Какво е индикатор за киселинна основа?

Киселинно-основните индикатори са съединения или химикали, които проявяват значително различни цветове при различни стойности на рН . Въпреки че служат за показване на рН обхвата на разтвора с един поглед, те се използват главно в химическата лаборатория като средство за визуализиране на точката на еквивалентност по време на киселинно-алкално титруване или титруване.

Тези съединения винаги са слаби органични киселини или основи, които имат различен цвят, когато са протонирани (при ниско pH), отколкото когато са депротонирани (при високо pH). Те обикновено са монопротични или монобазични видове, което означава, че участват само в едно йонно равновесие и показват една единствена промяна на цвета.

Някои типични примери за индикатори на киселинна основа са фенолфталеин, метилово червено и тимолово синьо. Могат да се приготвят и домашни киселинно-алкални индикатори като екстракт от червено зеле (червено зеле). Това може да се направи, като просто сварите червено зеле във вода за няколко минути. Полученият разтвор ще представи серия от цветове при различно pH, вариращи от червено, лилаво, наситено зелено до жълто.

Концепцията за киселинно-базов индикатор е тясно свързана с киселинно-базовите титрувания и с две други свързани понятия, точката на еквивалентност и крайната точка . Разбирането за какво се отнася всеки от тях ще ви позволи да разберете по-добре какво представляват индикаторите за киселинна основа и за какво служат.

Киселинно-основни титрувания

Киселинно-базовите титрувания са аналитични техники, които химиците използват, за да определят концентрацията на киселина или основа (наречена аналит) в неизвестна проба . За да направите това, се взема аликвотна част от пробата за анализ и се добавя разтвор на основа или киселина с известна концентрация (наречена титрант ) капка по капка , докато аналитът се неутрализира напълно.

Точната точка, в която аналитът се неутрализира, се нарича точка на еквивалентност и обемът на титранта, необходим за достигане на тази точка, заедно с неговата концентрация позволяват да се определи концентрацията на аналита в пробата.

Проблемът с титруването е, че химикът-аналитик, който извършва титруването, няма начин да каже кога е достигната точката на еквивалентност. Киселинно-базовите индикатори добавят към аналита, тъй като претърпяват видима промяна на цвета при достигане или надвишаване на точката на еквивалентност.

Крайната точка спрямо точката на еквивалентност

Както бе споменато по-горе, индикаторите се използват предимно за показване или „указване“ на точката на еквивалентност по време на киселинно-алкално титруване. Въпреки това, в зависимост от константата на киселинност или основност на аналита, такава точка на еквивалентност ще се появи при различни стойности на pH и това pH рядко съвпада точно с pH, при което индикаторът променя цвета си. Въпреки това, промяната на цвета на индикатора е единствената референция, която химикът може да използва, за да разбере, че е време да спре титруването. Поради тази причина химиците наричат ​​точката, в която даден индикатор променя цвета си, „крайна точка“, за да я разграничат от истинската „точка на еквивалентност“, която търсят.

Идеалният киселинно-алкален индикатор е този, който показва силна промяна на цвета точно при pH на точката на еквивалентност на титруването. С други думи, това е тази, на която крайната точка съвпада точно с точката на еквивалентност. За съжаление, идеалният киселинно-алкален индикатор не съществува, но има различни индикатори, които имат различни диапазони на pH, при които те се обръщат или променят цвета си. Това обикновено е достатъчно, за да получите добро приближение на точката на еквивалентност, без да правите много голяма експериментална грешка.

Поради тази причина винаги, когато ще се извършва киселинно-алкално титруване, трябва да се започне с избор на индикатор, който променя цвета си възможно най-близо до pH на точката на еквивалентност на въпросния аналит.

Работа на индикаторите за киселинна основа

Киселинно-алкални индикатори са слаби киселини или основи, които участват в киселинно-алкално равновесие между тяхната протонирана киселинна форма и тяхната конюгирана основа или депротонирана форма. Тези, които са слаби киселини, са неутрални при киселинно pH и отрицателни при алкално pH, а обратното се случва с тези, които са слаби основи, тоест те са неутрални при алкално pH и положителни йони при киселинно pH.

За да разберем защо това се случва, нека разгледаме равновесието, в което участва киселинно-алкален индикатор. Реакцията може да бъде представена по следния начин:

Тук k _a представлява константата на киселинна дисоциация на индикатора.

Въз основа на принципите на Le Chatelier, когато концентрацията на H ⁺ йони е висока, тоест когато pH е ниско, това равновесие се измества наляво, тоест към протонираната форма HIn. В този случай виждаме цвета на HIn, защото това е видът, който присъства в най-голяма пропорция. Когато се случи обратното (при ниска концентрация на H ⁺ ), равновесието се измества към продуктите. В този случай най-разпространеният вид, чийто цвят виждаме с просто око, сега е In ^– .

Обикновено можем да различим единия или другия цвят, когато концентрацията на единия е повече от 10 пъти по-голяма от тази на другия.

Примери за киселинно-основни индикатори

Следващата таблица показва някои примери за киселинно-алкални индикатори, които обикновено се използват в химическата лаборатория, подредени според диапазона на рН, в който се случва промяната на цвета им.

Тези диапазони на pH могат да бъдат определени с помощта на константата на киселинността на индикатора и изчисляване на pH, при което [HIn]/[In ^– ]≥10 (когато има десет пъти повече HIn от In ^– ) и когато [HIn]/ [In ^– ]≤0,1 (когато има десет пъти повече In ^– отколкото HIn).

Как избирате правилния индикатор за киселинна основа?

Като цяло, ако планирате да титрувате до силна киселина или силна основа, може да се използва почти всеки индикатор, тъй като при такива титрувания pH се променя драстично от много кисело до много основно или от много основно до много кисело точно преди и след титруването точка на еквивалентност, която възниква точно при pH = 7.

От друга страна, ако титрувате слаба киселина или основа, трябва да започнете, като разгледате нейната киселинна константа, или по-точно pKa на аналита (pKa е минус от логаритъма на равновесната константа). Тази стойност представлява pH на разтвора на половината път до точката на еквивалентност и дава представа за pH, при което ще бъде достигната точката на еквивалентност. Тъй като пробата има неизвестна концентрация (тъй като титруването се извършва само за да се намери нейната концентрация), не можем точно да изчислим pH на точката на еквивалентност, но pKa ни дава обща представа къде се намира в pH скала рН.

По този начин подходящият индикатор ще бъде този, чийто обхват на рН за промяна на цвета е възможно най-центриран върху споменатия pKa.

Пример за избор на индикатор за киселинна основа

• При титруване на силни киселини или основи, чиято точка на еквивалентност се среща при pH=7, почти винаги се използва фенолфталеин, въпреки че променя цвета си между 8,3 и 10,0. Може да се избере и бромотимолово синьо или крезолово червено, чиито обороти са много по-близки до pH=7, но като цяло не е необходимо.
• Ако искате да титрувате слаба киселина с pKa 3,9 чрез добавяне на NaOH (която е силна основа), тогава можете да изберете метилово оранжево, тъй като променя цвета си между pH=3,1 и pH=4,4, или метилово червено, което се променя на малко по-алкално pH. Не забравяйте, че при pH = 3,9 (т.е. когато pH=pKa), точката на еквивалентност все още не е достигната, така че трябва да продължите да добавяте още NaOH, така че точката на еквивалентност ще бъде при по-високо pH от 3,9.