Раствор соды вследствие гидролиза имеет щелочную реакцию среды:
Na2CO3 + HOH ↔ NaHCO3 + NaOH,
т.е. в водном растворе этой соли устанавливается равновесие:
CO32- + HOH ↔ HCO3- + OH- (1)
При титровании раствора карбоната натрия соляной кислотой в первую очередь нейтрализуется вся щелочь, которая образовалась в результате гидролиза.
Na2CO3 + HOH ↔ NaHCO3 + NaOH
NaOH + НСl → NaСl + НОН
_______________________________
Na2CO3 + НСl → NaСl + NaHCO3 (2)
0,1 н. раствор карбоната натрия имеет pH = 11,5 (см. уравнение 1), фенолфталеин в таком растворе имеет ярко-малиновый цвет.
При титровании кислотой щелочность раствора понижается, pH уменьшается.
В момент полной нейтрализации щелочи, т.е. полного превращения карбоната натрия в гидрокарбонат, получившийся ~ 0,1 н. раствор последнего имеет pH = 8,4.
Если титровать раствор соды соляной кислотой в присутствии фенолфталеина, который имеет интервал перехода малиновой окраски в бесцветную от pH = 9,8 до pH = 8,0, то в момент полного перехода цвет фенолфталеина будет еще розовым (pH = 8,4). От одной лишней капли кислоты раствор станет бесцветным. Следовательно, в присутствии фенолфталеина карбонат натрия титруется только до перехода в бикарбонат, иными словами, карбонат натрия титруется наполовину.
В соответствии с приведенным выше уравнением (2), число эквивалентности в этой реакции равно 1, т.е.
M (1/z Na2CO3) = M (Na2CO3) = 106 г/моль
Таким образом, определяя концентрацию раствора по результатам титрования с фенолфталеином, находят точку эквивалентности, соответствующую переходу карбоната натрия в гидрокарбонат. Поэтому при расчете нормальной концентрации карбоната натрия надо объем затраченного раствора соляной кислоты удвоить.
При дальнейшем титровании гидрокарбонат натрия реагирует с соляной кислотой и наступает вторая точка эквивалентности, соответствующая полной нейтрализации (образование Н2CO3).
Na2CO3 + НСl ↔ NaHCO3 + NaСl (3)
NaHCO3 + НСl ↔H2CO3 + NaСl
_________________________________
СО2
Na2CO3 + 2НСl → NaСl + H2CO3 (4)
Н2О
Во второй точке эквивалентности pH раствора будет равен 3,84, т.к. в этот момент в колбе находится ~ 0,05 н. раствор. Титрование до второй точки эквивалентности следует вести в присутствии индикатора метилоранжа, интервал перехода которого от pH = 4,4 до pH = 3,1. Изменение желтой окраски метилоранжа в оранжево-розовую наступит только после полной нейтрализации карбоната и гидрокарбоната натрия. В соответствии с уравнением (3) число эквивалентности Z (Na2CO3)=2, молярная масса эквивалента Na2CO3 в реакции полной нейтрализации:
M (1/z Na2CO3) =½ M (Na2CO3) = 0,5 · 106 = 53 г/моль
3.2 Количественное определение содержания карбоната натрия в растворе с фенолфталеином
3.2.1 Отмерьте пипеткой из общей склянки 10 мл раствора соды в мерную колбу на 100 мл, разбавьте его водой до метки, закройте пробкой и тщательно перемешайте.
3.2.2 Трижды оттитруйте порции этого раствора по 10 мл титрованным рабочим раствором соляной кислоты в присутствии индикатора фенолфталеина до почти полного его обесцвечивания. Запишите V1 (HCl), V2 (HCl), V3 (HCl) и вычислите средний объем.
3.2.3 Вычислите нормальную концентрацию раствора соды, его титр и массу соды в 100 мл раствора. При этом необходимо помнить, что средний объем соляной кислоты эквивалентен половине карбоната натрия в титруемом растворе.
3.3 Количественное определение содержания карбоната натрия в растворе с метиловым оранжевым
3.3.1 Определение провести так же, как и в предыдущем случае (п.п. 3.2.1-3.2.2), только в титруемый раствор добавить в качестве индикатора 1-2 капли метилового оранжевого. Титровать трижды до перехода желтой окраски в оранжево-розовую (т.е. до образования H2CO3, до второй точки эквивалентности).
3.3.2 Вычислить нормальную концентрацию раствора карбоната натрия, его титр, массу соды в 100 мл раствора и сравнить с результатами, полученными при титровании с фенолфталеином.