Существуют различные методы определения концентрации (точнее активности) ионов водорода (и, соответственно, концентрации гидроксид-ионов). Один из простейших (колориметрический) основан на использовании кислотно-основных индикаторов. В качестве таких индикаторов могут служить многие органические кислоты и основания, которые изменяют свою окраску в некотором узком интервале значений рН.

Индикаторы представляют собой слабые кислоты или основания, которые в недиссоциированной и в диссоциированной (ионной) формах имеют разную окраску.

Пример.

1.Фенолфталеин представляет собой кислоту, которая в молекулярной форме (HJnd) при рН8,1 бесцветна. Анионы фенолфталеина (Jnd -) при рН9,6 имеют красно-фиолетовую окраску:

H Jnd  H + + Jnd -

Бесцветный  красно-фиолетовый

рН8,1 рН9,6

При уменьшении концентрации ионов Н + и увеличении концентрации ионовOH - молекулярная форма фенолфталеина переходит в анионную из-за отрыва от молекул иона водорода и связывания его с гидроксид-ионом в воду. Поэтому при рН9,6 раствор в присутствии фенолфталеина приобретает красно-фиолетовую окраску. Наоборот, в кислотных растворах при рН8,1 равновесие смещается в сторону молекулярной формы индикатора, не имеющей окраски.

2.Метиловый оранжевый представляет собой слабое основание JndOH, которое в молекулярной форме при рН 4,4 имеет желтый цвет. Катионы Jnd + при рН3,0 окрашивают раствор в красный цвет:

JndOH  Jnd + + OH -

желтый  красный

рН4,4 рН3,0

Кислотной формой индикатора называют форму, которая преобладает в кислотных растворах, а основной формой – ту, которая существует в основных (щелочных) растворах. В некотором промежутке значений рН в растворе может одновременно находиться в равновесии некоторое количество обеих форм индикатора, вследствие чего возникает переходная окраска индикатора, - это интервал рН перехода окраски индикатора, или просто интервал перехода индикатора.

В табл.1 показаны интервалы перехода некоторых часто используемых индикаторов.

Таблица 1

Кислотно-основные индикаторы

Индикатор

Значение рН

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Тимоловый синий

Метиловый оранжевый

желто-оранжевая

Бромфеноловый синий

Ализариновый красный

фиолетовая

Метиловый красный

Феноловый красный

Фенолфталеин

бесцветная

красная (розовая)

Ализариновый желтый

бледно-желтая

желто-коричн-евая

Индиго карминовый

11,6-14,0 14- желтая

Для быстрого определения рН удобно также пользоваться раствором универсального индикатора, представляющего собой смесь различных индикаторов и имеющего большой интервал перехода (значения рН от 1 до 10). На основе универсального индикатора промышленностью выпускаются специальные бумажные ленты для определения рН у растворов путем сравнения со специальной шкалой изменения их окраски под действием испытуемого раствора.

В колориметрическом методе для точного определения рН применяются стандартные буферные растворы, значение водородного показателя которых точно известно и постоянно.

Буферными растворами называются смеси слабых кислот или оснований с их солями. Такие смеси сохраняют определенное значение рН как при разбавлении, так и при прибавлении небольших количеств сильных кислот или щелочей.

Изменение окраски индикаторов в зависимости от pH

Кислотно-основные индикаторы - это соединения, окраска которых меняется в зависимости от кислотности среды.

Например, лакмус в кислой среде окрашен в красный цвет, а в щелочной - в синий. Это свойство можно использовать для быстрой оценки pH растворов.

Кислотно-основные индикаторы находят широкое применение в химии. Известно, например, что многие реакции по-разному протекают в кислой и щелочной средах. Регулируя pH, можно изменить направление реакции. Индикаторы можно использовать не только для качественной, но и для количественной оценки содержания кислоты в растворе (метод кислотно-основного титрования).

Применение индикаторов не ограничивается "чистой" химией. Кислотность среды необходимо контролировать во многих производственных процессах, при оценке качества пищевых продуктов, в медицине и т. д.

В таблице 1 указаны наиболее "популярные" индикаторы и отмечена их окраска в нейтральной, кислой и щелочной средах.

Таблица 1

Метилоранж

Фенолфталеин

В действительности, каждый индикатор характеризуется своим интервалом рН, в котором происходит изменение цвета (интервал перехода). Изменение окраски происходит из-за превращения одной формы индикатора (молекулярной) в другую (ионную). По мере понижения кислотности среды (с ростом рН) концентрация ионной формы повышается, а молекулярной - падает. В таблице 2 перечислены некоторые кислотно-основные индикаторы и соответствующие интервалы перехода.

Таблица 2

ИНДИКАТОРЫ (от лат. indicator – указатель) – вещества, позволяющие следить за составом среды или за протеканием химической реакции. Одни из самых распространенных – кислотно-основные индикаторы, которые изменяют цвет в зависимости от кислотности раствора. Происходит это потому, что в кислой и щелочной среде молекулы индикатора имеют разное строение. Примером может служить распространенный индикатор фенолфталеин, который раньше использовали также в качестве слабительного средства под названием пурген. В кислой среде это соединение находится в виде недиссоциированных молекул, и раствор бесцветен, а в щелочной – в виде однозарядных анионов, и раствор имеет малиновый цвет (см . ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКАЯ ДИССОЦИАЦИЯ. ЭЛЕКТРОЛИТЫ). Однако в сильнощелочной среде фенолфталеин снова обесцвечивается! Происходит это из-за образования еще одной бесцветной формы индикатора – в виде трехзарядного аниона. Наконец, в среде концентрированной серной кислоты снова появляется красная окраска, хотя и не такая интенсивная. Ее виновник – катион фенолфталеина. Этот малоизвестный факт может привести к ошибке при определении реакции среды.

Кислотно-щелочные индикаторы весьма разнообразны; многие из них легко доступны и потому известны не одно столетие. Это отвары или экстракты окрашенных цветов, ягод и плодов. Так, отвар ириса, анютиных глазок, тюльпанов , черники, ежевики, малины, черной смородины, красной капусты, свеклы и других растений становится красным в кислой среде и зелено-голубым – в щелочной. Это легко заметить, если помыть кастрюлю с остатками борща мыльной (т.е. щелочной) водой. С помощью кислого раствора (уксус) и щелочного (питьевая, а лучше – стиральная сода) можно также сделать надписи на лепестках различных цветов красного или синего цвета.

Обычный чай – тоже индикатор. Если в стакан с крепким чаем капнуть лимонный сок или растворить несколько кристалликов лимонной кислоты, то чай сразу станет светлее. Если же растворить в чае питьевую соду, раствор потемнеет (пить такой чай, конечно, не следует). Чай же из цветков («каркаде») дает намного более яркие цвета.

Вероятно, самый старый кислотно-основной индикатор – лакмус. Еще в 1640 ботаники описали гелиотроп (Heliotropium Turnesole) – душистое растение с темно-лиловыми цветками, из которого было выделено красящее вещество. Этот краситель, наряду с соком фиалок, стал широко применяться химиками в качестве индикатора, который в кислой среде был красным, а в щелочной – синим. Об этом можно прочитать в трудах знаменитого физика и химика XVII века Роберта Бойля. Вначале с помощью нового индикатора исследовали минеральные воды, а примерно с 1670 года его начали использовать в химических опытах. «Как только вношу незначительно малое количество кислоты, – писал в 1694 французский химик Пьер Поме о „турнесоле", – он становится красным, поэтому если кто хочет узнать, содержится ли в чем-нибудь кислота, его можно использовать». В 1704 немецкий ученый М.Валентин назвал эту краску лакмусом; это слово и осталось во всех европейских языках, кроме французского; по-французски лакмус – tournesol, что дословно означает «поворачивающийся за солнцем». Так же французы называют и подсолнечник; кстати, «гелиотроп» означает то же самое, только по-гречески. Вскоре оказалось, что лакмус можно добывать и из более дешевого сырья, например, из некоторых видов лишайников.

К сожалению, почти у всех природных индикаторов есть серьезный недостаток: их отвары довольно быстро портятся – скисают или плесневеют (более устойчивы спиртовые растворы). Другой недостаток – слишком широкий интервал изменения цвета. При этом трудно или невозможно отличить, например, нейтральную среду от слабокислой или слабощелочную от сильнощелочной. Поэтому в химических лабораториях используют синтетические индикаторы, резко изменяющие свой цвет в достаточно узких границах рН. Таких индикаторов известно множество, и каждый из них имеет свою область применения. Например, метиловый фиолетовый изменяет окраску от желтой до зеленой в интервале рН 0,13 – 0,5; метиловый оранжевый – от красной (рН < 3,1) до оранжево-желтой (рН 4); бромтимоловый синий – от желтой (рН < 6,0) до сине-фиолетовой (рН 7,0); фенолфталеин – от бесцветной (рН < 8,2) до малиновой (рН 10); тринитробензол – от бесцветной (pH < 12,2) до оранжевой (рН 14,0).

В лабораториях нередко используются универсальные индикаторы – смесь нескольких индивидуальных индикаторов, подобранных так, что их раствор поочередно меняет окраску, проходя все цвета радуги при изменении кислотности раствора в широком диапазоне рН (например, от 1 до 11). Раствором универсального индикатора часто пропитывают полоски бумаги, которые позволяют быстро (хотя и с не очень высокой точностью) определить рН анализируемого раствора, сравнивая окраску полоски, смоченной раствором, с эталонной цветовой шкалой.

Помимо кислотно-основных, применяют и другие типы индикаторов. Так, окислительно-восстановительные индикаторы изменяют свой цвет в зависимости от того, присутствует в растворе окислитель или восстановитель. Например, окисленная форма дифениламина фиолетовая, а восстановленная – бесцветная. Некоторые окислители сами могут служить индикатором. Например, при анализе соединений железа(II) в ходе реакции

10FeSO 4 + 2KMnO 4 + 8H 2 SO 4 ? 5Fe 2 (SO 4) 3 + 2MnSO 4 + K 2 SO 4 + 8H 2 O

добавляемый раствор перманганата обесцвечивается, пока в растворе присутствуют ионы Fe 2+ . Как только появится малейший избыток перманганата, раствор приобретает розовую окраску. По количеству израсходованного перманганата легко рассчитать содержание железа в растворе. Аналогично в многочисленных анализах с использованием метода иодометрии индикатором служит сам иод; для повышения чувствительности анализа используют крахмал, который позволяет обнаруживать малейший избыток иода.

Широкое распространение получили комплесонометрические индикаторы – вещества, образующие с ионами металлов (многие из которых бесцветны) окрашенные комплексные соединения. Примером может служить эриохром черный Т; раствор этого сложного органического соединения имеет синий цвет, а в присутствии ионов магния, кальция и некоторых других образуются комплексы, окрашенные в интенсивный винно-красный цвет. Анализ ведут так: к раствору, содержащему анализируемые катионы и индикатор, добавляют по каплям более сильный, по сравнению с индикатором, комплексообразователь, чаще всего – трилон Б. Как только трилон полностью свяжет все катионы металлов, произойдет отчетливый переход от красного цвета к синему. По количеству добавленного трилона легко вычислить содержание катионов металла в растворе.

Известны и другие виды индикаторов. Например, некоторые вещества адсорбируются на поверхности осадка, изменяя его окраску; такие индикаторы называются адсорбционными. При титровании мутных или окрашенных растворов, в которых практически невозможно заметить изменение окраски обычных кислотно-основных индикаторов, используют флуоресцентные индикаторы. Они светятся (флуоресцируют) разным цветом в зависимости от рН раствора. Например, флуоресценция акридина изменяется от зеленой при рН = 4,5 до синей при рН = 5,5; при этом важно, что свечение индикатора не зависит от прозрачности и собственной окраски раствора.

Илья Леенсон

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.

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