Титрування кислот і лугів

Додавання основи по краплі

Титрування – це повільний, контрольований процес: сильна основа відомої концентрації, що додається краплю за краплею з бюретки, змішується з слабким кислотою невідомої концентрації, при цьому pH-метр (або індикаторний барвник) відстежує зміни в розчині. Графік, отриманий у результаті цього процесу – залежність pH від об’єму доданої основи, не є прямою лінією – він має характерну S-подібну форму з плоским проміжним сегментом і крутим підйомом поблизу кінця, а кожна особливість цієї форми визначається основною хімічною рівновагою слабкої кислоти.

жива демонстрація · пов'язана симуляція● LIVE

Рівновага під всім

Слабка кислота HA не повністю дисоціює у воді; вона переходить у рівновагу, керовану її константою кислотного розчинення Ka:

HA ⇌ H⁺ + A⁻ Ka = [H⁺][A⁻] / [HA]

Рівняння Гендерсона-Гассельбаха: pH = pKa + log( [A⁻] / [HA])

Кожна крапля сильної основи перетворює трохи HA на її кон’юговану основу A⁻, зсуваючи відношення [A⁻]/[HA] і, через логарифм, pH. Оскільки зв'язок логарифмічний, великі зміни в цьому відношенні призводять лише до помірних змін у pH протягом більшої частини титрування — що й пояснює, чому крива плоска в середині.

HA ⇌ H⁺ + A⁻         Ka = [H⁺][A⁻] / [HA]

Henderson-Hasselbalch equation:
  pH = pKa + log( [A⁻] / [HA] )

Чотири ключові точки на кривій

Титульна крива слабкої кислоти з сильною основою характеризується чотирма чітко визначеними областями. Початковий pH, до додавання будь-якої основи, визначається виключно рівновагою слабкої кислоти у воді. Область буфера – це довгий, плоский відрізок, де приблизно порівну присутні HA та A⁻; розчин стійкий до змін pH тут, оскільки додана основа перетворює HA на A⁻ замість накопичення вільної гідроксиду. Точка напіврівноваги, що знаходиться точно посередині області буфера, є місцем, де [A⁻] = [HA] та рівняння Гендерсона-Гассельбаха спрощується до pH = pKa – це найпряміший спосіб визначити pKa слабкої кислоти з експериментальної кривої. Точка рівноваги, де молі доданої основи точно дорівнюють початковим молям кислоти, характеризується різким, майже вертикальним стрибком у кривій.

Чому точка рівноваги не є pH 7

При досягненні точки рівноваги практично весь початковий HA перетворився на A⁻, розчинений у воді — але A⁻ сам є слабкою основою і реагує з водою: A⁻ + H₂O ⇄ HA + OH⁻. Ця гідроліз генерує невеликий надлишок гідроксид-іонів, тому pH точки рівноваги знаходиться вище 7, а не на ньому. Чим слабшим є початковий оцет (чим менше його Ka), тим сильнішою є його кон’югатна основа та тим далі pH точки рівноваги відхиляється від 7 — корисний діагностичний показник при ідентифікації невідомого оцту за допомогою його кривої титрування.

Вибір індикатора

Індикатор – це слабкий кислотно-лужний пару, який складається з двох форм з різними кольорами, і змінює свій колір у вузькому діапазоні pH, що центрується навколо його значення pKa. Правильний вибір означає відповідність цього діапазону pH на точці рівноваги, а не pH 7 – для слабкої кислоти, нейтралізованої сильнішою основою, це означає використання індикатора, такого як фенолфталеїн (безбарвний нижче приблизно pH 8.2 та рожевий вище приблизно pH 10), замість індикатора, що центрується поблизу нейтрального pH, оскільки точка рівноваги справді знаходиться в основному діапазоні.

Frequently asked questions

Чому точка рівноваги при титруванні слабкої кислоти/сильної основи знаходиться вище pH 7?

При точці рівноваги вся початкова кислота HA повністю перетворилася на її кон’юговану основу A-, розчинену у воді. A- є слабкою основою і реагує з водою (A- + H2O -> HA + OH-), виробляючи невеликий надлишок гідроксид-іонів. Цей гідроліз штовхає pH вище 7, а величина зміни залежить від того, наскільки слабкою була початкова кислота – більш слабкі кислоти дають сильнішу кон’юговану основу та вищий pH точки рівноваги.

Що особливого в половинній точці рівноваги?

При половинній точці рівноваги рівно половина початкової слабкої кислоти перетворилася на її кон’юговану основу, тому [A-] дорівнює [HA]. Рівняння Гендерсона-Гассельбаха дає pH = pKa + log(1) = pKa. Це найпростіша точка для визначення pKa з титрувальної кривої, і вона знаходиться в середині найплоскішого ділянки буферного регіону, де розчин найкраще протистоїть подальшим змінам pH.

Як обрати правильний індикатор для титрування?

Оберіть індикатор, чий діапазон зміни кольору охоплює pH на момент досягнення точки рівноваги, а не pH 7. Фенілолафтин, який змінюється приблизно при pH 8,2-10, є стандартним вибором для титрування слабкої кислоти сильнішою основою, оскільки точка рівноваги знаходиться вище 7. Метиловий оранжевий, який змінюється приблизно при pH 3,1-4,4, використовується замість цього для титрування слабкої основи сильною кислотою, де точка рівноваги знаходиться нижче 7.

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Acid-Base Equilibrium і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.

▶ Відкрити симуляцію Acid-Base Equilibrium

Титрування кислот і лугів: Читання форми кривої pH