Как узнать, сколько кислоты в пробе, если на ней не написано? Капай щелочь из бюретки, лови скачок pH на кривой и момент, когда индикатор сменит цвет.
В колбу наливают точно отмеренную пробу кислоты неизвестной концентрации и пару капель индикатора. Сверху из бюретки, длинной трубки с делениями и краном, по каплям добавляют щелочь известной концентрации. Каждая порция щелочи нейтрализует столько же кислоты: H⁺ + OH⁻ → H₂O.
Пока кислоты в избытке, pH растет медленно. Когда кислота почти кончилась, одна-две лишние капли резко делают раствор щелочным, и индикатор меняет цвет. Этот момент называют точкой эквивалентности: щелочи добавили ровно столько, сколько было кислоты. Объем по бюретке и дает ответ.
ⓘ В бюретке 0,1 М раствор NaOH (для масла KOH). pH после каждой порции считается точно, с учетом разбавления пробы. Кран при плавной подаче сам переходит на капли вблизи конечной точки и закрывается при смене цвета.
Первая формула дает ответ анализа, вторая объясняет кривую для сильной кислоты, третья для слабой. Числа под формулами берутся из опыта, а карточка, которая сейчас «работает», подсвечена.
Какая концентрация была в пробе?
В точке эквивалентности молей щелочи столько же, сколько ионов H⁺ могла отдать кислота. Делим на объем пробы и получаем концентрацию.
Какой pH на пути к точке эквивалентности?
Для сильной кислоты: в колбе осталось столько H⁺, сколько их было минус нейтрализованные. Делим на общий объем. После точки так же считают избыток OH⁻.
Почему у слабой кислоты кривая пологая?
Щелочь превращает слабую кислоту HA в ее соль A⁻. Смесь HA и A⁻ это буфер, и pH зависит от их отношения, а не от количества. На полпути они равны и pH = pKa.
Шкала pH логарифмическая. Пока в колбе остается 1% кислоты от исходного, [H⁺] еще 10⁻³·⁷ моль/л. Последние капли убирают и этот остаток, а следующие уже дают избыток OH⁻. За 0,1 мл концентрация H⁺ падает в миллионы раз, и pH прыгает от 4 до 10.
У слабой кислоты начало кривой выше (кислота распалась не вся), середина пологая (там работает буфер), а в точке эквивалентности в колбе раствор ацетата натрия. Ацетат слегка щелочной, поэтому точка эквивалентности при pH около 8,7. Метилоранж (3,1…4,4) поменяет цвет слишком рано, а фенолфталеин (8,2…10) попадает точно в скачок.
Правило: зона перехода индикатора должна лежать внутри вертикального участка кривой.
Пробу масла растворяют и титруют раствором KOH. Результат пишут в мг KOH на 1 г масла. Рост TAN показывает, что масло окислилось: кислоты разъедают вкладыши подшипников, пора менять масло. Стандарт ASTM D664 и ГОСТ 11362.
Моторное масло для дизеля содержит щелочные присадки, которые нейтрализуют серные кислоты из топлива. Их запас находят обратным титрованием кислотой. Когда TBN падает вдвое от свежего, защита заканчивается.
Плотность ареометром показывает концентрацию серной кислоты быстро, а титрование точно. В мастерских так проверяют свежий электролит и готовят корректирующие растворы.
Щелочность воды и жесткость определяют титрованием: щелочность кислотой с индикатором, жесткость раствором трилона Б. По этим числам выбирают режим водоподготовки для котлов и систем охлаждения.
На золотоизвлекательной фабрике титрованием каждую смену контролируют свободный цианид и известь в пульпе. От этих концентраций зависит, сколько золота перейдет в раствор и сколько реагента уйдет зря.
В заводской лаборатории бюретку и pH-электрод соединяют с прибором. Он сам добавляет раствор, строит кривую и находит точку эквивалентности по самому крутому участку, без индикатора. Так анализируют темные пробы, например масло.
Температура 25 °C, концентрации вместо активностей. Щелочь в бюретке точно 0,1 моль/л и не поглощает углекислый газ из воздуха. Серная кислота считается с первой ступенью полностью распавшейся и второй с pKa 1,9. Кислоты в масле заменены одной слабой кислотой с pKa 5 в смеси растворителей, а pH в такой смеси условный: настоящий прибор показывает потенциал электрода, а не pH воды. Индикатор считается сменившим цвет в середине своей зоны; глаз опытного лаборанта видит перемену чуть раньше. Одна капля 0,05 мл.