Индикаторы: лакмус, фенолфталеин и метилоранж
Чтобы определить среду раствора, не всегда нужны сложные приборы. Достаточно добавить несколько капель специального вещества или прикоснуться к жидкости полоской бумаги. Если окраска изменилась, перед нами кислотно-основный индикатор. В школьной лаборатории чаще всего используют лакмус, фенолфталеин и метилоранж. Они не измеряют кислотность с высокой точностью, зато позволяют быстро различить кислую, нейтральную и щелочную среду.
Индикаторы особенно полезны в опытах с кислотами и основаниями, при исследовании гидролиза солей и во время титрования. Чтобы верно истолковать результат, мало запомнить отдельные цвета. Нужно знать, что переход происходит не мгновенно при одном строго заданном значении pH, а в небольшом интервале кислотности. Поэтому один и тот же раствор может выглядеть по-разному с разными индикаторами.
Кислотно-основные индикаторы - вещества, которые меняют окраску в зависимости от концентрации ионов H+ в растворе, то есть от его pH. Их добавляют в очень малом количестве, чтобы они не влияли заметно на состав раствора.
Что называют индикаторами
Индикатором называют вещество, по видимому признаку которого судят о ходе процесса или свойствах среды. В химии существуют разные индикаторы: окислительно-восстановительные, комплексонометрические, адсорбционные. Лакмус, фенолфталеин и метилоранж относятся к кислотно-основным. Их окраска связана с тем, кислая среда в растворе, нейтральная или щелочная.
Вода способна в небольшой степени распадаться на ионы H+ и OH−. В нейтральном растворе их количества равны. В кислой среде ионов H+ больше, а в щелочной преобладают OH−. Для удобства используют шкалу pH: при 25 °C нейтральной воде соответствует pH 7, значения меньше 7 характерны для кислой среды, а больше 7 - для щелочной. Температура и состав раствора могут слегка менять эти границы, но в школьных задачах обычно используют такое правило.
Почему индикатор меняет цвет
Молекула индикатора обычно является слабой кислотой или слабым основанием. В воде она существует в двух взаимопревращающихся формах. Для кислотного индикатора схему записывают так: HIn ⇄ H+ + In−. Форма HIn и ион In− имеют разное строение и по-разному поглощают свет, поэтому мы видим разные цвета.
Если в раствор добавить кислоту, концентрация H+ увеличится, равновесие сместится влево и станет преобладать одна форма индикатора. При добавлении щёлочи ионы OH− связывают H+ в воду, равновесие сдвигается вправо. Это проявляется сменой окраски. Именно поэтому индикатор нельзя считать краской, которая просто смешивается с раствором: цвет отражает химическое равновесие.
Изменение цвета лакмуса, фенолфталеина и метилоранжа
Таблица помогает сравнить три основных школьных индикатора. Для нейтральной среды указан привычный цвет, но рядом с границей перехода оттенок может быть промежуточным. Например, лакмус в слабо кислой или слабо щелочной среде нередко выглядит фиолетовым.
| Индикатор | Кислая среда | Нейтральная среда | Щелочная среда | Интервал перехода pH |
|---|---|---|---|---|
| Лакмус | красный | фиолетовый | синий | примерно 5,0–8,0 |
| Фенолфталеин | бесцветный | бесцветный | малиновый или розовый | примерно 8,2–10,0 |
| Метилоранж | красный | оранжевый | жёлтый | примерно 3,1–4,4 |
Из таблицы видно важное различие. Фенолфталеин не показывает разницу между кислой и нейтральной средой: в обоих случаях он бесцветен. Метилоранж, напротив, меняет цвет уже в кислой области pH. Поэтому выбор индикатора всегда зависит от того, какую среду или конечную точку реакции требуется обнаружить.
Лакмус: универсальный школьный помощник
Лакмус - природная смесь красящих веществ, которую получают из некоторых лишайников. Его выпускают как раствор или как индикаторную бумагу. В кислой среде лакмус становится красным, в щелочной - синим, в нейтральной - фиолетовым. Благодаря понятной трёхцветной шкале он подходит для первого знакомства с кислотами и основаниями.
Есть удобное правило для опытов: синяя лакмусовая бумага краснеет от кислоты, а красная синеет от щёлочи. Если обе полоски не меняют цвет, среда может быть нейтральной, но такой вывод нужно делать осторожно. Очень разбавленный раствор или окрашенная жидкость способны сделать результат неочевидным. В сомнительном случае используют pH-бумагу или измеритель pH.
Фенолфталеин: заметен только в щёлочи
Фенолфталеин в кислых и нейтральных растворах бесцветен. При pH выше примерно 8,2 он приобретает розовую, затем малиновую окраску. В школьной практике это свойство используют для распознавания щелочей. Если к раствору гидроксида натрия добавить фенолфталеин, жидкость станет малиновой. При последующем добавлении кислоты цвет исчезнет, когда среда перестанет быть щелочной.
Бесцветный фенолфталеин не доказывает, что раствор нейтральный: он может быть и кислым. Это частая ошибка в заданиях. Индикатор показывает лишь отсутствие достаточно сильной щелочной среды. В концентрированных щёлочах при очень высоком pH окраска фенолфталеина может вновь ослабнуть, но для обычных школьных опытов этот эффект обычно не рассматривают.
Метилоранж: индикатор кислой области
Метилоранж, который также называют метиловым оранжевым, имеет красный цвет в кислой среде и жёлтый в щелочной. Вблизи нейтральной области он выглядит жёлтым, а оранжевый оттенок наблюдается в его интервале перехода при pH около 3–4. Не стоит упрощать правило до фразы «в нейтральной среде метилоранж оранжевый»: оранжевый цвет указывает скорее на слабокислую область.
Метилоранж удобно применять, когда конечная точка реакции лежит в кислой области. Например, при титровании сильной кислоты сильным основанием он даёт отчётливый переход, хотя для этой реакции подходят и другие индикаторы. В реакции слабого основания с сильной кислотой метилоранж особенно уместен, потому что эквивалентная точка находится при pH меньше 7.
Как выбрать подходящий индикатор
Для простого качественного опыта можно взять лакмус: он быстро подскажет общий характер среды. Для обнаружения щёлочи выбирают фенолфталеин, а для выраженно кислой среды - метилоранж. Однако при титровании решение принимают по кривой pH. Интервал изменения окраски должен попадать в участок резкого скачка pH у точки эквивалентности.
Так, при титровании сильной кислоты сильной щёлочью pH вблизи эквивалентной точки быстро проходит большой диапазон значений. Здесь применимы и фенолфталеин, и метилоранж. При титровании слабой кислоты сильной щёлочью эквивалентная точка находится в щелочной области, поэтому чаще берут фенолфталеин. Для слабого основания и сильной кислоты больше подходит метилоранж.
Как провести опыт и не ошибиться
Для работы с раствором индикатора достаточно чистой пробирки, пипетки и двух-трёх капель вещества. Не добавляйте слишком много индикатора: его собственная окраска может исказить наблюдение, а в точном титровании избыток способен повлиять на результат. Если используют бумагу, её не опускают в общий сосуд с реактивом. Каплю раствора наносят стеклянной палочкой на небольшую полоску бумаги, чтобы не загрязнить исходный раствор.
Цвет нужно оценивать на белом фоне и при хорошем освещении. Нельзя определять pH по фенолфталеину, если раствор уже ярко окрашен, и нельзя сравнивать оттенок с памятью: лучше держать рядом контрольный образец или шкалу. При работе с кислотами и щелочами надевают очки, а концентрированные растворы берут только по указанию преподавателя.
Лакмус красный в кислоте, фиолетовый в нейтральной среде и синий в щёлочи. Фенолфталеин бесцветен в кислоте и нейтральной среде, а в щёлочи малиновый. Метилоранж красный в кислой среде, жёлтый в щелочной; оранжевый цвет соответствует его переходной области. Индикатор выбирают по диапазону pH, в котором должна быть заметна смена окраски.