5.5. Измерение рН жидкостей

В ряде растворов вещества распадаются (диссоциируют) на ионы. Благодаря этому на электродах, опущенных в такой раствор, называемый электролитом, образуется потенциал, значение которого зависит от природы образующихся ионов и от их концентрации или активности в растворе. Это свойство используется для измерения содержания анализируемых веществ. Наибольшее распространение потенциометрический метод получил для измерения концентрации водородных ионов. Образование и растворение большей части осадков, как, например, сульфидов, карбонатов, фосфатов, зависит от концентрации водородных ионов. Многие процессы окисления и восстановления (в частности, биохимические) как неорганических, так и органических веществ нередко совершенно меняют свое направление при изменении концентрации водородных ионов. Коррозия металлов и образование защитных пленок также сильно зависят от кислотности или щелочности растворов, которые и характеризуются концентрацией этих ионов. В производстве соды и других минеральных солей, при флотационном обогащении руд, в пищевой промышленности, при дублении кожи, крашении тканей и в прочих производствах для правильной постановки технологического процесса также требуется учи-тывать влияние концентрации водородных ионов и уметь их определять.

На практике концентрацию водородных ионов принято выражать водородным показателем рН, значения которого характеризуют кислотные или щелочные свойства раствора. Понятие «рН» впервые было введено датским химиком Соренсеном и обозначает: р (начальная буква датского слова Potenz) – степень, Н – химический символ водорода. Физическое содержание этой величины состоит в следующем. В водных растворах веществ растворитель – чистая вода является химически нейтральным соединением. Она, хотя и очень слабо, диссоциирует (распадается) на катионы (положительно заряженные ионы) водорода (Н⁺) и анионы (отрицательно заряженные ионы) гидроксила (ОН^–) по схеме: Н₂О → Н⁺ + ОН^–. Концентрации диссоциированных ионов водорода и гидроксила в чистой воде одинаковы и равны 10^–7 моль/л. Их произведение К = Н⁺ · ОН^– = 10^–14 называется ионным произведением. Вода, а также все растворы, в которых концентрации водородных и гидроксильных ионов одинаковы и равны каждая 10^–7 моль/л, называются нейтральными растворами. Преобладание в растворе кислоты и щелочи приводит к возрастанию, соответственно, концентрации водородных или гидроксильных ионов. Однако во всех случаях их произведение остается постоянным. Это значит, что если указать только концентрацию водородных (или гидроксильных) ионов в каком-либо растворе, то тем самым будет определена концентрация другого иона. Поэтому как степень кислотности, так и степень щелочности растворов можно количественно характеризовать концентрацией водородных ионов. Для этого вместо абсолютной концентрации водородных ионов используют ее логарифм, взятый с обратным знаком, который называют водородным показателем и обозначают pH: рН = –lg(Н⁺). Например, если Н⁺ = 10^–5, то рН = 5.

Для нейтрального раствора рН = 7. Если pH > 7, раствор обла-дает щелочными свойствами, и тем более сильными, чем выше значение рН; если рН < 7, раствор имеет кислые свойства, и тем более сильные, чем меньше значение рН. Это позволило построить условную шкалу рН. По ГОСТ 8.134 шкала рН основана на приписывании и дальнейшем воспроизведении определенных значений рН пяти растворов буферных веществ. В стандарте приведены их значения рН в интервале температур от 0 до 150 ºС. Шкала рН обладает внутренней согласованностью, т. е. экспериментально измеренное значение рН не зависит от того, какой из растворов был выбран в качестве стандартного. Примерно такой же набор первичных стандартных растворов используется и в других странах.

Известны два основных метода измерения рН – колориметрический (индикаторный) и электрометрический (потенциометрический). Первый из них основан на использовании свойств некоторых веществ (так называемых индикаторов) менять свою окраску в зависимости от значения рН контролируемого раствора. Наиболее употребляемые из них приведены в табл. 5.2.

Таблица 5.2