Кривые титрования. выбор индикатора

КИСЛОТНО-ОСНОВНОЕ ТИТРОВАНИЕ. СУЩНОСТЬ МЕТОДА И ЕГО ВОЗМОЖНОСТИ. ИНТЕРВАЛ ПЕРЕХОДА ОКРАСКИ КИСЛОТНО-ОСНОВНЫХ ИНДИКАТОРОВ. КРИВЫЕ ТИТРОВАНИЯ.

Метод кислотно-основного титрования основан на реакциях взаимодей­ствия между кислотами и основаниями, то есть на реакции нейтрализации:

Н ⁺ + ОН ^- ↔ Н₂О

Рабочими растворами метода являются растворы сильных кислот (HCl, H₂S, НNОз и др.) или сильных оснований (NaOH, КОН, Ва(ОН)₂ и др.). В зависимости от титранта метод кислотно-основного титрования подразде­ляют на ацидиметрию, если титрантом является раствор кислоты, и алкалиметрию, если титрантом является раствор основания.

Рабочие растворы в основном готовят как вторичные стандартные раство­ры, поскольку исходные для их приготовления вещества не являются стан­дaртными, а затем их стандартизуют по стандартным веществам или стандарт­ным растворам. Например: растворы кислот можно стандартизовать по стан­дартным веществам - натрия тетраборату Na₂B₄О₇ ∙10Н₂О, натрия карбонату 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.

Точка эквивалентности и конечная точка титрования. 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 стандартного раствора реагента (титранта) становится теоретически строго эквивалентным количеству определяемого вещества согласно опреде­ленному уравнению химической реакции, называют точкой эквивалентности.

Точку эквивалентности устанавливают различными способами, напри­мер по изменению окраски индикатора, приба-вляемого 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 0,02-0,04 мл (1-2 капли) титранта. Это то количество титранта, которое необходимо для взаимодей­cтвия с индикатором.

ИНДИКАТОРЫ В МЕТОДЕ КИСЛОТНО-ОСНОВНОГО ТИТРОВАНИЯ

В методах кислотно-основного титрования для определения конечной точки титрования используют кислотно-основные индикаторы. Кислотно-основные индикаторы - это органические вещества, способные видимо и обратимо изменять свою окраску в растворе при изменении рН среды. 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 ^-). Так, моле-кулы 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.

Переход одной окраски, присущей молекулярной форме кислотно-основного индикатора, в другую, свойственную его ионной форме, происходит под влиянием Н⁺ или ОН^--ионов, то есть зависит от рН раствора.

Хромофорная теория индикаторов. Поведение индикаторов, объясняемое ионной теорией индикаторов, дополняется хромо-форной теорией индикато­ров, 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 фенол-фталеин. При рН < 8 его молекулы не содержат хиноидной груп-пировки и поэтому бесцветны. Однако при добавлении раствора щелочи к раствору фенолфталеина (рН = 8) про­исходит перегруппировка атомов в молекуле с образованием хиноидной груп­пировки, которая обусловливает появление малиновой окраски раствора:

OН

C

OН

O═C─O

↕

O

C

O + 2 H₂О

O═C─O

Дальнейшее увеличение рН до 13-14 вызывает другую пере-группировку, в результате чего получается трехзамещенная соль, лишённая хиноидной груп­пировки и поэтому бесцветная:

OH

ONa

C

ONa

O═C─ONa

Вследствие этого фенолфталеин обесцвечивается при действии большого избытка щелочи, например, натрия гидроксида. Типичным двухцветным индикатором является метиловый оранжевый:

CH3)2N N═N SO3Na

При рН = 3,2...4,3 он оранжевый, при рН ≤ 3,1 приобретает красную, а при рН ≥ 4,4 - желтую окраску. Это объясняют присоединением ионов водорода кислоты к атому азота азогруппы индикатора, вследствие чего про­исходит смещение электронов по всей системе, сопровождающееся обра­зованием хиноидной структуры, которая обусловливает появление красной окраски раствора. Таким образом, при действии кислот наблюдают переход желтой окраски индикатора в красную, а при действии щелочей - обратное превращение:

(CH₃)₂N ═ ═N―N SO_{3 ОН}

н ↔

(CH₃)₂N N═N SO₃ + Н₂ О

Цветность органических соединений, согласно хромофорной теории, обу­словливается не только хиноидной структурой молекул, но и присутствием в них других хромофорных группировок (-N=N-, -N0­­_2­ , -NO, =С=С=, =С=О). При введении в молекулы органических веществ, содержащих хро­мофорные группы, ряда других групп - ауксохромов (-ОН, -NH₂ , -NHR, -NHR) происходит углубление цвета окрашенного вещества.

Ионно-хромофорная теория индикаторов. Согласно дополняющим друг друга ионной и хромофорной теориям, в раст-ворах кислотно-основных индикато­ров одновременно сосущест-вуют равновесия, обусловливаемые диссоциацией молекул, и равновесия, связанные с внутримолекулярными перегруппировка­ми (ионно-хромофорная теория). Для кислотно-основных индика-торов наи­более характерными факторами, вызывающими измене-ние окраски, являют­ся изменение соотношения количеств молеку-лярной и ионной форм индика­тора, происходящее под влиянием кислот и щелочей, и появление или исчезновение хромофорных групп или же превращение одних хромофорных групп в другие.

Способность молекул различных индикаторов диссоциировать в нейтраль­ной среде характеризуют константами диссоциации. Например, у метилового оранжевого К_a≈ 10 ^-4, у лакмуса К_a ≈ 10 ^-8, а у фенолфталеина К_a ≈ 10^-9. Следо­вательно, фенолфталеин является наиболее слабой органической кислотой из этих индикаторов.

Известно, что прибавление к любому раствору любой кислоты или щело­чи влечет за собой изменение концентрации ионов Н⁺ в нем, а следовательно, и величины рН. Перемена окраски у индика-торов 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 диссоци-ированной и недиссоциированной форм, то есть от отношения:

K_HInd=[H⁺][Ind-] / [HInd]

[Ind-] / [HInd] = K_HInd / [H⁺] или [HInd] / [Ind-] = [H⁺] / K_HInd .

Когда K_HInd = [Н⁺], то [Ind^-] / [HInd] = 1.

Если К_HInd / [Н⁺] > 1, то в растворе превалирует диссоцииро-ванная форма индикатора, а если К_HInd / [Н⁺] < 1, то превалирует недиссоциированная форма.

При одной и той же концентрации ионов водорода отношение К_HInd / [Н⁺]будет тем больше, чем больше К_HInd.

Для фенолфталеина К_HInd = [Н⁺] [Ind^-] / [HInd] ≈ 10^-9.

При рН = 7 [Н⁺] = 10 ^-7, а [HInd] / [Ind^-] = 10^-7 / 10^-9 _, то есть при рН = 7 на каж­дые 100 бесцветных молекул фенолфталеина приходится лишь 1 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. А при рН=9 соотношение [HInd] / [Ind^-] = 10^-9 / 10^-9 = 1, то есть в растворе присутствуют равные количества бесцветных молекул индикатора и окрашенных в красный цвет ионов и раствор приобретает розовую окраску.

Таким образом, переход­ная окраска индикатора появляется при рН среды, равном рК_HInd, но так как изменение цвета индикатора происходит постепенно, цвет недиссоциирован­ных молекул индикатора начинает маскироваться цветом ионов задолго до достижения соотношения [HInd] / [Ind^-] = 1.

Следовательно, цвет водного раствора индикатора определяется соотноше­нием концентрации его молекулярной и ионной форм, отличающихся различной окраской, и зависит от [Н⁺]. Величину рН, до которой титруют раствор с дан­ным индикатором, называют показателем титрования этого индикатора рТ.

Важнейшие индикаторы имеют следующие области перехода и показатели титрования:

Показатель титрования рТ Область перехода рН

Метиловый оранжевый…4,0…………… 3,1 - 4,4

Метиловый красный….. 5,5…………… 4,4 - 6,2

Лакмус……………… ……7,0…………… 5,0 - 8,0

Фенолфталеин……………9,0………….. 8,0 - 10,0

КРИВЫЕ ТИТРОВАНИЯ. ВЫБОР ИНДИКАТОРА

Кривая кислотно-основного титрования - это графическое изображение изменения рН раствора в ходе титрования.