§ Х-7 Кислотно-основне титрування, водневий показник pH та індикатори (8–11 клас · Хімія)
Крива нейтралізації HCl + NaOH → NaCl + H₂O, точка еквівалентності та стрибок pH. Поблизу точки еквівалентності додавання однієї-єдиної краплі лугу змінює концентрацію йонів Гідрогену [H⁺] у десятки тисяч разів, спричиняючи різкий стрибок pH і зміну кольору індикатора.
Теоретичний конспект і фізико-хімічний механізм
Кислотно-основний стан водного розчину кількісно характеризується водневим показником pH = -log ₁₀[H₃O⁺]. Внаслідок автопротолізу води (2H₂O ⇄ H₃O⁺ + OH⁻) за 25 ^°C йонний добуток води є сталим: K_w = [H⁺][OH⁻] = 10⁻¹⁴ моль²/л², звідки pH + pOH = 14. У кислому середовищі [H⁺] > [OH⁻] і pH 7.
Під час титрування сильної одноосновної кислоти (HCl) сильним лугом (NaOH) відбувається екзотермічна реакція нейтралізації H⁺ + OH⁻ → H₂O (Δ H = -57.3 кДж/моль). Точка еквівалентності настає при додаванні об’єму титранту V_екв = (Cₐ Vₐ)/(C_b), коли кількості речовини кислоти і лугу зрівнюються (n(H⁺) = n(OH⁻)). Оскільки шкала pH є логарифмічною, поблизу V_екв додавання однієї краплі лугу (± 0.05 мл) викликає стрімкий вертикальний стрибок титрування від pH ≈ 4 до pH ≈ 10.
Для візуальної фіксації точки еквівалентності використовують кислотно-основні індикатори, слабкі органічні кислоти чи основи, чия протонована (HInd) і депротонована (Ind⁻) форми мають різне забарвлення. Зокрема, фенолфталеїн залишається безбарвним у кислих та нейтральних розчинах (pH < 8.2), а в інтервалі переходу pH ∈ [8.2, 10.0] перебудовує хіноїдне кільце і забарвлює розчин у характерний малиново-рожевий колір.
Приклад із життя
Титрування, це хімічний детектив із точністю до однієї краплі! Поки в колбі є хоч трохи вільної кислоти HCl, розчин залишається прозорим як вода, але щойно остання молекула кислоти нейтралізується лугом NaOH у точці еквівалентності, лише одна зайва крапля миттєво забарвлює всю колбу в яскраво-малиновий колір фенолфталеїну!
Контрольне запитання та розв’язання
Як обчислюється об’єм лугу V_NaOH у точці еквівалентності при титруванні одноосновної сильної кислоти HCl і чому фенолфталеїн змінює колір з безбарвного на малиновий саме на крутій ділянці стрибка титрування?
- А: У точці еквівалентності кількості речовини еквівалентів кислоти і лугу рівні (C_HClV_HCl = C_NaOHV_NaOH); поблизу цієї точки pH стрибкоподібно зростає від sim 4 до sim 10, перетинаючи інтервал переходу фенолфталеїну (pH 8.2–10.0)
- Б: Точка еквівалентності завжди настає при pH = 1.0, незалежно від об’єму доданого лугу
- В: Індикатор змінює колір лише тоді, коли розчин нагрівають до кипіння
Підказка: У точці еквівалентності кількість речовини доданого лугу зрівнюється з початковою кількістю кислоти: C_b V_екв = Cₐ Vₐ. Чому дорівнює pH розчину солі сильного лугу й сильної кислоти (NaCl) у чистій воді за 25 ^°C?
Доведення: Під час титрування сильної кислоти HCl сильним лугом NaOH до точки еквівалентності (V 9).
Основні формули та параметри 3D-симуляції
V_екв = (C_HCl V_HCl)/(C_NaOH), pH = 14 + lg ≤ft((C_NaOHV - C_HClV₀)/(V₀ + V) ) (V > V_екв)
- Доданий об’єм титранту V(NaOH) з бюретки: 0 … 40 мл (стандарт: 18 мл)
- Початкова концентрація кислоти C(HCl) (V₀ = 25 мл): 0.05 … 0.15 моль/л (стандарт: 0.1 моль/л)
- Молярна концентрація титранту C(NaOH): 0.05 … 0.15 моль/л (стандарт: 0.1 моль/л)
- Індикатор (1=Фенолфталеїн, 2=Бромтимоловий, 3=Метилоранж): 1 … 3 (стандарт: 1)