Лабораторная работа № 4. Колориметрические методы определения рН растворов (2 часа)

Методы определения рН (концентрации водородных ионов) растворов и биологических жидкостей делятся на две группы:

1. колориметрические, или непрямые;

2. электрометрические, или прямые.

Более простыми и распространенными являются колориметрические методы определения рН, основанные на применении индикаторов.

Индикаторами называют вещества, изменяющие свою окраску в зависимости от рН среды, в которой они находятся.

Одна из наиболее ранних и простых теорий рассматривает индикаторы как слабые кислоты или основания, ионы которых имеют одну окраску, а недиссоциированные молекулы - другую. Кроме того, индикаторы могут изменять внутримолекулярную структуру, в результате чего происходит изменение окраски. Индикаторы бывают одноцветные (фенолфталеин, нитрофенолы) и двухцветные (метиловый красный, бромтимоловый синий и др.). Диссоциация индикатора - слабой кислоты происходит по уравнению:

HInd←H⁺+Ind^-

Если к раствору индикатора прибавить кислоту (повысить концентрацию ионов водорода), то, по закону действующих масс, положение равновесия сдвинется в сторону образования недиссоциированных молекул индикатора (НInd). В этом случае раствор примет окраску, свойственную молекулам индикатора.

При добавлении к раствору индикатора щелочи, вызывающей понижение концентрации водородных ионов, диссоциация индикатора - кислоты увеличивается и раствор принимает окраску, свойственную анионам (Ind^-) данного индикатора (положение равновесия сдвигается вправо).

Форма, в виде которой индикатор находится в кислоте, называется кислотной формой, а та, которую он приобретает при добавлении щелочи, - щелочной формой.

Применяя закон действующих масс к уравнению диссоциации индикатора, можно установить количественную зависимость между концентрацией водородных ионов и концентрациями обеих форм индикатора:

К=([H ⁺]*[Ind^-])/[HInd] (1)

откуда

[H⁺]=K [HInd]/[Ind^-] , (2)

где К - константа химического равновесия

Если концентрации Hind и Ind^- равны, т. е. степень диссоциации α = 0,5, то [Н⁺] = К, а следовательно, рН = рК, где рК - показатель константы диссоциации индикатора (- lg К).

рН среды, при котором индикатор диссоциирован наполовину, называется точкой перехода индикатора. В точке перехода индикатор имеет промежуточную окраску.

Область между двумя значениями рН, в пределах которой происходит заметное на глаз изменение окраски индикатора, называется зоной перехода окраски индикатора. Обычно она лежит в пределах двух единиц рН, т. е. на единицу выше и на единицу ниже точки перехода. Следовательно, рН = рК ± 1.

Таблица № 1

Таблица индикаторов

Наименование	Зона перехода	Цвет
		в кислоте	в щелочи
Метиловый желтый (парадиметиламиноазобензол)	2,9-4,0	Красный	Желтый
Конго красный	3,0-5,2	Сине-фиолетовый	Красный
Метиловый оранжевый	3,1-4,4	Малиновый	Желтый
Ализариновый красный (I переход)	3,7-5,2	Желтый	Сиренево-розовый
Метиловый красный	4,4-8,2	Красный	Желтый
Азолитмин (извлекается из лакмаса)	5,0-8,0	Красный	Синий
Бромкрезоловый пурпурный	5,2-6,8	Желтый	Фиолетово-красный
Нейтральный красный	6,8-8,0	Красный	Желтый
Бромтимоловый синий	6,0-7,6	Желтый	Синий
Ализариновый красный (II переход)	10,0-12,0	Сиренево-розовый	Бледно-желтый

Одноцветные

α-Динитрофенол	2,3-4,5	Бесцветный	Желтый
γ-Динитрофенол	4,0-5,4	Бесцветный	Желтый
π-Нитрофенол	5,2-7,0	Бесцветный	Желтый
м-Нитрофенол	6,8-8,4	Бесцветный	Желтый
Фенолфталеин	8,2-10,5	Бесцветный	Малиновый

За пределами зоны перехода индикатор практически не меняет своей окраски и непригоден для колориметрического определения рН.

Колориметрические методы определения рН делятся на две группы: 1) буферные, 2) безбуферные.

Буферный метод определения рН растворов

Принцип. Одинаковый объем индикатора добавляют к исследуемой жидкости и к стандартным буферным растворам с различными значениями рН и находят, в каком из буферных растворов индикатор имеет такую же окраску, как и в исследуемой жидкости. Совпадение окраски возможно только при одинаковой степени диссоциации индикатора в растворах, а следовательно, и при одинаковом значении рН.

Цель работы: познакомиться с колориметрическим методом определения реакции среды.

Экспериментальная часть

Приборы и реактивы: пробирки, пипетки, универсальный индикатор, прибор Михаэлиса.

Вначале готовим буферную шкалу сравнения: буферные смеси могут быть самыми разнообразными, здесь используем состав буферной смеси по Мак-Ильвену: рН = 2,2-8,0.

Таблица № 2

Буферная шкала сравнения по Мак-Ильвену

рН	0,2 н Na2HP04	0,2 н лимон.к-та	рН	0,2 н Na2HP04	0,2 н лимон.к-та
2,2	0,20	9,80	5,4	5,57	4,43
3,0	2,05	7,95	6,0	6,32	3,68
3,8	3,55	6,45	6,2	6,61	3,39
4,6	4,08	5,32	7,0	8,24	1,76
5,0	5,15	4,85	7,8	9,58	0,42

Буферную шкалу сравнения готовят путем смешивания 0,2 н раствора двузамещенного фосфата натрия и 0,2 н раствора лимонной кислоты. На каждой пробирке надписывают восковым карандашом соответствующее значение рН. После чего в каждую пробирку добавляют 3 капли соответствующего индикатора (см. табл. № 1), встряхивают.

Прежде чем приступить к определению рН исследуемого раствора, необходимо правильно выбрать индикатор. Для этой цели в пробирку наливают около 2 мл испытываемого раствора, добавляют туда 2 капли универсального индикатора, перемешивают и по таблице находят цвет, близкий к окраске испытываемого раствора.

Таблица № 3

Окраска универсального индикатора при различных рН раствора

рН раствора	окраска
2	красная
4	оранжевая
6	желтая
8	зеленая
10	синяя

На основании этого выбирают индикатор для точного нахождения рН по буферной шкале сравнения (см. табл. 4).

Инди­катор рН	Тимоловый синий	Метилоранж	Метиловый красный	Бромтимоловый синий	Феноловый красный
2,0	оранжевый
2,5	оранжевый желтый
3,0	желтый	красный
3,5		оранжевый красный
4,0		оранжевый	красный
4,5		желтый	оранжевый красный
5,0			оранжевый
5,5			оранжевый желтый
6,0			желтый	желтый
6,5			лимонный желтый	зеленый желтый
7,0				зеленый	желтый
7,5				зеленый синий	оранжевый
8,0				синий	оранжевый красный