Определение характера среды растворов кислот и щелочей с помощью индикаторов. Качественные реакции на ионы в растворе (хлорид-, сульфат-, карбонат-ионы)

Определение характера среды растворов кислот и щелочей с помощью индикаторов

Вода хоть и в очень малой степени, но подвергается электролитической диссоциации по схеме:

Поскольку количества образующихся ионов H⁺ и ОН^- равны друг другу:

с(H⁺) = с(ОН^-),

чистая вода имеет нейтральную среду.

При растворении в воде кислот среда становится кислой (кислотной), т. к. возрастает концентрация ионов водорода Н⁺:

с(H⁺) > с(ОН^-).

При растворении в воде щелочей среда становится щелочной, т. к. возрастает концентрация гидроксид-ионов:

с(H⁺) < с(ОН^-).

На практике для характеристики степени кислотности раствора используют так называемый водородный показатель, или pH. Поясним, что это такое.

В результате точных измерений было найдено, что концентрация ионов водорода в чистой воде равна c(H⁺) = 1 ∙ 10^-7 моль/л. Это очень маленькая величина. Вы, должно быть, знаете, что в естественных науках для большего удобства вместо обычных масштабов (шкал, графиков) часто используют логарифмические, что позволяет работать с несопоставимыми, казалось бы, величинами. Для удобства в химии используют не концентрацию ионов водорода, а отрицательный логарифм этой величины, называемый водородным показателем или pH:

pH = -lg с(Н⁺)

Следовательно, вместо громоздкой записи с(H⁺) = 1 ∙ 10^-7 моль/л можно кратко записать:

pH = 7,0

поскольку pH = -lg с(Н⁺) = -lg (1 ∙ 10^-7) = 7,0.

Итак, нейтральной среде соответствует значение pH = 7,0. В кислой среде с(Н⁺) > 1 ∙ 10^-7 моль/л, следовательно, pH < 7,0. В щелочной среде с(Н⁺) < 1 ∙ 10 ⁷ моль/л, следовательно, pH > 7,0. Всё это наглядно представлено в таблице 7.

Таблица 7

Среда раствора	Кислая	Нейтральная	Щелочная
с(Н+)	> 1 ∙ 10-7 моль/л	= 1 ∙ 10-7 моль/л	< 1 ∙ 10-7 моль/л
pH	< 7,0	= 7,0	> 7,0

Используемая на практике шкала pH растворов изменяется от 0 до 14,0.

Так, часто используемые в химической практике растворы кислот, оснований и солей имеют следующие значения pH (табл. 8).

Таблица 8

Вещество	с, М	pH
Основания:
КОН	0,1	13,0
NH3	0,1	11,3
Кислоты:
СН3СООН	0,1	2,9
НСl	0,1	1,0
H2S	0,1	4,1
H3BO3	0,1	5,3
Н3РO4	0,1	1,5
H2SO4	0,005	2,1
лимонная Н3С6O7Н6	0,1	2,1
уксус столовый	6%	2,3
Соли:
АlСl3	0,01	2,5
K2CO3	0,1	11,5
KH2РO4	0,1	4,7
NH4CL	0,1	4,6
NaHCO3	0,1	8,3
NaCH3COO	0,1	8,9
Na2SiO3	0,1	12,6
NaHSO4	0,1	1,4
NaH2PO4	0,1	4,5
Na2HPO4	0,1	9,2
Na3PO4	0,1	12,04
Соки:
апельсиновый	—	3,5
лимонный	—	2,1
томатный	—	4,1
яблочный	—	3,7
Биологические жидкости: желудочный сок желчь кровь молоко моча пот слезы слюна яичный белок Вода: болотная дождевая морская рудничная		1,65 6,8 7,36 6,7 5,8 7,4 7,7 6,75 8,0 ~4,0 ~6,0 8,0 ~3,0

Для определения среды раствора используют кислотно-основные индикаторы. В практике школьных лабораторий широко используют фенолфталеин, лакмус и метиловый оранжевый, реже — так называемый универсальный индикатор. Упрощённо считают, что индикаторы принимают следующую окраску в зависимости от среды раствора (табл. 9).

Таблица 9

Индикатор	Кислая среда	Нейтральная среда	Щелочная среда
Лакмус	Розовый	Фиолетовый	Синий
Метилоранж	Красный	Оранжевый	Жёлтый
Фенолфталеин	Бесцветный	Бесцветный	Малиновый

Условность таблицы 9 в том, что каждый индикатор изменяет окраску не в одной определённой точке, а в некотором интервале значений pH. Так, метиловый оранжевый начинает изменять красную окраску при значении pH чуть более 3,0. При pH около 4,5 окраска метилоранжа уже полностью жёлтая. В интервале pH от 3,0 до 4,5 окраска метилоранжа оранжевая — промежуточная между красной и жёлтой. Аналогично и другие индикаторы имеют свою область перехода окраски от одной к другой. Ниже приведены значения pH, при которых указанные индикаторы изменяют свою окраску (рис. 41).

Из этого рисунка видно, что, например, фенолфталеин имеет отчётливую малиновую окраску только в умеренно щелочной среде при pH > 9,5. В слабощелочной среде фенолфталеин остаётся бесцветным. Легко сообразить, что если метилоранж в каком-либо растворе принял жёлтую окраску, а лакмус ещё розовый, то величина pH раствора около 5,0. Если лакмус уже синий, а фенолфталеин ещё практически бесцветен, то pH раствора около 8,0. Чтобы избежать таких сложностей при определении pH, используют универсальный индикатор, который плавно меняет окраску на протяжении всей шкалы pH. Поэтому по универсальному индикатору можно определить не только среду раствора (кислую, нейтральную или щелочную), но и оценить примерное значение pH. Цветовая шкала окраски универсального индикатора со значениями pH нанесена на каждой коробочке с индикатором. Для определения pH стеклянной палочкой наносят каплю исследуемого раствора на полоску универсальной индикаторной бумаги и сравнивают полученную окраску со стандартной шкалой.

Качественные реакции на ионы в растворе

Качественными называют реакции, с помощью которых можно обнаружить данный ион (или вещество) в анализируемом растворе. Качественная реакция должна обязательно сопровождаться каким-либо эффектом — выпадением осадка, выделением газа, изменением цвета раствора. Программа 9 класса предусматривает знакомство с качественными реакциями на хлорид-, сульфат- и карбонат-ионы.

Определение хлорид-иона. Качественным реактивом на хлорид-ионы являются ионы серебра, при взаимодействии которых друг с другом выпадает белый творожистый осадок хлорида серебра:

Осадок хлорида серебра не растворяется в минеральных кислотах, но растворяется в концентрированном растворе аммиака за счёт образования аммиачного комплекса.

Определение сульфат-иона. Качественным реактивом на сульфат-ионы являются ионы бария, образующие с сульфат-ионами нерастворимый в воде и минеральных кислотах белый мелкокристаллический осадок:

Указание на “нерастворимость в кислотах” очень важно. Так, ионы бария образуют белые осадки и с карбонат-ионами, и с фосфат-ионами, но оба осадка — и ВаСO₃, и Ва₃(РO₄)₂ — растворяются в сильных минеральных кислотах (азотной, соляной).

Определение карбонат-ионов. Качественными реакциями на карбонат-ионы могут быть реакции с кислотами или с ионами кальция. В первом случае выделяется бесцветный газ, во втором случае — белый осадок, растворимый в кислотах:

Задания

Часть 1

К каждому из заданий части 1 даны 4 варианта ответа, из которых только один правильный.

1. Различить растворы соляной и серной кислот можно, если добавить к ним раствор

1) лакмуса

2) нитрата бария

3) фенолфталеина

4) гидроксида калия

2. Ученик обнаружил на кухне две одинаковые банки. В одной из них находится поваренная соль (NaCl), а в другой — питьевая сода (NaHCO₃). Каким из предложенных способов ему следует воспользоваться, чтобы распознать содержимое банок?

1) исследовать запахи веществ

2) растворить вещества в воде

3) добавить в вещества раствор уксусной кислоты

4) добавить в вещества раствор иода

3. С помощью соляной кислоты можно распознать

1) карбонат натрия.

2) хлорид натрия

3) сульфат бария

4) нитрат магния

4. С помощью раствора серной кислоты можно определить наличие в растворе ионов

1) хлора .

2) натрия

3) бария .

4) цинка

5. Для обнаружения в растворе хлорид-ионов используют раствор, содержащий ионы

1) меди(II).

2) бария

3) серебра.

4) алюминия

6. Чтобы на кухне отличить питьевую соду от поваренной соли, необходимо

1) растворить вещества в воде

2) добавить к каждому веществу нашатырный спирт

3) добавить к каждому веществу несколько капель мыльного раствора

4) прилить к каждому веществу уксус

7. Наличие в растворе ионов серебра можно установить в результате реакции с

1) NaNO₃

2) ВаСl₂

3) FeCO₃

4) CuSO₄

8. Наличие ионов бария в растворе можно доказать с помощью раствора

1) Na₂SO₄

2) KNO₃

3) NaOH

4) НСl

9. Различить серную и соляную кислоту можно, если

1) поместить в них кусочек цинка

2) добавить раствор фенолфталеина

3) добавить раствор метилоранжа

4) прилить раствор нитрата бария

10. Наличие в растворе карбонат-ионов можно установить в результате реакции с

1) соляной кислотой

2) хлоридом калия

3) сульфид-ионами

4) фосфатом натрия

11. Различить растворы гидроксида кальция и гидроксида калия можно, если

1) добавить раствор фенолфталеина

2) подействовать раствором хлорида меди(II)

3) добавить соляную кислоту

4) пропустить через них углекислый газ

12. При добавлении в раствор кислоты раствора соли выделяется газ, окрашивающий влажную синюю лакмусовую бумагу в красный цвет. Процессу образования газа соответствует левая часть краткого ионного уравнения:

13. При добавлении соляной кислоты к порошку соли белого цвета выделяется газ, от которого известковая вода мутнеет. Образованию газа соответствует левая часть краткого ионного уравнения:

14. Фенолфталеин останется бесцветным в растворе

1) едкого натр.

2) серной кислоты

3) гидроксида кали.

4) извести

15. Выделение газа наблюдается при сливании растворов

1) сульфата натрия и гидроксида бария

2) гидроксида натрия и соляной кислоты

3) карбоната калия и азотной кислоты

4) гидроксида меди(II) и азотной кислоты

16. Выпадение осадка наблюдается при сливании растворов

1) хлорида алюминия и гидроксида кальция

2) сульфата натрия и соляной кислоты

3) карбоната калия и азотной кислоты

4) гидроксида натрия и серной кислоты

17. Лакмус окрасится в красный цвет в растворе

1) гидроксида натрия

2) поваренной соли .

3) спирта

4) азотной кислоты

18. Лакмус окрасится в синий цвет в растворе

1) гидроксида натрия

2) поваренной соли .

3) спирта

4) азотной кислоты

19. Фенолфталеин окрасится в малиновый цвет в растворе

1) гидроксида натри.

2) серной кислоты

3) спирта.

4) азотной кислоты

При выполнении заданий выберите правильные ответы.

20. Осадок выпадает при добавлении раствора серной кислоты к раствору

1) карбоната калия

2) нитрата меди(II)

3) гидроксида бария

4) хлорида кальция

5) нитрата свинца(II)

6) гидроксида натрия

Ответ: ____ .

21. Установите соответствие между двумя веществами и реактивом, с помощью которого можно различить эти вещества. К каждому элементу первого столбца подберите соответствующий элемент из второго столбца.

ВЕЩЕСТВА

РЕАКТИВ

А	Б	В

22. Установите соответствие между двумя веществами и реактивом, с помощью которого можно различить эти вещества. К каждому элементу первого столбца подберите соответствующий элемент из второго столбца.

ВЕЩЕСТВА

РЕАКТИВ

А	Б	В

23. Установите соответствие между двумя веществами и реактивом, с помощью которого можно различить эти вещества. К каждому элементу первого столбца подберите соответствующий элемент из второго столбца.

ВЕЩЕСТВА

РЕАКТИВ

А	Б	В

24. Установите соответствие между двумя веществами и реактивом, с помощью которого можно различить эти вещества. К каждому элементу первого столбца подберите соответствующий элемент из второго столбца.

ВЕЩЕСТВА

РЕАКТИВ

А	Б	В