Лабораторная работа 7.1. Определение рН
С использованием двойной хингидронной цепи
Цель работы: измерение ЭДС хингидронной цепи и определение рН заданного раствора.
Реактивы: хингидрон, раствор Вейбеля (с рН=2,04), исследуемый раствор с рН<7 (по заданию преподавателя).
Оборудование: платиновая проволока – 2 шт., химический стакан вместимостью 50 мл – 2 шт., солевой мостик, потенциометр ППТВ-1.
Методика работы
Для определения рН исследуемого раствора компенсационным методом с помощью потенциометра ППТВ-1 измеряют ЭДС двойной хингидронной цепи.
Рассмотрим методику работы на потенциометре ППТВ-1 (рис. 7.1).
Рис. 7.1. Верхняя панель потенциометра ППТВ-1
На верхней панели потенциометра расположены рукоятки декадных реостатов 1 – 5 и переключателя нормального элемента Вестона «НЭ», а также четыре пары клемм для присоединения источника тока «Б» (аккумулятор), элемента Вестона НЭ, исследуемого элемента «Х», гальванометра «Г»; кнопки для включения в цепь гальванометра с добавочным сопротивлением «50000», без сопротивления «0» и для короткого замыкания «КЗ»; переключателя «НЭ-Х» для включения гальванометра в цепь нормального или исследуемого элемента; три ручки рычажного магазина сопротивлений и ручка реостата, применяемые для регулировки рабочего тока (от грубой до точной).
Порядок работы на потенциометре ППТВ-1
1. Подключают аккумулятор, элемент Вестона, исследуемый элемент, обращая на знаки, и гальванометр.
2. Устанавливают рабочий ток потенциометра. Для этого отмечают температуру опыта и рассчитывают ЭДС насыщенного элемента Вестона при температуре, близкой к комнатной, по формуле
Е = 1,0183 – 4,0 ∙ 10–5(t – 20 °C). (7.4)
Ставят переключатель «НЭ» на контакт, номер которого равен одной десятитысячной вольта в значении ЭДС (если
Е = 1,0186, то переключатель «НЭ» ставят на контакт 6).
3. Переключатель «НЭ-Х» ставят в положение «НЭ» и поворотом ручек трехдекадного магазина сопротивления («грубо – точно») добиваются компенсации нормального элемента. Гальванометр включают кратковременным нажатием кнопок «50000» при грубой компенсации и затем «0» при более точной. Добиваются, чтобы ток в цепи гальванометра не шел. Кнопка «КЗ» служит для успокоения гальванометра.
4. Устанавливают переключатель «НЭ-Х» в положение «Х» и вращают рычаги декадных реостатов так, чтобы при нажатии на кнопку «50000» и затем «0» ток через гальванометр не шел.
Значение измеряемой ЭДС определяется суммой цифр, которые видны в окошечках панели, с учетом соответствующих множителей декад. Например, если видны цифры (7×0,1)+ +(8×0,01)+(3×0,001), то измеряемая ЭДС равна 0,783 В.
При работе необходимо соблюдать следующие правила измерения ЭДС гальванических элементов:
1. ЭДС аккумулятора в первое время после включения его в цепь может немного падать. В связи с этим измерение ЭДС целесообразно производить через несколько минут после включения аккумулятора в цепь.
2. Никогда не следует измерять ЭДС исследуемого элемента сразу же после его составления. Окончательное значение ЭДС всегда устанавливается через некоторое время (3-5 мин).
3. Во избежание поляризации гальванического элемента цепь необходимо замыкать ключом на очень короткие промежутки времени.
Для определения рН исследуемого раствора иногда применяют двойную хингидронную цепь, т.е. цепь, составленную из двух хингидронных электродов. Один из этих электродов содержит раствор с известным рН и является поэтому электродом сравнения.
Двойную хингидронную цепь можно записать следующим образом:
(–) Pt|С6Н4О2, С6Н4(ОН)2, Н+(ах)½КС1½Н+(аст), С6Н4(ОН)2, С6Н4О2½Рt (+)
электрод определения электрод сравнения
Рассматриваемая цепь является концентрационной, так как ее электроды отличаются только количеством ионов водорода.
Двойная хингидронная цепь составляется следующим образом (рис. 7.2). В один стакан наливают раствор, рН которого известен (рНст). Обычно в качестве стандартного раствора берут смесь, состоящую из одного объема раствора НС1 концентрации 0,1 моль/л и девяти объемов раствора КС1 концентрации
0,1 моль/л. Такой раствор, именуемый раствором Вейбеля, имеет рН 2,04 при 25 оС. В другой стакан наливают исследуемый раствор, рН которого необходимо определить (рНх).
Рис. 7.2. Двойная хингидронная цепь
В оба стакана добавляют хингидрон и вставляют платиновые электроды. В целях устранения диффузионного потенциала цепь соединяется через агар-агаровый мостик с насыщенным раствором КС1.
Знаки электродов в вышеприведенной схеме цепи (рис. 7.2) указаны для случая аст>ах. Если это условие не выполняется, знаки заряда электродов в цепи будут обратными. ЭДС указанной двойной хингидронной цепи составит Е = j(ст)–jхг .
Подставив в это уравнение значения потенциалов хингидронных электродов, получим
(7.5)
Отсюда
(7.6)
С учетом того, что в качестве стандартного раствора берется раствор Вейбеля, уравнение (3.4) примет следующий вид:
(7.7)
При исследовании растворов, в которых активность ионов Н+ больше таковой в растворе электрода сравнения, и следовательно ах>аст, ЭДС цепи составит
.(7.8)
Отсюда 
(7.9)
Таким образом, для определения рН исследуемого раствора необходимо измеряют ЭДС двойной хингидронной цепи компенсационным методом с помощью потенциометра ППТВ-1; вычисляют рН, пользуясь соответственно формулами (7.6) и (7.8). Сравнить полученное рН с табличным значением.
Результаты оформить в виде табл. 7.1.
Таблица 7.1
Результаты эксперимента и расчетов