Дистанционное занятие
Кислотно-основные индикаторы
R Задание 1
Проанализируйте видео https://www.youtube.com/watch?v=abDRezmkVYk и попробуйте угадать представленные кислотно-основные индикаторы.
Ответ: На видео представлены:
1. Бромфеноловый синий
2. Бромтимоловый синий
3. Метиловый оранжевый
4. Фенолфталеин
5. Феноловый красный
6. Универсальный индикатор
R Задание 2
Попробуйте из имеющихся в лаборатории кислотно-основных индикаторов составить рецепт универсального индикатора.
Индикаторы на лабораторном складе:
| Название | рН перехода |
| Бромтимоловый синий | 6,0-7,6 желт-син |
| Бромфеноловый синий | 3,0-4,6 желт-(зел) – синий (пурп) |
| Крезоловый красный | р-р 0,02%, 7,0(7,2)–8,8 желт – темно-красный |
| Метил виолет | 0,13–0,5 желт-зел |
| Метиловый красный | 4,2-6,2 красн-желт |
| Метиловый оранжевый | 3,1-4,4 красн-желт |
| Метилтимоловый | до 6,5 желт - до 8,5 синий - до 11,5 серый - после 12,7 синий |
| Нейтральный красный | 6,8-8,0 красн-желт |
| Феноловый красный | 6,8-8,4 желт-красн |
| Фенолфталеин | 8,2-10,0 бесцв-пурп |
По результатам коллективной работы предложен следующий состав универсального индикатора:
1. Бромтимоловый синий
2. Феноловый красный
3. Фенолфталеин
* - один из рецептов из интернета https://www.youtube.com/watch?v=TWdgvX-ZJjk: 0,05 г – тимоловый синий; 0,012 г – метиловый красный; 0,06 г – бромтимоловый синий; 0,1 г – фенолфталеин. Растворить в 100 мл этилового спирта. После полного растворения ОСТОРОЖНО по каплям добавлять 0,05 М раствор NaOH до появления зеленой окраски. Затем разбавить водой до 200 мл.
Другой состав: фенолфталеин, бромтимоловый синий, тимоловый синий, метиловый красный https://en.wikipedia.org/wiki/Phenolphthalein
На следующем очном занятии запланировано приготовление и изучение свойств предложенного рецепта универсального индикатора.
R Задание 3
Посмотрите видео https://www.youtube.com/watch?v=lbaZaLRbAGk
Какой химический процесс занят на видео? Попробуйте найти объяснение.
В результате коллективного обсуждения найден правильный ответ: на видео заснят процесс изменения цвета фенолфталеина (мгновенное окрашивание раствора с постепенным полным обесцвечиванием в течение 2-2,5 минут) в сильнощелочной среде (рН>13.0).
R Задание 4
На основании данных, представленных на серии видео (плейлист: https://www.youtube.com/playlist?list=PLYloU8adTZu7kT_j98_Rv6nGFSLavjikG) попробуйте рассчитать интервал значения рН в которых происходит полное изменение окраски каждого из кислотно-основных индикаторов (бромтимолового синего, бромфенолового синего, метилового оранжевого, фенолфталеина, фенолового красного). Представьте ответ в виде: интервал перехода окраски индикатора … (название индикатора) находится в пределах рН _,_ – _,_ (указать значения рН с точностью до десятых долей). За границы перехода окраски мы принимаем соответствие цвета индикатора цвету контрольных образцов при крайних значениях рН (соответственно 1,0 и 13,0) представленых на всех видео.
Для расчетов вам понадобятся следующие данные:
1. Справочные данные об известных точках (рН) перехода окраски индикаторов: https://en.wikipedia.org/wiki/PH_indicator
2. В стакане (на видео) находится 20 мл сильной щелочи (NaOH), которая титруется из бюретки сильной кислотой (HCl). Концентрации для каждого случая указаны в соответствующем видео.
3. Объем капли принимается равным 0,05 мл.
Какие выводы можно сделать из полученных результатов?
Ход решения на примере индикатора фенолфталеина.
Решение базируется на информации из видео https://www.youtube.com/watch?v=CduNJOEZ3rE
Для сопоставления количества реагентов в рассматриваемой реакции нейтрализации нам нужно знать следующее:
1. Концентрации реагентов. Они указаны в видеоклипе: CNaOH = 0.005 M, CHCl = 0.01 M.
2. Объемы реагентов в реакции нейтрализации. Для NaOH объем известен заранее – 20 мл. Объем титранта (HCl) можно подсчитать, просматривая видеоклип (лучше это делать, уменьшив скорость воспроизведения в несколько раз). По результатам просмотра клипа можно сделать вывод, что от начала изменения цвета (ослабления малиновой окраски индикатора фенолфталеина) до полного обесцвечивания титруемого раствора было затрачено 8-9 капель титранта. Будем пользоваться средней цифрой: 8,5 капель. Зная средний объем капли водного раствора (0,05 мл), нетрудно высчитать объем титранта (HCl), затраченного на полное обесцвечивание фенолфталеина, начиная с момента изменения (ослабления) малинового окрашивания: 8,5 * 0,05 = 4,25 мл.
Теперь, когда мы имеем все необходимые данные можно приступить к несложным расчетам.
Пользуясь справочными данными https://en.wikipedia.org/wiki/PH_indicator принимаем, что переход окраски фенолфталеина (обесцвечивание) начинается при пересечении точки рН=10,0 при движении вниз по шкале рН (при титровании щелочи кислотой мы движемся из щелочной области в кислотную).
| Справочная величина рН=10,0 для фенолфталеина означает следующее: при движении снизу вверх (когда титруют кислоту щелочью, т.е. движемся из кислой среды в щелочную) раствор перестает насыщаться малиновым цветом при достижении рН=10,0, т.е. бесцветный кислый раствор начинает розоветь при значениях рН ниже 10,0, и при приближении к точке перехода (10,0) интенсивность окраски раствора возрастает. После пересечения значения рН=10,0 интенсивность окраски больше не меняется. Достигнуто максимальное насыщение окраски, зависящее только от количества индикатора в системе. Наша задача: определить значение второй границы рН, при которой НАЧИНАЕТСЯ проявление малинового цвета в изначально бесцветном растворе при движении снизу вверх по шкале рН от кислоты к щелочи, или же наоборот, ЗАКАНЧИВАЕТСЯ обесцвечивание малинового индикатора при обратном движении сверху вниз от щелочи к кислоте (что и происходит на видео). | Для любопытных: на странице Wiki https://en.wikipedia.org/wiki/Phenolphthalein представлена великолепная анимация структурных превращений фенолфталеина в зависимости от рН среды. Кстати, при размышлении о превращениях фенолфталеина, как, впрочем, и других индикаторов, становится понятным, почему такие переходы являются постепенными и происходят в некотором, достаточно широком диапазоне рН, в котором мы наблюдаем постепенное изменение окраски раствора, а не мгновенный переход цвета всей системы. |
Итак, рассчитаем какое же количество щелочи (ионов ОН-) присутствует в нашем стакане на момент достижения рН=10,0, после которого начинается видимое обесцвечивание раствора.
Как мы все знаем рН – это логарифмическое выражение молярной концентрации ионов водорода [Н+] (конечно, при этом помним, что в свободном виде протоны в растворе существовать не могут, а взаимодействуют с молекулами воды и представлены в виде ионов гидроксония Н3О+).
рН = - lg [H+], (1)
Из ионного произведения воды
KW = [H+]*[OH-] = 10-14 (2)
следует, что в полностью нейтральном растворе концентрации ионов Н+ и ОН- равны между собой (это равновесие определяется только собственной диссоциацией молекул воды) и имеют численное значение 10-7 моль/л, откуда значения для полностью нейтральной системы:
рН = рОН = - lg10-7 = 7.0 (3)
Таким образом, значение рН=1 соответствует концентрации ионов водорода 0,1 моль/л (10-1 моль/л), и, соответственно, концентрация гидроксил-ионов с учетом соотношения (2) будет равна:
10-1 * [OH-] = 10-14 _ [OH-] = 10-14 / 10-1 _ [OH-] = 10-14-(-1) _[OH-] = 10-13
При этом значение рОН = - lg[OH-] = - lg 10-13 = 13.0,
Анализируя ионное произведение воды (2) становится очевидным, что значения рН и рОН связаны соотношением:
рН = 14 – рОН (4)
Следовательно, рОН = 14 – рН
! Если кто-то забыл (с сайта Основы химии. Интернет-учебник. https://www.hemi.nsu.ru/index.htm - прекрасный учебник - рекомендую)
Не все наши читатели уже знакомы с логарифмами, поэтому коротко объясним, что это такое. Десятичный логарифм числа а, т.е. логарифм по основанию 10 (обозначение log10а или lgа), показывает, в какую степень надо возвести число 10 (основание логарифма), чтобы получить число а.
Например,
lg100 = 2 (поскольку 102 = 100),
lg1000 = 3,
lg10 = 1,
lg1 = 0 (поскольку 100 = 1), и т.д.
Логарифмы обладают многими полезными свойствами, необходимыми для сложных вычислений. Среди них два важных соотношения:
lgab = lga + lgb,
lgab = blga.
Например, для нейтральных растворов, где [H+] = 10–7, получим:
pH = – lg10–7 = – (– 7 lg10) = 7.
Концентрация ионов водорода не обязательно выражается только как 10n. Например, имеется раствор с концентрацией ионов водорода [H+] = 5,1·10–3. Каков рН такого раствора? Используем одно из свойств логарифмов:
рН = – lg 5,1·10–3 = – (lg 5,1 + lg10–3).
Для второго члена этой суммы можно применить другое свойство логарифмов:
рН = – (lg 5,1 + lg10–3) = – (lg 5,1 – 3 lg10), или
рН = 3 – lg 5,1.
С помощью инженерного калькулятора можно вычислить значение lg 5,1 = 0,7. Отсюда рН = (3 – 0,7) = 2,7.
В случае титровании щелочи кислотой, точка кислотности при которой начнется постепенное обесцвечивание фенолфталеина: рН = 10,0. Значит рОН = 14 – 10,0 = 4,0 и концентрация щелочи (гидроксил-ионов) при рОН=4,0 будет равна: [OH-] = 10-4 моль/л.
В титровании у нас участвуют два раствора: аналит (титруемая щелочь) – 20 мл 0,005 М NaOH и титрант – 0,01 М HCl. Поскольку коэффициент эквивалентности для обоих веществ равен 1 (HCl – одноосновная кислота, NaOH – одноосновная щелочь), вместо молярных концентраций мы можем использовать нормальные концентрации: 0,01 н. HCl и 0,005 н. NaOH.
Изначально в системе присутствует 20 мл 0,005 н. NaOH, что соответствует количеству вещества: nNaOH=(0.005/1000)*20=0.0001=10-4 моль.
Каждый миллилитр титранта (0.01 н. HCl) содержит количество вещества nHCl/1мл=0,01/1000=10-5 моль. Соответственно произвольный добавляемый объем титранта будет содержать: nHCl=VHCl*10-5 моль, где V – объем добавленной соляной кислоты, мл.
Тогда при титровании (т.е. при движении от щелочи к кислоте) ДО достижения точки эквивалентности (nHCl=nNaOH, pH=7.0) значение рН будет определяться остаточной концентрацией гидроксил-ионов ОН-. Для определения остаточного количества ионов ОН- (nон-)после добавления объема титранта V можно вывести формулу:
nон- = количество вещества щелочи в начале титрования (10-4 моль в 20 мл раствора) минус количество кислоты в V мл титранта (VHCl*10-5 моль)
nон-=10-4 - VHCl*10-5, или после упрощения: nон-=10-5*(10 - VHCl) моль
Поскольку объем титруемой щелочи (20мл) постоянно растет из-за добавляемой кислоты, то остаточную концентрацию щелочи (моль/л) в любой момент времени можно определить как:
Сон- = [OH-] = [nон-/(20+ VHCl)]*1000, где 1000 – коэффициент для пересчета из мл в литры, или
[OH-] = [10-5*(10 - VHCl)/ (20+ VHCl)]*1000 моль/л, или после упрощения:
[OH-] = [0,01*(10 - VHCl)/ (20+ VHCl)] моль/л
а в логарифмической шкале:
рОН = - lg [OH-] = - lg [0,01*(10 - VHCl)/ (20+ VHCl)] или после упрощения:
рОН = - lg 0.01 – lg[(10 - VHCl)/(20+V)] = -(-2) - lg(10 - VHCl) + lg(20+ VHCl)
Поскольку рН = 14 – рОН, следовательно:
рН = 14 – [-(-2) - lg(10 - VHCl) + lg(20+ VHCl)] = 14 - 2 + lg(10 - VHCl) - lg(20+ VHCl) = 12 + lg(10 - VHCl) - lg(20+ VHCl)
pH = 12 + lg(10 - VHCl) - lg(20+ VHCl) для щелочной среды (5)
Таким образом, мы вывели формулу зависимости рН среды от объема добавленной кислоты для нашей системы нейтрализации. Не стоит забывать, что данная формула работает только в щелочных диапазонах рН, поскольку исходной точкой для построения формулы служило количество щелочи nон-. При пересечении значения рН=7,0 и дальнейшем движении в сторону кислоты (точка эквивалентности реакции нейтрализации уже пройдена) выведенная формула трансформируется:
рН = - lg [(VHCl*0.01/1000 – 10-4)/(VHCl + 20)] = - lg [0.01*(VHCl -0.1)/(VHCl + 20)] = - lg0.01 – lg[(VHCl -0.1)/(VHCl + 20)] = 2 - lg(VHCl -0.1) + lg(VHCl + 20)
рН = 2 - lg(VHCl -0.1) + lg(VHCl + 20) для кислой среды (6)
Теперь нетрудно подсчитать, что для достижения значения рН=10,0 (значение кислотности, при котором, согласно справочным данным, начинается обесцвечивание фенолфталеина при титровании щелочи кислотой) необходимо добавить к исходным 20 мл 0,005 н. щелочи ровно 9,7 мл 0,01 н. соляной кислоты. Для этого подставляем значение 9,7 в формулу (5) и получаем значение рН=10,00. Согласно справочным данным, с этого момента должно происходить резкое обесцвечивание раствора от каждой добавленной капли титранта. Именно с этой точки титрования мы начали отсчет капель на видео.
Далее: из наблюдений за видеозаписью мы определили, что для полного обесцвечивания фенолфталеина необходимо добавить еще 8,5 капель 0,01 н. соляной кислоты. Таким образом, суммарный объем добавленной кислоты составил 9,7 мл (до рН=10,0) плюс еще 0,425 мл (8,5 капель по 0,05 мл), т.е. 10,125 мл.
Поскольку мы титровали 20 мл 0,005 н. щелочь кислотой с концентрацией 0,01 н., то очевидно, что точка нейтрализации будет достигнута при добавлении 10,00 мл кислоты (концентрации кислоты больше концентрации щелочи ровно в 2 раза, значит, объем кислоты для нейтрализации должен быть ровно в 2 раза меньше, чем исходный объем щелочи). Следовательно, для определения рН в точке полного обесцвечивания (после добавления 10,125 мл кислоты) нам необходимо пользоваться формулой (6), поскольку точка нейтрализации уже, очевидно, пройдена.
При подстановке в формулу (6) значения VHCl = 10,125 мл получим значение рН = 4,38
Результаты эксперимента
В результате расчетов с использованием данных, полученных при наблюдении за изменением цвета фенолфталеина в реакции нейтрализации, выявлено:
При титровании щелочи кислотой интервал значений рН от начала изменения цвета индикатора до его полного обесцвечивания составляет: 10,00 – 4,38 единиц по шкале рН.
Обсуждение результатов
Справочные данные для фенолфталеина говорят о том, что переход окраски от бесцветного к малиновому (или, наоборот, в зависимости от направления титрования) лежит в интервале от рН 8,3 (по некоторым данным – 8,2) до рН 10,0.
Наши экспериментальные данные показали бóльший интервал по шкале рН, чем справочник.
Попробуем разобраться, в чем тут дело.
Снова обратимся к видеозаписи нашего эксперимента. В соответствии с нашим расчетами по формулам (5) и (6), достижение значений рН=8,3 (окончание обесцвечивания по справочникам) и рН=7,0 (точка эквивалентности) должно происходить при добавлении следующего дополнительного объема титранта после контрольной точки (VдопHCl – объем кислоты добавленный после начала обесцвечивания на видео):
рН=8,3 _ VдопHCl = 0,294 мл (VHCl = 9,994 мл)
рН=7,0 _ VдопHCl = 0,3 мл (VHCl = 10,00 мл)
Таким образом, для достижения справочной величины окончания обесцвечивания (рН=8,3) начиная с контрольной точки (после добавления VHCl = 9,7 мл) необходимо добавить 0,294 мл или 0,294/0,05 = 5,88 ≈ 6 капель, а для достижения точки эквивалентности (рН=7,0) – 0,3 мл, или 0,3/0,05 = 6 капель.
Т.е. в данной системе титрования (0,005 н. щелочь титруется 0,01 н. кислотой) и точка обесцвечивания индикатора, и точка эквивалентности должны выявляться при добавлении в систему 6 капель титранта (кислоты) после начала обесцвечивания индикатора.
Теперь посмотрим, как это выглядит на видео https://youtu.be/cDWXerGN948:
За точку отсчета (начало обесцвечивания) взят момент, когда обесцвечивание стало нарастать стремительно, значительно быстрее, чем до этого. На видео этот момент зафиксирован отдельной врезкой START. Следует учитывать, что до этого момента система непрерывно разбавлялась и концентрация индикатора от начала титрования до контрольной точки упала в 1,5 раза, что хорошо заметно при просмотре полной версии титрования https://www.youtube.com/watch?v=CduNJOEZ3rE, где интенсивность окраски раствора непрерывно ослабевает. Точка окончания титрования (приближение к полному обесцвечиванию) на видео обозначена отдельной врезкой FINISH. При замедленном воспроизведении видно, что от начальной до конечной точки в систему добавлено 8-9 капель титранта (0,01 н. соляной кислоты).
В конец видео вынесен скриншот расчетной точки эквивалентности (рН~7.0).
На глаз разница между добавленными 6 и 9 каплями не очень велика, но она все же есть. Конечно, фиксация точки эквивалентности с использованием окрашивающих индикаторов всегда зависит от индивидуальных особенностей восприятия, но при определенном опыте можно добиться высокой степени точности и воспроизводимости результатов анализа.
Выводы
1. Экспериментально установленный интервал перехода окраски фенолфталеина по шкале рН отличается от справочных значений и требует дополнительной лабораторной проверки, включающей аппаратные измерения рН в ходе титрования и определения четких критериев изменения цвета.
2. При использовании индикатора фенолфталеина при кислотно-основном титровании следует иметь в виду, что точка эквивалентности (рН=7,0) достигается при наличии слабо-розовой окраски раствора. В иных случаях раствор является недотитрованным либо перетитрованным.
Дополнение