Індикатори методу кислотно-основного титрування

Вимоги до індикаторів:

• колір індикатора повинен швидко змінюватися в невеликому інтервалі рН;

• зміна кольору повинна бути зворотною.

Для пояснення механізму хіміко-фізичних процесів, який викликає зміну кольору індикаторів, була запропонована іонна теорія індикаторів (В.Оствальд,1894 р.), заснована на теорії електролітичної дисоціації. Згідно з цією теорією індикатори методу кислотно-основного титрування поділяють на органічні кислоти та основи, в яких колір розчину з недисоційованими молекулами та колір розчину, в якому знаходяться іони, мають різне забарвлення. Так, якщо взяти лакмус, то у водних розчинах недисоційовані молекули мають червоний колір, а аніони – синій колір.

Реакцію дисоціації цієї сполуки можна виразити такою схемою:

HInd F H⁺ + Ind^-

^{червоний синій}

Молекули лакмусу в даному випадку грають роль донора протонів, і якщо до розчину додати 1-2 краплі розчину натрій гідроксиду, то ОН^--іони з'єднуються з Н⁺-іонами і утворюють молекулу води. Рівновага зміщується праворуч, і колір розчину стає синім внаслідок появи іонів Ind^-. При додаванні 1-2 крапель хлоридної кислоти рівновага зміщується в бік утворення HInd і розчин стає червоним. Якщо середовище нейтральне, то кількість HInd і Ind^- однакова, розчин фіолетовий.

Таким чином, одні індикатори можуть бути донорами протонів – це кислотні індикатори, а другі відіграють роль акцептора Н⁺-іонів – основні індикатори. Поведінку основного індикатора в кислому розчині можна виразити схемою:

IndОН + Н⁺ F Ind⁺ + Н₂О

Індикатори, які мають дві забарвлені форми, називаються двокольоровими (лакмус, метиловий оранжевий, метиловий червоний та ін.), а ті, що мають один колір (одну форму) – однокольоровими (фенолфталеїн).

Іонна теорія не дає повного уявлення про вплив будови органічних речовин на їх колір. Як відомо, колір органічних сполук залежить від наявності в цих молекулах особливих груп атомів, так званих «хромофорів». Так, наприклад, до хромофорів відноситься карбонільна група =С=О, нітрозогрупа О=N–, яка може переходити в нітрогрупу –NО₂, діазогрупа –N=N–, яка перетоврюється у гідразогрупу =N–NH–, бензенова група , яка переходить в хіноїдну .

Окрім хромофорних груп на колір речовин впливає наявність інших груп, які посилюють інтенсивність кольору перших. До цих груп атомів відноситься гідроксильна група –ОН, аміногрупа –NH₂, група –С₂Н₅ та ін. Такі групи називають ауксохромними.

Згідно хромофорної теорії індикаторів, внаслідок зміни рН розчину відбувається внутрішньомолекулярне перегрупування атомів, і як результат цього – зміна кольору розчину. Це перегрупування має зворотній ефект і носить назву – таутомерної ізомерії. Отже, індикатори можуть знаходитись у двох таутомерних формах і одна форма (в залежності від рН) може переходити у другу. Так, наприклад, для фенолфталеїну встановлюється рівновага між бензеновою та хіноїдною структурами:

Крім того, молекула індикатора містить дві гідроксильні і одну карбоксильну групи, які також можуть змінюватись. При введенні в розчин ОН^--іонів відбувається депротонізація і утворення хіноїдної структури та двох молекул води. При цьому рівновага зміщується праворуч і розчин індикатора набуває червоного кольору. При введенні Н⁺-іонів у розчині відбувається зворотній процес, і рівновага зміщується ліворуч, червоний колір поступово зникає. Тому індикатор фенолфталеїн відноситься до кислотних індикаторів.

Таким чином, можна вважати, що в розчинах індикаторів існує два типи рівноваги: дисоціація молекул і рівновага таутомерних форм. Тому, найбільш можливою є іонно-хромофорна теорія індикаторів, згідно якої зміна забарвлення індикаторів викликається приєднанням до молекули іонів Н⁺ або відривом іонів Н⁺, що, в свою чергу, веде до зміни структури молекули індикаторів, тобто дві теорії фактично з’єднуються в одну іонно-хромофорну.