Реакція середовища і кислотно-основні індикатори

Реакція середовища водного розчину — це його характеристика, яка показує, яких йонів у розчині більше: гідроген-катіонів H⁺ чи гідроксид-аніонів OH⁻. Саме співвідношення цих йонів визначає, чи є середовище кислим (кислотним), нейтральним або лужним.

Співвідношення H⁺ і OH⁻

У кислому середовищі концентрація йонів H⁺ перевищує концентрацію йонів OH⁻. Типові приклади — водні розчини хлоридної кислоти HCl, сульфатної кислоти H₂SO₄, нітратної кислоти HNO₃. У нейтральному середовищі кількості H⁺ і OH⁻ рівні. Чиста дистильована вода та розчин кухонної солі NaCl мають нейтральне середовище. У лужному середовищі, навпаки, йонів OH⁻ більше, ніж H⁺. Приклади — розчини натрій гідроксиду NaOH, калій гідроксиду KOH, кальцій гідроксиду Ca(OH)₂.

Дисоціація води

Вода — дуже слабкий електроліт. Її молекули оборотно дисоціюють за рівнянням:

H₂O ⇄ H⁺ + OH⁻

За температури 25 °C у чистій воді концентрації обох йонів однакові й становлять по 10⁻⁷ моль/л. Саме тому чиста вода має нейтральну реакцію. Якщо в розчин додати кислоту, концентрація H⁺ зросте, а OH⁻ — зменшиться; якщо додати луг — навпаки.

Термінологія програми НМТ

У програмі НМТ кисле середовище називають також кислотним. Це синоніми. Зверни увагу: розчини солей можуть мати як кислу, так і лужну реакцію. Чому так відбувається, пояснює окрема тема — гідроліз солей. Поки що запам'ятай: сама по собі сіль у воді не завжди дає нейтральне середовище.

pH (від лат. pondus Hydrogenii — «вага Гідрогену») — це водневий показник. У розбавлених водних розчинах він характеризує концентрацію йонів H⁺. Чим більше йонів H⁺ у розчині, тим менше значення pH.

Шкала pH

Звична шкільна шкала pH простягається від 0 до 14, але це не абсолютні межі — за межами цього діапазону pH також існує. За температури 25 °C діє просте правило:

• pH < 7 — кисле (кислотне) середовище

• pH = 7 — нейтральне середовище

• pH > 7 — лужне середовище

Запам'ятай: що менший pH, то більше йонів H⁺ в розчині. pH 2 означає вдесятеро більшу концентрацію H⁺, ніж pH 3. Це тому, що шкала pH логарифмічна — зміна pH на 1 відповідає зміні концентрації H⁺ у 10 разів.

Орієнтири pH у побуті та природі

Розведення водою та pH

Коли розчин кислоти розводять водою, концентрація йонів H⁺ зменшується, тому pH зростає, наближаючись до 7. Коли розчин лугу розводять водою, концентрація йонів OH⁻ зменшується, концентрація H⁺ відносно зростає, тому pH зменшується, також наближаючись до 7.

Важливо: розведенням кислоти водою ніколи не можна отримати лужний розчин. pH наближається до 7, але не перетинає цю межу. Так само розведення лугу не дасть кислого розчину.

Кислотно-основний індикатор — це речовина, яка змінює своє забарвлення залежно від pH середовища. Програма НМТ вимагає знати три індикатори: універсальний індикатор, метилоранж і фенолфталеїн. Запам'ятай: жодної таблиці з кольорами індикаторів у довідкових матеріалах НМТ не буде — цю інформацію треба знати напам'ять.

Метилоранж

Метилоранж — барвник, який у кислому середовищі набуває червоного кольору (у розбавленому розчині — рожевого), у нейтральному середовищі він оранжевий, а в лужному — жовтий.

Зверни увагу: у хімічних довідниках для метилоранжу наводять інтервал переходу pH приблизно 3,1–4,4. У шкільних таблицях і в завданнях НМТ користуються відповідністю «кисле — червоний (рожевий), нейтральне — оранжевий, лужне — жовтий». Саме її й запам'ятай.

Фенолфталеїн

Фенолфталеїн — безбарвна речовина в кислому та нейтральному середовищах. У лужному середовищі він набуває рожево-малинового кольору. Його інтервал переходу — pH приблизно 8,2–10.

Фенолфталеїн забарвлюється лише в достатньо лужному розчині (pH приблизно від 8,2). Тому ним не можна відрізнити кислоту від води — в обох випадках він безбарвний.

Універсальний індикатор

Універсальний індикатор — це суміш кількох індикаторів, яка дає поступову зміну кольору в широкому діапазоні pH. Його наносять на смужки паперу (індикаторний папірець). Колір смужки порівнюють зі шкалою кольорів на упаковці й отримують наближене значення pH.

Градації кольору універсального індикатора (приблизно):

• pH 1–3 — червоний

• pH 4–6 — оранжевий, жовтий

• pH 7 — зелений

• pH 8–10 — синьо-зелений, синій

• pH 11–14 — фіолетовий

Універсальний індикатор не лише розрізняє три типи середовища, а й дає наближене значення pH. Фенолфталеїном цього не зробити: у кислому й нейтральному середовищах він однаково безбарвний.

Що треба запам'ятати для НМТ

Для НМТ запам'ятай: метилоранж у кислому середовищі рожевий (червоний), у нейтральному — оранжевий, у лужному — жовтий. Не вважай, що безбарвний фенолфталеїн обов'язково означає кислоту — він безбарвний і в нейтральному середовищі також. Кольори індикаторів потрібно вивчити напам'ять, оскільки в довідкових матеріалах НМТ їх немає.

Тепер подивимося, як індикатори працюють у реальних хімічних процесах — нейтралізації, роботі з нерозчинними основами та розрізненні розчинів.

Нейтралізація з фенолфталеїном

Уявімо дослід: у колбі міститься лужний розчин NaOH, підфарбований фенолфталеїном у малиновий колір. До нього поступово доливають хлоридну кислоту HCl. Відбувається реакція нейтралізації:

NaOH + HCl → NaCl + H₂O

Поки в розчині є надлишок лугу, pH залишається вищим за приблизно 8,2, і колір малиновий. Коли кислота нейтралізує майже весь луг, pH падає. У момент, коли pH стає нижчим за приблизно 8,2, фенолфталеїн знебарвлюється.

Ключовий момент: точка знебарвлення фенолфталеїну не збігається з pH 7. Вона настає раніше, ще в слабколужному середовищі (pH ≈ 8,2). При pH 7 і в надлишку кислоти розчин уже безбарвний. Тому фенолфталеїн не показує момент точної нейтралізації — він сигналізує про вихід із лужної зони.

Нерозчинні основи та фенолфталеїн

Практично нерозчинні основи, як-от купрум(II) гідроксид Cu(OH)₂ або ферум(III) гідроксид Fe(OH)₃, не дають помітного малинового забарвлення фенолфталеїну в типових шкільних дослідах. Чому? Тому що концентрація йонів OH⁻ у насиченому розчині цих основ надто мала, щоб підняти pH вище приблизно 8,2.

Це не означає, що Cu(OH)₂ зовсім не розчиняється — мізерна розчинність існує, але її недостатньо для помітної зміни кольору індикатора. Висновок: за самим класом речовини («основа») не можна прогнозувати колір індикатора — потрібно враховувати розчинність, концентрацію та інтервал переходу індикатора.

Розрізнення розчинів за допомогою індикаторів

Розглянемо три розчини з pH 2, 7 і 12. Як їх розрізнити?

• Універсальний індикатор: червоний, зелений і синій або фіолетовий — розрізняє всі три розчини.

• Метилоранж: рожевий, оранжевий і жовтий — теж дає три різні кольори.

• Фенолфталеїн: безбарвний, безбарвний і малиновий — виділяє лише лужний розчин.

Ці приклади показують, що вибір індикатора залежить від того, які саме розчини треба розрізнити та які в них pH.

Розгляньмо типові завдання, які можуть трапитися на НМТ, і розберімо їх покроково.

Приклад 1. Фенолфталеїн стане малиновим

Умова: У якій пробірці фенолфталеїн стане малиновим?

• А розчин HNO₃

• Б розчин KNO₃

• В розчин KOH (pH 12)

• Г суспензія Cu(OH)₂

Розв'язання: Фенолфталеїн стає малиновим лише в лужному середовищі з pH приблизно від 8,2. Розчин HNO₃ — кислота (pH < 7), безбарвний. Розчин KNO₃ — сіль, утворена сильною основою і сильною кислотою, її розчин нейтральний (pH = 7), безбарвний. Суспензія Cu(OH)₂ — практично нерозчинна основа, концентрація OH⁻ надто мала для забарвлення. Розчин KOH із pH 12 — лужний, фенолфталеїн у ньому малиновий.

Відповідь: В.

Чому інші варіанти неправильні: А — кисле середовище, фенолфталеїн безбарвний; Б — нейтральне середовище, фенолфталеїн безбарвний; Г — Cu(OH)₂ практично нерозчинна основа (позначка «Н»), тому не створює достатньої концентрації OH⁻ для забарвлення фенолфталеїну.

Приклад 2. Середовище і забарвлення метилоранжу

Умова: Установіть відповідність між розчином (1–3) і забарвленням метилоранжу в ньому (А–Д).

1 розчин HCl; 2 розчин NaOH; 3 розчин NaCl

А червоний (рожевий); Б оранжевий; В жовтий; Г малиновий; Д синій

Розв'язання:

• HCl — кисле середовище, метилоранж червоний (рожевий): 1А.

• NaOH — лужне середовище, метилоранж жовтий: 2В.

• NaCl — нейтральне середовище, метилоранж оранжевий: 3Б.

Відповідь: 1А, 2В, 3Б.

Чому інші варіанти неправильні: Г (малиновий) — це колір фенолфталеїну в лузі, не метилоранжу. Д (синій) — колір універсального індикатора в лужному середовищі. Не плутай індикатори між собою.

Приклад 3. Розведення кислоти водою

Умова: Як зміниться pH розчину хлоридної кислоти, якщо його розвести водою?

• А зменшиться

• Б збільшиться, але залишиться меншим за 7

• В збільшиться й стане більшим за 7

• Г не зміниться

Розв'язання: Хлоридна кислота — сильна кислота. При розведенні водою концентрація йонів H⁺ зменшується, тому pH зростає (наближається до 7). Але розчин залишається кислим — pH не перетинає 7, оскільки кислота нікуди не зникає, вона просто стає більш розведеною.

Відповідь: Б.

Чому інші варіанти неправильні: А — pH зменшився б, якби ми додавали кислоту, а не воду; В — розведенням кислоти не можна отримати лужний розчин; Г — pH обов'язково змінюється при зміні концентрації H⁺.

Приклад 4. Розрізнення трьох розчинів одним індикатором

Умова: Яким одним індикатором можна розрізнити розчини HCl, NaCl і NaOH із pH відповідно 2, 7 і 12?

• А фенолфталеїн

• Б крохмальний клейстер

• В універсальний індикатор

• Г розчин NaCl

Розв'язання: Фенолфталеїн не розрізняє HCl (pH 2) і NaCl (pH 7) — в обох безбарвний. Крохмальний клейстер і розчин NaCl не є кислотно-основними індикаторами: їхній вигляд від середовища не залежить. Універсальний індикатор дає різні кольори для всіх трьох pH: червоний для pH 2, зелений для pH 7, синій або фіолетовий для pH 12.

Відповідь: В.

Чому інші варіанти неправильні: А — фенолфталеїн безбарвний і в HCl, і в NaCl; Б — крохмальний клейстер не змінює кольору залежно від середовища; Г — розчин NaCl не змінює кольору від середовища.

На НМТ перевіряють не лише знання, а й уважність. Ось найпоширеніші помилки, яких припускаються учні в темі індикаторів.

• Фенолфталеїн забарвлюється в кислому середовищі. Це груба помилка. Фенолфталеїн малиновий лише в лужному середовищі (pH приблизно від 8,2). У кислому та нейтральному — безбарвний.

• Плутають забарвлення метилоранжу. У кислому середовищі він рожевий (червоний), у нейтральному — оранжевий, а жовтий — лише в лужному.

• Розведення кислоти водою зменшує pH або може зробити розчин лужним. Насправді pH при розведенні зростає (наближається до 7), але ніколи не перетинає 7. Розведенням кислоти не можна отримати луг.

• Нерозчинні основи (Cu(OH)₂, Fe(OH)₃) забарвлюють фенолфталеїн. Через надзвичайно малу концентрацію OH⁻ у їхніх насичених розчинах pH не досягає 8,2, тому фенолфталеїн залишається безбарвним.

• Плутають напрям шкали pH. Чим менший pH, тим кисліше середовище. pH 2 кисліший, ніж pH 6. Запам'ятай: низький pH — багато H⁺ — кисле середовище.

• Розраховують знайти забарвлення індикаторів у довідці НМТ. У довідкових матеріалах НМТ немає таблиці кольорів індикаторів. Цю інформацію треба знати напам'ять.

Тема «Водневий показник (pH)» та «Забарвлення універсального індикатора, фенолфталеїну й метилоранжу в кислотному, лужному й нейтральному середовищах» входить до теми 1.6 програми НМТ з хімії.

Формат завдань

Цю тему перевіряють завданнями з вибором однієї відповіді з чотирьох і завданнями на встановлення відповідності (логічні пари), наприклад «розчин — забарвлення індикатора».

Що треба знати напам'ять

Забарвлень індикаторів у довідкових матеріалах НМТ немає. Таблицю «індикатор × середовище» потрібно знати напам'ять. Це стосується всіх трьох індикаторів: універсального, метилоранжу та фенолфталеїну.

Стратегія виконання

Дотримуйся такого алгоритму:

1. Визнач середовище розчину: кисле, нейтральне чи лужне.

2. Згадай забарвлення потрібного індикатора в цьому середовищі.

3. Відкинь кольори інших індикаторів: малиновий — це фенолфталеїн у лужному середовищі, зелений — універсальний індикатор у нейтральному.

Пам'ятай: pH < 7 — кисле, pH = 7 — нейтральне, pH > 7 — лужне середовище. Це головний орієнтир для всіх завдань теми.

• pH < 7 — кисле, pH = 7 — нейтральне, pH > 7 — лужне середовище.

• Що менший pH, то більше йонів H⁺ у розчині.

• Універсальний індикатор дає наближену оцінку pH за його колірною шкалою; поблизу pH 7 — зелений.

• Метилоранж: у кислому середовищі рожевий (червоний), у нейтральному — оранжевий, у лужному — жовтий.

• Фенолфталеїн малиновий лише в лужному середовищі (pH приблизно від 8,2).

• Розведення наближає pH до 7, але не переводить через 7.

• Для прогнозу забарвлення враховують pH розчину та інтервал переходу індикатора, а не лише клас речовини.