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 (fИСЭ) от активной концентрации ионов в растворе выражается уравнением (1):
| fИСЭ | = | f0ИСЭ | + | 2,3RT | lg a И | (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),
f0ИСЭ – стандартный потенциал ионоселективного электрода. Точное значение f0ИСЭ заранее неизвестно, т.к. зависит от условий подготовки электрода к работе.
В соответствии с уравнением (1) величина потенциала натрий-селективного электрода (zNa+ = +1) при 25 0С (298 К) определяется следующим образом:
fNaСЭ = f0NaСЭ + 0,059lg a Na + = f0NaСЭ - 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- = fNaСЭ - fНХС = f0NaСЭ - 0,059рNa - fНХС =
= f0NaСЭ - fНХС - 0,059рNa = Е0 - 0,059рNa
где fНХС – потенциал насыщенного хлоридсеребряного электрода, а E0 = f0NaСЭ - fНХС.
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 (-lg a 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 (Eх), по графику можно найти соответствующее значению Eх значение рNa (рNaх) 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».
