Кислотно основные индикаторы кратко

Обновлено: 05.07.2024

В титриметрическом методе анализа для определения конца титрования (точки эквивалентности) применяют индикаторы.

В методе кислотно-основного взаимодействия с этой целью используют такие вещества, окраска которых меняется в кислой и щелочной среде. Их называют кислотно-основные индикаторы или рН-индикаторы.

Кислотно-основные индикаторы представляют собой слабые органические кислоты или основания, протонированные и непротанированные формы которых различаются по структуре и окраске. Существуют одноцветные (например, фенолфталеин) и двуцветные (например, метиловый оранжевый) индикаторы. Окраска каждого из индикаторов изменяется в пределах определенного узкого интервала значений рН, его называют интервале значений рН, его называют интервале перехода окраски индикатора. Для двуцветных индикаторов он рассчитывается по формуле:

где К_и – константа диссоциации индикатора.

В пределах интервала перехода наиболее резко изменение индикатора наблюдается при определенном значении рН, которое называется показателем титрования и обозначается рТ. Величина рТ находится приблизительно в середине интервала перехода и фактически отождествляется м рК_и.

Выбирают индикатор для титрования так, чтобы интервал перехода окраски индикатора (или рТ) ближе всего совпадал бы с рН титруемого раствора в точке эквивалентности. Поэтому для правильного выбора индикатора необходимо проследить характер кривой титрования, величину скачка титрования и установить рН, соотвествующее точке эквивалентности.

Для сужения интервала перехода и получения более резкого перехода окраски применяют смешанные индикаторы, которые составляют из индикатора и красителя. При определенном значении рН цвет красителя является дополнительным к цвету индикатора. В результате в этой точке окраска будет серой, а переход от окрашенного раствора к серому – контрастным.

Так как в кислотно-основных титрованиях обычно в качестве титранта применяют либо сильную кислоту, либо сильное основание, при выборе индикатора для титрования кислот и оснований можно пользоваться следующими общими указаниями:

1. При титровании сильных кислот и оснований (~0,1 н.) можно применять любой индикатор с рН интервала перехода в пределах 4,3 – 9,7 (от метилового оранжевого до фенолфталеина). При титровании более концентрированных растворов, чем 0,1 н., можно применять любой индикатор с рН интервала перехода 3,3 – 10,7.

2. При титровании слабой кислоты сильным основанием конец титрования наблюдается в интервалах рН=7,74 – 10. В этих случаях можно использовать, например, индикаторы: феноловый красный, тимоловый голубой, фенолфталеин, тимолфталеин.

3. При титровании слабого основания сильной кислотой конец титрования наблюдается в интервале рН=6,26-4. В этих случаях применяют, например, индикаторы: п-нитрофенол, метиловый красный, метиловый оранжевый.

4. При титровании многоосновных кислот или многокислотных оснований нужно рассчитать значения рН для каждой точки эквивалентности и подобрать соответствующие индикаторы. Например, при титровании фосфорной кислоты первая точка эквивалентности соответствует рН=4,33; вторая – 9,57; третья – 12,72. Следовательно, для титрования до NaH₂PO₄ нужно применять метиловый оранжевый, до Na₂HPO₄ – фенолфталеин, до Na₃PO₄ – тимоловый голубой.

Наиболее широко применяемые в кислотно-основном титровании индикаторы и интервалы их перехода представлены далее.

Важнейшие кислотно-основные индикаторы

Редокс-индикаторы

Для определения конца титрования (точки эквивалентности) в редоксиметрии используют:

а) безиндикаторное титрование (при исчезновении или появлении окраски титранта или титруемого вещества);

б) специфические индикаторы;

в) окислительно-восстановительные (редокс-индикаторы).

Специфические индикаторы – это вещества, которые образуют интенсивно окрашенные соединения с одним из компонентов окислительно-восстановительной реакции. Например, при титровании йода используют специфический индикатор – крахмал, образующий темно-синее соединение с I - ₃-ионами. При титровании Fe(III) раствором соли Ti(III) в качестве индикатора используют роданид – ионы, которые образуют с Fe(III) комплексы, окрашенные в интенсивно-красный цвет; конечную точку титрования определяют по исчезновению окраски.

Окислительно-восстановительные редокс-индикаторы – это соединения, в основном, органические, способные к окислению и восстановлению, причем их окисленная и восстановленная формы имеют разную окраску. В качестве редокс – индикаторов применяют также комплексы органических лигандов с металлами, способными изменять степень окисления.

Для сопряженной редокс-пары: Ind_ox+ne↔Ind_Red

потенциал рассчитывают по уравнению Нернста (при 25 0 С):

где Е 0 -стандартный потенциал, В;

N – число отданных или принятых электронов;

[Ind_ox]–концентрация окисленной формы индикатора (моль/л)

[Ind_Red]-концентрация восстановленной формы индикатора (моль/л).

Приняв предельные соотношения окисленной и восстановленной форм индикатора, при которых заметна окраска одной из форм, равным 10:1 и 1:10, область перехода окраски можно охарактеризовать как область значений потенциала:

Так же, как и при кислотно-основном титровании, интервал перехода окраски индикатора должен лежать внутри скачка титрования. Например, для дихроматометрического определения Fe(II) в 0,1 М H₂SO₄ пригодны индикаторы, изменяющие окраску в интервале 0,85-1,25 В, в том числе широко известный дифениламин (Е 0 =0,76В) или дифениламинсульфокислота (Е 0 =0,85В).

Кислотно-основные индикаторы — органические соединения, способные изменять цвет в растворе при изменении кислотности (pH). Индикаторы широко используют в титровании в аналитической химии и биохимии. Их преимуществом является дешевизна, быстрота и наглядность исследования. Однако из-за субъективности определения цвета и невысокой точности индикаторы pH не всегда удобны; поэтому для точного измерения pH используют pH-метры с цифровой индикацией.

$K_s = < c(Ind^-) \cdot c(H_3O^+) \over c(HInd) ></p> <p>.$

Содержание

Формы применения индикаторов

Индикаторы обычно используют, добавляя несколько капель водного или спиртового раствора, либо немного порошка (например, смесь мурексида с хлоридом натрия) к пробе исследуемого раствора. Так, при титровании, в аликвоту исследуемого раствора добавляют индикатор, и наблюдают за изменениями цвета в точке эквивалентности.

Другой способ применения - использование полосок бумаги, пропитанных раствором индикатора или смеси индикаторов и высушенных (например, "Универсальный индикатор"). Такие полоски выпускают в самых разнообразных вариантах - с нанесенной на них цветной шкалой - эталоном цвета (в том числе для окрашенных или мутных сред), или с напечатанными числовыми значениями рН; для точного измерения в узких диапазонах рН, и для ориентировочного исследования растворов; в рулончиках, коробках и пеналах, или в виде отрывных книжечек.

Современные индикаторные полоски могут быть изготовлены с красителем - индикатором, привитым к целлюлозе или иному полимеру. Это делает их устойчивыми к вымыванию, вплоть до многократного использования.

Кислотно-основные индикаторы (водные растворы)

Интервалы перехода цвета индикаторов

На рисунке приведены ориентировочные данные о существовании разных цветных форм индикаторов в водных растворах.
Более точные сведения (несколько переходов, численное значение pH) см. в следующем разделе.

Таблица значений рН перехода наиболее распространённых индикаторов

Приведены распространённые в лабораторной практике кислотно-основные индикаторы в порядке возрастания значений pH [1] , вызывающих изменение окраски [2] . Римские цифры в квадратных скобках отвечают номеру перехода окраски (для индикаторов с несколькими точками перехода).

Универсальный индикатор

Природные индикаторы из растений

Антоцианы и другие растительные пигменты способны менять цвет в зависимости от рН среды (клеточного сока). Антоцианы имеют преимущественно красный цвет в кислой среде и синий в щелочной. Сок из красной капусты или столовой свёклы нередко используют в качестве индикатора при начальном обучении химии.

Метод кислотно-основное титрование базируется на реакциях взаимодействия между кислотами и основаниями, т. е. на реакции нейтрализации:

Рабочими растворами метода являются растворы сильных кислот (HCl, H2S, НNО3 и др.) или сильных оснований (NaOH, КОН, Ва(ОН)2 и др.). В зависимости от титрованного раствора (титранта) кислотно-основное титрование подразделяют на ацидиметрию, если титрантом является раствор кислоты, и алкалиметрию, если используют в качестве титранта раствор основания.

Согласно правилу эквивалентности титрование необходимо продолжать до тех пор, пока количество прибавленного реагента не станет эквивалентным содержанию определяемого вещества. Наступающий в процессе титрования момент, когда количecтвo вещества в растворе титранта становится строго эквивалентным количеству определяемого вещества согласно уравнению химической реакции, называют точкой эквивалентности.

Точку эквивалентности устанавливают различными способами. В методах ручного анализа преимущественно используют изменение окраски индикатора, добавляемого в титруемый раствор. Момент, при котором происходит наблюдаемое изменение цвета индикатора, называют конечной точкой титрования. Очень часто конечная точка титрования не совсем совпадает с точкой эквивалентности. Как правило, они отличаются друг от друга не более чем на 0,04 мл (2 капли) титранта. Это то количество вещества в растворе титранта, которое необходимо для взаимодейcтвия его с индикатором.

Если для приготовления растворов используют вещества, которые не являются стандартными, то проводят их стандартизацию. Например растворы кислот можно стандартизовать по стандартным веществам — натрия тетраборат Na2B4О7 ∙10Н2О, натрия карбонат Nа2СО3 ·10Н2О или по стандартным растворам NaOH, КОН; а растворы оснований — по щавелевой кислоте Н2С2О4 ∙2Н2О, янтарной кислоте Н2С4Н4О4 или по стандартным растворам HCl, H2SO4 , НNО3 .

Кривые кислотно-основного титрования выражают зависимость изменения рН раствора от объема добавленного титранта (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Кривая кислотно-щелочного титрования

В начале титрования рН изменяется очень медленно. Кривая (см. рис. 3.4) показывает, в частности, что если оттитровать половину имеющегося количества кислоты (50 мл), рН раствора изменится незначительно по сравнению с исходным, если оттитровать 90 % (90 мл), то и тогда уменьшение рН составит лишь одну единицу. С уменьшением концентрации оставшейся кислоты изменение рН при титровании становится более резким. Оттитровывание кислоты от 90 до 99 % вызывает изменение рН на три единицы. Также на единицу возрастает рН при оттитровывании от 99 до 99,9 %, т. е. на 0,9 %. Титрование остатка кислоты (0,1%) приводит к изменению рН на целых 3 единицы. Введение избытка в 0,1 % NaOH по сравнению с эквивалентным количеством вызывает изменение рН также на 3 единицы, и рН раствора становится равным 13,0.

Кривая титрования сильного основания сильной кислотой представляет собой зеркальное отображение кривой титрования сильной кислоты сильным основанием. При титровании сильной кислотой сильного основания и наоборот до точки эквивалентности рН раствора определяется концентрацией неоттитрованной щелочи или кислоты, а после точки эквивалентности — концентрацией добавленной кислоты или щелочи. В точке эквивалентности раствор нейтрален.

Скачок титрования — это резкое изменение рН в области точки эквивалентности. Факторы, влияющие на величину и положение скачка титрования (на величину скачка титрования влияют все факторы, от которых зависят значения рН):

● константа диссоциации титруемого вещества;
● концентрация титруемого вещества;
● концентрация титранта;
● температура;
● ионная сила.

Чем меньше концентрация титруемого вещества и титранта, тем меньше скачок. Практически невозможно оттитровать сильные протолиты концентрацией 10 –4 М, а слабые — концентрацией 10 –2 М. При изменении температуры сильно изменяется константа автопротолиза воды, входящая во многие формулы расчета рН. В результате при увеличении температуры скачок уменьшается и смещается в более кислую область. Ионная сила влияет незначительно.

В рассматриваемом случае расчет рН проводят по следующим формулам:

● Для сильной кислоты, например HCl, рН определяется концентрацией ионов водорода: [H+] = M кислоты.

● Для сильного основания, например КОН [H+] = 10 –14 / Mщелочи. Часто проводят титрование с использованием слабых электролитов.

При титровании слабой кислоты сильным основанием чем слабее кислота, тем больше значение рН в начале титрования. Следовательно, ветвь кривой титрования (рис. 3.5) до точки эквивалентности смещается в щелочную область. После достижения точки эквивалентности образуется сильное основание, следовательно, значение рН резко смещается в щелочную область. При дальнейшем титровании кривая изменяется незначительно.

В ходе титрования раствора уксусной кислоты сильным основанием значение pH все время остается выше, чем при тех же концентрациях соляной кислоты. В результате этого скачок на кривой начинается с более высокого значения рН. Заканчивается он, как и в первом случае, при рН = 10, так как титрование производят тем же раствором 0,1 моль/л NaOH.

Рис. 3.5. Ход титрования слабой кислоты сильным основанием

При титровании слабой кислоты сильным основанием pH раствора кислоты вычисляют с учетом ее константы диссоциации:

Интервал скачка рН на кривой титрования 0,1 мольл уксусной кислоты раствором 0,1 мольл NaOH значительно уже предыдущего случая. Он простирается от рН = 7,8 до рН = 10.

При титровании слабого основания сильной кислотой интервал скачка уменьшается в щелочной области рН. Рассчитывается рН в этом случае следующим образом:

При титрование слабой кислоты слабым основанием (или наоборот) сужение интервала скачка рН происходит и в кислотной, и в щелочной областях рН. Вследствие этого интервал скачка рН на кривой вовсе исчезает. Пример — нейтрализация раствора 0,1 моль/л СН3СООН раствором 0,1 моль/л NН4ОН. Кривая титрования не имеет скачка рН. Поэтому нельзя ожидать и резкого изменения окраски индикаторов. Титрование слабой кислоты слабым основанием вообще невозможно.

Индикаторы метода кислотно-основного титрования. Теории индикаторов

Индикаторы — вещества, которые резко реагируют на изменение концентрации определяемого компонента или титранта вблизи точки эквивалентности. В методах кислотно-основного титрования для определения конечной точки титрования используют кислотноосновные индикаторы (табл. 3.1). Это органические вещества, способные видимо и обратимо изменять свою окраску в растворе при изменении рН среды.

Кислотно-основные индикаторы изменяют свою окраску в области интервала перехода независимо от того, достигнута ли точка эквивалентности. Правильно выбранный индикатор изменяет окраску в области скачка титрования. У неправильно выбранного индикатора изменение окраски может происходить задолго до наступления точки эквивалентности или после нее.

Таблица 3.1 Характеристики кислотно-основных индикаторов

Выбирают индикатор с помощью кривой титрования. Для этого на график наносят интервал перехода индикатора. У правильно выбранного индикатора интервал перехода полностью или частично перекрывается скачком титрования. Если такого перекрывания нет, то индикатор для данного титрования не подходит. Значение рН, при котором заканчивается титрование с данным индикатором, называют показателем титрования и обозначают рТ. Показатель титрования находится обычно в середине интервала перехода индикатора. Существуют различные теории индикаторов, каждая из которых по-своему объясняет поведение кислотно-основных индикаторов в кислых и щелочных средах.

Ионная теория индикаторов. В связи с тем, что кислотно-основные индикаторы представляют собой слабые кислоты или слабые основания, любой индикатор диссоциирует в растворе согласно уравнению:

HInd = Н+ + Ind — (бесцветный — малиновый).

Окраска раствора, в котором индикатор находится в молекулярной форме (HInd), отличается от окраски раствора, в котором индикатор находится в ионной форме (Ind − ). Молекулы фенолфталеина HInd бесцветны, а его анионы Ind − окрашены в малиновый цвет. Достаточно к раствору, содержащему фенолфталеин, прибавить 1−2 капли щелочи, как введенные ОН – ионы станут связывать катионы Н+ с образованием слабого электролита — молекул воды. При этом равновесие диссоциации индикатора сместится вправо, и накопление анионов Ind − вызовет окрашивание раствора в малиновый цвет. То есть переход одной окраски, присущей молекулярной форме кислотно-основного индикатора, в другую, свойственную его ионной форме, происходит под влиянием Н+ или ОН − -ионов, т. е. зависит от рН раствора.

Хромофорная теория индикаторов. Поведение индикаторов, объясняемое ионной теорией индикаторов, дополняется хромофорной теорией, согласно которой изменение окраски индикаторов связано с изменением структуры их молекул, внутримолекулярной перегруппировкой, вызываемой действием Н+ или ОН − -ионов. По хромофорной теории в процессе изменения рН раствора меняется строение молекул кислотно-основных индикаторов. Это явление обусловливается бензоидно-хиноидной таутомерией. При изменении рН среды раствора или при диссоциации хромофоры могут перегруппировываться. Перемена окраски у индикаторов является результатом изменений в их внутреннем строении. У одноцветных индикаторов окраска изменяется в связи с появлением или исчезновением хромофоров. У двухцветных индикаторов эти изменения обусловлены превращением одних хромофоров в другие. Типичным одноцветным индикатором является фенолфталеин. При рН –4 , у лакмуса Кд = 10 –8 , а у фенолфталеина Кд = 10 –9 . Следовательно, фенолфталеин является наиболее слабой органической кислотой из этих индикаторов.

Изменение окраски индикаторов происходит при прибавлении к любому раствору любой кислоты или щелочи влечет за собой изменение концентрации ионов Н+ в нем, а следовательно, и величины рН. Перемена окраски у индикаторов также связана с изменением рН раствора. Однако каждый индикатор изменяет окраску только в определенном, характерном для него интервале значений рН. Объясняется это тем, что окраска индикатора зависит от соотношения концентраций его диссоциированной и недиссоциированной форм, т. е.

При рН = 7, [Н+] = 1 –7 , а [HInd] / [Ind−] = 10 –7 / 10 –9 , т. е. при рН = 7 на каждые 100 бесцветных молекул фенолфталеина приходится лишь один окрашенный ион, следовательно, раствор бесцветный.

Если к раствору фенолфталеина прибавить щелочь и довести рН раствора до 8, то соотношение [HInd] / [Ind−] = 10 –8 /10 –9 уменьшится в 10 раз и раствор станет бледно-розовым. При рН = 9 соотношение [HInd] / [Ind−] = 10 –9 /10 –9 = 1,0, т. е. в растворе присутствуют равные количества бесцветных молекул индикатора и окрашенных в красный цвет ионов, при этом раствор приобретает розовую окраску. Следовательно, цвет водного раствора индикатора определяется соотношением концентрации его молекулярной и ионной форм, отличающихся различной окраской, и зависит от [Н+].

Техника титрования

Правильное определение точки эквивалентности при титровании зависит не только от выбора индикатора, но и от порядка титрования. По методу нейтрализации титруют растворы кислот растворами оснований или наоборот. Этот порядок следует учитывать при выборе индикатора. Например, если титруют кислоту основанием и в качестве индикатора используют метиловый оранжевый (или метиловый красный), то розовая окраска индикатора от избыточной капли щелочи должна перейти в желтую.

Такое изменение окраски гораздо хуже улавливается глазом, чем переход ее из желтой в розовую. Поэтому с метиловым оранжевым (или метиловым красным) рекомендуют титровать растворы оснований растворами кислот. С фенолфталeином удобнее титровать растворы кислот растворами оснований, так как при этом бесцветный раствор становится малиновым.

Следует заметить, что при использовании индикаторов для фиксирования конечной точки титрования возможно появление индикаторной ошибки. Она образуется в случае несовпадения рН раствора в точке эквивалентности и рТ индикатора. Если такое несовпадение имеет место, то раствор обычно либо несколько перетитровывают, либо, наоборот, недотитровывают. Для уменьшения индикаторной ошибки титрование проводят с так называемым свидетелем. В запасную коническую колбу (или стакан) наливают дистиллированную воду в количестве, приблизительно равном объему жидкости, получающейся в конце титрования. Прибавляют к воде столько же капель индикатора, например метилового оранжевого, сколько и к титруемому раствору, и приливают из бюретки 1−2 капли кислоты, вызывающей слабое порозовение раствора. Приготовленный таким образом свидетель используют в качестве образца при титровании, добиваясь, чтобы окраска анализируемого раствора и свидетель была одинакова. С помощью свидетель вводят также поправку в результаты титрования на прибавленный избыток кислоты, т. е. из затраченного ее объема вычитают объем двух капель (0,04 мл), использованных на окрашивание индикатора в свидетель.

Правильное определение точки эквивалентности зависит от количества прибавленного индикатора. Иногда стараются прилить побольше индикатора, полагая, что большая интенсивность окраски раствора облегчит определение точки эквивалентности. Но чем больше прибавлено индикатора, тем труднее заметить изменение окраски, так как оно будет происходить медленнее. Для установления конечной точки титрования имеет значение не столько яркость окраски раствора, сколько четкость ее изменения. Опытным путем найдено, что на 10–15 мл анализируемого раствора следует брать одну каплю раствора индикатора, а на 25 мл — не более двух капель.

Таким образом, результат объемного определения зависит не только от выбора индикатора, но также от его взятого количества и от принятого порядка титрования.

где К_и – константа диссоциации индикатора.

Важнейшие кислотно-основные индикаторы

Редокс-индикаторы

Для определения конца титрования (точки эквивалентности) в редоксиметрии используют:

а) безиндикаторное титрование (при исчезновении или появлении окраски титранта или титруемого вещества);

б) специфические индикаторы;

в) окислительно-восстановительные (редокс-индикаторы).

Для сопряженной редокс-пары: Ind_ox+ne↔Ind_Red

потенциал рассчитывают по уравнению Нернста (при 25 0 С):

где Е 0 -стандартный потенциал, В;

N – число отданных или принятых электронов;

[Ind_ox]–концентрация окисленной формы индикатора (моль/л)

[Ind_Red]-концентрация восстановленной формы индикатора (моль/л).

Кислотно-основные индикаторы – органические соединения, растворимые в воде, которые меняют окраску при изменении кислотности водного раствора. Кислотно-основные индикаторы в основном применяются для опредления точки эквивалентности при ацидиметрическом титровании. При этом подбирают индикатор так, чтобы интервал перехода окраски индикатора лежал внути диапазона скачка pH в точке эквивалентности.

0.01% (50%-ный спирт с добавлением 1 мл 1 н. HCl на 100 мл раствора)

0.1% (а) 20%-ный спирт; б) вода с добавлением 4.3 мл 0.05 н. NaOH на 100 мг индикатора)

0.04; 0.05% (а) 20%-ный спирт; б) вода с добавлением 5.3 мл 0.05 н. NaOH на 10 мг индикатора)

0.1% (а) 20%-ный спирт; б) вода с добавлением 3.0 мл 0.05 н. NaOH на 100 мг индикатора)

0.04% (а) 20%-вый спирт; б) вода с добавлением 3.2 мл 0.05 н. NaOH на 100 мг индикатора)

0.1% (а) 20%-ный спирт; б)вода с добавлением 2.9 мл 0.05 н. NaOH на 100 мг индикатора)

0.1% (Вода (соответствующую киcлоту растворяюn в 70%-ном спирте))

0.1% (а) 20%-ный спирт; б)вода с добавлением 4.7 мл 0.05 н. NaOH на 100 мг индикатора)

0.1 и 0.04% (а) 20%-ный спирт; б) вода с добавлением 3.9 мл 0.05 н. NaOH на 100 мг индикатора)

0.1% (а) 20%-ный спирт; б) вода с добавлением 3.7 мл 0.05 н. NaOH на 100 мг индикатора)

0.05 и 0.1% (а) 20%-ный спирт; б) вода с добавлением 3.2 мл 0.05 н. NaOH на 100 мг индикатора)

0.1 и 0.05% (а) 20%-ный спирт; б) вода с добавлением 5.7 мл 0.05 н. NaOH на 100 мг индикатора)

0.1% (а) 50%-ный ширт; б) вода с добавлением 5.3 мл 0.05 н. NaOH на 100 мг индикатора)

Читайте также: