Области перехода окраски некоторых рН-индикаторов

Индикатор	Окраска кислотной формы	Окраска щелочной формы	Область перехода рН	рТ
Фенолфталеин	Бесцветная	Красная	8,0-10,0	9,0
Лакмус	Красная	Синяя	5,0-8,0	7,0
Метил-оранж	Розовая	Желтая	3,1-4,4	4,0
Метил-красный	Красная	Желтая	4,2-6,2	5,5

 

Такие цветные индикаторы должны проявлять свойства, положенные в основу соответствующей титриметрической реакции. Индикация растворов может проводиться как визуально, так и с использованием инструментальных методов. Если проба или титрант сами по себе окрашены, специальные индикаторы могут и не потребоваться.

Расчет концентрации исследуемого раствора, в соответствии с законом эквивалентов, проводят по формуле:

С _{экв 1} V ₁ = С _{экв 2} V ₂, (7)

где С _{экв 1} и С _{экв 2} – молярные концентрации эквивалента пробы и титранта, соответственно, моль экв/л; V ₁ – отмеренный объем пробы, л; V ₂ – объем титранта, израсходованный на титрование, л.

При определении концентраций кислот и оснований используют метод кислотно-основного титрования, в основе которого лежит реакция нейтрализации:

Н⁺ + ОН^- D Н₂О.

В кислотной среде концентрация ионов водорода Н⁺ больше концентрации гидроксид-ионов ОН^-, а в щелочной среде, наоборот, меньше. Для удобства характеристики среды используют понятие водородного показателя рН, численно равного отрицательному десятичному логарифму молярной концентрации ионов водорода в растворе:

рН = -lg . (8)

Поскольку в водных растворах произведение молярных концентраций ионов водорода и гидроксид-ионов:

× = ,(9)

называемое ионным произведением воды, – величина постоянная и при Т =298К = 10^-14, в нейтральной среде рН = 7, в кислотной рН < 7, в щелочной рН > 7.

Истинная точка эквивалентности кислотно-основного титрования соответствует равенству молярных концентраций ионов водорода Н⁺ и гидроксид-ионов ОН^-:

= .

Реакция нейтрализации не сопровождается видимыми изменениями, например, переменой окраски раствора. Поэтому для фиксирования точки эквивалентности используют органические красители, структура и окраска которых зависит от величины водородного показателя рН.

Как видно из табл.2, изменение окраски важнейших кислотно-основных индикаторов происходит внутри определенного узкого интервала значений рН растворов. Этот интервал зависит только от свойств данного индикатора, поэтому перемена окраски индикатора происходит, как правило, не строго в точке эквивалентности, а с известным отклонением от нее. То значение рН, при котором заканчивается титрование с данным индикатором, называется показателем титрования и обозначается рТ. Величина рТ соответствует одной из промежуточных окрасок индикатора и находится внутри области перехода.

Следует учитывать, что экспериментально наблюдаемая конечная точка титрования вследствие погрешностей измерений и наблюдений отличается от истинной точки эквивалентности, соответствующей стехиометрическим соотношениям реагирующих веществ. Очевидно, что от выбора индикатора зависит индикаторная ошибка титрования, величина которой может колебаться в широких пределах в зависимости от того, какой взят индикатор и какие кислота и основание реагируют между собой. Так, в случае титрования кислоты основанием, при рТ<7 (при 298К) имеет место недотитрованность, а при рТ>7 – перетитрованность. Относительная систематическая погрешность титрования:

100% (10),

где , и С ₀ – молярные концентрации ионов ОН^-, Н⁺ и титруемого вещества соответственно.

Например, при титровании 0,01 М раствора сильной кислоты раствором сильного основания в присутствии фенолфталеина (рТ=9) .

Вопросы для предварительной подготовки лабораторной работы

1. Что такое раствор? растворитель? растворенное вещество?

2. Какие способы выражения состава раствора вы знаете?

3. Что такое титриметрия? В чем заключается принцип титрования? Напишите выражение основной расчетной формулы определения концентрации методом титрования.

4. Что "показывает" водородный показатель рН?

5. На каком свойстве индикаторов основано их применение?

6. Что такое показатель титрования рТ? Каково его значение для индикаторов метилового оранжевого и фенолфталеина?

Практическая часть

Молярную концентрацию эквивалента исходного раствора кислоты (обычно 0,1 н.), а также концентрацию и объем (50 или 100 мл) конечного раствора указывает преподаватель. Определение концентрации осуществляется методом титрования стандартным (титрованным) раствором щелочи (NaOH или КОН). Титриметрической реакцией является реакция нейтрализации раствора кислоты раствором щелочи. Конечную точку титрования устанавливают по изменению окраски кислотно-основного индикатора (фенолфталеина или метилового оранжевого).

1. Порядок проведения работы

1. Рассчитайте объем (мл) исходного 0,1н. раствора серной кислоты, необходимый для приготовления 100 (или 50) мл раствора H₂SO₄ заданной преподавателем концентрации: 0,003н.; 0,004н.; 0,005н. и т.п. (см. пример 1).

2. Отмерьте необходимый объем исходного раствора кислоты с помощью мерной бюретки. Для этого определите начальный уровень исходного раствора кислоты в бюретке с точностью до 0,1 мл. (При определении уровня глаз наблюдателя и нижний край мениска жидкости должны находиться на одной горизонтальной плоскости.) Конечный уровень раствора в бюретке равен сумме начального значения и рассчитанного в п.1 объема кислоты.

3. Перенесите рассчитанный объем кислоты в колбу, имеющую метку объема 100 (или 50) мл. Для этого осторожно поверните кран бюретки или надавите на стеклянный шарик в резиновой трубочке.

4. Приливая дистиллированную воду, доведите объем раствора в колбе до 100 (или 50) мл.

5. Добавьте 2-3 капли индикатора фенолфталеина. Отметьте окраску раствора.

6. Определите уровень титранта (0,1н. раствора NaOH или КОН) в бюретке с точностью до 0,1 мл. Запишите начальный уровень титранта h _н.

7. Проводите титрование раствора кислоты, добавляя небольшими порциями раствор щелочи в колбу с кислотой. Раствор кислоты при этом непрерывно перемешивайте, держа горло колбы правой рукой. Кран (или зажим) бюретки открывайте левой рукой.

8. Конец титрования определите по появлению едва заметной, не исчезающей в течение 30 с, малиновой окраски фенолфталеина. (Окраску раствора удобнее наблюдать на белом фоне, поэтому подложите под колбу листок белой бумаги.) Отметьте и запишите конечный уровень титранта в бюретке h _к.

9. Добавьте еще одну каплю раствора щелочи. Если окраска раствора стала более заметной, значит, конечная точка титрования определена правильно.

10. Повторите действия п.п.2-9, заменив фенолфталеин другим индикатором – метиловым оранжевым. Конец титрования определите по соответствующему изменению окраски индикатора (см. табл.2).

2.Обработка результатов

1. По разности конечного h _к и начального h _н уровней жидкости в бюретке рассчитайте объем титранта V _щ, израсходованного на титрование в присутствии индикатора фенолфталеина.

2. Рассчитайте молярную концентрацию эквивалента приготовленного раствора кислоты С _{экв к} по формуле: С _{экв к} = , где V _к = 100 (или 50) мл, =0,1 моль экв/л.

3. Сравните заданное значение концентрации раствора кислоты С _экв,к,з и определенное методом титрования значение концентрации приготовленного раствора С_экв,к и рассчитайте суммарную погрешность титрования и приготовления раствора по формуле:

h=½ ½100%.

4. Проведите расчет концентрации раствора кислоты при титровании с другим индикатором (метиловым оранжевым), повторив п.п.1- 3.

5. Напишите уравнение титриметрической реакции в молекулярной форме. Исходные данные, результаты измерений и расчетов занесите в таблицу.

 

 

Таблица

Индикатор	V к, мл	С экв к, з, моль экв/л	С экв щ, моль экв/л	h н, мл	h к мл	V щ, мл	С экв,к, моль экв/л	h
фенолфталеин
Метил-оранжевый			0,1

 

6. Объясните, чем вызваны расхождения в величинах концентрации одного и того раствора, оттитрованного в присутствии разных индикаторов. При каких значениях рН раствора происходит изменение окраски использованных индикаторов? Какова относительная систематическая погрешность h _с титрования заданного раствора в каждом случае?

Примеры решения задач

Пример 1. Какой объем 0,1 н. раствора серной кислоты необходимо отмерить для приготовления 100 мл 0,02 н. раствора?

Решение. Т.к. количество молей эквивалентов H₂SO₄ в исходном и приготовленном растворах одинаково, то, в соответствии с законом эквивалентов (7), объем исходного раствора V ₁ = = =20 мл.

Пример 2. Какой объем 12%-ного раствора H₂SO₄ потребуется для приготовления 1 л 0,1н. раствора этой кислоты.

Решение. Масса серной кислоты в 1 л 0,1н. раствора составляет

= = 49×0,1×1=4,9 г. Такая масса H₂SO₄ содержится в 40,83 г 12%-ного раствора в соответствии с формулой (1): =40,83 г.

Плотность исходного раствора по данным табл.3 Приложения составляет r =1080,0 г/л. Следовательно, для приготовления 1 л 0,1н. раствора H₂SO₄ потребуется = =0,0378 л или 37,8 мл 12%-ного раствора.

Пример 3. Плотность водного раствора NaCl r = 1095,0 г/л. Определить массовую долю соли в растворе, рассчитать молярную долю NaCl, молярную концентрацию, молярную концентрацию эквивалента соли, моляльную концентрацию и массовую концентрацию раствора.

Решение. Для определения массовой доли соли в растворе используем данные табл.3 Приложения. Заданное значение плотности раствора NaCl в табл.3 отсутствует, поэтому применим метод интерполяции. Для этого используем ближайшие меньшее и большее значения плотностей и соответствующие им массовые доли раствора данной соли. Считая, что в указанных пределах зависимость между плотностью и массовой долей раствора линейная, рассчитаем массовую долю растворенного вещества w в растворе по пропорции (индекс б означает "большее", м - "меньшее"):

.

По данным табл.3 r _б=1100,9 г/л; w_б= 0,14; r _м=1085,7 г/л; w_м= 0,12. Соответственно:

.

Решая уравнение, получим w=0,132 (или 13,2%).

При расчете молярной доли соли в растворе и других концентраций удобно использовать следующие соотношения: масса раствора – 100 г, следовательно, масса растворенного вещества т = 13,2г, а масса воды (растворителя) m_s = 86,8 г = 0,0868 кг. В таком растворе число молей NaCl составит n _NaCl = =0,2256 моль, а число молей воды =4,8222 моль.

Следовательно, молярная доля NaCl в соответствии с уравнением (2), =0,045.

По уравнению (3) рассчитаем моляльную концентрацию:

С_m = =2,6 моль/кг.

Раствор массой 100 г занимает объем V = =0,0926 л, следовательно:

молярная концентрация по уравнению (4): С = =2,48моль/л,

молярная концентрация эквивалента по (5): С _экв= =2,48 моль экв/л,

массовая концентрация по (6): С _масс = =144,54 г/л.

Для расчетов можно использовать и соотношения табл.1 Приложения:

1) С= = 2,48 моль/л; 2) С _экв= Сz _экв=2,48×1= 2,48 моль экв/л;

3) С_m= = =2,6моль/кг;4) С _масс = w r =0,132×1095 =144,54 г/л.

Контрольные вопросы и задачи для защиты лабораторной работы

1–20. Рассчитать массовую долю, молярную концентрацию, молярную концентрацию эквивалента, моляльную концентрацию и массовую концентрацию раствора данного вещества, используя значение плотности данного раствора и соответствующие величины табл.3.

№	Раствор NaCl r, г/л	№	Раствор H2SO4 r, г/л	№	Раствор HCl r, г/л	№	Раствор CH3COOH r, г/л
	1010,0		1030,0		1015,0		1006,0
	1050,0		1050,0		1035,0		1010,0
	1080,0		1090,0		1055,0		1018,0
	1120,0		1190,0		1080,0		1025,0
	1170,0		1250,0		1125,0		1032,0

 

21–35. Рассчитать массу соли и объем воды, необходимые для приготовления 1 л раствора NaCl заданного состава w, используя величины табл.3

№	w	№	w	№	w
	0,01		0,08		0,18
	0,02		0,10		0,20
	0,03		0,12		0,22
	0,04		0,14		0,24
	0,06		0,16		0,26

 

36–55. Используя данные табл.3, рассчитать объем заданного раствора, необходимый для приготовления 1 л 0,1н. раствора кислоты H₂SO₄ или HCl:

№	Концентрация	№	Концентрация	№	Концентрация	№	Концентрация
	w=0,350		w=0,227		w=0,262		w=0,165
	w=0,326		w=0,201		w=0,243		w=0,145
	w=0,302		w=0,174		w=0,223		w=0,125
	w=0,277		w=0,147		w=0,204		w=0,105
	w=0,252		w=0,091		w=0,184		w=0,085

 

 

Таблица 3.

Плотности водных растворов некоторых веществ при 20^оС

NaCl	H2SO4	HCl	CH3COOH
w	r, г/л	w	r, г/л	w	r, г/л	w	r, г/л
0,01	1005,3	0,003	1000,0	0,004	1000,0	0,04	1004,1
0,02	1012,5	0,032	1020,0	0,024	1010,0	0,08	1009,8
0,04	1026,8	0,062	1040,0	0,044	1020,0	0,12	1015,4
0,06	1041,3	0,091	1060,0	0,064	1030,0	0,16	1020,8
0,08	1055,9	0,120	1080,0	0,085	1040,0	0,20	1026,1
0,10	1070,7	0,147	1100,0	0,105	1050,0	0,24	1031,2
0,12	1085,7	0,174	1120,0	0,125	1060,0	0,28	1036,0
0,14	1100,9	0,201	1140,0	0,145	1070,0	0,32	1040,5
0,16	1116,2	0,227	1160,0	0,165	1080,0	0,36	1044,8
0,18	1131,9	0,252	1180,0	0,184	1090,0	0,40	1048,8
0,20	1147,8	0,277	1200,0	0,204	1100,0	0,44	1052,5
0,22	1164,0	0,302	1220,0	0,223	1110,0	0,48	1055,9
0,24	1180,4	0,326	1240,0	0,243	1120,0	0,52	1059,0
0,26	1197,2	0,350	1260,0	0,262	1130,0	0,56	1061,8

 

Лабораторная работа № 3