Кислотно-основное титрование

Кислотно-основное титрование является одним из наиболее распространённых методов количественного анализа, основанным на точном измерении объёма раствора реагента известной концентрации, необходимого для полного реагирования с определяемым веществом. Процесс титрования опирается на принцип нейтрализации — взаимодействие кислоты с основанием с образованием соли и воды.

**Ключевые понятия**:

• Титрант — раствор известной концентрации, который добавляется в титруемый раствор.
• Титруемый раствор — раствор вещества неизвестной концентрации, подлежащего определению.
• Эквивалентная точка — момент, когда количество введённого титранта полностью реагирует с анализируемым веществом в стехиометрическом соотношении.
• Индикатор — вещество, позволяющее визуально зафиксировать приближение эквивалентной точки за счёт изменения окраски.

---

Основные типы кислотно-основных реакций

1. Сильная кислота — сильное основание Пример: HCl + NaOH → NaCl + H₂O Характеризуется резким изменением pH около эквивалентной точки. Индикаторы с узкой зоной перехода, такие как фенолфталеин или метиловый оранжевый, обеспечивают точное определение объёма титранта.

2. Сильная кислота — слабое основание Пример: HCl + NH₃ → NH₄Cl Эквивалентная точка смещена в кислую область (pH < 7). Оптимальные индикаторы — метиловый оранжевый, который изменяет окраску в диапазоне pH 3,1–4,4.

3. Слабая кислота — сильное основание Пример: CH₃COOH + NaOH → CH₃COONa + H₂O Эквивалентная точка смещена в щёлочную область (pH > 7). Индикаторы с переходом в щёлочном диапазоне, такие как фенолфталеин (pH 8,3–10), позволяют точно зафиксировать конец реакции.

4. Слабая кислота — слабое основание Пример: NH₄⁺ + CH₃COO⁻ ↔︎ NH₃ + CH₃COOH Реакция характеризуется малой резкостью изменения pH, что затрудняет применение классического титрования без использования потенциометрического метода.

---

Показатели и индикаторы

Выбор индикатора определяется типом реагентов и ожидаемым значением pH эквивалентной точки.

• Фенолфталеин: бесцветен в кислой среде, малиновый — в щёлочной (pH 8,3–10).
• Метиловый оранжевый: красный в кислой среде, жёлтый в щёлочной (pH 3,1–4,4).
• Метиловый красный: красный в кислой среде, жёлтый в щёлочной (pH 4,4–6,2).

Выбор индикатора требует совпадения точки изменения окраски с pH эквивалентной точки титрования.

---

Кривые титрования

Кривые титрования отображают зависимость pH раствора от объёма добавленного титранта.

• Сильная кислота — сильное основание: резкий скачок pH при эквивалентной точке.
• Слабая кислота — сильное основание: постепенное увеличение pH с резким подъёмом около эквивалентной точки.
• Сильная кислота — слабое основание: резкий спад pH вблизи эквивалентной точки.

Анализ кривых позволяет точно определить момент нейтрализации и выбрать оптимальный индикатор.

---

Методы определения конца титрования

1. Визуальный — наблюдение изменения окраски индикатора.
2. Потенциометрический — измерение потенциала раствора с помощью электрода, построение графика pH или E vs объём титранта.
3. Кондуктометрический — измерение проводимости раствора, особенно применимо при слабых кислотах и основаниях.
4. Термометрический — фиксирование изменения температуры раствора в результате экзотермических реакций нейтрализации.

---

Расчёты и выражение концентрации

Концентрация вещества в титруемом растворе определяется по формуле:

C_aV_a = C_bV_b

где C_a — концентрация титруемого вещества, V_a — его объём, C_b — концентрация титранта, V_b — объём титранта, необходимый для достижения эквивалентной точки.

Для более сложных систем учитываются стехиометрические коэффициенты:

n_aC_aV_a = n_bC_bV_b

где n_a и n_b — коэффициенты из уравнения реакции.

---

Практические аспекты

• Использование точных бюреток и колб для минимизации ошибок измерений.
• Подготовка растворов титрантов с известной концентрацией, включая стандартизацию по первичным стандартам (например, Na₂CO₃ для NaOH).
• Коррекция pH и объёма титранта при проведении титрования слабых кислот и оснований с учётом буферных свойств.

Точное соблюдение этих принципов обеспечивает высокую точность и воспроизводимость результатов кислотно-основного титрования.