Индикаторы. Кислотно - основные индикаторы Окраска индикаторов в разных средах

Вещества, изменяющие окраску при изменении реакции среды, – индикаторы – чаще всего сложные органические соединения – слабые кислоты или слабые основания. Схематично состав индикаторов можно выразить формулами НInd или IndOH, где Ind – сложный органический анион или катион индикатора.

Практически индикаторы применяли давно, но первая попытка в объяснении их действия была сделана в 1894 году Оствальдом, создавшим так называемую ионную теорию. Согласно этой теории, недиссоциированные молекулы индикатора и его Ind–ионы имеют в растворе разную окраску, и окраска раствора изменяется в зависимости от положения равновесия диссоциации индикатора. Например, фенолфталеин (кислотный индикатор) имеет молекулы бесцветные, а анионы малиновые; метилоранж (основной индикатор) – желтые молекулы и красные катионы.

фенолфталеин метилоранж

HIndH + + Ind – IndOH
Ind + + OH –

бесцв. малинов. желт. красн.

Изменение в соответствии с принципом Ле-Шателье приводит к смещениию равновесия вправо или влево.

Согласно хромофорной теории (Ганч), появившейся позднее, изменение окраски индикаторов связано с обратимой перегруппировкой атомов в молекуле органического соединения. Такая обратимая перегруппировка в органической химии называется таутомерией. Если в результате таутомерного изменения строения в молекуле органического соединения появляются особые группировки, называемые хромофорами, то органическое вещество приобретает окраску. Хромофорами называются группы атомов, которые содержат одну или несколько кратных связей, вызывающие избирательное поглощение электромагнитных колебаний в УФ области. В роли хромофорных групп могут выступать группировки атомов и связей, как −N=N− , =С=S , −N=О, хиноидные структуры и т.д.

Когда таутомерное превращение ведет к изменению строения хромофора – окраска изменяется; если же после перегруппировки молекула не содержит более хромофора – окраска исчезнет.

Современные представления основывываются на ионно-хромофорной теории, согласно которой изменение окраски индикаторов обусловлено переходом из ионной формы в молекулярную, и наоборот, сопровождающегося изменением структуры индикаторов. Таким образом, один и тот же индикатор может существовать в двух формах с разным строением молекул, причем эти формы могут переходить одна в другую, и в растворе между ними устанавливается равновесие.

В качестве примера можно рассмотреть структурные изменения в молекулах типичных кислотно-основных индикаторов – фенолфталеина и метилового оранжевого под действием растворов щелочей и кислот (при различных значениях рН).

Реакция, в результате которой, благодаря таутомерной перестройке структуры молекулы фенолфталеина в ней возникает хромофорная группировка, обусловливающая появление окраски, протекает согласно следующему уравнению:

бесцветный бесцветный бесцветный

малиновый

Индикаторы, как слабые электролиты, имеют малые величины констант диссоциации. Например, К д фенолфталеина равна 2∙10 -10 и в нейтральных средах он находится преимущественно в виде своих молекул вследствие очень малой концентрации ионов, почему и остается бесцветным. При добавлении щелочи Н + -ионы фенолфталеина связываются, «стягиваются» с ОН – -ионами щелочи, образуя молекулы воды, и положение равновесия диссоциации индикатора смещается вправо – в сторону увеличения концентрации Ind – -ионов. В щелочной среде образуется двунатриевая соль, имеющая хиноидное строение, что вызывает окраску индикатора. Смещение равновесия между таутомерными формами происходит постепенно. Поэтому и цвет индикатора изменяется не сразу, а переходя через смешанную окраску к цвету анионов. При добавлении в этот же раствор кислоты одновременно с нейтрализацией щелочи – при достаточной концентрации Н + -ионов – положение равновесия диссоциации индикатора смещается влево, в сторону моляризации, раствор снова обесцвечивается.

Аналогично происходит изменение окраски метилоранжа: нейтральные молекулы метилоранжа придают раствору желтый цвет, который в результате протонирования переходит в красный, соответствующий хиноидной структуре. Этот переход наблюдается в интервале рН 4.4–3.1:

желтый красный

Таким образом, окраска индикаторов зависит от рН-среды. Интенсивность окраски таких индикаторов достаточно велика и хорошо заметна даже при введении небольшого количества индикатора, не способного существенно повлиять на рН раствора.

Раствор, содержащий индикатор, непрерывно изменяет свою окраску при изменении рН. Человеческий глаз, однако, не очень чувствителен к таким изменениям. Диапазон, в котором наблюдается изменение окраски индикатора, определяется физиологическими пределами восприятия цвета человеческим глазом. При нормальном зрении глаз способен различить присутствие одной окраски в смеси ее с другой окраской только при наличии как минимум некоторой пороговой плотности первой окраски: изменение окраски индикатора воспринимается только в той области, где имеется 5-10-кратный избыток одной формы по отношению к другой. Рассматривая в качестве примера HInd и характеризуя состояние равновесия

HInd
H + + Ind –

соответствующей константой

можно написать, что индикатор проявляет свою чисто кислотную окраску, обычно улавливаемую наблюдателем, при

а чисто щелочную окраску при

Внутри интервала, определяемого этими величинами, проявляется смешанная окраска индикатора.

Таким образом, глаз наблюдателя различает изменение окраски лишь при изменении реакции среды в интервале около 2-х единиц рН. Например, у фенолфталеина этот интервал рН от 8,2 до 10,5: при рН=8,2 глаз наблюдает начало появления розовой окраски, которая все усиливается до значения рН=10,5, а при рН=10,5 усиление красной окраски уже незаметно. Этот интервал значений рН, в котором глаз различает изменение окраски индикатора, называют интервалом перехода окраски индикатора. Для метилового оранжевого К Д = 1,65·10 -4 и рК = 3,8. Это означает, что при рН = 3,8 нейтральная и диссоциированные формы находятся в равновесии в приблизительно равных концентрациях.

Указанный диапазон рН величиной приблизительно в 2 единицы для различных индикаторов не приходится на одну и ту же область шкалы рН, так как его положение зависит от конкретного значения константы диссоциации каждого индикатора: чем более сильная кислота HInd , тем в более кислой области находится интервал перехода индикатора. В табл. 18 приведены интервалы перехода и цвета наиболее распространенных кислотно-основных индикаторов.

Для более точного определения значения pH растворов используют сложную смесь нескольких индикаторов, нанесенную на фильтровальную бумагу (так называемый "Универсальный индикатор Кольтгоффа"). Полоску индикаторной бумаги обмакивают в исследуемый раствор, кладут на белую непромокаемую подложку и быстро сравнивают окраску полоски с эталонной шкалой для pH.

Таблица 18.

Интервалы перехода и окраска в различных средах

наиболее распространенных кислотно-основных индикаторов

Название	Цвет индикатора в различных средах
Фенолфталеин	бесцветный	малиновый 8.0 < pH < 9.8	малиновый
		фиолетовый 5 < рН < 8
Метиловый оранжевый		оранжевый
		3.1< рН < 4.4
Метиловый фиолетовый		фиолетовый

Бромкрезоловый

Бромтимоловый

Тимоловый		2,5 < pH < 7,9

В кислой среде раствора рН < 7, в нейтральной среде рН = 7, в щелочной рН > 7. Чем меньше рН, тем больше кислотность раствора. При значениях рН > 7 говорят о щелочности раствора.

Существуют различные методы определения рН раствора. Качественно характер среды раствора определяют с помощью индикаторов. Индикаторы – вещества, которые обратимо изменяют свой цвет в зависимости от среды раствора. На практике чаще всего применяют лакмус, метиловый оранжевый, фенолфталеин и универсальный индикатор (табл. 2).

Таблица 2

Окраска индикаторов в различных средах растворов

Водородный показатель имеет очень важное значение для медицины, его отклонение от нормальных величин даже на 0,01 единицы свидетельствует о патологических процессах в организме. При нормальной кислотности желудочный сок имеет рН = 1,7; кровь человека имеет рН = 7,4; слюна – рН = 6,9.

Реакции ионного обмена и условия их протекания

Поскольку молекулы электролитов в растворах распадаются на ионы, то и реакции в растворах электролитов протекают между ионами. Реакции ионного обмена – это реакции между ионами, образовавшимися в результате диссоциации электролитов. Сущность таких реакций заключается в связывании ионов путем образования слабого электролита. Другими словами, реакция ионного обмена имеет смысл и протекает практически до конца, если в результате нее образуются слабые электролиты (осадок, газ, Н 2 О и др.). Если в растворе нет ионов, которые могут связываться между собой с образованием слабого электролита, то реакция обратима; уравнения таких реакций обмена не пишут.

При записи реакций ионного обмена используют молекулярную, полную ионную и сокращенную ионную формы. Пример записи реакции ионного обмена в трех формах:

K 2 SO 4 + BaCl 2 = BaSO 4 + 2KCl,

2K + + SO 4 2– + Ba 2+ + 2Cl – = BaSO 4 + 2K + + 2Cl – ,

Ba 2+ + SO 4 2– = BaSO 4 .

Правила составления уравнений ионных реакций

1. Формулы слабых электролитов записывают в молекулярном виде, сильных – в ионном.

2. Для реакции берут растворы веществ, поэтому даже малорастворимые вещества в случае реагентов записывают в виде ионов.

3. Если малорастворимое вещество образуется в результате реакции, то при записи ионного уравнения его считают нерастворимым.

4. Сумма зарядов ионов в левой части уравнения должна быть равна сумме зарядов ионов в правой части.

Тест по теме «Теория электролитической диссоциации. Реакции ионного обмена»

1. Реакция, которая происходит при растворении гидроксида магния в серной кислоте, описывается сокращенным ионным уравнением:

а) Mg 2+ + SO 4 2– = MgSO 4 ;

б) H + + OH – = H 2 O;

в) Mg(OH) 2 + 2H + = Mg 2+ + 2H 2 O;

г) Mg(OH) 2 + SO 4 2– = MgSO 4 + 2OH – .

2. В четырех сосудах содержится по одному литру 1М растворов перечисленных ниже веществ. В каком растворе содержится больше всего ионов?

а) Сульфат калия; б) гидроксид калия;

в) фосфорная кислота; г) этиловый спирт.

3. Степень диссоциации не зависит от:

а) объема раствора; б) природы электролита;

в) растворителя; г) концентрации.

4. Сокращенное ионное уравнение

Al 3+ + 3OH – = Al(OH) 3

соответствует взаимодействию:

а) хлорида алюминия с водой;

б) хлорида алюминия с гидроксидом калия;

в) алюминия с водой;

г) алюминия с гидроксидом калия.

5. Электролит, который не диссоциирует ступенчато, – это:

а) гидроксид магния; б) фосфорная кислота;

в) гидроксид калия; г) сульфат натрия.

6. Слабым электролитом является:

а) гидроксид бария;

б) гидроксид алюминия;

в) плавиковая кислота;

г) йодоводородная кислота.

7. Сумма коэффициентов в кратком ионном уравнении взаимодействия баритовой воды и углекислого газа равна:

а) 6; б) 4; в) 7; г) 8.

8. В растворе не могут находиться следующие пары веществ:

а) хлорид меди и гидроксид натрия;

б) хлорид калия и гидроксид натрия;

в) соляная кислота и гидроксид натрия;

г) серная кислота и хлорид бария.

9. Вещество, добавление которого к воде не изменит ее электропроводности, – это:

а) уксусная кислота; б) хлорид серебра;

в) серная кислота; г) хлорид калия.

10. Как будет выглядеть график зависимости накала электрической лампочки, включенной в цепь, от времени, если электроды погружены в раствор известковой воды, через который длительное время пропускают углекислый газ?

а) Линейное возрастание;

б) линейное убывание;

в) сначала убывание, затем возрастание;

г) сначала возрастание, затем убывание.

При проведении химического процесса чрезвычайно важно бывает проследить за условиями протекания реакции или установить достижение ее окончания. Иногда это удается наблюдать по некоторым внешним признакам: прекращению выделения пузырьков газа, изменению окраски раствора, выпадению осадка или, наоборот, переходу в раствор одного из компонентов реакции и т. п. В большинстве же случаев для определения окончания реакции пользуются реактивами вспомогательного действия, так называемыми индикаторами, которые вводят обычно в анализируемый раствор в небольших количествах.

Индикаторами называются химические соединения, способные изменять окраску раствора в зависимости от условий среды, не влияя при этом непосредственно на испытуемый раствор и на направление реакции. Так, кислотно-щелочные индикаторы изменяют окраску в зависимости от pH среды; окислительно-восстановительные индикаторы - от потенциала среды; адсорбционные индикаторы - от степени адсорбции и т. д.

Особенно широко применяют индикаторы в аналитической практике для титриметрического анализа. Они служат также важнейшим инструментом для контроля технологических процессов в химической, металлургической, текстильной, пищевой и других отраслях промышленности. В сельском хозяйстве при помощи индикаторов проводят анализ и классификацию почв, устанавливают характер удобрений и необходимое количество их для внесения в почву.

Различают кислотно-щелочные, флуоресцентные, окислительновосстановительные, адсорбционные и хемилюминесцентные индикаторы.

КИСЛОТНО-ЩЕЛОЧНЫЕ (PH) ИНДИКАТОРЫ

Как известно из теории электролитической диссоциации, растворенные в воде химические соединения диссоциируют на положительно заряженные ионы - катионы и отрицательно заряженные - анионы. Вода также диссоциирует в очень малой степени на ионы водорода, заряженные положительно, и ионы гидроксила, заряженные отрицательно:

Концентрацию водородных ионов в растворе обозначают символом .

Если концентрация водородных и гидроксильных ионов в растворе одинакова, то такие растворы нейтральны и pH = 7. При концентрации водородных ионов, соответствующей pH от 7 до 0, раствор кислый, если же концентрация гидроксильных ионов больше (pH = от 7 до 14), раствор щелочной.

Для измерения значения pH пользуются различными методами. Качественно же реакцию раствора можно определить с помощью специальных индикаторов, меняющих свою окраску в зависимости от концентрации водородных ионов. Такими индикаторами являются кислотно-щелочные индикаторы, которые реагируют на изменение pH среды.

Кислотно-щелочные индикаторы в подавляющем большинстве являются красителями или другими органическими соединениями, молекулы которых претерпевают структурные изменения в зависимости от реакции среды. Ими пользуются в титриметрическом анализе при реакциях нейтрализации, а также для колориметрического определения pH.

Индикатор	Интервал pH перехода окраски	Изменение окраски
Метиловый фиолетовый	0,13-3,2	Желтая - фиолетовая
Тимоловый синий	1,2-2,8	Красная - желтая
Тропеолин 00	1,4-3,2	Красная - желтая
- Динитрофенол	2,4-4,0	Бесцветная - желтая
Метиловый оранжевый	3,1-4,4	Красная - желтая
Нафтиловый красный	4,0-5,0	Красная - оранжевая
Метиловый красный	4,2-6,2	Красная - желтая
Бромтимоловый синий	6,0-7,6	Желтая - синяя
Феноловый красный	6,8-8,4	Желтая - красная
Метакрезоловый пурпуровый	7,4-9,0	Желтая - фиолетовая
Тимоловый синий	8,0-9,6	Желтая - синяя
Фенолфталеин	8,2-10,0	Бесцветная - красная
Тимолфталеин	9,4-10,6	Бесцветная - синяя
Ализариновый желтый Р	10,0-12,0	Бледно-желтая - красно-оранжевая
Тропеолин 0	11,0-13,0	Желтая - срзнжевая
Малахитовый зеленый	11,6-13,6	Зеленовато-голубая - бесцветная

Если необходимо повысить точность измерения pH, то пользуются смешанными индикаторами. Для этого подбирают два индикатора с близкими интервалами pH перехода окраски, имеющими в этом интервале дополнительные цвета. При помощи такого смешанного индикатора можно проводить определения с точностью до 0,2 единицы pH.

Широко пользуются также универсальными индикаторами, способными многократно изменять окраску в широком диапазоне значений pH. Хотя точность определения такими индикаторами не превышает 1,0 единицы pH, зато они позволяют вести определения в широком интервале pH: от 1,0 до 10,0. Универсальные индикаторы обычно представляют собой комбинацию из четырех - семи двухцветных или одноцветных индикаторов с различными интервалами pH перехода окраски, составленную таким образом, чтобы при изменении pH среды происходило заметное изменение окраски.

Например, выпускаемый промышленностью универсальный индикатор РКС - смесь семи индикаторов: бромкрезолового пурпурового, бромкрезолового зеленого, метилового оранжевого, тро-пеолина 00, фенолфталеина, тимолового синего и бромтимолового синего.

Этот индикатор в зависимости от pH имеет следующую окраску: при pH = 1 - малиновую, pH = 2 - розовато-оранжевую, pH =3 - оранжевую, pH = 4 - желто-оранжевую, pH =5 желтую, pH = 6 - зеленовато-желтую, pH = 7 - желто-зеленую,. РН = 8 - зеленую, pH = 9 - сине-зеленую, pH = 10 - серовато-синюю.

Индивидуальные, смешанные и универсальные кислотно-щелочные индикаторы обычно растворяют в этиловом спирте и по нескольку капель добавляют в испытуемый раствор. По изменению окраски раствора судят о значении pH. Кроме спирторастворимых индикаторов, выпускаются также водорастворимые формы, представляющие собой аммонийные или натриевые соли этих индикаторов.

Во многих случаях удобнее пользоваться не растворами индикаторов, а индикаторными бумажками. Последние готовят следующим образом: фильтровальную бумагу пропускают через стандартный раствор индикатора, отжимают бумагу от избыточного раствора, высушивают, разрезают на узкие полоски и брошюруют в книжечки. Для проведения испытания индикаторную бумажку опускают в испытуемый раствор или одну каплю раствора помещают на полоску индикаторной бумажки и наблюдают изменение ее окраски.

ФЛУОРЕСЦЕНТНЫЕ ИНДИКАТОРЫ

Некоторые химические соединения при воздействии на них ультрафиолетовых лучей обладают способностью при определенном значении pH вызывать флуоресценцию раствора или изменять ее цвет или оттенок.

Этим свойством пользуются для кислотно-щелочного титрования масел, мутных и сильно окрашенных растворов, поскольку обычные индикаторы для этих целей непригодны.

Работу с флуоресцентными индикаторами проводят при освещении исследуемого раствора ультрафиолетовым светом.

Индикатор	Интервал pH изменения флуоресценции (в ультрафиолетовом свете)	Изменение цвета флуоресценции
4-Этоксиакридон	1,4-3,2	Зеленый - синий
2-Нафтиламин	2,8-4,4	Нарастание фиолетовой флуоресценции
Диметнлнафтэйродин	3,2-3,8	Лиловый - оранжевый
1-Нафтиламнн	3,4-4,8	Нарастание синей флуоресценции
Акридин	4,8-6,6	Зеленый - фиолетовый
3,6-Диоксифталимид	6,0-8,0	Желто-зеленый - желтый
2,3-Дициангидрохинон	6,8-8,8	Синий - зеленый
Эухризин	8,4-10,4	Оранжевый - зеленый
1,5-Нафтиламинсульфамид	9,5-13,0	Желтый - зеленый
СС-кислота (1,8-аминонафтол 2,4-дисульфокислота)	10,0-12,0	Фиолетовый - зеленый

ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ ИНДИКАТОРЫ

Окислительно-восстановительные индикаторы - химические соединения, изменяющие окраску раствора в зависимости от значения окислительно-восстановительного потенциала. Они применяются в титриметрических методах анализа, а также в биологических исследованиях для колориметрического определения окислительно-восстановительного потенциала.

Индикатор	Нормальный окислительно-восстановительный потенциал (при рН=7), В	Окраска раствора
		Окраска раствора
		окислительная форма	восстановленная форма
Нейтральный красный	-0,330	Красно-фиолетовая	Бесцветная
Сафранин Т	-0,289	Коричневая	Бесцветная
Индигомоносульфонат калия	-0,160	Синяя	Бесцветная
Индигодисульфонат калия	-0,125	Синяя	Бесцветная
Индиготрисульфонат калия	-0,081	Синяя	Бесцветная
Инднготетрасульфонат калия	-0,046	Синяя	Бесцветная
Толуидиновый голубой	+0,007	Синяя	Бесцветная
Тнонин	+0,06	Фиолетовая	Бесцветная
о-Крезолиндофенолят натрия	+0,195	Красновато-синяя	Бесцветная
2,6-Днхлорфенолиндофенолят натрия	+0,217	Красновато-синяя	Бесцветная
м-Бромфенолиндофенолят натрия	+0,248	Красновато-синяя	Бесцветная
Дифеинлбензидин	+0,76 (кислый раствор)	Фиолетовая	Бесцветная

АДСОРБЦИОННЫЕ ИНДИКАТОРЫ

Адсорбционные индикаторы - вещества, в присутствии которых происходит изменение цвета осадка, образующегося при титровании методом осаждения. Изменять цвет осадка при определенном значении pH способны многие кислотно-щелочные индикаторы, некоторые красители и другие химические соединения, что делает их пригодными для использования в качестве адсорбционных индикаторов.

Индикатор	Определяемый ион	Ион осадитель	Изменение окраски
Ализариновый красный С			Желтая - розово-красная
Бромфеноловый синий			Желтая - зеленая
			Сиреневая - желтая
			Фиолетовая - сине-зеленая
Дифенилкарбазид	, ,		Бесцветная - фиолетовая
Конго красный	, ,		Красная - синяя
			Синяя - красная
Флуоресцеин	,		Желто-зеленая - розовая
Эозин	,		Желто-красная - красно фиолетовая
Эритрозин			Красно-желтая - темно красная

ХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ИНДИКАТОРЫ

К этой группе индикаторов относятся вещества, способные при определенных значениях pH высвечивать видимым светом. Хемилюминесцентными индикаторами удобно пользоваться при работе с темными жидкостями, поскольку в данном случае в конечной точке титрования возникает свечение.

ИНДИКАТОРЫ (позднелат. indicator - указатель), хим. в-ва, изменяющие окраску, люминесценцию или образующие осадок при изменении концентрации к.-л. компонента в р-ре. Указывают на определенное состояние системы или на момент достижения этого состояния. Различают индикаторы обратимые и необратимые. Изменение окраски первых при изменении состояния системы (напр., фенолфталеина при изменении рН среды) м. б. повторено многократно. Необратимые индикаторы подвергаются необратимым хим. превращениям, напр., азосоединения при окислении ионами BrO 3 - разрушаются. Индикаторы, к-рые вводят в исследуемый р-р, наз. внутренними, в отличие от внешних, р-цию с к-рыми проводят вне анализируемой смеси. В последнем случае одну или неск. капель анализируемого р-ра помещают на бумажку, пропитанную индикатором, или смешивают их на белой фарфоровой пластинке с каплей индикатора. И ндикаторы применяют чаще всего для установления конца к.-л. хим. р-ции, гл. обр. конечной точки титрования (к. т. т.). В соответствии с титриметрич. методами различают кислотно-основные, адсорбц., окислит.-восстановит. и комплексонометрич. индикаторы. представляют собой р-римые орг соед., к-рые меняют свой цвет или люминесценцию в зависимости от концентрации ионов Н + (рН среды). Примен. для установления конца р-ции между к-тами и основаниями (в т. ч. при кислотно-основном титровании) или др. р-ций, если в них участвуют ионы Н + , а также для колориметрич. определения рН водных р-ров. Наиб. важные кислотно-основные индикаторы приведены в табл. 1. Причина изменения цвета индикаторов в том, что присоединение или отдача протонов его молекулами связаны с заменой одних хромофорных групп другими или с появлением новых хромофорных групп. Если индикатор слабая к-та HIn, то в водном р-ре имеет место равновесие : HIn + Н 2 О D In - + Н 3 О + . Если индикатор - слабое основание In, то: In + H 2 O D HIn + + ОН - . В общем виде можно записать: In a + Н 2 О D In b + Н 3 О + , где In a и In b - соотв. кислая и основная формы индикатора, к-рые окрашены различно. Константа равновесия этого процесса К ln = / наз. константой индикатора. Цвет р-ра зависит от соотношения /, к-рое определяется рН р-ра.

Считают, что цвет одной формы индикатора заметен, если ее концентрация в 10 раз превышает концентрацию др. формы, т.е. если отношение / = /K ln равно 0,1 или 10. Изменение цвета индикатора отмечается в области рН = рК lп b 1, к-рый наз. интервалом перехода индикатора. Изменение наиб. отчетливо, когда = и К ln = [Н 3 О] + , т.е. при рН = рК ln . Значение рН, при к-ром обычно заканчивается титрование , наз. показателем титрования рТ. Индикаторы для титрования подбирают таким образом, чтобы интервал перехода окраски включал значение рН, какое должен иметь р-р в точке эквивалентности. Часто это значение рН не совпадает с рТ используемого индикатора, что приводит к т. наз. индикаторной ошибке. Если в к. т. т. остается избыток неоттитрованного слабого основания или к-ты, ошибка наз. соотв. основной или кислотной. Чувствительность индикатора - концентрация (в моль /л) определяемого иона (в данном случае Н + или ОН - ) в точке наиб. резкого перехода окраски. Различают: чувствительные к к-там индикаторы с интервалом перехода в области щелочных значений рН (напр., фенолфталеин , тимолфталеин); чувствительные к основаниям индикаторы с интервалом перехода в кислой области (как у диметилового желтого, метилового оранжевого и др.); нейтральные индикаторы, интервал перехода к-рых находится ок. рН 7 (нейтральный красный, феноловый красный и др.). И ндикаторы бывают с одной или двумя окрашенными формами; такие индикаторы наз. соотв. одноцветными и двухцветными. Наиб. четкое изменение окраски наблюдалось бы у тех индикаторов, кислотная и основная формы к-рых окрашены в дополнит. цвета. Однако таких индикаторов не существует. Поэтому, добавляя краситель , изменяют соответствующим образом окраски обеих форм. Так, у метилового красного переход от красного к желтому происходит в интервале 2 единиц рН, а если к р-ру добавить метиленовый синий , то переход окраски от красно-фиолетовой к зеленой наблюдается резко и отчетливо при рН 5,3. Подобного эффекта можно добиться, если использовать смесь двух индикаторов, цвета к-рых дополняют дру. друга. Такие индикаторы наз. смешанными (табл. 2).

Смеси индикаторов, к-рые непрерывно изменяют свой цвет во всей области значений рН от 1 до 14, наз. универсальными. Их используют для приблизит. оценки рН р-ров. На изменение окраски индикатора оказывают влияние его концентрации . Для двухцветных индикаторов чем выше концентрация , тем изменение окраски менее резко, т.к. спектры поглощения обеих форм накладываются друг на друга в большей степени и становится труднее определить изменение окраски. Обычно используют одно и то же минимальное (неск. капель р-ра) кол-во индикатора. Интервал перехода многих индикаторов зависит от т-ры. Так, метиловый оранжевый меняет свою окраску при комнатной т-ре в интервале рН 3,4-4,4, а при 100 °С в интервале рН 2,5-3,3. Это связано с изменением ионного произведения воды . Присутствующие в р-ре коллоидные частицы адсорбируют индикаторы, что приводит к полному изменению его цвета. Для исключения ошибки в присут. положительно заряженных коллоидных частиц следует применять индикаторы-основания, а в присут. отрицательно заряженных - индикаторы-кислоты. При титровании в обычных условиях необходимо учитывать влияние растворенного СО 2 , особенно при использовании индикаторов с рК ln > 4 (напр., метилового оранжевого , метилового красного, фенолфталеина). Иногда СО 2 предварительно удаляют кипячением или титруют р-р в отсутствие контакта с атмосферой . Влияние посторонних нейтральных электролитов (солевой эффект) проявляется в смещении равновесия индикаторов. В случае индикаторов-кислот интервал перехода смещается в более кислую область, а в случае индикаторов-оснований - в более щелочную. В зависимости от природы р-рителя меняются окраски индикаторов, их рК ln и чувствительность. Так, метиловый красный в воде дает переход окраски при более высоких значениях активности ионов Н + , чем бромфеноловый синий, а в этиленгликолевом р-ре наоборот. В водно-метанольных и водно-этанольных р-рах изменение по сравнению с водной средой незначительно. В спиртовой среде индикаторы-кислоты более чувствительны к ионам Н + , чем индикаторы-основания. Хотя при титровании в неврдных средах обычно к. т. т. устанавливают потенциометрически с помощью стеклянного индикаторного электрода , используют также кислотно-основные индикаторы (табл. 3). Чаще всего для титрования слабых оснований применяют метиловый красный в диоксане или кристаллический фиолетовый в безводной СН 3 СООН; при титровании слабых к-т - тимоловый синий в ДМФА. Поведение индикаторов в неводной и водной средах аналогично. Напр., для слабой к-ты HIn в р-рителе SН можно записать равновесие : HIn + SH D In - + SH 2 + . Механизм действия индикаторов такой же, как и в воде , только в неводных средах пользуются соответствующими шкалами кислотности (рН р, рА; см. Кислотно-основное титрование). В качестве кислотно-основных индикаторов используют также люминесцентные индикаторы , меняющие цвет и интенсивность флуоресценции в зависимости от рН и позволяющие титровать сильно окрашенные и мутные р-ры.

Для титрования слабых к-т применяются т наз. индикаторы помутнения в-ва, образующие обратимые коллоидные системы , коагулирующие в очень узком интервале рН (напр., изонитроацетил-n-аминобензол дает муть при рН 10,7-11,0). В качестве кислотно-основных индикаторов можно использовать комплексы металлов с металлохромными индикаторами (см. ниже); эти комплексы, разрушаясь, изменяют окраску р-ра в узком интервале рН. Для определения орг. к-т и оснований в воде в присут. несмешивающегося с ней р-рителя применяют т. наз. амфииндикаторы, к-рые представляют собой соли индикаторов-кислот (напр., тропеолина 00) с разл. орг. основаниями (напр., алкалоидами). Эти индикаторы хорошо раств. в орг. р-рителях, плохо в воде ; отличаются высокой чувствительностью. Адсорбционные индикаторы в-ва, способные адсорбироваться на пов-сти осадка и менять при этом окраску или интенсивность люминесценции Эти индикаторы, как правило, обратимы и используются в осадительном титровании В первую очередь осадком адсорбируются ионы , идентичные тем, к-рые входят в состав самого осадка, после чего адсорбируется индикатор. Большая группа индикаторов красители (табл. 4), адсорбирующиеся пов-стью осадка с образованием солей с ионами , содержащимися в осадке.

Напр., р-р эозина розового цвета, к-рый не меняется при добавлении AgNO 3 . Но при титровании р-ром КВr выпадающий осадок адсорбирует ионы Ag + , к-рые присоединяют к себе анионы эозина . Осадок при этом становится красно-фиолетовым. В к. т. т., когда оттитрованы все ионы Ag + , окраска осадка исчезает и р-р становится снова розовым. Неорг. адсорбц. индикаторы образуют с ионами титранта цветной осадок или комплекс (как, напр., применяемые в качестве индикаторов ионы СrО 4 - и SCN - в аргентометрии). В качестве адсорбц. индикаторов применяются также нек-рые кислотно-основные, окислит.-восстановит. и комплексонометрич. индикаторы, св-ва к-рых (константы кислотной диссоциации , окислит.-восстановит. потенциалы и константы устойчивости комплексов с катионами металлов) в адсорбир. состоянии зависят от природы и концентрации ионов на пов-сти осадка. Окислит.-восстановит. индикаторы - в-ва, способные изменять окраску в зависимости от окислит.-восстановит. потенциала р-ра. Применяют для установления к. т. т. окислит.-восстановит. титрования и для колориметрич. определения окислит.-восстановит. потенциала (преим. в биологии). Такими индикаторами служат, как правило, в-ва, к-рые сами подвергаются окислению или восстановлению , причем окисленная (In Oх) и восстановленная (In Red) формы имеют разные окраски. Для обратимых окислит.-восстановит. индикаторов можно записать: In Oх + ne D In Red , где п - число электронов . При потенциале Е отношение концентраций обеих форм индикатора определяется Нернста уравнением :
,
где E ln - реальный окислит.-восстановит. потенциал индикатора, зависящий от состава р-ра. Интервал перехода окраски практически наблюдается при изменении отношения / от 0,1 до 10, что при 25 °С соответствует D E (в В) = E ln b (0,059/n). Потенциал, соответствующий самому резкому изменению цвета, равен E ln . При выборе индикатора учитывают гл. обр. значения E ln , коэф. молярного погашения обеих форм индикатора и потенциал р-ра в точке эквивалентности. При титровании сильными окислителями (К 2 Сr 2 О 7 , КМnО 4 и др.) применяют индикаторы, имеющие сравнительно высокие E ln , напр., дифениламин и его производные; при титровании сильными восстановителями [солями Ti(III), V(II) и т.д.] применяют индикаторы с относительно низкими E ln , напр., сафранин , метиленовый голубой (табл. 5).

Нек-рые в-ва изменяют свою окраску необратимо, напр., при окислении разрушаются с образованием бесцв. продуктов, как индиго под действием гипохлоритов или нафтоловый сине-черный под действием ионов ВrО 3 . Комплексонометрические индикаторы - в-ва, образующие с ионами металлов (М) окрашенные комплексы, по цвету отличающиеся от самих индикаторов Применяются для установления к. т. т. в комплексонометрии . Устойчивость комплексов металлов с индикаторами (In) меньше, чем соответствующих комплексoнатов, поэтому в к. т. т. комплексоны вытесняют индикаторы из комплексов с металлами . В момент изменения окраски в точке эквивалентности = и, следовательно, рМ = - lg K Mln , где рМ = - lg[M] наз. точкой перехода индикатора, К Mln - константа устойчивости комплекса металла с индикатором. Ошибка при титровании связана с тем, что нек-рое кол-во

РАСТИТЕЛЬНЫЕ ИНДИКАТОРЫ В ШКОЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРИИ

Павлова Саргылана

Макарова Виктория

класс 9 «В», МБОУ «Вилюйская средняя общеобразовательная школа № 1 имени Г.И. Чиряева» г. Вилюйск Республики Саха (Якутия)

Петрова Анна Прокопьевна

научный руководитель, педагог высшей категории, преподаватель химии МБОУ «Вилюйская средняя общеобразовательная школа № 1 имени Г.И. Чиряева», г. Вилюйск

Индикаторы - это химические вещества, окраска которых меняется в зависимости от рН среды. Индикатор на латинском означает «указатель».

На уроках химии мы используем такие индикаторы, как лакмус, фенолфталеин, метиловый оранжевый, которые изменяют окраску в зависимости от среды раствора. Соки и отвары ярко окрашенных ягод, плодов и цветков также обладают свойствами кислотно-основных индикаторов, то есть меняют свою окраску при изменении кислотности среды.

Актуальность: использование кислотно-основных индикаторов из плодов растений, растущих в Якутии для определения реакции среды.

Цель работы : получение растительных индикаторов из природного сырья.

Задачи:

· изучить литературу, ознакомиться с методикой приготовления самодельных индикаторов из плодов растений, растущих в нашей местности;

· экспериментальным путем получить набор индикаторов.

· изучить поведение растительных индикаторов в различных средах.

· провести исследование по определению среды растворов моющих средств по уходу за волосами.

Объект исследования: природные растения, обладающие свойствами кислотно-основных индикаторов.

Гипотеза: растворы растительных индикаторов можно приготовить самостоятельно и применять в школьной лаборатории.

Методы и приемы работы:

· ознакомиться с методикой проведения опытов;

· приготовить растворы индикаторов из природного сырья;

· изучить изменения окраски природных индикаторов в зависимости от среды;

· соблюдать правила техники безопасности во время химического эксперимента.

2. Экспериментальная часть

2.1. Определение среды растворов искусственными индикаторами

Цель: н аблюдать изменение окраски растворов кислот, щелочи и среды растворов солейискусственно-синтезированными индикаторами.

Реактивы: раствор соляной кислоты HCl, раствор гидроксида калия КOH, раствор карбоната калия К 2 СО 3 , раствор хлорида натрия NaС1, раствор хлорида алюминия AlCl 3 .

В школьной химической лаборатории имеются следующие искусственные индикаторы: фенолфталеин, метиловый оранжевый и лакмус. Мы рассмотрели их на изменение цвета в нейтральной, кислой и щелочной средах.

Таблица 1.

Изменение окраски индикаторов в растворах

индикатор
Фенолфталеин	Бесцветная	Малиновая	Малиновая	Бесцветная	Бесцветная
	Фиолетовая
Метиловый оранжевый	Оранжевая

Из таблицы 1 видно, что все индикаторы меняют свой цвет: в кислой среде на красный цвет (кроме фенолфталеина); в нейтральной имеют свой натуральный цвет, а в щелочной цвет сильно различается. Фенолфталеин меняет цвет раствора на малиновый, лакмус - на синий, а метиловый оранжевый - на жёлтый цвет.

2.2. Методика приготовления растительных индикаторов

Ход работы:

Для приготовления растительных индикаторов взяли по 25 г сырья, измельчили, залили 100 мл воды и прокипятили в течение 1-2 минут. Полученные отвары были охлаждены и профильтрованы. В полученный фильтрат, с целью предохранения от порчи, добавили спирт в соотношении 2:1. Приготовили индикаторы из ягод брусники, клюквы, малины, голубики, черники, клубники, плода свеклы.

2.3. Определение среды растворов растительными индикаторами.

Результаты исследования:

Для изучения изменения окраски природных индикаторов в различных средах брали пипеткой несколько капель растительного индикатора и поочередно добавляли их в растворы соляной кислоты, гидроксида калия, хлорида натрия, карбоната калия и хлорида алюминия. Результаты всех опытов даны в таблице.

Таблица 2.

Изменение окраски природных индикаторов в различных средах

	Естествен-ный цвет индика-	Окраска в нейтральной среде	Окраска в щелочной среде (р-р KOH)	Окраска в щелочной среде (р-р K 2 CO 3)	Окраска в кислой среде	Окраска в кислой среде
Ягода брусники	ярко красный	не меняется				фиолетовый
Ягода малины	красно-малиновый					фиолетовый
Ягода клюквы
Ягода голубики	ярко-красный					фиолетовый
Ягода клубники	оранжево			оранжевый	оранжевый	оранжевый
Ягода черники	ярко-красный					фиолетовый
Плоды свеклы					не меняется

Из таблицы 2 видно, что все выбранные нами объекты изменяют свою естественную окраску в зависимости от кислотности среды. Очень хорошо это наблюдается у брусники, малины, голубики, клюквы, клубники, свеклы, ярко-красный отвар ягод и плодов которых в кислой среде становятся розовыми-красными-фиолетовыми, а в щелочной - жёлтыми- светлозелеными.

Вывод: ягоды растений имеют кислую среду, поэтому не изменяется цвет раствора в кислой среде, окраска остается красным. В щелочной среде растворы приобретают от желтого до зеленого цвета. Из плодов растений плоды свеклы являются хорошими индикаторами, получаются ярко выраженные окраски растворов.

2.4. Приготовление индикаторных бумажек.

С помощью фильтровальной бумаги и вытяжек из растительных индикаторов мы приготовили индикаторные бумажки. Способ приготовления очень простой: на фильтровальную бумагу с помощью пипетки наносят раствор из вытяжки растительного индикатора, высушивают и повторяют процедуру ещё раз.

Изменение цвета пропитанных индикаторных бумажек в различных средах соответствует изменению цвета вытяжки аналогичного растительного индикатора.

2.5. Определение среды растворов моющих средств.

Реактивы: растительные индикаторы, растворы шампуней: Absolut, Особая серия (пивной), Head and shoulders, Дегтярный, Clear vita abe.

Ход работы: каждое исследуемое моющее средство растворим в воде и разделим на пять частей. В них добавляем каплю природных индикаторов. В каждой из них индикаторы изменили окраску. (таблица 3).

Таблица 3.

Изменение окраски природных индикаторов в растворах моющих средств

Сырье для приготовления индикатора	Естествен-ный цвет индика-		Head and shoulders	Дегтярная		Особая серия (пивная)
Ягода брусники	ярко красный
Ягода малины	краснома-
Ягода клюквы
Ягода голубики	ярко-красный			светлосиний
Ягода клубники	оранжево
Ягода черники	ярко-красный
Плоды свеклы		оранжевый	оранжевый		оранжевый

Выводы по результатам исследования:

1. Все индикаторы: самодельные и заводская универсальная бумага, показали во всех испытуемых средствах соответствующий характер среды.

2. Кожа человека имеет слабокислотную среду. Для предохранения кожи и волос от негативного воздействия моющего средства должны иметь значение, соответствующее значению pН эпидермиса. Шампуни для волос имеют слабокислотную среду, что соответствует гигиеническим требованиям к данным средствам. По нашим исследованиям шампуней разных производств шампуни в основном соответствуют стандартным показателям, но шампунь «Clear vita abe» является дает более кислую среду, чем остальные шампуни. Второе место по кислотности занимает шампунь «Абсолют», третье место шампунь «Дегтярная».

Заключение:

Используя методику получения растительных индикаторов в школьной лаборатории, пришли к следующим выводам:

1. Лакмус, метиловый оранжевый и фенолфталеин - кислотно-основные индикаторы, которые чаще всего используются в школе. По изменению их окраски можно судить не только о реакции среды, но и достаточно точно определить рН раствора.

2. Растительные индикаторы обладают достаточно высокой чувствительностью, поэтому их можно использовать в качестве кислотно-основных индикаторов для определения среды растворов в школьной лаборатории на занятиях элективного курса, в химических кружках, также для определения кислотности почвы местности.

Приложение № 1

Рисунок 1. Для изучения изменения окраски природных индикаторов брали пипеткой несколько капель самодельного индикатора и поочередно добавляли их в растворы хлорида натрия, гидроксида калия, карбоната калия, соляной кислоты и хлорида алюминия