Реакція середовища і кислотно-основні індикатори
~10 хв · 9 розділів · 10 тестових запитань
Визначаєш реакцію середовища розчину — кислу, нейтральну чи лужну — за значенням pH і забарвленням трьох обов'язкових індикаторів: універсального, метилоранжу та фенолфталеїну. Прогнозуєш, як зміниться pH під час розведення, нейтралізації чи додавання кислоти або лугу.
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
Речовина / розчин | Приблизний pH | Середовище |
|---|---|---|
Шлунковий сік | 1–2 | кисле |
Лимонний сік | 2–3 | кисле |
Столовий оцет | ≈ 3 | кисле |
Чиста вода | 7 | нейтральне |
Кров людини | ≈ 7,4 | слабко лужне |
Мильний розчин | 9–10 | лужне |
Нашатирний спирт | ≈ 11 | лужне |
Розчин NaOH (0,1 моль/л) | ≈ 13 | лужне |
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.
flowchart LR
subgraph M["Метилоранж"]
M1["Кисле"] --> M2["Червоний (рожевий)"]
M3["Нейтральне"] --> M4["Оранжевий"]
M5["Лужне"] --> M6["Жовтий"]
end
subgraph F["Фенолфталеїн"]
F1["pH < 8,2"] --> F2["Безбарвний"]
F3["pH 8,2–10"] --> F4["Рожево-малиновий"]
F5["pH > 10"] --> F6["Малиновий"]
end
subgraph U["Універсальний індикатор"]
U1["pH 1–2"] --> U2["Червоний"]
U3["pH ~7"] --> U4["Зелений"]
U5["pH 11–14"] --> U6["Фіолетовий"]
endТепер 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:
Визнач середовище розчину: кисле, нейтральне чи лужне.
Згадай забарвлення потрібного індикатора в цьому середовищі.
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.
Чому фенолфталеїн не підходить, щоб відрізнити кислоту від води?
Фенолфталеїн безбарвний і в кислому (наприклад, HCl), і в нейтральному (наприклад, NaCl, вода) середовищах. Він стає малиновим лише за pH приблизно від 8,2, тобто в лужному середовищі. Тому додавання фенолфталеїну до кислоти й до води дасть однаковий результат — безбарвний розчин. Щоб відрізнити кислоту від води, використовують метилоранж (рожевий у кислоті, оранжевий у воді) або універсальний індикатор.
Що означає pH = 7 і чому середовище тоді нейтральне?
pH = 7 означає, що концентрація йонів H⁺ у розчині дорівнює 10⁻⁷ моль/л. За температури 25 °C у чистій воді концентрації H⁺ і OH⁻ однакові (по 10⁻⁷ моль/л), тому середовище нейтральне. Якщо pH = 7, то [H⁺] = [OH⁻] = 10⁻⁷ моль/л.
Чи може розчин кислоти після розведення водою стати лужним?
Ні. Розведення водою зменшує концентрацію йонів H⁺, тому pH зростає, наближаючись до 7. Але pH ніколи не перетинає 7 — він може лише наблизитися до 7 знизу. Щоб отримати лужний розчин, потрібно додати луг, а не воду. Те саме з лугами: розведення наближає pH до 7 зверху, але не робить розчин кислим.
Чому Cu(OH)₂ — основа, а фенолфталеїн від неї не змінює кольору?
Cu(OH)₂ — основа, але практично нерозчинна у воді. Концентрація йонів OH⁻ у її насиченому розчині надзвичайно мала, тому pH такого розчину не досягає приблизно 8,2 — порогу, за якого фенолфталеїн змінює колір. Для прогнозу кольору індикатора важливі не назва класу речовини, а реальна концентрація OH⁻ у розчині та інтервал переходу індикатора.
Як швидко запам'ятати забарвлення метилоранжу?
Запам'ятай за назвою: метилоранж — «оранжевий» барвник, і саме оранжевим він залишається в нейтральному середовищі. У кислому середовищі він «червоніє» (рожевий), а в лужному — «блідне» до жовтого.
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.