Робочі розчини та індикатори кислотно-основного титрування

Робочими розчинами методу нейтралізації є розчини кислот і лугів. Найчастіше це хлоридна, сульфатна або нітратна кислоти, а також розчини натрій або калій гідроксиду.

Виготувати титровані робочі розчини кислот і лугів шляхом розчинення точної наважки відповідної чистої речовини в певному об’ємі води не можна, бо точна концентрація кислот звичайно невідома. Наприклад, хлоридна кислота легко втрачає хлороводень у вигляді газу, сульфатна кислота вбирає вологу з повітря, луги вбирають з повітря вуглекислий газ, і таким чином концентрації цих речовин змінюються, тому приготувати титровані розчини кислот чи лугів, виходячи з їх точної наважки, не можна.

Отже в методі нейтралізації робочі розчини готують приблизної концентрації, а потім встановлюють точну концентрації цих розчинів за допомогою вихідних речовин. Для встановлення концентрації розчинів сильних кислот найчастіше використовують буру, а для встановлення концентрації лугів – оксалатну (щавлеву) кислоту.

Бура (Na₂B₄О₇ × 10H₂O, М=381,42 г/моль). Під час взаємодії бури з кислотою відбувається реакція нейтраліза­ції:

Na₂B₄О₇ + 2НCl +5Н₂O = 4Н₃ВО₃ + 2NaCl.

Відповідно до рівняння еквівалентна маса бури становить:

.

Щоб приготувати 250 см³ 0,1н. розчину бури необхідно на аналітичних терезах зважити 4,7678 г перекристалізованої і висушеної на повітрі бури, перенести у стакан, розчинити в гарячій воді, а потім розчин перенести у мірну колбу на 250 см³. Стакан необхідно добре промити водою і цю воду також злити у колбу. Розчин у мірній колбі розводять, охолоджують до кімнатної температури, доводять до риски водою і перемішують. Приготований розчин бури використовують для встановлення концентрації робочого розчину кислот, які застосовуються для методу нейтралізації. Якщо маса наважки (g), яку зважили на терезах, відрізняється від 4,7678 г, то нормальність (С_Н) розчину бури, отриманого при розчинені цієї наважки, можна перерахувати за формулою: С_Н=g/4,7678 г × 0,1.

Для перекристалізації бури у 50 см³ води розчиняють при нагріванні до кипіння близько 23 г бури. Гарячий розчин фільтрують, збираючи у конічні колбі фільтрат. При охолодженні насиченого гарячого розчину з нього викристалізовується Na₂B₄О₇ × 10H₂O. Для прискорення кристалізації розчин безперервно перемішують. При повільному охолодженні утворюються великі кристали, які містять домішки і непридатні для установлення нормальності розчину.

Дрібний порошок Na₂B₄О₇ × 10H₂O відфільтровують, віджимають між двома листами фільтрувального паперу і висушують на повітрі. Висушування вважають завершеним, коли при перемішуванні дрібні кристали солі не прилипають до скляної палички. Сіль зберігають у скляній пляшці з притертою пробкою.

Для встановлення концентрації робочого розчину лугу, використовують оксалатну кислоту.

Оксалатна кислота (Н₂С₂О×2Н₂О, М = 126,07 г/моль) реагує з лугами за рівнянням реакції:

H₂C₂О₄ + 2NaOH = Na₂C₂O₄ + 2H₂O.

З рівняння видно, що.

Для встановлення концентрації робочого розчину лугу досить приготувати 250 см³ 0,1н. розчину оксалатної кислоти. Для цього на аналітичних терезах зважують 1,5706 г перекристалізованої і висушеної на повітрі оксалатної кислоти, переносять у мірну колбу на 250 см³, розчиняють в очищеній від вуглекислого газу воді (для чого воду попередньо кип’ятять), розводять до риски такою самою водою і добре перемішують.

Для встановлення робочої концентрації лугу відбирають 25 см³ оксалатної кислоти в конічну колбу і титрують лугом у присутності фенолфталеїну. Проводять 3-4 титрування та беруть середній результат для розрахунку концентрації лугу за формулою 8.1:

(8.1)

Для встановлення нормальності лугу можна також використати титрований розчин хлориднї кислоти. У цьому випадку концентрація розчину буде встановлена з меншою точністю, бо при роботі можуть скластися помилки одного знака, допущені при встановлені концентрації кислоти і лугу.

У методі нейтралізації розчин кислоти титрують розчином лугу або навпаки. Для встановлення кінця титрування (досягнення точки еквівалентності) використовують індикатори.

Найчастіше в кислотно-основному титру­ванні застосовують оборотні індикатори зі слабкокислотними власти­востями, у розчинах яких між молекулами HІnd та йонами Ind^– встановлюється рівновага:

НІnd Н⁺ +Ind^–.

Якщо до розчину, що містить індикатор, добавити кислоту, то, згідно з принципом Ле Шательє, рівновага зміститься ліво­руч і забарвлення розчину буде зумовлене кольором недисоційованих молекул індикатора. У лужному середовищі йони Н⁺ зв'язуються йонами ОН^– лугу, і рівновага зміщується право­руч, отже, колір розчину зумовлений забарвленням йонної форми індикатора, зокрема фенолфталеїну – малиновим; ме­тилоранжу – жовтим (таблиця 8.1).

Таблиця 8.1– Характеристика кислотно-основних індикаторів

Назва індикатору	Кд	Інтервал переходу	Забарвлення при різних значеннях рН середовища	рТ
рН<7	рН=7	рН>7
Метиловий оранжевий	1,8×10^-4	3,0 – 4,4	червоне	оранжеве	жовте	4,0
Метиловий червоний	10^–5	4,2 – 6,2	червоне	жовте	оранжеве	5,0
Лакмус	10^–7	5,0 – 8,0	червоне	фіолетове	синє	7,0
Фенолфталеїн	10^–9	8,2 – 10,0	безбарвне	малинове	рожеве	9,0
Тимолфталеїн	10^–10	9,4 – 10,6	безбарвне	синє	блакитне	10,0

Кожен індикатор характеризується певним інтервалом переходу, тобто проміжком рН, у межах якого змінюється його забарвлення. Наприклад, інтервал переходу метилового оранжевого знаходиться в межах рН = 3,0-4,4. Це означає, що при всіх значеннях рН<3,0 його забарвлення буде рожевим, а при рН > 4,4 – жовтим, а при рН між 3,0 і 4,4 – оранжевим.

У межах інтервалу переходу індикатору є значення рН, при якому спостерігається найбільш помітна зміна кольору індикатора. Це значення називають показником титрування індикатора і позначають рТ.

Кислотно-основні індикатори, залежно від константи дисоціації поділяють на сильні, проміжні та слабкі. Сильні індикатори характеризуються зміною свого забарвлення в кислому середовищі при рН<7, проміжні – змінюють своє забарвлення при рН@7, слабкі – при рН>7.

Умовою правильного визначення точки еквівалентності є те, щоб різниця значень рТ індикатора і рН розчину в точці еквівалентності була якнайменша. Показник титрування індикатора знаходять з довідника, а рН розчину в точці еквівалентності обчислюють за рівнянням реакції.

При титруванні сильної кислоти сильною основою в точці еквівалентності утворюється розчин сильної кислоти і сильної основи, який має нейтральну реакцію (рН=7). Найкращим індикатором у цьому випадку буде індикатор проміжної сили. Застосування сильних або слабких індикаторів також не призведе до великих помилок, тому що всі індикатори є слабкими кислотами або основами і для переведення їх в йонну чи молекулярну форму вистачить невеликого надлишку сильної кислоти або лугу. Отже, титрування сильних основ сильними кислотами можна здійснювати у присутності слабких, сильних і проміжних індикаторів. Однак індикатори з рТ менше 4 і більше 10 при титруванні використовувати не можна, тому що при цьому буде велика помилка титрування.

При титруванні слабких основ сильними кислотами треба використати сильні індикатори, тому що у точці еквівалентності утворюється сіль слабкої основи і сильної кислоти і рН буде <7. Щоб вибрати індикатор з потрібною величиною рТ, обчислюють рН розчину наприкінці титрування.

Приклад 1. Вибрати індикатор для титрування 0,1н розчину амоній гідроксиду, 0,1н розчином хлоридної кислоти.

NH₄OH + HCl=NH₄Cl + H₂O

У точці еквівалентності рН розчину виходячи з константи дисоціації солі, утвореної слабкою основою і сильною кислотою (NH₄Cl). Наприкінці титрування концентрація розчину амоній хлориду буде у 2 рази менше за початкову концентрацію амоній гідроксиду внаслідок розведення розчину під час титрування, і в нашому випадку складе 0,1н/2 = 0,05н.

За формулою для обчислення рН розчину солі слабкої основи і сильної кислоти pH = 7– ½ pK_b – ½ lgC_s знаходимо значення рН у точці еквівалентності: рН = 7–½×4,7 – ½lg0,05 = 5,35.

Таким чином, за таблицею 8.1 визначаємо, що для титрування амоній гідроксиду хлоридною кислотою найбільше підходить метиловий червоний з рТ=5,0.

Подібними розрахунками користуються і при інших визначеннях методом кислотно-основного титрування.

Приклад 2. Вибрати індикатор для титрування 0,1н розчину бури, 0,1н розчином хлоридної кислоти:

Na₂B₄О₇ + 2НCl +5Н₂O = 4Н₃ВО₃ + 2NaCl

рН у точці еквівалентності визначається константою дисоціації борної кислоти. Наприкінці титрування концентрація розчину борної кислоти буде дорівнювати початковій концентрації бури і складе 0,1н, так як з одного боку відбувається розведення розчину під час титрування у 2 рази, а з іншого число еквівалентів борної кислоти після реакції вдвічі більше від числа еквівалентів бури, що вступила в реакцію. За формулою для обчислення рН розчину слабкої кислоти рН=1/2рК_а–1/2 lgC_a знаходимо значення рН у точці еквівалентності: рН = ½×9,2 – ½lg0,1 = 5,1.

Таким чином, за таблицею 8.1 визначаємо, що для титрування бури хлоридною кислотою найбільше підходить метиловий червоний з рТ=5,0.

Приклад 3. Вибрати індикатор для титрування 0,1н розчину натрій гідроксиду, 0,1н розчином оксалатної кислоти:

H₂C₂О₄ + 2NaOH = Na₂C₂O₄ + 2H₂O

Наприкінці титрування концентрація розчину натрій оксалату буде у 2 рази менше за його початкову концентрацію внаслідок розведення розчину під час титрування, і складе 0,1н/2 = 0,05н.

За формулою для обчислення рН розчину солі сильної основи і слабкої кислоти рН = 7 + ½ pK_a + ½ lgC_s знаходимо значення рН у точці еквівалентності: рН = 7+½×4,2 + ½lg0,05 = 8,45.

За таблицею 8.1 визначаємо, що для титрування натрій гідроксиду оксалатною кислотою найбільше підходить фенолфталеїн (рТ=9,0).

Дата добавления: 2014-01-04