Кислотность по составу и наблюдениям
Кривые титрования и индикаторы
Титрование — один из основных количественных методов кислотно-основного анализа. К раствору кислоты постепенно добавляют щёлочь известной концентрации и определяют объём щёлочи, при котором кислота и основание прореагировали в эквивалентных количествах. Этот момент называют точкой эквивалентности.
Зависимость pH раствора от объёма добавленной щёлочи изображают в виде кривой титрования. Вблизи точки эквивалентности pH быстро меняется; этот участок кривой называют скачком титрования. Положение скачка зависит от силы кислоты. Если титруют слабую одноосновную кислоту, то в середине титрования концентрации её молекул и анионов равны, поэтому pH равен \(pK_a\).
Для определения точки эквивалентности используют кислотно-основные индикаторы. Их окраска меняется в определённом интервале pH, который называют интервалом перехода.
| Индикатор | Интервал перехода | Окраска |
|---|---|---|
| метиловый оранжевый | 3,1–4,4 | от красной до жёлтой |
| метиловый красный | 4,4–6,2 | от красной до жёлтой |
| бромтимоловый синий | 6,0–7,6 | от жёлтой до синей |
| фенолфталеин | 8,2–10,0 | от бесцветной до малиновой |
Индикатор выбирают так, чтобы изменение его окраски приходилось на резкий подъём кривой вблизи точки эквивалентности. При титровании слабой кислоты щёлочью применяют фенолфталеин. Если кислотой титруют слабое основание, например аммиак, подходят метиловый оранжевый или метиловый красный: образующийся раствор \(\ce{NH4Cl}\) имеет кислую среду, и в типичных условиях титрования pH ≈ 5,3.
history_eduИстория кислотно-основных индикаторов
Лакмус добывали из лишайников ещё в средние века. Фенолфталеин синтезировал Адольф фон Байер в 1871 году. Его применение как слабительного прекратилось лишь в 1990-х, когда вещество заподозрили в канцерогенности. Фенолфталеин представляет собой слабую кислоту, протонированная и депротонированная формы которой окрашены по-разному.
scienceРеакции кислотно-основного титрования
- \(\ce{HInd <=> H+ + Ind-}\) — изменение окраски индикатора происходит около \(\text{pH} = pK_\text{Ind} \pm 1\).
- \(\ce{NH3 + HCl -> NH4Cl}\) — при титровании аммиака образуется соль, раствор которой в точке эквивалентности имеет кислую среду.
- \(\ce{Na2B4O7 + 2HCl + 5H2O -> 4H3BO3 + 2NaCl}\) — бура служит первичным стандартом при установлении концентрации кислоты.
Метод двух индикаторов
Твёрдая щёлочь на воздухе поглощает углекислый газ: \(\ce{2NaOH + CO2 -> Na2CO3 + H2O}\). Поэтому образец может содержать и щёлочь, и карбонат. Определить количество каждого вещества позволяет метод двух индикаторов, или метод Уордера: раствор последовательно титруют до изменения окраски фенолфталеина и метилового оранжевого.
- До обесцвечивания фенолфталеина расходуется объём кислоты \(V_1\). На этом этапе происходят реакции \(\ce{OH- + H+ -> H2O}\) и \(\ce{CO3^2- + H+ -> HCO3-}\).
- После обесцвечивания фенолфталеина титрование продолжают с метиловым оранжевым. Дополнительно расходуется объём кислоты \(V_2\), поскольку протекает реакция \(\ce{HCO3- + H+ -> CO2 + H2O}\).
На обе ступени нейтрализации каждого карбонат-иона расходуется одинаковое количество кислоты. Поэтому сравнение \(V_1\) и \(V_2\) позволяет установить состав образца.
| Соотношение объёмов | Состав |
|---|---|
| \(V_2 = 0\) | только \(\ce{NaOH}\) |
| \(V_1 > V_2\) | \(\ce{NaOH}\) + \(\ce{Na2CO3}\) |
| \(V_1 = V_2\) | только \(\ce{Na2CO3}\) |
| \(V_1 < V_2\) | \(\ce{Na2CO3}\) + \(\ce{NaHCO3}\) |
| \(V_1 = 0\) | только \(\ce{NaHCO3}\) |
boltРасчёт состава по ступеням титрования
Если \(V_1 \ge V_2\), объём \(V_2\) соответствует карбонату: \(n(\ce{CO3^2-}) = cV_2\), \(n(\ce{OH-}) = c(V_1 - V_2)\). Если \(V_1 < V_2\), на второй ступени кислота расходуется также на гидрокарбонат, который присутствовал в исходном образце: \(n(\ce{CO3^2-}) = cV_1\), \(n(\ce{HCO3-}) = c(V_2 - V_1)\).
errorНесовместимость \(\ce{NaOH}\) и \(\ce{NaHCO3}\)
Эти вещества реагируют друг с другом: \(\ce{NaOH + NaHCO3 -> Na2CO3 + H2O}\). Если при расчёте получается смесь \(\ce{NaOH}\) и \(\ce{NaHCO3}\), следует проверить исходные данные и ход рассуждений.
Восстанавливаем состав по наблюдениям
В олимпиадной задаче кислоту часто предлагают установить по нескольким результатам опыта. Одного признака может быть недостаточно, поэтому расчёт по титрованию сопоставляют с измеренным pH и результатами качественных реакций.
- Молярную массу находят из соотношения \(M = m/n\). Количество кислоты \(n\) рассчитывают по расходу щёлочи с учётом основности кислоты.
- \(pK_a\) слабой одноосновной кислоты находят по pH в середине титрования, где \([\ce{HA}] = [\ce{A-}]\).
- Качественные реакции помогают проверить предполагаемый состав: учитывают выделение газа, образование осадка и изменение окраски.
- Согласованность результатов проверяют после расчётов. Значения \(M = 60\) и \(pK_a = 4{,}76\) согласуются с уксусной кислотой. Если при такой молярной массе для предполагаемой уксусной кислоты получено \(pK_a = 1\), выводы противоречат друг другу и расчёт следует проверить.
edit_noteНеизвестная кислота
Для титрования 0,300 г одноосновной кислоты потребовалось 25,0 мл 0,200 М \(\ce{NaOH}\). Следовательно, \(n = 5{,}00\) ммоль и \(M = 60{,}0\) г/моль. В середине титрования pH = 4,76. Эти результаты соответствуют уксусной кислоте \(\ce{CH3COOH}\).
Кислотность раствора соли также помогает судить о силе кислоты, из которой эта соль образована.
boltОпределение \(pK_a\) по pH раствора соли
По pH раствора натриевой соли концентрации 0,1 М можно оценить \(pK_a\) соответствующей кислоты: \(\text{pH} = 7 + \frac12(pK_a + \lg c)\). Соль с pH 8,9 представляет собой ацетат (\(pK_a = 4{,}76\)), а соль с pH 11,1 — цианид (\(pK_a = 9{,}2\)).
scienceРеакции, помогающие установить состав
- \(\ce{Na2CO3 + 2HCl -> 2NaCl + CO2 ^ + H2O}\) — выделяется газ без запаха, который вызывает помутнение известковой воды.
- \(\ce{Na2SO3 + 2HCl -> 2NaCl + SO2 ^ + H2O}\) — выделяется газ с резким запахом, который обесцвечивает иодную воду.
- \(\ce{NH4Cl + NaOH ->[t] NaCl + NH3 ^ + H2O}\) — выделяющийся аммиак окрашивает влажную лакмусовую бумажку в синий цвет.
push_pinГлавное
На кривой титрования вблизи точки эквивалентности наблюдается скачок pH. Для сильной кислоты он широк и простирается примерно от 4 до 10, а для слабой кислоты смещён в щелочную область. В середине титрования слабой одноосновной кислоты pH равен \(pK_a\). Индикатор выбирают по положению скачка. Метод двух индикаторов позволяет различить щёлочь, карбонат и гидрокарбонат: фенолфталеин отмечает нейтрализацию \(\ce{OH-}\) и первую ступень нейтрализации карбоната, а метиловый оранжевый — завершение титрования гидрокарбоната. Неизвестную кислоту устанавливают, сопоставляя молярную массу, найденную по расходу щёлочи, с \(pK_a\), определённым по pH в середине титрования, и проверяют выводы качественными реакциями.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.