HoofdStuk 2 pH en buffers

Hoofdstuk 2
pH en buffers
Pr
es
s
Inleiding
De pH wordt gedefinieerd als de negatieve logaritme van de waterstofionenconcentratie (in
molair). De pH van een (waterige) oplossing is dus een maat voor de concentratie aan vrije
protonen (H+-ionen). Protonen komen in een oplossing eigenlijk voor in de gehydrateerde
vorm, nl. hydroniumionen (hydroxoniumionen (H3O+)).
pH = - log [H+] = - log [H3O+]
De concentratie aan H3O+-ionen beïnvloedt de oplosbaarheid van vele stoffen en het verloop
van vele reacties.
de
m
ia
De pH van een waterige oplossing wordt beïnvloed door verschillende factoren.
1. De zelfionisatie van water, die hydroniumionen en hydroxylionen vrijstelt volgens de
evenwichtsreactie:
2H2O H3O+ + OH2. De deprotonering van zuren volgens:
HZ + H2O H3O+ + Z HZ stelt het zuur voor en Z- de zuurrest.
Ac
a
3. De protonering van basen volgens de vergelijking:
B+H2O BH+ + oh B stelt de base voor.
Bij elk van deze evenwichtsreacties hoort ook een evenwichtsconstante (K), met bijbehorende informatie over de sterkte van het zuur / de base.
Tabel 2.1. Basisbegrippen
©
Ionenproduct van water
Zuurconstante
Baseconstante
Kw= [H3O+] . [OH-]
pKw= 14 bij 25 °C
[H3O+] . [Z-]
K a=
[HZ]
pKa > 14: uiterst zwak zuur
pKa > 0: zwak zuur
pKa < 0: sterk zuur
[BH+] . [OH-]
K b=
[B]
pKb > 14: uiterst zwakke base
pKb > 0: zwakke base
pKb < 0: sterke base
Met p... = - log ...
L abt e c h n i e k e N
Book_labo 1.indb 215
215
21/08/14 16:54
Er zijn verschillende zuur-basetheorieën.
Tabel 2.2. Zuur-base theorieën
Arrhenius
(eenvoudig, verouderd)
Brøndsted en Lowry
(uitgebreider dan Arrhenius)
Lewis
(allesomvattend)
1. Zuur
Een zuur geeft aanleiding
tot H+-vorming
(in waterig midden)
Een zuur is een protonendonor
(al of niet waterig midden)
Een zuur is een
acceptor van een vrij
elektronenpaar
2. Base
Een base geeft aanleiding
tot OH--vorming
(in waterig midden)
Een base is een protonenacceptor
(al of niet waterig midden)
Een base is een
donor van een vrij
elektronenpaar
Reacties
1+2.
Neutralisatie
Zuur-base (met geconjugeerde
ZB-systemen)
Donor-acceptor
Voorbeelden
Z: HCl, NH4+, CO2
B: Ba(OH)2, NH3, CO
Z: HCl, NH4+,CO2
B: Ba(OH)2, NH3, CO
Z: HCl, NH4+, CO2
B: Ba(OH)2, NH3, CO
Pr
es
s
Theorie van
Indicatoren
de
m
Meting van de pH
ia
Meer uitleg vind je in een cursus ‘Algemene chemie’ of in de literatuur.1
De pH kan worden vastgesteld met behulp van zuur-baseindicatoren. Dit zijn organische
kleurstoffen waarvan de kleur functie is van de pH van de oplossing.
Ac
a
Indicatoroplossingen
©
Een indicatoroplossing bevat een (of meerdere) van deze organische kleurstoffen.
De indicatoroplossingen worden in kleine hoeveelheden toegevoegd aan oplossingen.
1 Mc Murry J. en Fay R.C., Chemistry, 4th edition, Prentice Hall, Upper Saddle River, N. J., 2004.
216
Book_labo 1.indb 216
Hoofdstuk 1
21/08/14 16:54
Tabel 2.3. Indicator oplossingen
Thymolblauw
Congorood
Oplosmiddel
Concentratie
(g/L)
pH omslaggebied
Kleuromslag
zuur-base
water
0,5 - 1
1,2 – 2,8
rood - geel
50 v % alcohol
0,5 - 1
3,0 – 5,2
violet - oranje
3,1 – 4,5
rood - oranje
Methyloranje
water
0,2 - 0,5
Methylroodnatrium
water
0,4 - 1
Lakmoes
water
5 - 10
Fenolftaleïne
70 v % alcohol
0,8 - 1
Alizarinegeel
water
0,5 - 1
Pr
es
s
Indicator
4,4 -6,2
rood - geel
5,0 – 8,0
rood - blauw
8,3 - 10
kleurloos - paars
10,0 – 12,1
geel - oranjerood
water
1 /1
4,5 – 5,2
wijnrood – groen
3 delen /
2 delen
de
m
Broomcresolgroen
/methylrood
ia
Mengindicatoren
Door twee indicatoren te mengen of een indicator te mengen met een indifferente kleurstof kan de
kleuromslag aanzienlijk verscherpt worden. De tweede indicator of indifferente kleurstof wordt zo
gekozen dat de kleur ervan complementair is, zodanig dat bij een bepaalde pH een grijze of bijna
kleurloze tussenkleur verkregen wordt.
Voor meer informatie over de werking van pH-indicatoren verwijzen we naar D2H3,
pag. 227.
Universeel pH-indicatorpapier
Ac
a
Universeel indicatorpapier is papier dat gedrenkt is in een mengsel van indicatoroplossingen. In het labo zul je dit universele indicatorpapier terugvinden in smalle strips of in
rolletjes (zie Fig. 2.1.).
©
Deze indicatoren vertonen bij verschillende pH’s een verschillende kleur. Daarom worden ze ook regenboogindicatoren
genoemd. In tabel 2.4. vind je twee voorbeelden van indicatoren, met hun kleuren. Ze zijn geschikt om snel een indruk te
krijgen van de pH van een (gekleurde) waterige oplossing.
Je kunt deze indicatoren NIET gebruiken voor organische
solventen!
L abt e c h n i e k e N
Book_labo 1.indb 217
217
21/08/14 16:54
pH
Universeel I
Universeel II
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Rood
Rood
Rood
Oranjerood
Oranje
Geel
Geelgroen
Groenblauw
Blauw
Violet
Roodviolet
Oranje
Geel
Groen
Blauw
Pr
es
s
Tabel 2.4. Voorbeeld van indicatorpapier
Fig. 2.1. pH papier.
de
m
ia
Indicatorpapier is zeer geschikt voor een snelle pH-bepaling. Een klein stukje indicatorpapier wordt even in de oplossing gehouden of je neemt een druppel van de oplossing en
brengt dit op het indicatorpapier. Dan wordt de kleur van het papier vergeleken met een
kleurschaal waarvan de kleuren overeenkomen met een bepaalde pH-waarde.
pH-elektrode
Accurate pH-metingen in waterig midden kunnen worden uitgevoerd met een gekalibreerde
(geijkte) opstelling, bestaande uit een pH-gevoelige glasmembraanelektrode in combinatie
met een referentie-elektrode, die beide gekoppeld zijn aan een pH-meter.
Ac
a
Gecombineerde pH-gevoelige elektrode
1. Glasmembraan pH-gevoelig.
2. Inwendige elektrode
(bv.: zilver/zilverchloride elektrode of calomel elektrode).
3. Diafragma, junctie
(poreus membraan dat een zoutbrug vervangt) met bekende
Oplossing.
4. Referentie elektrode (RE).
5. Vuloplossing van de meetelektrode (ME)
(bv.: 0,10 M HCl).
6. Vuloplossing van de referentie-elektrode
(bv.: KCl verzadigd).
7. Vulopening voor het aanvullen van de referentie-oplossing.
7
6
©
5
4
3
2
1
Fig. 2.2.
218
Book_labo 1.indb 218
Gecombineerde
pH-elektrode
(ME + RE).
Hoofdstuk 2
21/08/14 16:54
Principe
Wanneer je de gecombineerde pH-gevoelige elektrode onderdompelt in een oplossing, zal
met een potentiometer een pH-afhankelijke spanning gemeten worden tussen de
H+--elektrode (ME) en de referentie-elektrode.
Egemeten = EME - ERE = CTE - 0,059 pH
Pr
es
s
In de meeste gevallen wordt de pH-elektrode verbonden met een aparte pH-meter door een
kabel, maar er bestaan elektrodes die zelf over een interne pH-meter beschikken.
Gebruik
ia
Controleer op zichtbare schade of contaminatie van de elektrode.
Controleer of de oplossing in de elektrode de inwendige elektrode bedekt.
yyStel de temperatuur vast van elke oplossing die je gebruikt.
Meet de temperatuur van elke oplossing, dus alle kalibratiestandaarden en stalen, omdat
chemische evenwichten temperatuursafhankelijk zijn en dus de pH kunnen beïnvloeden.
Wens je de pH-aflezing te gebruiken op de potentiometer, dan moet je de opstelling eerst
kalibreren. Afhankelijk van het toestel kan gekalibreerd worden met één of twee standaardoplossingen. Kalibratie met twee standaardoplossingen is het meest nauwkeurig.
Ac
a
de
m
yyVoer de kalibratie uit:
1.Zet de meter op pH-mode.
2.Plaats de elektrode in de eerste standaardoplossing van bekende pH, meestal pH 7.
Het snijpunt van de kalibratielijn (egemeten ifv pH) met de x-as wordt vastgelegd: (7; 0).
3.Spoel de elektrode met gedeïoniseerd water en dep droog.
4.Plaats de elektrode vervolgens in de tweede standaardoplossing. Afhankelijk van de
verwachte pH van de te meten stalen wordt hiervoor een standaardoplossing van pH 4
of pH 9 gebruikt. De richtingscoëfficiënt van de kalibratielijn wordt nu vastgelegd.
5.Verwijder de elektrode uit de kalibratieoplossing en spoel opnieuw met gedeïoniseerd
water. Dep de elektrode droog met een schoon, papieren doekje.
De opstelling staat nu klaar voor directe pH-metingen.
yyRoer de testoplossing grondig voordat je een meting maakt.
Gebruik hiervoor een magnetische roerder en laat de oplossing voldoende lang staan,
zodat ze kan equilibreren op kamertemperatuur. Let op! De roerder mag niet tegen de
elektrode tikken!
©
yyMeet de pH van je oplossing(en).
Wees er zeker van dat de elektrode tussen twee metingen schoon is.
Vermijd het aanraken van de elektrode met schurende materialen.
Wacht voldoende lang tijdens een meting om de pH-elektrode te laten stabiliseren. Zeker
voor ongebufferde oplossingen kan dat enkele minuten duren.
yyNa gebruik mag je de elektrode niet laten uitdrogen.
De meeste pH-elektroden worden bewaard in een neutrale KCl-oplossing (1 M KCl, gebufferd op pH 7).
pH
Book_labo 1.indb 219
en buffers
219
21/08/14 16:54
Let op!
De buffer met pH 9 is niet echt stabiel door opname van CO2 uit de lucht bij het openen
van het flesje. Sommige buffers hebben een andere pH bij 37 °C dan bij kamertemperatuur. In dat geval moeten kalibratie en meting bij 37 °C gebeuren.
Pr
es
s
Veelvoorkomende defecten
• Te weinig elektrolyt in de elektrode.
• Een vervuilde elektrolytbrug (reinigen en licht afschuren in dit geval).
• Barsten in de elektrodewand door het tikken van een roerstaaf.
• Aantasting van de elektrodewand door het meten van de pH van een corrosieve stof.
Buffers
ia
Voor sommige experimenten moet je niet exact weten wat de pH is van de oplossing, maar
is het belangrijk de pH van de oplossing stabiel te houden. De meest effectieve methode om
de pH stabiel te houden is gebruikmaken van een buffer.
de
m
Definitie
Een oplossing van een zwak zuur in aanwezigheid van een goed oplosbaar zout van dat zwak
zuur of een oplossing van een zwakke base in aanwezigheid van een goed oplosbaar zout van
die zwakke base noemt men een bufferoplossing.
Ac
a
Een buffer bevat dus een zwak zuur en zijn (geconjugeerde) zwakke base (bv. CH3COOH/
CH3COO-) of een zwakke base en zijn (geconjugeerd) zwak zuur (bv. NH3/NH4+), waarbij
beide componenten in aanzienlijke hoeveelheid aanwezig zijn.
Bij een geconjugeerd systeem (bufferpaar) is er slechts 1H+-verschil tussen de zure en de
basische vorm.
Sommige verbindingen kunnen meer dan één proton afgeven (of opnemen). Ze worden polyfunctionele zuren (of basen) genoemd. Uitgaande van deze polyfunctionele verbindingen
kunnen meerdere bufferparen gevormd worden.
©
Voorbeeld: fosfaatbuffers
Dit zijn buffers op basis van fosfaatverbindingen.
De mogelijke bufferparen zijn: PO43-/HPO42-; HPO42-/H2PO4-en H2PO4-/H3PO4.
Afhankelijk van de pH zal een ander bufferpaar een bufferende werking uitoefenen,
bv. HPO42-/H2PO4- rond pH 7,21.
220
Book_labo 1.indb 220
Hoofdstuk 2
21/08/14 16:54
pH van een buffer
Voor een bepaalde pH-waarde in een oplossing is de daar heersende concentratieverhouding
van de bufferbase (b) tegenover het daarbij horende bufferzuur (a) vastgelegd in de vergelijking van Henderson-Hasselbalch:
cb
pHbuffer = pKa+ log
ca
Pr
es
s
De concentraties van het zuur en de geconjugeerde base worden uitgedrukt in mol/L.
Verdunnen van de bufferoplossing heeft geen invloed op de pH van deze oplossing, de
c
verhouding b blijft ongewijzigd.
ca
Buffergebied
De buffer blijft werkzaam binnen het buffergebied:
pKa - 1
≤ pHbuffer ≤
pKa + 1
de
m
ia
De buffer is ideaal als cb = ca, dan is de pH = pKa en heeft de buffer het meeste vermogen
om zowel zuren als basen die toegevoegd worden, goed te bufferen.
Bufferend vermogen
De reikwijdte van de resistentie tegen pH-veranderingen van een buffer noemt men het
bufferend vermogen (β) of de buffercapaciteit van een oplossing.
∆n
Bij een goede buffer(capaciteit) is
zo groot mogelijk (>10).
∆pH
Ac
a
∆pH staat voor de pH-wijziging die optreedt.
∆n staat voor het aantal mmol toegevoegd sterk zuur of sterke base.
Hoe groter ∆n is voor een welbepaalde pH-wijziging, des te groter het bufferend vermogen.
Het bufferend vermogen neemt toe met de bufferconcentratie.
Voorbeelden van enkele buffers
©
1. Acetaatbuffer: (op pH) stellen met natriumacetaat (C2H3O2Na).
2. Citraatbuffer: (op pH) stellen met natriumacetaat (C2H3O2Na).
3. Citraatbuffer: (op pH) stellen met dibasisch natriumfosfaat.
4.Fosfaatbuffer: monobasisch natriumfosfaat (NaH2PO4) (op pH) stellen met dibasisch
natriumfosfaat (Na2HPO4).
5. Carbonaat-bicarbonaatbuffer: anhydrisch natriumcarbonaat (op pH) stellen met natriumbicarbonaat.
6. Tris-HClbuffer: Tris (op pH) stellen met HCl.
7. Glycine-NaOHbuffer: glycine (op pH) stellen met NaOH.
pH
Book_labo 1.indb 221
en buffers
221
21/08/14 16:54

Download Report