КисХотность (щелочность) раствора можно точно определить с по­мощью титрования, в основе которого лежит правило, согласно ко­торому равные объемы растворов одинаковой нормальности содержат равные эквивалентные количества растворенных веществ.

Титрование — это метод определения кислотности (щелочности) раствора путем смешивания определенной порции раствора, эквивален­тная концентрация (Спэк) вещества в котором известна, с определенной порцией раствора, эквивалентная концентрация (Схэк) вещества в котором неизвестна и ее необходимо определить, и выполнения соот­ветствующих расчетов. Раствор, Схэк вещества которого необходимо определить, называется титруемым, а раствор, значение Спэк которого известно, называют титрантом.

Как правило, титрование осуществляется следующим образом (рис.1). К определенному объему титруемого раствора, влитого в чашку (г) с помощью пипетки (в), при его постоянном перемешивании добав­ляют из бюретки (б) по каплям титрант до тех пор, пока в результате смешивания двух растворов не получится нейтральный раствор, у которого рН = 7. Конечный момент титрования, называемый точкой

Эквивалентности, то есть момент, когда получившийся в результате смешивания двух растворов раствор становится нейтральным, определяют с Помощью кислотно-щелочных индикаторов.

Смешивание титруемого раствора с индикатором осуществляют различным образом, в зависимости от исходного цвета титруемого раствора. В случае, если на титрование поступает бесцветный раствор, то часто к нему сразу прибавляют определенное количество раствора индикатора. Если же на титрование поступает окрашенный раствор, то его сначала разбавляют определенным объемом нейтральной дистил­лированной воды и по мере прибавления к нему титранта периодически 1 — 2 капли раствора переносят на белую фарфоровую пластинку, смешивают их с одной каплей индикатора и рассматривают окраску. Часто вместо индикатора в виде раствора используют индикаторную бумагу и тогда 1 — 2 капли раствора переносят на нее. Иногда к окрашенному изначально и разбавленному титруемому раствору сразу добавляют определенный объем раствора индикатора, а за изменением окраски следят по окраске тонкого слоя жидкости на белой фарфо­ровой палочке, называемой титровальной, которую периодически погружают в раствор. Во всех случаях исходят из того, что в тонком слое жидкости в сравнении с толстым слоем легче заметить изменение окраски, особенно если его рассматривать на фоне белой бумаги.

Ранее мы отмечали (и об этом свидетельствуют данные табл.1), что с использованием кислотно-щелочных индикаторов можно только оце­нить кислотность (щелочность) раствора, но не определить ее точное значение. Поэтому у читателей может возникнуть естественный вопрос: почему при титровании, в процессе которого используются кислотно-щелочные индикаторы, позволяющие получать только ориентировочные значения кислотности (щелочности) среды, можно точно определить кислотность (щелочность) раствора? Для понимания этого рассмотрим, что происходит при постепенном добавлении, напри­мер, NaOH к определенному объему одномолярного раствора НС1. Происходящие при этом количественные изменения концентрации НС1 и NaOH с учетом того, что кислотность раствора НС1 определяют ионы Н+, а щелочность NaOH ионы ОН-, представлены в табл. 2.

Из представленной таблицы видно, что вблизи эквивалентной точки при незначительном изменении концентрации ионов ОН - от 0,99 до 1,01 моль/л за счет добавления NaOH количество ионов Н+ уменьша­ется от 1,0 х 10—2 до і о х 10—12, то есть в огромное число раз, равное 101 Также в 101" раз, но только увеличивается, и число ионов ОН-. Таким образом, вблизи эквивалентной точки при незначительном до­бавлении титранта концентрации ионов, определяющих кислотность или щелочность раствора, изменяются в огромное число раз и поэтому достаточно капли титранта, чтобы перевести раствор из кислого в щелочной или наоборот.

Чаще всего эквивалентную точку определяют с помощью бромтимолового синего или лакмуса. Цвет бромтимолового синего в кислой среде желтый, щелочной — синий; лакмуса — в кислой среде красный, щелочной — синий. Поэтому, например, если в качестве индикатора использовать лакмус и титруемый раствор также является кислым, то небольшое прибавление к нему раствора лакмуса окрасит этот раствор в красный цвет, который будет сохраняться до тех пор, пока в результате прибавления щелочи не будет достигнута эквивален­тная точка. После этого прибавление к титруемому раствору самого

Рис.1. Устройство для титрования [8]: а — колба с титрантом, б — бюретка, в — пипетка, г — чашка,

Д — зажим.

Незначительного количества щелочи вызывает стремительное уменьше­ние концентрации ионов Н+ (см. табл.2), обусловливающих, как изве­стно, кислый характер титруемого раствора, что приводит к резкому изменению цвета титруемого раствора с красного на синий.

Как отмечалось ранее, при титровании кислотность (щелочность) среды рассчитывают на основании данных об объемах титруемого раствора и титранта и эквивалентной концентрации титранта. Объемы титруемого раствора, титранта и массу растворенного в последнем вещества можно измерить с высокой точностью. Поэтому при разумно подобранных объемах титруемого раствора и титранта объем "послед­ней" капли титранта будет пренебрежимо мал в сравнении *с их объе­мами и не скажется на точности выполняемых измерений и расчетов. Момент же поступления в титруемый раствор "последней" капли титранта точно определяется по резкому изменению цвета индикатора.

"При расчетах по результатам кислотно-щелочного титрования ис­ходят из того, что объемы исследуемого раствора Vp вещества "В" и титранта, содержащего вещество "А", в точке эквивалентности обратно пропорциональны нормальностям этих растворов: Урд/Урд = Ыд/Ng или Урд х NB = VpA х Na.

Используя эти соотношения, находят нормальность исследуемого Вещества. Массу вещества "В", находящегося в заданном объеме исс­ледуемого раствора Vpg, рассчитывают по уравнению

M = М _хС _ х V „,

__ В экВ экВ оВ'

Їде Мэкв — эквивалентная масса вещества В, равная произведению мо­лярной массы Мв на фактор эквивалентности этого вещества

Мд = М х fg

ДлЯ расчета массы вещетвэа 'Ъ удобно Применят соотношение, пол­учаемое из двух предыдущих выражений:

M = М „хС, х V = М. х f хС. х f..

В экВ экЛ рл В экв экА рл

2* 19

Таким образом, по известной нормальности титранта (раствор ве­щества "А") и использованному объему титранта находят массу растворенного в вещества во взятом объеме исследуемого раствора.

Пример. На титрование 65 мл раствора серной кислоты пошло 16,25 мл 0,1 Н раствора гидроксида натрия. Требуется определить концентрацию и массу серной кислоты в растворе. Нормальность исследуемого раствора серной кислоты составляет

NH2so4 = NNaOH х VpNa0H/VpH2S04 = 0,1Н х 16,25 мл/65 мл = 0,025Н:

Следовательно, эквивалентная концентрация серной кислоты в ис­следуемом растворе равна C3KH2S04 = 0,025 моль/л.

Масса серной кислоты во взятом на титрование объеме раствора равна:

ШН SO = Мн SO X f H, SO X С NaOH X VpNaOH = = (98,08 fг/моль) x 1/2 x (ft (моль/л) эх 16,25 (мл) = 0,0797 г.

Таким образом, был исследован 0,025 Н раствор серной кислоты, в 65 мл которого содержалось 79,7 мг H2S04"[41].

В качестве титранта для титрования кислых растворов обычно используют растворы NaOH или реже КОН; щелочных — растворы H2S04 или реже НС1.

Раствор щелочи готовят следующим образом. Взвесив порцию ще­лочи, необходимую для получения раствора определенной нормальности (обычно для титрования готовят 0,1н растворы), высыпают ее в мерную колбу емкостью 1 л, ранее заполненную приблизительно 0,5 л дистиллированной воды. После растворения щелочи и понижения тем­пературы раствора до комнатной, колбу доливают дистиллированной водой до метки, соответствующей 1 л. Растворы щелочей не подлежат длительному хранению из-за взаимодействия щелочи со стеклом колбы и углекислым газом, поступающим из воздуха.

Растворы кислот готовят аналогичным образом, приливая кислоту в воду, но заменяя взвешивание порций кислоты измерением ее объема.

Особенность получения растворов кислот необходимой нормальности заключается в том, что, в отличие от щелочей, поступа­ющие в торговую сеть кислоты содержат в своем составе значительную долю воды. Например, раствор НС1, называемый соляной кислотой, содержит в своем составе 64 мас.% воды и, соответственно, только 36 мас.% НС1. Поэтому прежде, чем готовить титрант с использованием кислот, необходимо с помощью прилагаемой к ним этикетки устано­вить фактическое содержание в кислоте действующего вещества, ко­торое может быть выражено в единицах плотности или мас.%, пересчитать с учетом этого кислоту на 100%-ную и только после этог j отмерить ее необходимое количество. Соотношение между плотносты ) растворов кислот НС1 и H2S04 и массой находящихся в них НС1 і H2SC>4 приведены в табл. 3 и 4.

Пример. Необходимо приготовить 0,1 н раствор H2SO4 и имеется кислота с плотностью р - 1,82 г/мл. Запись 0,1 н раствор H2SO4 означает, что в 1 л титранта должно содержаться

M = пэ х M3KH2so4 = 0,1 моль х 49,04 г/моль = 4,904г Н S04.

Из табл. эк4 следует, что кислота с плотностью 1,82 г/мл содержит в 1000 мл раствора 1658 г H2SO4. Тогда, составив и решив очевидную пропорцию, получим

1000 мл — 1658 г X мл — 4.904 г и Хмл = 1000 мл х 4,904 г/ 1658 г = 2,9 мл.

Отмерив 2,9 мллкислоты, ее растворяют в воде, как описано ранее.

Пример. Необходимо приготовить 0,1 н раствор НС1 и - имеется раствор НС1 с долей 26,60 мас.% НС1. Запись 0,1 н раствор НС1 означает, что віл титранта должно содержаться

M = n хМ НС1 = ОД моль х 36,46 г/моль = 3,646 г НС1.

Из табл. Зэследует, что кислота с долей 26,60 мас.% содержит в 100 г раствора 26,60 г НС1. Тогда, составив и решив очевидное равенство, получим

100 г — 26,60 г X г — 3,646 г и X = 100 г х 3,646 г/26,60 г = 13,7 г.

Взвешивать кислоту неудобно, лучше измерить ее объем. Исходя из определения плотности вещества Г = m/v и приведенной в табл. 3 величины плотности Г = 1,13 г/ мл получим, что необходимый объем кислоты составляет

V = m/r= 13,7 г/1,13 г/мл = 12,1 мл.

Отмерив из бюретки 12,1 мл кислоты, разбавляют ее до 1л дистил­лированной водой, как это описано ранее. Понятно, что приготовленные 0,1 н раствор H2SO4 и 0,1 н раствор НС1 эквивалентны, несмотря на то, что содержат различные количества и массы НС1 и H2SO4.

Определенную путем титрования кислотность или щелочность раствора выражают в градусах, принимая за 1 градус 1 мл нормального водного раствора серной кислоты (H2SO4) или гидроксида натрия (NaOH) на 100 г раствора.

Пример. На нейтрализацию 20 г раствора пошло 2 мл 0,1 н водного раствора H2SO4. Составив и решив пропорцию, найдем, что на нейтрализацию 100 г раствора необходимо затратить

Хмл= 100 г х 2 мл/ 20 г = 10 мл 0,1 н раствора H2SO4. Щелочность раствора 1,0 градус (или 1°).

Раствор бромтимолового синего можно приготовить следующим образом: 0,4 г индикатора растворяют в 100 мл 70%-ного ректификованного спирта и этот раствор разбавляют дистил­лированной водой до 1000 мл.

В большинстве случаев в растворах, используемых в производственных целях, кислотность определяется рядом веществ. Например, в бражке, идущей на получение этилового спирта, это преимущественно уксусная, молочная, масляная, янтарная, соляная или

Серная кислоты; коньячного спирта — винная, яблочная, уксусная, янтарная, серная и масляная кислоты. При этом, если в производстве этилового спирта индивидуальность кислот не играет существенного значения (хотя присутствие в избытке той или иной кислоты характеризует характер брожения), то при производстве коньячного спирта играет роль не только общая кислотность, но и присутствие той или иной кислоты. Поэтому для оценки качества растворов спиртового и коньячного производств желательно знать содержание если не каж­дой кислоты, то, по крайней мере, некоторых из них. Однако из-за сложности и дороговизны такие анализы производятся крайне редко. Поэтому в большинстве случаев производят измерение общей (сум­марной) кислотности, обусловленной всеми веществами, дающими кис­лую реакцию, пересчитывая ее зачастую на какую-нибудь одну кислоту. Поэтому цифры, которыми выражается общая кислотность по той или иной кислоте, не свидетельствуют о том, что в данном растворе эта кислота содержится в указанном количестве. Они лишь выражают эквивалентные величины общего содержания свободных кислот в растворе, например, в сусле, спирте или водке, так как измеряются одним и тем же количеством щелочи.

Тем не менее общая кислотность является важнейшей харак­теристикой в спиртовом, коньячном и ликеро-водочном производствах. В частности, успешное проведение таких технологических операций, как размножение дрожжей и брожение, возможно только в среде, обладающей определенной кислотностью. Отступление от необходи­мых значений кислотности приводит к перерасходу сырья, затягиванию длительности технологических процессов, увеличению числа патоген­ных микроорганизмов в бродящей среде, результатом чего является низкое качество получаемого спирта. Вкусовые качества водки также в значительной степени зависят от ее кислотности (щелочности).