (E_х), по графику можно найти соответствующее значению E_х значение рNa (рNa_х) и далее рассчитать концентрацию ионов натрия в исследуемом растворе:

а_Na+ = 10 ^{- рNaх} (моль/л).

Выполнение и РЕЗУЛЬТАТЫ эксперимента

Гальванический элемент (электроды, измерительный прибор) подготовлены к работе в соответствии с прилагаемыми инструкциями. Электроды погружены в стаканчик с дистиллированной водой. Перед началом измерений прибор включен в сеть и прогрет в течение требуемого количества времени.

Для проведения калибровки прибора 4 стаканчика ополосните дистиллированной водой, затем каждый из них – одним из эталонных растворов и залейте в них те же самые растворы.

Измерения начинайте с самого разбавленного раствора, последовательно переходя к более концентрированным. Электроды освободите из стаканчика с дистиллированной водой, просушите фильтровальной бумагой и погрузите в стаканчик с первым эталонным раствором. Снимите показания с прибора (ЭДС, мВ) в соответствии с указаниями преподавателя.

Затем освободите электроды из стаканчика с первым эталонным раствором, просушите электроды фильтровальной бумагой и погрузите их в стаканчик со следующим эталонным раствором. Снимите показания с прибора (ЭДС, мВ). Выполните аналогичные действия для двух оставшихся эталонных растворов. По завершении этого этапа работы электроды погрузите в стаканчик с дистиллированной водой.

Результаты эксперимента запишите в тетради в виде следующей таблицы:

Раствор №	Аналитическая концентрация иона, моль/л С(Na+)	Активная концентрация иона, моль/л а(Na+) (Рассчитайте самостоятельно)*	pNa (Рассчитайте самостоятельно)	E, мВ (Впишите соответствующее значение, полученное из эксперимента)
	10-3
	10-2
	10-1
	3×10-1

*ВНИМАНИЕ! При самостоятельной подготовке к выполнению лабораторной работы вам необходимо вернуться к теме «Ионная сила раствора. Активная концентрация иона».