Как решать задания на индикаторы в ЕГЭ по химии: руководство с примерами.

Содержание

1. Понятие о рН и индикаторах.  
2. Простые случаи заданий с кислотами и основаниями.  
3. Случаи с гидролизом солей.  
4. Случай, когда слабую кислоту нельзя определить индикатором.  
 

1. Понятие о рН и индикаторах.

В ЕГЭ по химии всегда есть одно задание на качественные реакции. В этом задании даются два твердых вещества, два газа или два раствора и предлагается выбрать один реагент из списка, с помощью которого эти два вещества можно различить. Важно понимать, что в этом задании нас не интересует возможность протекания реакций как таковых. Нас интересуют только те реакции, которые сопровождаются видимыми изменениями, то есть образованием или растворением осадка, выделением газа или изменением цвета раствора. Причем эти видимые признаки должны присутствовать в реакции с одним веществом и отсутствовать в реакции с другим. Это вполне понятно: если видимые признаки реакции совпадут в обоих случаях, мы не сможем различить вещества.

Очень часто в качестве реагентов, с помощью которых нужно различить вещества, даются индикаторы. Для начала следует определить самое понятие индикатора:

Индикатор – это вещество, которое меняет окраску при изменении кислотности среды, то есть величины рН раствора.

Следует отметить, что это определение только для кислотно-основного индикатора, впрочем, с другими мы в ЕГЭ не встретимся. Для экзамена не требуется знать, как именно рассчитывается величина рН, но мы все равно скажем об этом пару слов. Формула для расчета рН следующая:

pH = -lg a[H⁺]

То есть рН – это отрицательный десятичный логарифм активности катионов водорода. Активность – это то же самое, что и молярная концентрация, только с поправкой на взаимодействие ионов друг с другом. Но в школьном курсе можно считать, что активность тождественна молярной концентрации. То есть:

рН = -lg c[H⁺]

Знак «минус» перед логарифмом позволяет понять, почему кислотность и значение рН растут в разных направлениях. Чем выше кислотность раствора, тем выше концентрация ионов Н⁺ и тем выше ее логарифм. А вот отрицательный логарифм соответственно ниже. Поэтому чем ниже рН, чем выше кислотность, а чем выше рН, тем более щелочной является среда. Учитывая, что рН воды при стандартных условиях равен 7 и это нейтральная среда (то есть концентрации H⁺ и ОН^- равны), то величина рН больше 7 соответствует щелочной среде, а величина рН ниже 7 соответствуют кислой среде.

Так вот индикаторы – это вещества, которые способны менять цвет в зависимости от рН.

2. Простые случаи заданий с кислотами и основаниями.

Типичный пример простого задания в ЕГЭ выглядит так: дается пара кислота/основание, а среди реагентов для выбора присутствует индикатор. Индикатор обычно один из трех: метилоранж, лакмус или фенолфталеин. Ниже варианты того, как может выглядеть задание:

Различить H₂SO₄ и NaOH; среди реагентов индикатор фенолфталеин   
Различить HNO₃ и KOH; среди реагентов индикатор метилоранж   
Различить HClO₄ и NH₃; среди реагентов индикатор лакмус.

Во всех этих случаях мы легко различим кислоту и основание любым предложенным индикатором. В первом примере H₂SO₄ даст оранжевую окраску в присутствии фенолфталеина, а NaOH – бесцветную. HNO₃ в присутствии в метилоранжа даст красную окраску, а KOH – желтую. Наконец HClO₄ даст красную окраску в присутствии лакмуса, а NH₃ – синюю.  

Но бывают более сложные случаи.

3. Случаи с гидролизом солей.

Например, в одном из типовых тренировочных вариантов ЕГЭ есть такое задание на различение двух веществ:

Задание А решается просто, мы выбираем медь, которая с разбавленной серной кислотой не реагирует, а с разбавленной азотной реагирует с выделением газа, например, NO. Также все понятно с заданием В, где мы выбираем CuCl₂, который с HI даст осадок I₂ в результате распада неустойчивой соли CuI₂. А вот что делать с заданиями Б и Г? Обычно когда дается соль переходного металла и соль s-металла (то есть металла I и II групп главной подгруппы), мы для их различения выбираем щелочь NaOH или КОН, которая с переходным металлом дает нерастворимый гидроксид (причем он далее может растворяться в избытке щелочи, если продолжать ее добавлять). Но в нашем случае щелочей среди реагентов нет. Совершенно очевидно, что нужно отталкиваться от того, что катионы Al³⁺ и Zn²⁺ - в отличие от K⁺ и Sr²⁺, которым соответствуют сильные основания, - в воде гидролизуются, создавая кислую среду:

Al³⁺ + H₂O = Al(OH)²⁺ + H⁺   
Zn²⁺ + H₂O = Zn(OH)⁺ + H⁺

Значит, в качестве ответа нам подошел бы индикатор. Но индикатора среди предложенных регентов два – фенолфталеин и лакмус. Так какой выбрать?

Здесь следует взглянуть на свойства индикаторов чуть глубже. Дело в том, что каждый кислотно-основный индикатор имеет свою область значений рН, при которой он меняет окраску, и эта область значений рН не обязательно близка к 7. Ниже на картинке показаны области перехода цвета для самых популярных индикаторов, входящих в программу ЕГЭ по химии:

То есть метилоранж меняет окраску в интервале рН примерно 2,5-4,0, лакмус в интервале 5-8, а фенолфталеин в интервале 8-9.

Теперь нужно оценить рН растворов при гидролизе катионов Al³⁺ и Zn²⁺. Понятно, что величина рН не может быть очень низкой. Такое может быть разве что в случае сильной кислоты, которая нацело диссоциирует и дает «много» ионов Н⁺. Процесс гидролиза катионов Al³⁺ и Zn²⁺ является равновесным, поэтому «много» ионов Н⁺ образоваться не может. рН растворов AlCl₃ и ZnCl₂ при желании можно рассчитать точно, хотя для этого нужны справочные данные. Мы этого делать не будем и скажем только, что рН этих растворов в зависимости от концентрации может быть равен от 5 до 7. При этом растворы KCl и SrCl₂ не гидролизуются и их рН является нейтральным, то есть равным 7. Тогда получается, что фенолфталеин не сможет показать нам разницу между рН, условно говоря, 5 и рН 7, поскольку при обоих значениях его окраска будет бесцветна. А вот лакмус сможет. При рН 5 он красно-розовый, а при рН 7 синий. Следовательно, отвечая на вопрос задания, следует выбрать лакмус в обоих случаях.

В этом и состоит суть решения более сложных заданий с индикаторами на гидролиз солей. Нужно просто иметь в виду, что при гидролизе солей кислая или щелочная среда не сопоставима со средами чистых сильных кислот и щелочей. Поэтому в случае гидролиза солей нужно учитывать, сможем ли мы вообще зафиксировать разницу в окраске индикатора. Впрочем, следует отметить, что гораздо чаще встречаются задания на чистые кислоты и щелочи и тогда выбор индикатора существенно упрощается, тем более что в таких случаях индикатор дается один.  

4. Случай, когда слабую кислоту нельзя определить индикатором.

Ниже приведен еще один пример задания 24, где появляется индикатор:

Задание А решается просто. Нужно использовать наличие кратной связи в бутине-2 и ее отсутствие в этане. Качественной реакцией на кратные связи является взаимодействие с бромной водой, поэтому выбираем ее. Далее метанол, в отличие от толуола, способен реагировать с активными металлами с выделением водорода, поэтому выбираем калий. В задании В нужно использовать то обстоятельство, что пропин содержит концевую тройную связь, а пентин-2 нет. Углерод при концевой тройной связи связан с кислым водородом, который может обмениваться на металл, поэтому снова выбираем калий. По выделению водорода будет понятно, в какой пробирке был пропин.

А вот в задании Г все не так очевидно. Казалось бы, случай простой: нам даны кислота, водный раствор которой обязательно будет иметь кислую среду, и чистая вода, среда которой будет нейтральной. То есть в первом случае рН будет меньше 7, а во втором ровно 7. Следовательно, для различения растворов можно использовать индикатор. Однако здесь есть подвох, связанный с тем, что уксусная кислота довольно слабая. Это значит, что при ее диссоциации образуется относительно «мало» катионов Н⁺. Поэтому рассчитывать на низкий рН не следует. В действительности, рН растворов уксусной кислоты обычно бывает в диапазоне от 2 до 6. Теперь мы можем посмотреть на картинку выше с цветовыми переходами индикаторов. В интервале рН от 0 до 8 фенолфталеин является бесцветным. Это означает, что с его помощью мы не сможем различить раствор уксусной кислоты (рН от 2 до 6) и воду (рН 7). В обеих пробирках фенолфталеин будет одинаково бесцветным. Так что в этом задании выбор индикатора был бы ошибкой. Следует остановиться на гидрокарбонате натрия. При его реакции с уксусной кислотой выделится углекислый газ, а при растворении в чистой воде видимых признаков не будет.

Вот такие бывают задания на индикаторы в ЕГЭ по химии. Нужно помнить, что индикатор не всегда может помочь, даже если дан раствор кислоты.