Лайнус Полінг, Пітер Полінг — Хімія
За допомогою таких індикаторів, як лакмус, можна встановити, який розчин — кислий, нейтральний чи лужний. Індикатори змінюють своє забарвлення зі зміною pH розчину не різко, а в інтервалі однієї-двох одиниць pH. Це зумовлено наявністю хімічної рівноваги між двома по-різному забарвленими формами даного індикатора, а залежність забарвлення від концентрації іонів Гідрогену пояснюється участю іонів Гідрогену в цій рівновазі.
Так, червону форму лакмусу можна подати формулою HIn, а синю — як In-; ці форми лакмусу утворюються внаслідок реакції дисоціації
HIn ⇔ H+ + In-
Червоний Синій
(кислотна форма) (лужна форма)
У лужних розчинах, що характеризуються дуже малим значенням [H+], ця рівновага зсунута вправо, і індикатор майже повністю перетворюється на лужну форму (синю у випадку лакмусу). У кислих розчинах із високою концентрацією іонів Гідрогену [H+] рівновага зсунута вліво, і індикатор переходить у кислотну форму.
Підрахуймо відносну кількість обох форм як функцію концентрації іонів Гідрогену [H+]. Константа рівноваги для записаної вище реакції дорівнює
$\frac{[H^{+}][In^{-}]}{[HIn]}=K_{In}$
Цей вираз визначає константу рівноваги KIn для індикатора. Перепишемо цей вираз у такому вигляді:
$\frac{[HIn]}{[In^{-}]}=\frac{H^{+}}{K_{In}}$
Рівняння в такому вигляді показує, як відношення двох форм даного індикатора залежить від [H+]. Якщо обидві форми присутні в однакових кількостях, то відношення [HIn]/[In-] дорівнює 1 і, отже, [H+] = KIn. Константа індикатора KIn дорівнює, таким чином, концентрації іонів Гідрогену, за якої зміну кольору даного індикатора завершено наполовину. Відповідне значення pH називається pK даного індикатора.
Якщо pH зменшити на одиницю, то значення [H+] стає в десять разів більшим, ніж KIn, і відношення [HIn]/[In-] дорівнюватиме 10. Отже, за pH на одиницю меншого, ніж pK даного індикатора (його середня точка), кислотна форма індикатора переважає над основною формою у відношенні 10:1, тобто 91% даного індикатора в цьому розчині перебуває в кислотній формі й 9% — в основній формі. У межах зміни pH на дві одиниці даний індикатор змінюється від 91% кислотної форми до 91% основної форми. Для більшості індикаторів зміна кольору помітна за зміни pH приблизно в інтервалі 1,2—1,8 одиниці.
Індикатори розрізняються за значеннями їхніх pK; чиста вода, pH якої дорівнює 7, нейтральна щодо лакмусу (pK 6,8), але виявляє кислі властивості щодо фенолфталеїну (pK 8,8) й основні властивості щодо метилового оранжевого (pK 3,7).
Схему, що показує зміну кольору індикаторів і ефективні межі pH, у яких діють різні індикатори, наведено на рис. 12.1. Значення pH розчину можна приблизно встановити добором індикатора, щодо якого розчин дає нейтральну реакцію. Нині виготовляють індикаторний папір, просочений сумішшю різних індикаторів і такий, що показує кілька переходів кольору; за допомогою такого паперу можна визначити pH розчину з точністю до одиниці в інтервалі pH 1 —13.
Рис. 12.2. Схема двох електродів, що входять до pH-метра зі скляним електродом. Скляна мембрана виготовлена зі спеціального скла, крізь яке можуть вільно проникати іони Гідрогену. Потенціал цього електрода залежить від концентрації іонів Гідрогену в середовищі, що оточує скляну мембрану.
Особливо обережно слід добирати індикатори під час титрування слабких кислот або слабких основ. Як добирають індикатор, описано в підрозд. 12.6.
Нескладно помітити, що індикатор поводиться як слабка органічна кислота; вираз константи рівноваги для індикатора має такий самий вигляд, як і для звичайної слабкої кислоти.
Використання кольорових еталонів для даного індикатора дає змогу визначити pH розчину з точністю приблизно до 0,1 одиниці. Точнішим загальним методом визначення pH розчину є застосування приладу, який вимірює концентрацію іонів Гідрогену за електричним потенціалом гальванічного елемента, що використовує реакцію за участю іонів Гідрогену. Сучасні pH-метри зі скляним електродом дають змогу визначати pH з точністю, що наближається до 0,01, в інтервалі pH 0—14 (рис. 12.2).
Конструкцію скляного електрода наведено на рис. 12.2 (праворуч). Електрод Ag—AgCl забезпечує оборотний електричний зв'язок між дротиком, з'єднаним із клемою, і розчином HCl. Скляну колбочку в нижній частині електрода виготовляють зі спеціального скла, яке проводить електричний струм шляхом приєднання протонів, передавання їх від одного атома Оксигену до іншого й вивільнення їх з іншого боку (це скло не пропускає інших іонів). Ртутно-каломельний електрод, показаний у лівій частині рис. 12.2, дає змогу здійснити через даний розчин другий оборотний електричний контакт, що не залежить від концентрації іонів Гідрогену. Під час вимірювання pH кінці цих двох електродів опускають у розчин і за допомогою вольтметра вимірюють електрорушійну силу (ЕРС), що виникає. Оскільки проходження струму через комірку супроводжується перенесенням іонів Гідрогену з розчину з однією активністю іонів Гідрогену в розчин з іншою активністю (розчини по обидва боки скляної мембрани), а активності іонів Гідрогену значно не позначаються на інших стадіях провідності, то вимірюється ЕРС даного розчину, яка залежить від його pH. ЕРС лінійно залежить від значення pH, змінюючись на 0,059 В на одиницю pH за 25 °C.