Кислотно-основнОе титрование (методы нейтрализации)

В основе кислотно-основного титрования лежит соединение ионов Н⁺ и гидроксидионов ОН^– с образованием малодиссоциирующих молекул воды. Этим методом, пользуясь титрованными растворами щелочей, определяют количество или концентрацию кислот. С помощью растворов кислот находят концентрацию оснований. Метод пригоден также для определения протолитически кислых и щелочных солей.

Теоретическая часть

СУЩНОСТЬ КИСЛОТНО-ОСНОВНОГО ТИТРОВАНИЯ

Поскольку реакция нейтрализации не сопровождается каким-нибудь внешним эффектом, например, изменением окраски раствора, точку эквивалентности определяют с помощью индикаторов. Но обычно индикаторы изменяют окраску не строго в точке эквивалентности, а с некоторым отклонением от нее. Иначе говоря, конечная точка титрования не всегда совпадает с точкой эквивалентности, она только более или менее соответствует точке эквивалентности. Поэтому даже при правильном выборе индикатора допускается погрешность, называемая индикаторной ошибкой титрования. Неправильный выбор индикатора может исказить результаты анализа.

ИНДИКАТОРЫ КИСЛОТНО-ОСНОВНОГО ТИТРОВАНИЯ

Индикаторы – это слабые органические кислоты (или слабые основания), у которых недиссоциированные молекулы и образуемые ими ионы имеют различную окраску. Поэтому они носят общее название кислотно-основных индикаторов.

Индикаторы, обладающие свойством присоединять протоны, называют основными индикаторами и обозначают через IndОН, где Ind⁺ – катион индикатора. Такие индикаторы диссоциируют по схеме:

IndОН + H⁺  Ind⁺ + H₂O.

Индикаторы, обладающие свойством отдавать протоны, называют кислотными индикаторами и обозначают через НInd. Молекула такого индикатора играет роль донора протона, т.е. диссоцирует по схеме:

НInd  H⁺ + Ind^–.

Окраска недиссоциированных молекул и анионов некоторых индикаторов приведена в таблице 1.

Таблица 1.

Индикатор	Окраска молекул	Окраска ионов
Метиловый оранжевый	Красная	Желтая
Метиловый красный	Красная	Желтая
Лакмус	Красная	Синяя
Фенолфталеин	Бесцветная	Малиновая

Если упрощенно обозначить молекулы фенолфталеина через НInd, а анионы его – через Ind^–, то уравнение диссоциации будет иметь вид:

НInd  H+ + Ind–
бесцветна	малиновый

Достаточно к раствору, содержащему фенолфталеин, прибавить немного щелочи, как введенные ионы ОН^– станут связывать протоны с образованием малодиссоциирующих молекул воды. При этом равновесие диссоциации индикатора сместится вправо и накопление анионов Ind^– вызовет окрашивание раствора в малиновый цвет.

Наоборот, если к раствору фенолфталеина прилить несколько капель кислоты, то повышение концентрации протонов будет подавлять диссоциацию молекул индикатора. Равновесие сместится влево и раствор обесцветится. Аналогичным образом объясняют поведение лакмуса, молекулы которого окрашены в красный цвет, а анионы – в синий;

нейтральные растворы лакмуса имеют промежуточную фиолетовую окраску. Это подтверждает, что цвет водного раствора индикатора зависит от соотношения между его молекулярной и ионной формами.

Таким образом, окраска молекул индикаторов, обладающих кислотными свойствами, проявляется в кислой среде, а окраска аниона – в щелочной.

Прибавление к любому раствору кислоты или щелочи влечет за собой изменение концентрации ионов Н⁺ в нем, а следовательно, и 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. Так, если к раствору кислоты прибавить несколько капель фенолфталеина и постепенно нейтрализовать кислоту щелочью, то концентрация ионов Н⁺ станет постепенно уменьшаться, а рН раствора расти. Но индикатор останется бесцветным, как и до прибавления щелочи. Даже когда вся кислота будет нейтрализована и рН станет несколько больше 7, окраска раствора еще не изменится. Малиновое окрашивание фенолфталеина появится лишь при рН = 9. По мере дальнейшего прибавления щелочи интенсивность окраски раствора будет увеличиваться, но только до рН= 10. После этого окраска индикатора перестанет изменяться (рис. 1).

Рис. 1. Окраска фенолфталеина и метилового оранжевого при различных значениях рН.

Таким образом, интенсивность окраски фенолфталеина меняется в интервале рН от 8 до 10. Интервал значений рН, в пределах которого индикатор изменяет свою окраску, называют областью перехода. Область перехода метилового оранжевого (рис. 1) простирается от рН 4,4 до 3,1. Внутри этого интервала окраска индикатора переходит из желтой в розовую. При рН > 4,4 он сохраняет желтую окраску, а при рН < 3,1 – розовую.

В ходе титрования раствор приливают до отчетливого изменения окраски индикатора. Окраске индикатора, при которой заканчивают титрование, отвечает определенное значение рН, лежащее внутри области перехода. Значение рН, до которого титруют раствор е данным индикатором, называют показателем титрования этого индикатора.

Области перехода некоторых индикаторов приведены в табл. 2.

Таблица 2.

Индикатор	Область перехода (рН)
Метиловый оранжевый	3,1 – 4,4
Метиловый красный	4,4 – 6,2
Лакмус	5,0 – 8,0
Фенолфталеин	8,0 – 9,6

Следовательно, титрование с фенолфталеином заканчивают, когда раствор имеет щелочную реакцию с метиловым оранжевым и метиловым красным – при кислой среде раствора и только с лакмусом — в нейтральной среде. Таким образом, титрование с различными индикаторами прекращают при разных значениях рН, обычно не совпадающих с нейтральной точкой (с лакмусом титруют редко).

ПОРЯДОК ТИТРОВАНИЯ

Правильное определение конечной точки титрования зависит не только от выбора индикатора, но и от принятого в работе порядка титрования.

По методу нейтрализации титрование выполняют "от кислоты к щелочи", т.е. приливанием к кислоте щелочи из бюретки или, наоборот, "от щелочи к кислоте". При этом выбор индикатора не безразличен. Например, если, титруя "от кислоты к щелочи", воспользоваться метиловым оранжевым (или метиловым красным), то розовая окраска индикатора от избыточной капли щелочи должна перейти в желтую. Но такое изменение окраски гораздо хуже улавливается глазом, чем переход ее из желтой в розовую. Поэтому с метиловым оранжевым (или метиловым красным) титруют "от щелочи к кислоте". С фенолфталеином удобнее титровать "от кислоты к щелочи", так как при этом бесцветный раствор становится малиновым.

Иногда для лучшего определения конечной точки титруют 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, в данном случае метилового оранжевого, сколько их будет взято для титрования, 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 "свидетеля" была одинакова. С помощью "свидетеля" вводят также поправку в результаты титрования на прибавленный избыток кислоты, т.е. из затраченного объема ее вычитают объем двух капель, пошедших на окрашивание индикатора в "свидетеле".

Кроме того, правильное определение конечной точки титрования зависит от количества прибавленного индикатора. Иногда стараются прилить побольше индикатора, полагая, что большая интенсивность окраски раствора облегчит определение конечной точки титрования. Но чем больше прибавляется индикатора, тем труднее заметить изменение окраски, так как оно будет происходить медленнее. Для установления точки эквивалентности 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 индикатора, а на 25 мл – не более 2 капель.

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