3. Теорія індикаторів у методі нейтралізації. Короткі теоретичні відомості. Вибір індикаторів у методі нейтралізації
У методах нейтралізації для визначення кінця титрування використовують кислотно-основні індикатори. Колір індикатора залежить від концентрації у розчині іонів водню. За сучасною теорією індикатори методу нейтралізації є слабкими органічними кислотами або основами, молекулярна форма яких має інше забарвлення, ніж іонна форма.
Розглянемо індикатор, який є слабкою органічною кислотою. Спрощено молекулу індикатора можна позначити так: HInd. У розчині індикатор дисоціює:
HInd
H+
+ Ind‾
Кількісною характеристикою дисоціації індикатора є його константа дисоціації:
або:
Молекулярна форма індикатора має забарвлення, яке відрізняється від іонної форми індикатора. Припустимо, що іони індикатора забарвлюють розчин у жовтий колір, а молекули індикатора – у червоний колір. З рівняння дисоціації індикатора видно, що зміщення рівноваги між молекулярною та іонною формами індикатора може відбуватись при зміні концентрації іонів Н+ у розчині:
а) при зменшенні концентрації іонів Н+ рівновага зміщується так, що зростає концентрація іонів індикатора і зменшується концентрація молекул індикатора;
б) при збільшенні концентрації іонів Н+ зростає концентрація молекул індикатора і зменшується концентрація іонів індикатора.
Експериментально встановлено таку закономірність сприйняття кольору розчину, який містить два барвника, наприклад жовтий і червоний:
а) якщо концентрація жовтого барвника (іони індикатора) перевищує у десять і більше разів концентрацію червоного барвника (молекули), то людське око фіксує лише жовтий колір розчину:
(жовтий колір
розчину);
б) якщо концентрація жовтого барвника (іони індикатора) менша у десять і більше разів, ніж концентрація червоного барвника (молекули індикатора), то людське око фіксує лише червоний колір розчину:
(червоний колір
розчину);
в) якщо ж концентрація жовтого барвника (іони індикатора) відрізняється від концентрації червоного барвника (молекули індикатора) менше, ніж у десять разів, то людське око фіксує змішаний колір жовтого з червоним ― жовто-помаранчевий, помаранчевий, помаранчево-червоний:
(суміш
жовтого з червоним)
Отже
зміна забарвлення індикатора
спостерігається лише тоді, коли
співвідношення концентрацій іонної
форми індикатора і молекулярної форми
індикатора знаходиться в інтервалі
співвідношення від
до
.
Користуючись
формулою константи дисоціації виведемо
формулу, яка показує зв’язок між рН і
співвідношенням
.
Для цього прологарифмуємо ліву і праву
частину формули константи дисоціації:
.
Після простого перетворення одержуємо:
Відомо, що: –lg[H+] = pH, –lgKД = pK. Тоді:
Якщо
=
,
то
= 1, а
.
Якщо
=
,
то
= -1, а
.
Отже, інтервал рН розчину, в межах якого відбувається помітна для людського ока зміна забарвлення індикатора (від червоного до жовтого), визначається формулою:
рН = рК ± 1 |
Цей інтервал рН називають інтервалом переходу індикатора. Для переважної більшості індикаторів інтервал переходу лежить у межах двох одиниць рН.
У межах інтервалу переходу індикатора є значення рН, при якому спостерігається найбільш помітна для людського ока зміна кольору індикатора. Це значення рН називають показником титрування індикатора і позначають рТ. Різка зміна кольору відбувається, як правило, в той момент, коли концентрації іонної і молекулярної форм індикатора стають однаковими; тому показник титрування здебільшого збігається з величиною рК (від’ємним логарифмом константи дисоціації індикатора).
Для одержання достовірних результатів кількісного визначення правильно вибрати індикатор.
Розглянемо вибір індикаторів у різних випадках кислотно-основного титрування. Вибирають індикатор, який помітно для ока змінює забарвлення у межах стрибка титрування, а показник титрування (pT) індикатора максимально наближається до точки еквівалентності.