Кислотность по составу и наблюдениям
Кривые титрования и индикаторы
Титрование — главный количественный метод кислотно-основного анализа: к раствору кислоты по каплям добавляют щёлочь известной концентрации и фиксируют момент, когда их количества эквивалентны.
| Индикатор | Интервал перехода | Окраска |
|---|---|---|
| метиловый оранжевый | 3,1–4,4 | красная → жёлтая |
| метиловый красный | 4,4–6,2 | красная → жёлтая |
| бромтимоловый синий | 6,0–7,6 | жёлтая → синяя |
| фенолфталеин | 8,2–10,0 | бесцветная → малиновая |
Интервал перехода индикатора должен целиком лежать внутри скачка. Слабую кислоту титруют с фенолфталеином, слабое основание (аммиак) — с метиловым оранжевым или метиловым красным: в точке эквивалентности раствор \(\ce{NH4Cl}\) кислый, pH ≈ 5,3.
history_eduЦветная химия
Лакмус добывали из лишайников ещё в средние века. Фенолфталеин синтезировал Адольф фон Байер в 1871 году, а его «слабительная» карьера закончилась лишь в 1990-х, когда вещество заподозрили в канцерогенности. Сам индикатор — слабая кислота, у которой протонированная и депротонированная формы окрашены по-разному.
scienceКак меняют цвет индикаторы
- \(\ce{HInd <=> H+ + Ind-}\) — переход окраски происходит около \(\text{pH} = pK_\text{Ind} \pm 1\).
- \(\ce{NH3 + HCl -> NH4Cl}\) — титрование аммиака: в точке эквивалентности кислая среда.
- \(\ce{Na2B4O7 + 2HCl + 5H2O -> 4H3BO3 + 2NaCl}\) — бура — первичный стандарт для установки концентрации кислоты.
Метод двух индикаторов
Твёрдая щёлочь на воздухе поглощает углекислый газ: \(\ce{2NaOH + CO2 -> Na2CO3 + H2O}\). Как узнать, сколько в образце щёлочи и сколько карбоната? Помогает титрование с двумя индикаторами (метод Уордера).
- До обесцвечивания фенолфталеина (\(V_1\)): \(\ce{OH- + H+ -> H2O}\) и \(\ce{CO3^2- + H+ -> HCO3-}\).
- Затем с метиловым оранжевым (\(V_2\)): \(\ce{HCO3- + H+ -> CO2 + H2O}\).
| 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 \(\ce{NaHCO3}\) |
boltСчитаем по ступеням
Каждый карбонат-ион «съедает» по одной порции кислоты на каждом этапе. Поэтому \(n(\ce{CO3^2-}) = cV_2\) (при \(V_1 \ge V_2\)), \(n(\ce{OH-}) = c(V_1 - V_2)\). При \(V_1 < V_2\): \(n(\ce{CO3^2-}) = cV_1\), \(n(\ce{HCO3-}) = c(V_2 - V_1)\).
error\(\ce{NaOH}\) и \(\ce{NaHCO3}\) вместе не бывают
Они реагируют: \(\ce{NaOH + NaHCO3 -> Na2CO3 + H2O}\). Если расчёт даёт такую смесь — ошибка в данных или в логике.
Восстанавливаем состав по наблюдениям
Типичная олимпиадная задача: «неизвестная кислота» — нужно установить, что это. Используем всё, что даёт эксперимент.
- Молярная масса — из титрования: \(M = m/n\), где \(n\) — количество щёлочи с учётом основности.
- \(pK_a\) — из pH в середине титрования (где \([\ce{HA}] = [\ce{A-}]\)).
- Качественные реакции — выделение газа с карбонатом, осадки, окраска.
- Согласованность: расчёт должен сходиться с химией. Кислота с \(M = 60\) и \(pK_a = 4{,}76\) — уксусная; кислота с \(M = 60\) и \(pK_a = 1\) — противоречие, ищите ошибку.
edit_noteНеизвестная кислота
0,300 г одноосновной кислоты оттитровали 25,0 мл 0,200 М \(\ce{NaOH}\): \(n = 5{,}00\) ммоль, \(M = 60{,}0\) г/моль. В середине титрования pH = 4,76. Это уксусная кислота \(\ce{CH3COOH}\).
boltpH соли — отпечаток кислоты
pH 0,1 М раствора натриевой соли даёт \(pK_a\): \(\text{pH} = 7 + \frac12(pK_a + \lg c)\). Соль с pH 8,9 — ацетат (\(pK_a = 4{,}76\)), с pH 11,1 — цианид (\(pK_a = 9{,}2\)).
scienceКачественные «подсказки» к составу
- \(\ce{Na2CO3 + 2HCl -> 2NaCl + CO2 ^ + H2O}\) — газ без запаха, мутит известковую воду.
- \(\ce{Na2SO3 + 2HCl -> 2NaCl + SO2 ^ + H2O}\) — резкий запах, обесцвечивает иодную воду.
- \(\ce{NH4Cl + NaOH ->[t] NaCl + NH3 ^ + H2O}\) — аммиак синит влажную лакмусовую бумажку.
push_pinГлавное
Кривая титрования: скачок pH около точки эквивалентности. Для сильной кислоты скачок широкий (от 4 до 10), для слабой — сдвинут в щелочную область, а в середине титрования pH = \(pK_a\). Индикатор выбирают так, чтобы его интервал перехода попал в скачок. Метод двух индикаторов: фенолфталеин фиксирует \(\ce{OH-}\) и первую ступень карбоната, метиловый оранжевый — вторую. Кислоту устанавливают по молярной массе (из объёма щёлочи) и по \(pK_a\) (из pH в середине титрования).
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.