Індикатори кислотно-основні
індикатори (Позднелат. Indicator - покажчик), хімічні речовини, що змінюють забарвлення, люмінесценцію або утворюють осад при зміні концентрації будь-якого компонента в розчині. Вказують на певний стан системи або на момент досягнення цього стану.
Розрізняють індикатори оборотні та необоротні. Зміна забарвлення перших при зміні стану системи може бути повторено багато разів. Необоротні індикатори піддаються незворотних хімічних перетворень, наприклад, азосоединения при окисленні іонами BrO3 - руйнуються. Індикатори. які вводять в досліджуваний розчин, називають внутрішніми, на відміну від зовнішніх, реакцію з якими проводять поза аналізованої суміші. В останньому випадку одну або кілька крапель аналізованого розчину поміщають на папірець, просочену індикатором, або змішують їх на білій порцеляновій пластинці з краплею індикатора.
Індикатори застосовують найчастіше для встановлення кінця будь-якої хімічної реакції, головним чином кінцевої точки титрування (к. Т. Т.). Відповідно до титриметричних методами розрізняють кислотно-основні, адсорбційні, окислювально-відновні і комплексонометричному індикатори.
Кислотно-основні індикатори являють собою розчинні органічні сполуки, які змінюють свій колір або люмінесценцію в залежності від концентрації іонів Н + (рН середовища). Застосування для встановлення кінця реакції між кислотами і підставами (в тому числі при кислотно-основному титруванні) або інших реакцій, якщо в них беруть участь іони Н +. а також для колориметрического визначення рН водних розчинів. Найбільш важливі кислотно-основні індикатори наведені в табл. 1. Причина зміни кольору індикаторів в тому, що приєднання або віддача протонів його молекулами пов`язані із заміною одних хромофорних груп іншими або з появою нових хромофорних груп.
Якщо індикатор - слабка кислота HIn, то у водному розчині має місце рівновага: HIn + Н2 Про D In - + Н3 Про +. Якщо індикатор - слабка основа Штб тож Шт + РБИГІЮ2Б.ИГІЮЩ В РШтБИГЗЮ + Б.ИГЗЮ + ОНБИГЗЮ-Б.ИГЗЮю У загальному вигляді можна записати: Ina + Н2 Про D Inb+ Н3 Про +. де Ina і Inb - відповідно кисла і основна форми індикаторів, які пофарбовані по-різному. Константа рівноваги цього процесу Доln= [Inb ] [H3 O +] / [Ina ] Називається константою індикатора. Колір розчину залежить від співвідношення [Ina ] / [Inb ], Яке визначається рН розчину.
Вважають, що колір однієї форми індикатора помітний, якщо її концентрація в 10 разів перевищує концентрацію іншої форми, тобто якщо відношення [Ina ] / [Inb ] = [H3 O +] / Kln дорівнює 0,1 або 10. Зміна кольору індикатора наголошується в області рН = рКlпb 1, який називають інтервалом переходу індикатора. Зміна найвиразніше, коли [Ina ] = [Inb ] І Кln = [Н3 О] +. тобто при рН = рКln. Значення рН, при якому зазвичай закінчується титрування, називають показником титрування рТ.
Індикатори для титрування підбирають таким чином, щоб інтервал переходу забарвлення включав значення рН, яке повинен мати розчин в точці еквівалентності. Часто це значення рН не збігається з рТ використовуваного індикатора, що призводить до так званої індикаторної помилку. Якщо в к. Т. Т. Залишається надлишок неоттітрованного слабкої основи або кислоти, помилка зв. соотв. основний або кислотної.
Чутливість індикаторів - концентрація (в моль / л) визначається іона (в даному випадку Н + або ОН -) в точці найбільш різкого переходу забарвлення. Розрізняють: чутливі до кислот індикатори з інтервалом переходу в області лужних значень рН (напр. Фенолфталеин, тимолфталеїну) - чутливі до підстав індикатори з інтервалом переходу в кислому області (як у диметилового жовтого, метилового оранжевого і ін.) - нейтральні індикатори, інтервал переходу яких знаходиться близько рН 7 (нейтральний червоний, феноловий червоний і ін.).
Індикатори бувають з однією або двома забарвленими формами-такі індикатори називають соотв. одноколірними і двоколірними. Найбільш чітке зміна забарвлення спостерігалося б у тих індикаторів, кислотна і основна форми яких пофарбовані в додаткові кольори. Однак таких індикаторів існує. Тому, додаючи барвник, змінюють відповідним чином забарвлення обох форм. Так, у метилового червоного перехід від червоного до жовтого відбувається в інтервалі 2 одиниць рН, а якщо до розчину додати метиленовийсиній, то перехід забарвлення від червоно-фіолетового до зеленої спостерігається різко і чітко при рН 5,3. Подібного ефекту можна домогтися, якщо використовувати суміш двох індикаторів, кольори яких доповнюють дру. друга. Такі індикатори називають змішаними (табл. 2).
Суміші індикаторів, які безперервно змінюють свій колір у всій області значень рН від 1 до 14, називають універсальними. Їх використовують для приблизної оцінки рН розчинів. На зміну забарвлення індикатора впливають його концентрації. Для двоколірних індикаторів чим вище концентрація, тим зміна забарвлення менш різко, так як спектри поглинання обох форм накладаються один на одного в більшою мірою і стає важче визначити зміна забарвлення. Зазвичай використовують один і той же мінімальне (кілька крапель розчину) кількість індикатора.
Інтервал переходу багатьох індикаторів залежить від температури. Так, метиловий оранжевий змінює своє забарвлення при кімнатній температурі в інтервалі рН 3,4-4,4, а при 100 ° С в інтервалі рН 2,5-3,3. Це пов`язано зі зміною іонного добутку води. Присутні в розчині колоїдні частинки адсорбують індикатори, що призводить до повної зміни його кольору. Для виключення помилки в присутності позитивно заряджених колоїдних частинок слід застосовувати індикатори - підстави, а в присутності негативно заряджених - індикатори - кислоти.
При титруванні в звичайних умовах необхідно враховувати вплив розчиненого СО2. особливо при використанні індикатори з рКlngt; 4 (напр. Метилового оранжевого, метилового червоного, фенолфталеїну. Іноді СО2 попередньо видаляють кип`ятінням або титрують розчин за відсутності контакту з атмосферою. Вплив сторонніх нейтральних електролітів (сольовий ефект) проявляється в зміщенні рівноваги індикатори. У разі індикаторів-кислот інтервал переходу зміщується в більш кислу область, а в разі індикаторів-підстав - в більш лужну.
Залежно від природи розчинника змінюються забарвлення індикаторів, їх рКln і чутливість. Так, метиловий червоний у воді дає перехід забарвлення при більш високих значеннях активності іонів Н +. ніж бромфеноловий синій, а в Етіленгліколевие розчині навпаки. У водно-метанольних і водно-етанольних розчинах зміна в порівнянні з водним середовищем незначно. У спиртовому середовищі індикатори-кислоти більш чутливі до іонів Н +. ніж індикатори-підстави.
Хоча при титруванні в наведених середовищах зазвичай к. Т. Т. Встановлюють потенціометрично за допомогою скляного індикаторного електрода. використовують також кислотно-основні індикатори (табл. 3). Найчастіше для титрування слабких основ застосовують метиловий червоний в діоксані або кристалічний фіолетовий в безводної СН3 СООН- при титруванні слабких кислот - тимолової синій в ДМФА.
Поведінка індикаторів в неводному і водному середовищах аналогічно. Напр. для слабкої кислоти HIn в розчиннику SН можна записати рівновагу: HIn + SH D In - + SH2 +. Механізм дії індикаторів такої ж, як і в воді, тільки в наведених середовищах користуються відповідними шкалами кислотності (рНр ).
Як кислотно-основних індикаторів використовують також люмінесцентні індикатори. міняють колір і інтенсивність флуоресценції в залежності від рН і дозволяють титрувати сильно забарвлені і каламутні розчини.
Для титрування слабких кислот застосовуються так звані індикатори помутніння речовини, що утворюють оборотні колоїдні системи. коагулюють в дуже вузькому інтервалі рН (наприклад, ізонітроацетіл-n -амінобензол дає муть при рН 10,7-11,0). Як кислотно-основних індикаторів можна використовувати комплекси металів з металлохромнимі індикаторами (див. Нижче) - ці комплекси, руйнуючись, змінюють забарвлення розчину в вузькому інтервалі рН.
Для визначення органічних кислот і підстав у воді в присутності не змішується з нею розчинника застосовують так звані амфііндікатори, які представляють собою солі індикаторів-кислот (наприклад, тропеоліну 00) з разл. орг. підставами (напр. алкалоїдами). Ці індикатори добре розчинні в органічних розчинниках, погано в воді-відрізняються високою чутливістю.
Відео: Індикатори
Адсорбційні індикатори - речовини, здатні адсорбуватися на поверхні осаду і міняти при цьому забарвлення або інтенсивність люмінесценції. Ці індикатори, як правило, оборотні і використовуються в осаджувальної титрування В першу чергу осадом адсорбуються іони, ідентичні тим, які входять до складу самого осаду, після чого адсорбується індикатори. Велика група індикаторів - барвники (табл. 4), адсорбуватися поверхнею осаду з утворенням солей з іонами, що містяться в осаді.
Наприклад, розчин еозину рожевого кольору, який не змінюється при додаванні AgNO3. Але при титруванні розчином КВr випадає осад адсорбує іони Ag +. які приєднують до себе аніони еозину. Осад при цьому стає червоно-фіолетовим. В к. Т. Т. Коли відтитровані все іони Ag +. забарвлення осаду зникає і розчин стає знову рожевим. Неорганічні адсорбційні індикатори утворюють з іонами титранту кольоровий осад або комплекс (як, наприклад, що застосовуються в якості індикаторів іони СrО4 - і SCN - в аргентометріі). Як адсорбційних індикаторів застосовуються також деякі кислотно-основні, окислювально-відновні і комплексонометричному індикатори, властивості яких (константи кислотної дисоціації, окислювально-відновні потенціали та константи стійкості комплексів з катіонами металів) в адсорбованому стані залежать від природи і концентрації іонів на поверхні осаду.
Окислювально-відновні індикатори - речовини, здатні змінювати забарвлення залежно від окислювально-відновного потенціалу розчину. Застосовують для встановлення к. Т. Т. Окисно-відновного титрування та для колориметрического визначення окислювально-відновного потенціалу (переважно в біології). Такими індикатори служать, як правило, речовини, які самі зазнають окислення або відновлення, причому окислена (Inoх ) І відновлена (InRed ) Форми мають різні забарвлення.
Для оборотних окислювально-відновних індикаторів можна записати: Inoх + ne D InRed. де п - число електронів. При потенціалі Е відношення концентрацій обох форм індикаторів визначається рівняння Нернста:
де Eln - реальний окислювально-відновний потенціал індикатора, що залежить від складу розчину. Інтервал переходу забарвлення практично спостерігається при зміні ставлення [In0x ] / [InRed ] Від 0,1 до 10, що при 25 ° С відповідає DE (в В) = Eln b (0,059 / n). Потенціал, відповідний самому різкої зміни кольору, дорівнює Eln. При виборі індикаторів враховують головним чином значення Eln. коефіцієнт молярного погашення обох форм індикаторів і потенціал розчину в точці еквівалентності індикаторів. При титруванні сильними окислювачами (К2 Сr2 Про7. КМnО4 і ін.) застосовують індикатори, що мають порівняно високі Eln. наприклад, дифениламин і його проізводние- при титруванні сильними відновниками [солями Ti (III), V (II) і т.д.] застосовують індикатори з відносно низькими Eln. наприклад, сафранін, метиленовий блакитний (табл. 5).
Відео: Дія кислот і лугів на індикатори
Деякі речовини змінюють своє забарвлення необоротно, наприклад, при окисленні руйнуються з утворенням безбарвних продуктів, як індиго під дією гіпохлоритів або нафтоловий синьо-чорний під дією іонів ВrО3 .
Комплексонометричному індикатори - речовини, що утворюють з іонами металів (М) забарвлені комплекси, за кольором відрізняються від самих індикаторів. Застосовуються для встановлення к. Т. Т. В комплексонометрії. Стійкість комплексів металів з індикатори (In) менше, ніж відповідних комплексoнатов, тому в к. Т. Т. Комплексони витісняють індикатори з комплексів з металами. У момент зміни забарвлення в точці еквівалентності [In] = [MIn] і, отже, рМ = - lg KMln. де РМ = - lg [M] зв. точкою переходу індикатори. ДоMln - константа стійкості комплексу металу з індикатором. Помилка при титруванні пов`язана з тим, що деяка кількість іона металу може приєднуватися до індикатора, а не до титранту. Найбільш часто використовують так звані металлохромние індикатори (табл. 6) - орг. речовини, що утворюють з катіонами металів розчинні у воді інтенсивно забарвлені (el 10 4 -10 5) внутрішньокомплексні з`єднання. Ці сполуки мають бути досить стійкі, щоб утворюватися при дуже низьких концентраціях іонів металів. Індикатор і його комплекс повинні перебувати в істинному розчині. Дня підвищення розчинності реагенту і комплексу зазвичай вводять змішується з водою розчинник. Комплекс металу з індикатором повинен бути лабільним і швидко руйнуватися під дією комплексона. Розрізняють селективні і універсальні металлохромние індикатори, які взаємодіють соотв. з невеликим числом або з багатьма катіонами. До перших відносяться, наприклад, Тайрон, Галліон, до других - арсеназо I, піріділазонафтол (ПАН), пірокатехіновой фіолетовий, ксиленоловий помаранчевий, метілтімоловий синій, хромазурол і ін.
Відео: 1. Дія кислот на індикатори
Іноді в якості комплексонометричному індикаторів застосовують Комплексонати будь-якого іона (наприклад, [CuY] 2 -. Де Y - аніон етилендіамінтетраоцтової кислоти) в суміші з металлохромним індикатори. наприклад ПАН. При введенні визначається іона М 2+ відбувається реакція: М 2+ + [CuY] 2+ ПАН D [MY] 2 + [СuПАН] +. При титруванні яким-небудь комплексоном в к. Т. Т. Забарвлення розчину змінюється від фіолетового до жовто-помаранчевої, тобто дуже контрастно. При комплексонометричному визначенні Сu використовують як індикатор її комплекс з ПАН, адсорбований на поверхні обложеного AgI. В цьому випадку можна визначати Ag і Сu при спільній присутності: в кислому середовищі розчином KI оттітровивают спочатку іони Ag, а потім комплексоном - іони Сu.
Застосовуються також так звані нефарбовані комплексонометричному індикатори, вибірково взаємодіють з іонами визначається металу з утворенням слабо забарвлених (el 10 3) комплексів, наприклад, сульфосаліцилова кислота при титруванні Fe (III). Флуоресцентні комплексонометричному індикатори (або металлофлуоресцентние індикатори) взаємодіють з катіонами металів з утворенням інтенсивно флуоресціюючих хелатов.
Вперше про індикатори повідомив англійський фізик і хімік Р. Бойль в 1664.
Відео: Тести з хімії. Тест 11. Зміна забарвлення індикаторів
Літ .: Індикатори, пров. з англ. т. 1-2, М. 1976- Денеш І. Титрування в неводних середовищах, пров. з англ. М. 1971- Коренман І.М. Нові тітріметріческіе методи, М. 1983. Л. Н. Симонова.
