Химия · Растворы и электролиты · 7 класс

Кислоты, основания и индикаторы

Почему сок красной капусты в лимоне краснеет, а в соде синеет?

Ситуация

В ташкентской кухне для салата нарезали краснокочанную капусту — на доске осталась фиолетовая жидкость. Когда на неё капнули лимон, пятно покраснело, а там, где посыпали содой, позеленело и посинело. Какие из кухонных веществ — лимонный сок, уксус, вода, сода, мыло и известковая вода — кислоты, а какие основания? Как узнать это, не пробуя на вкус, и как точно нейтрализовать кислоту основанием?

Тема

Кислота, основание и индикаторы *(образец)*. Кухонная лаборатория: лимон, сода, мыло и сок краснокочанной капусты

Ключевые понятия

Шкала pH
Индикаторы
Нейтрализация

Формулы

pH = - \lg [H^{+}]

pH — отрицательный десятичный логарифм концентрации ионов водорода (моль/л). pH 7 — нейтральная среда, < 7 — кислая, > 7 — щелочная.

[H^{+}] \cdot [O H^{-}] = 10^{- 14}

Ионное произведение воды (25 °C): в чистой воде $[H^{+}] = [O H^{-}] = 10^{- 7}$ моль/л.

HCl + NaOH \overset{}{\to} NaCl + H_{2} O

Нейтрализация: кислота + основание → соль + вода; в ионах: $H^{+} + OH^{-} \overset{}{\to} H_{2} O$ .

CH_{3} COOH + NaHCO_{3} \overset{}{\to} CH_{3} COONa + H_{2} O + CO_{2} ↑

Уксус и сода: при нейтрализации выделяется углекислый газ (шипение).

c_{1} V_{1} = c_{2} V_{2}

Титрование: в точке эквивалентности количества вещества кислоты и щёлочи равны (для одноосновной кислоты).

Теория

Кислоты, основания и pH

Кислоты в воде отдают ионы водорода H⁺ (точнее, H₃O⁺), щёлочи — гидроксид-ионы OH⁻. В самой воде тех и других очень мало: при 25 °C $[H^{+}] \cdot [O H^{-}] = 10^{- 14}$ . Поэтому среду удобно выражать одним числом — pH = $- \lg [H^{+}]$ : pH < 7 — кислая, 7 — нейтральная, > 7 — щелочная. Шкала логарифмическая: если pH уменьшается на 1, ионов H⁺ становится в 10 раз больше. В лимонном соке (pH ≈ 2,2) H⁺ примерно в 60 000 раз больше, чем в чистой воде.

Индикаторы

Индикатор — слабая органическая кислота или основание, цвет которого зависит от pH: его протонированная и непротонированная формы имеют разный цвет. Каждый индикатор меняет цвет в своём интервале: фенолфталеин 8,2–10 (бесцветный → малиновый), метилоранж 3,1–4,4 (красный → жёлтый), лакмус 4,5–8,3 (красный → синий). Универсальный индикатор — смесь нескольких индикаторов; он меняет цвет по всей шкале и показывает pH с точностью ±1. Фенолфталеин бесцветен и в кислоте, и в нейтральной воде — он «узнаёт» только щёлочь.

Краснокочанная капуста — природный индикатор

В краснокочанной капусте, чёрном винограде, чёрной смородине и чёрной шелковице есть антоцианы — они меняют цвет в зависимости от pH: в сильной кислоте красный, в нейтральной среде фиолетовый, в слабой щёлочи синий и зелёный, в сильной щёлочи жёлтый. Поэтому сок краснокочанной капусты — «универсальный» индикатор, который можно приготовить дома. pH образцов на сцене: лимонный сок 2,0–2,6, уксус около 2,4, раствор соды ≈ 8,3, мыльный раствор 9–10, известковая вода ≈ 12,4.

Нейтрализация: уксус и сода

Кислота и основание взаимодействуют и образуют соль и воду — это нейтрализация. Когда пищевая сода (NaHCO₃) реагирует с уксусной кислотой, выделяется ещё и газ CO₂ — на этом основано поднятие теста. В 50 мл 9 %-ного уксуса ≈ 0,076 моль кислоты; чтобы её нейтрализовать, нужно столько же моль соды. Пока кислоты ещё избыток, раствор — буферный: pH = p $K_{a}$ + lg(ацетат/кислота) и меняется медленно; когда кислота закончилась, избыток соды делает среду слабощелочной (pH ≈ 8,3).

Лаборатория: титрование

Титрование — определение количества неизвестной кислоты раствором щёлочи точно известной концентрации. Из бюретки по каплям добавляют NaOH, раствор перемешивают. Вблизи точки эквивалентности в месте падения капли появляется розовое пятно, которое при перемешивании исчезает; первый не исчезающий бледно-розовый цвет — конец титрования. В сильной кислоте одна капля «подбрасывает» pH с 4 до 10. При титровании уксуса (слабой кислоты) в точке эквивалентности в растворе остаются ацетат-ионы и pH ≈ 8,5–8,7 (в зависимости от разбавления), поэтому фенолфталеин подходит, а метилоранж меняет цвет слишком рано. Расчёт: $n (NaOH) = c V$ , $m = n M$ , $ω = m / (ρ V_{образца})$ .

Безопасность и модель

Не пробуйте кислоты и щёлочи на вкус; если щёлочь (известковая вода, NaOH) попала в глаза, промойте большим количеством воды — надевайте защитные очки. Раствор фенолфталеина спиртовой, держите его подальше от огня. Модель: растворы идеальные (активности равны концентрациям), 25 °C; pH образцов — типичные измеренные значения; в реакции уксуса с содой CO₂ считается полностью улетучившимся; при титровании pH точно рассчитывается из уравнения баланса зарядов. Дистиллированная вода на воздухе поглощает CO₂ и имеет pH ≈ 5,6 — «чистая вода» на сцене без CO₂.

Знаете ли вы?

Роберт Бойль в XVII веке описал, что цвет растительных соков меняется в кислоте и щёлочи; а лакмус — древний индикатор, получаемый из лишайников: бумага, пропитанная им, используется и сегодня.
Понятие pH ввёл в 1909 году датский химик Сёрен Сёренсен в лаборатории Карлсберг в Копенгагене, изучая действие ферментов.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.