IChO 1981 · Theory problem 2
Dissociation of maleic acid and the choice of acid-base indicators
Maleic acid (\(\ce{H2A}\)) is a weak dibasic acid. The correlation between the relative quantities of \(\ce{H2A}\), \(\ce{HA^-}\), \(\ce{A^{2-}}\):
\[ \alpha_0=\frac{c(\ce{H2A})}{c} \qquad \alpha_1=\frac{c(\ce{HA^-})}{c} \qquad \alpha_2=\frac{c(\ce{A^{2-}})}{c} \]
and pH values of the solution show that:
a) \(\alpha_0=\alpha_1\) for pH = 1.92
b) \(\alpha_1=\alpha_2\) for pH = 6.22
Find:
2.1 The values of the dissociation constants of maleic acid for the first (\(K_1\)) and the second (\(K_2\)) degree of dissociation.
2.2 The values of \(\alpha_0\), \(\alpha_1\), and \(\alpha_2\) for pH = 1.92 and pH = 6.22.
2.3 What is the value of pH when \(\alpha_1\) attains a maximum value? Find the maximum value of \(\alpha\).
2.4 Which of the acid-base indicators in the table are suitable for titration of a 0.1 M solution of maleic acid (as a monobasic and as a dibasic acid) with 0.1 M \(\ce{NaOH}\)?
Fill in the table 1 with the correct answers.
All the activity coefficients should be considered equal to 1.
| Indicator | pH interval |
|---|---|
| Methyl green | 0.1 – 2.0 |
| Tropeolin 00 | 1.4 – 3.2 |
| β-Dinitrophenol | 2.4 – 4.0 |
| Bromphenol blue | 3.0 – 4.6 |
| Congo red | 3.0 – 5.2 |
| Methyl red | 4.4 – 6.2 |
| Bromphenol red | 5.0 – 6.8 |
| Bromthymol blue | 6.0 – 7.6 |
| Phenol red | 6.8 – 8.0 |
| Cresol red | 7.2 – 8.8 |
| Thymol blue | 8.0 – 9.6 |
| Phenolphthalein | 8.2 – 10.0 |
| Alizarine yellow | 10.1 – 12.1 |
| Tropeolin 0 | 11.0 – 13.0 |
| 1,3,5-Trinitrobenzene | 12.2 – 14.0 |
Table 1
| 2.1 | \(K_1=\) | |
| \(K_2=\) | ||
| 2.2 | pH = 1.92 | \(\alpha_0=\) |
| \(\alpha_1=\) | ||
| \(\alpha_2=\) | ||
| pH = 6.22 | \(\alpha_0=\) | |
| \(\alpha_1=\) | ||
| \(\alpha_2=\) | ||
| 2.3 | pH = | |
| \(\alpha_1=\) | ||
| 2.4 | First indicator equivalence point | pH = |
| 1. 2. 3. 4. |
||
| Second indicator equivalence point | pH = | |
| 1. 2. 3. 4. |
Official English text of the problem.
Answers
-
2.1: \(\boxed{K_1=1.2\times10^{-2},\quad K_2=6.0\times10^{-7}}\).
-
2.2:
| pH | \(\alpha_0\) | \(\alpha_1\) | \(\alpha_2\) |
|---|---|---|---|
| 1.92 | 0.49999 | 0.49999 | \(2.5\times10^{-5}\) |
| 6.22 | \(2.5\times10^{-5}\) | 0.49999 | 0.49999 |
-
2.3: \(\boxed{\mathrm{pH}=4.07,\quad \alpha_{1,\max}=0.986\;(98.6\%)}\).
-
2.4: Using the listed transition intervals:
- First equivalence point: \(\boxed{\mathrm{pH}\approx4.12}\); bromphenol blue and Congo red. The usual simplified ampholyte approximation gives pH \(4.07\).
- Second equivalence point: \(\boxed{\mathrm{pH}\approx9.37}\); thymol blue and phenolphthalein.
SMILES identifying these indicators are supplied in Solution 2.4.
Solution
2.1 — Dissociation constants
The acid and its conjugate bases are:
| Symbol | Name | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{H2A}\) | Maleic acid, \((Z)\)-but-2-enedioic acid | O=C(O)/C=C\C(=O)O |
| \(\ce{HA^-}\) | Hydrogen maleate ion | O=C(O)/C=C\C(=O)[O-] |
| \(\ce{A^{2-}}\) | Maleate ion | O=C([O-])/C=C\C(=O)[O-] |
These SMILES encode the \(Z\) alkene geometry; they do not specify a particular conformation of the carboxyl groups. Other species used below are water O, hydronium [OH3+], hydroxide [OH-], and sodium hydroxide [Na+].[OH-], whose sodium ion [Na+] is a spectator.
The successive dissociations are
\[ \ce{H2A + H2O <=> H3O+ + HA^-}, \]
\[ \ce{HA^- + H2O <=> H3O+ + A^{2-}}. \]
Write \(h=[\ce{H3O+}]\). Equilibrium expressions below use molar concentrations, with the \(1\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) standard state implicit. Then
\[ K_1=\frac{h[\ce{HA^-}]}{[\ce{H2A}]} =h\frac{\alpha_1}{\alpha_0}, \qquad K_2=\frac{h[\ce{A^{2-}}]}{[\ce{HA^-}]} =h\frac{\alpha_2}{\alpha_1}. \]
When \(\alpha_0=\alpha_1\), \(K_1=h\). Consequently,
\[ pK_1=1.92, \qquad \boxed{K_1=10^{-1.92}=1.2023\times10^{-2}\approx1.2\times10^{-2}}. \]
Similarly, \(\alpha_1=\alpha_2\) implies \(K_2=h\), giving
\[ pK_2=6.22, \qquad \boxed{K_2=10^{-6.22}=6.0256\times10^{-7}\approx6.0\times10^{-7}}. \]
2.2 — Distribution fractions
The analytical concentration is
\[ c=[\ce{H2A}]+[\ce{HA^-}]+[\ce{A^{2-}}], \qquad \alpha_0+\alpha_1+\alpha_2=1. \]
The equilibrium ratios give
\[ [\ce{HA^-}]=\frac{K_1}{h}[\ce{H2A}], \qquad [\ce{A^{2-}}]=\frac{K_1K_2}{h^2}[\ce{H2A}]. \]
Therefore, defining \(D=h^2+K_1h+K_1K_2\),
\[ \boxed{ \alpha_0=\frac{h^2}{D},\qquad \alpha_1=\frac{K_1h}{D},\qquad \alpha_2=\frac{K_1K_2}{D}. } \]
Let
\[ r=\frac{K_2}{K_1}=10^{-4.30}=5.0119\times10^{-5}. \]
At pH \(1.92\), \(h=K_1\), so
\[ (\alpha_0,\alpha_1,\alpha_2) =\frac{(1,1,r)}{2+r}. \]
Thus
\[ \alpha_0=\alpha_1=0.49998747, \qquad \alpha_2=2.50587\times10^{-5}. \]
At pH \(6.22\), \(h=K_2\), so
\[ (\alpha_0,\alpha_1,\alpha_2) =\frac{(r,1,1)}{2+r}. \]
Thus
\[ \alpha_0=2.50587\times10^{-5}, \qquad \alpha_1=\alpha_2=0.49998747. \]
2.3 — Maximum hydrogen maleate fraction
Rewrite the expression for \(\alpha_1\) as
\[ \alpha_1=\frac{1}{1+h/K_1+K_2/h}. \]
For positive \(h\), the arithmetic–geometric mean inequality gives
\[ \frac{h}{K_1}+\frac{K_2}{h} \geq 2\sqrt{\frac{K_2}{K_1}}, \]
with equality precisely when
\[ \frac{h}{K_1}=\frac{K_2}{h}, \qquad h=\sqrt{K_1K_2}. \]
This minimizes the denominator and hence gives the global maximum:
\[ \boxed{ \mathrm{pH}_{\max} =\frac{pK_1+pK_2}{2} =\frac{1.92+6.22}{2} =4.07. } \]
The maximum fraction is
\[ \boxed{ \alpha_{1,\max} =\frac{1}{1+2\sqrt{K_2/K_1}} =\frac{1}{1+2(10^{-2.15})} =0.98603876\approx0.986. } \]
At this pH, the remaining fractions are equal:
\[ \alpha_0=\alpha_2 =\frac{1-\alpha_{1,\max}}{2} \approx0.00698. \]
2.4 — Equivalence points and indicators
The two neutralization stages are
\[ \ce{H2A + OH^- -> HA^- + H2O}, \]
\[ \ce{HA^- + OH^- -> A^{2-} + H2O}. \]
Let the initial acid volume be \(V_0\). Since acid and titrant both have concentration \(0.1\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\), the first and second equivalence points require titrant volumes \(V_0\) and \(2V_0\), respectively.
Use the conventional value \(K_w=1.0\times10^{-14}\) at \(25^\circ\mathrm C\).
First equivalence point.
Dilution gives
\[ C_1=\frac{0.1V_0}{2V_0} =0.050\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
The solution contains predominantly the amphiprotic hydrogen maleate ion. Its acid and base reactions are
\[ \ce{HA^- + H2O <=> H3O+ + A^{2-}}, \]
\[ \ce{HA^- + H2O <=> H2A + OH^-}. \]
The familiar ampholyte approximation is
\[ h\approx\sqrt{K_1K_2}, \qquad \mathrm{pH}\approx\frac{pK_1+pK_2}{2}=4.07. \]
For the stated concentration, a small correction is warranted because \(K_1/C_1\approx0.24\). At this equivalence point, \([\ce{Na+}]=C_1\), so charge balance requires
\[ h+C_1=\frac{K_w}{h}+C_1\alpha_1+2C_1\alpha_2. \]
Using the distribution fractions,
\[ h-\frac{K_w}{h} =C_1(\alpha_2-\alpha_0) =C_1\frac{K_1K_2-h^2}{h^2+K_1h+K_1K_2}. \]
Solving this equation gives
\[ \boxed{\mathrm{pH}_{\mathrm{eq},1}=4.1174\approx4.12.} \]
Both \(4.07\) and \(4.12\) fall within the listed intervals of bromphenol blue and Congo red.
Second equivalence point.
The analytical maleate concentration is now
\[ C_2=\frac{0.1V_0}{3V_0} =\frac{0.1}{3} =0.0333\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
Maleate hydrolyses:
\[ \ce{A^{2-} + H2O <=> HA^- + OH^-}. \]
Its base dissociation constant is
\[ K_b=\frac{K_w}{K_2} =\frac{10^{-14}}{6.0256\times10^{-7}} =1.6596\times10^{-8}. \]
Writing \(x=[\ce{OH^-}]\), the weak-base approximation gives
\[ K_b=\frac{x^2}{C_2-x}\approx\frac{x^2}{C_2}, \]
\[ x\approx\sqrt{K_bC_2} =\sqrt{(1.6596\times10^{-8})(0.03333)} =2.3520\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
Here \(x/C_2\approx7.1\times10^{-4}\), confirming the approximation. Hence
\[ \mathrm{pOH}=4.6286, \qquad \boxed{\mathrm{pH}_{\mathrm{eq},2}=14.00-4.6286\approx9.37.} \]
This lies within the intervals of thymol blue and phenolphthalein.
The indicator entries in Table 1 are therefore:
| Equivalence point | pH | Indicator | Listed transition interval |
|---|---|---|---|
| First | \(4.12\), or \(4.07\) in the simplified approximation | Bromphenol blue | 3.0–4.6 |
| First | Same | Congo red | 3.0–5.2 |
| Second | 9.37 | Thymol blue | 8.0–9.6 |
| Second | Same | Phenolphthalein | 8.2–10.0 |
These occupy two indicator lines in each box; the remaining lines can be left blank.
The following SMILES identify the selected compounds. For the three phthalein/sulfonephthalein indicators, neutral closed-ring reference forms are shown; Congo red is shown as its usual disodium salt. Their solution forms change with pH.
| Indicator | SMILES |
|---|---|
| Bromphenol blue (bromophenol blue) | O=S1(=O)OC(c2cc(Br)c(O)c(Br)c2)(c2cc(Br)c(O)c(Br)c2)c2ccccc21 |
| Congo red | [Na+].[Na+].Nc1c(/N=N/c2ccc(-c3ccc(/N=N/c4cc(S(=O)(=O)[O-])c5ccccc5c4N)cc3)cc2)cc(S(=O)(=O)[O-])c2ccccc12 |
| Thymol blue | O=S1(=O)OC(c2cc(C(C)C)c(O)cc2C)(c2cc(C(C)C)c(O)cc2C)c2ccccc21 |
| Phenolphthalein | O=C1OC(c2ccc(O)cc2)(c2ccc(O)cc2)c2ccccc21 |
The solution was checked against the official solution.
IChO 1981 · Theorieaufgabe 2
Dissoziation von Maleinsäure und Auswahl von Säure-Base-Indikatoren
Maleinsäure (\(\ce{H2A}\)) ist eine schwache zweiprotonige Säure. Der Zusammenhang zwischen den relativen Anteilen von \(\ce{H2A}\), \(\ce{HA^-}\), \(\ce{A^{2-}}\):
\[ \alpha_0=\frac{c(\ce{H2A})}{c} \qquad \alpha_1=\frac{c(\ce{HA^-})}{c} \qquad \alpha_2=\frac{c(\ce{A^{2-}})}{c} \]
und den pH-Werten der Lösung zeigt, dass:
a) \(\alpha_0=\alpha_1\) für pH = 1.92
b) \(\alpha_1=\alpha_2\) für pH = 6.22
Bestimmen Sie:
2.1 Die Werte der Dissoziationskonstanten der Maleinsäure für die erste (\(K_1\)) und die zweite (\(K_2\)) Dissoziationsstufe.
2.2 Die Werte von \(\alpha_0\), \(\alpha_1\) und \(\alpha_2\) bei pH = 1.92 und pH = 6.22.
2.3 Welchen Wert hat der pH-Wert, wenn \(\alpha_1\) seinen maximalen Wert erreicht? Bestimmen Sie den maximalen Wert von \(\alpha\).
2.4 Welche der Säure-Base-Indikatoren in der Tabelle eignen sich zur Titration einer 0.1 M Maleinsäurelösung (als einprotonige und als zweiprotonige Säure) mit 0.1 M \(\ce{NaOH}\)?
Tragen Sie die richtigen Antworten in Tabelle 1 ein.
Alle Aktivitätskoeffizienten sind als gleich 1 anzunehmen.
| Indikator | pH-Bereich |
|---|---|
| Methylgrün | 0.1 – 2.0 |
| Tropäolin 00 | 1.4 – 3.2 |
| β-Dinitrophenol | 2.4 – 4.0 |
| Bromphenolblau | 3.0 – 4.6 |
| Kongorot | 3.0 – 5.2 |
| Methylrot | 4.4 – 6.2 |
| Bromphenolrot | 5.0 – 6.8 |
| Bromthymolblau | 6.0 – 7.6 |
| Phenolrot | 6.8 – 8.0 |
| Kresolrot | 7.2 – 8.8 |
| Thymolblau | 8.0 – 9.6 |
| Phenolphthalein | 8.2 – 10.0 |
| Alizaringelb | 10.1 – 12.1 |
| Tropäolin 0 | 11.0 – 13.0 |
| 1,3,5-Trinitrobenzol | 12.2 – 14.0 |
Tabelle 1
| 2.1 | \(K_1=\) | |
| \(K_2=\) | ||
| 2.2 | pH = 1.92 | \(\alpha_0=\) |
| \(\alpha_1=\) | ||
| \(\alpha_2=\) | ||
| pH = 6.22 | \(\alpha_0=\) | |
| \(\alpha_1=\) | ||
| \(\alpha_2=\) | ||
| 2.3 | pH = | |
| \(\alpha_1=\) | ||
| 2.4 | Indikatoren für den ersten Äquivalenzpunkt | pH = |
| 1. 2. 3. 4. |
||
| Indikatoren für den zweiten Äquivalenzpunkt | pH = | |
| 1. 2. 3. 4. |
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
-
2.1: \(\boxed{K_1=1.2\times10^{-2},\quad K_2=6.0\times10^{-7}}\).
-
2.2:
| pH | \(\alpha_0\) | \(\alpha_1\) | \(\alpha_2\) |
|---|---|---|---|
| 1.92 | 0.49999 | 0.49999 | \(2.5\times10^{-5}\) |
| 6.22 | \(2.5\times10^{-5}\) | 0.49999 | 0.49999 |
-
2.3: \(\boxed{\mathrm{pH}=4.07,\quad \alpha_{1,\max}=0.986\;(98.6\%)}\).
-
2.4: Unter Verwendung der angegebenen Umschlagsbereiche:
- Erster Äquivalenzpunkt: \(\boxed{\mathrm{pH}\approx4.12}\); Bromphenolblau und Kongorot. Die übliche vereinfachte Ampholytnäherung ergibt einen pH-Wert von \(4.07\).
- Zweiter Äquivalenzpunkt: \(\boxed{\mathrm{pH}\approx9.37}\); Thymolblau und Phenolphthalein.
SMILES zur Identifizierung dieser Indikatoren sind in Lösung 2.4 angegeben.
Lösung
2.1 — Dissoziationskonstanten
Die Säure und ihre konjugierten Basen sind:
| Symbol | Name | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{H2A}\) | Maleinsäure, \((Z)\)-But-2-endisäure | O=C(O)/C=C\C(=O)O |
| \(\ce{HA^-}\) | Hydrogenmaleat-Ion | O=C(O)/C=C\C(=O)[O-] |
| \(\ce{A^{2-}}\) | Maleat-Ion | O=C([O-])/C=C\C(=O)[O-] |
Diese SMILES codieren die \(Z\)-Konfiguration der Alkendoppelbindung; sie legen keine bestimmte Konformation der Carboxylgruppen fest. Weitere im Folgenden verwendete Spezies sind Wasser O, Oxonium [OH3+], Hydroxid [OH-] und Natriumhydroxid [Na+].[OH-], dessen Natriumion [Na+] ein Zuschauerion ist.
Die aufeinanderfolgenden Dissoziationen lauten
\[ \ce{H2A + H2O <=> H3O+ + HA^-}, \]
\[ \ce{HA^- + H2O <=> H3O+ + A^{2-}}. \]
Wir setzen \(h=[\ce{H3O+}]\). Die folgenden Gleichgewichtsausdrücke verwenden Stoffmengenkonzentrationen, wobei der Standardzustand \(1\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) implizit vorausgesetzt wird. Dann gilt
\[ K_1=\frac{h[\ce{HA^-}]}{[\ce{H2A}]} =h\frac{\alpha_1}{\alpha_0}, \qquad K_2=\frac{h[\ce{A^{2-}}]}{[\ce{HA^-}]} =h\frac{\alpha_2}{\alpha_1}. \]
Wenn \(\alpha_0=\alpha_1\), gilt \(K_1=h\). Folglich ist
\[ pK_1=1.92, \qquad \boxed{K_1=10^{-1.92}=1.2023\times10^{-2}\approx1.2\times10^{-2}}. \]
Ebenso folgt aus \(\alpha_1=\alpha_2\), dass \(K_2=h\), und damit
\[ pK_2=6.22, \qquad \boxed{K_2=10^{-6.22}=6.0256\times10^{-7}\approx6.0\times10^{-7}}. \]
2.2 — Verteilungsanteile
Die analytische Konzentration beträgt
\[ c=[\ce{H2A}]+[\ce{HA^-}]+[\ce{A^{2-}}], \qquad \alpha_0+\alpha_1+\alpha_2=1. \]
Aus den Gleichgewichtsverhältnissen folgt
\[ [\ce{HA^-}]=\frac{K_1}{h}[\ce{H2A}], \qquad [\ce{A^{2-}}]=\frac{K_1K_2}{h^2}[\ce{H2A}]. \]
Mit der Definition \(D=h^2+K_1h+K_1K_2\) ergibt sich daher
\[ \boxed{ \alpha_0=\frac{h^2}{D},\qquad \alpha_1=\frac{K_1h}{D},\qquad \alpha_2=\frac{K_1K_2}{D}. } \]
Es sei
\[ r=\frac{K_2}{K_1}=10^{-4.30}=5.0119\times10^{-5}. \]
Bei pH \(1.92\) gilt \(h=K_1\), also
\[ (\alpha_0,\alpha_1,\alpha_2) =\frac{(1,1,r)}{2+r}. \]
Somit gilt
\[ \alpha_0=\alpha_1=0.49998747, \qquad \alpha_2=2.50587\times10^{-5}. \]
Bei pH \(6.22\) gilt \(h=K_2\), also
\[ (\alpha_0,\alpha_1,\alpha_2) =\frac{(r,1,1)}{2+r}. \]
Somit gilt
\[ \alpha_0=2.50587\times10^{-5}, \qquad \alpha_1=\alpha_2=0.49998747. \]
2.3 — Maximaler Hydrogenmaleat-Anteil
Der Ausdruck für \(\alpha_1\) lässt sich umschreiben zu
\[ \alpha_1=\frac{1}{1+h/K_1+K_2/h}. \]
Für positives \(h\) ergibt die Ungleichung zwischen dem arithmetischen und dem geometrischen Mittel
\[ \frac{h}{K_1}+\frac{K_2}{h} \geq 2\sqrt{\frac{K_2}{K_1}}, \]
wobei Gleichheit genau dann gilt, wenn
\[ \frac{h}{K_1}=\frac{K_2}{h}, \qquad h=\sqrt{K_1K_2}. \]
Dies minimiert den Nenner und liefert damit das globale Maximum:
\[ \boxed{ \mathrm{pH}_{\max} =\frac{pK_1+pK_2}{2} =\frac{1.92+6.22}{2} =4.07. } \]
Der maximale Anteil beträgt
\[ \boxed{ \alpha_{1,\max} =\frac{1}{1+2\sqrt{K_2/K_1}} =\frac{1}{1+2(10^{-2.15})} =0.98603876\approx0.986. } \]
Bei diesem pH-Wert sind die übrigen Anteile gleich:
\[ \alpha_0=\alpha_2 =\frac{1-\alpha_{1,\max}}{2} \approx0.00698. \]
2.4 — Äquivalenzpunkte und Indikatoren
Die beiden Neutralisationsstufen lauten
\[ \ce{H2A + OH^- -> HA^- + H2O}, \]
\[ \ce{HA^- + OH^- -> A^{2-} + H2O}. \]
Das anfängliche Volumen der Säurelösung sei \(V_0\). Da sowohl die Säurelösung als auch die Maßlösung die Konzentration \(0.1\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) aufweisen, werden am ersten bzw. zweiten Äquivalenzpunkt die Volumina \(V_0\) bzw. \(2V_0\) an Maßlösung benötigt.
Wir verwenden den üblichen Wert \(K_w=1.0\times10^{-14}\) bei \(25^\circ\mathrm C\).
Erster Äquivalenzpunkt.
Durch die Verdünnung ergibt sich
\[ C_1=\frac{0.1V_0}{2V_0} =0.050\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
Die Lösung enthält überwiegend das amphiprotische Hydrogenmaleat-Ion. Seine Reaktionen als Säure und als Base lauten
\[ \ce{HA^- + H2O <=> H3O+ + A^{2-}}, \]
\[ \ce{HA^- + H2O <=> H2A + OH^-}. \]
Die bekannte Ampholytnäherung lautet
\[ h\approx\sqrt{K_1K_2}, \qquad \mathrm{pH}\approx\frac{pK_1+pK_2}{2}=4.07. \]
Bei der angegebenen Konzentration ist eine kleine Korrektur angebracht, da \(K_1/C_1\approx0.24\). An diesem Äquivalenzpunkt gilt \([\ce{Na+}]=C_1\), sodass die Ladungsbilanz verlangt:
\[ h+C_1=\frac{K_w}{h}+C_1\alpha_1+2C_1\alpha_2. \]
Unter Verwendung der Verteilungsanteile gilt
\[ h-\frac{K_w}{h} =C_1(\alpha_2-\alpha_0) =C_1\frac{K_1K_2-h^2}{h^2+K_1h+K_1K_2}. \]
Die Lösung dieser Gleichung ergibt
\[ \boxed{\mathrm{pH}_{\mathrm{eq},1}=4.1174\approx4.12.} \]
Sowohl \(4.07\) als auch \(4.12\) liegen innerhalb der angegebenen Bereiche von Bromphenolblau und Kongorot.
Zweiter Äquivalenzpunkt.
Die analytische Maleatkonzentration beträgt nun
\[ C_2=\frac{0.1V_0}{3V_0} =\frac{0.1}{3} =0.0333\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
Maleat hydrolysiert:
\[ \ce{A^{2-} + H2O <=> HA^- + OH^-}. \]
Seine Basendissoziationskonstante beträgt
\[ K_b=\frac{K_w}{K_2} =\frac{10^{-14}}{6.0256\times10^{-7}} =1.6596\times10^{-8}. \]
Mit \(x=[\ce{OH^-}]\) ergibt die Näherung für schwache Basen
\[ K_b=\frac{x^2}{C_2-x}\approx\frac{x^2}{C_2}, \]
\[ x\approx\sqrt{K_bC_2} =\sqrt{(1.6596\times10^{-8})(0.03333)} =2.3520\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
Hier gilt \(x/C_2\approx7.1\times10^{-4}\), was die Näherung bestätigt. Daher gilt
\[ \mathrm{pOH}=4.6286, \qquad \boxed{\mathrm{pH}_{\mathrm{eq},2}=14.00-4.6286\approx9.37.} \]
Dieser Wert liegt innerhalb der Bereiche von Thymolblau und Phenolphthalein.
Die Einträge für die Indikatoren in Tabelle 1 lauten daher:
| Äquivalenzpunkt | pH | Indikator | Angegebener Umschlagsbereich |
|---|---|---|---|
| Erster | \(4.12\), oder \(4.07\) in der vereinfachten Näherung | Bromphenolblau | 3.0–4.6 |
| Erster | Wie oben | Kongorot | 3.0–5.2 |
| Zweiter | 9.37 | Thymolblau | 8.0–9.6 |
| Zweiter | Wie oben | Phenolphthalein | 8.2–10.0 |
Diese belegen jeweils zwei Indikatorzeilen in jedem Feld; die übrigen Zeilen können leer bleiben.
Die folgenden SMILES identifizieren die ausgewählten Verbindungen. Für die drei Phthalein-/Sulfonphthalein-Indikatoren sind neutrale Referenzformen mit geschlossenem Ring dargestellt; Kongorot ist als sein übliches Dinatriumsalz dargestellt. Ihre in Lösung vorliegenden Formen ändern sich mit dem pH-Wert.
| Indikator | SMILES |
|---|---|
| Bromphenolblau (Bromphenolblau) | O=S1(=O)OC(c2cc(Br)c(O)c(Br)c2)(c2cc(Br)c(O)c(Br)c2)c2ccccc21 |
| Kongorot | [Na+].[Na+].Nc1c(/N=N/c2ccc(-c3ccc(/N=N/c4cc(S(=O)(=O)[O-])c5ccccc5c4N)cc3)cc2)cc(S(=O)(=O)[O-])c2ccccc12 |
| Thymolblau | O=S1(=O)OC(c2cc(C(C)C)c(O)cc2C)(c2cc(C(C)C)c(O)cc2C)c2ccccc21 |
| Phenolphthalein | O=C1OC(c2ccc(O)cc2)(c2ccc(O)cc2)c2ccccc21 |
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 1981 · Teori sorusu 2
Maleik asidin ayrışması ve asit-baz indikatörlerinin seçimi
Maleik asit (\(\ce{H2A}\)) zayıf bir dibazik asittir. \(\ce{H2A}\), \(\ce{HA^-}\), \(\ce{A^{2-}}\) türlerinin bağıl miktarları:
\[ \alpha_0=\frac{c(\ce{H2A})}{c} \qquad \alpha_1=\frac{c(\ce{HA^-})}{c} \qquad \alpha_2=\frac{c(\ce{A^{2-}})}{c} \]
ile çözeltinin pH değerleri arasındaki ilişki şunları göstermektedir:
a) pH = 1.92 için \(\alpha_0=\alpha_1\)
b) pH = 6.22 için \(\alpha_1=\alpha_2\)
Aşağıdakileri bulun:
2.1 Maleik asidin birinci (\(K_1\)) ve ikinci (\(K_2\)) ayrışma basamağına ait ayrışma sabitlerinin değerleri.
2.2 pH = 1.92 ve pH = 6.22 için \(\alpha_0\), \(\alpha_1\) ve \(\alpha_2\) değerleri.
2.3 \(\alpha_1\) maksimum değerine ulaştığında pH değeri kaçtır? \(\alpha\)'nın maksimum değerini bulun.
2.4 Tablodaki asit-baz indikatörlerinden hangileri, 0.1 M maleik asit çözeltisinin (monobazik ve dibazik asit olarak) 0.1 M \(\ce{NaOH}\) ile titrasyonu için uygundur?
Tablo 1'i doğru cevaplarla doldurun.
Tüm aktivite katsayıları 1'e eşit kabul edilmelidir.
| İndikatör | pH aralığı |
|---|---|
| Metil yeşili | 0.1 – 2.0 |
| Tropeolin 00 | 1.4 – 3.2 |
| β-Dinitrofenol | 2.4 – 4.0 |
| Bromfenol mavisi | 3.0 – 4.6 |
| Kongo kırmızısı | 3.0 – 5.2 |
| Metil kırmızısı | 4.4 – 6.2 |
| Bromfenol kırmızısı | 5.0 – 6.8 |
| Bromtimol mavisi | 6.0 – 7.6 |
| Fenol kırmızısı | 6.8 – 8.0 |
| Krezol kırmızısı | 7.2 – 8.8 |
| Timol mavisi | 8.0 – 9.6 |
| Fenolftalein | 8.2 – 10.0 |
| Alizarin sarısı | 10.1 – 12.1 |
| Tropeolin 0 | 11.0 – 13.0 |
| 1,3,5-Trinitrobenzen | 12.2 – 14.0 |
Tablo 1
| 2.1 | \(K_1=\) | |
| \(K_2=\) | ||
| 2.2 | pH = 1.92 | \(\alpha_0=\) |
| \(\alpha_1=\) | ||
| \(\alpha_2=\) | ||
| pH = 6.22 | \(\alpha_0=\) | |
| \(\alpha_1=\) | ||
| \(\alpha_2=\) | ||
| 2.3 | pH = | |
| \(\alpha_1=\) | ||
| 2.4 | Birinci indikatör eşdeğerlik noktası | pH = |
| 1. 2. 3. 4. |
||
| İkinci indikatör eşdeğerlik noktası | pH = | |
| 1. 2. 3. 4. |
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
-
2.1: \(\boxed{K_1=1.2\times10^{-2},\quad K_2=6.0\times10^{-7}}\).
-
2.2:
| pH | \(\alpha_0\) | \(\alpha_1\) | \(\alpha_2\) |
|---|---|---|---|
| 1.92 | 0.49999 | 0.49999 | \(2.5\times10^{-5}\) |
| 6.22 | \(2.5\times10^{-5}\) | 0.49999 | 0.49999 |
-
2.3: \(\boxed{\mathrm{pH}=4.07,\quad \alpha_{1,\max}=0.986\;(98.6\%)}\).
-
2.4: Verilen renk değişim aralıkları kullanıldığında:
- Birinci eşdeğerlik noktası: \(\boxed{\mathrm{pH}\approx4.12}\); bromfenol mavisi ve Kongo kırmızısı. Yaygın olarak kullanılan basitleştirilmiş amfolit yaklaşımı pH değerini \(4.07\) olarak verir.
- İkinci eşdeğerlik noktası: \(\boxed{\mathrm{pH}\approx9.37}\); timol mavisi ve fenolftalein.
Bu indikatörleri tanımlayan SMILES gösterimleri Çözüm 2.4'te verilmiştir.
Çözüm
2.1 — Ayrışma sabitleri
Asit ve eşlenik bazları şunlardır:
| Simge | Ad | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{H2A}\) | Maleik asit, \((Z)\)-büt-2-endioik asit | O=C(O)/C=C\C(=O)O |
| \(\ce{HA^-}\) | Hidrojen maleat iyonu | O=C(O)/C=C\C(=O)[O-] |
| \(\ce{A^{2-}}\) | Maleat iyonu | O=C([O-])/C=C\C(=O)[O-] |
Bu SMILES gösterimleri alkenin \(Z\) geometrisini kodlar; karboksil gruplarının belirli bir konformasyonunu belirtmez. Aşağıda kullanılan diğer türler su O, hidronyum [OH3+], hidroksit [OH-] ve sodyum hidroksit [Na+].[OH-] olup sodyum hidroksitteki sodyum iyonu [Na+] seyirci iyondur.
Ardışık ayrışmalar şöyledir:
\[ \ce{H2A + H2O <=> H3O+ + HA^-}, \]
\[ \ce{HA^- + H2O <=> H3O+ + A^{2-}}. \]
\(h=[\ce{H3O+}]\) yazalım. Aşağıdaki denge ifadelerinde molar derişimler kullanılmış ve \(1\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) standart hâli örtük olarak kabul edilmiştir. Buna göre
\[ K_1=\frac{h[\ce{HA^-}]}{[\ce{H2A}]} =h\frac{\alpha_1}{\alpha_0}, \qquad K_2=\frac{h[\ce{A^{2-}}]}{[\ce{HA^-}]} =h\frac{\alpha_2}{\alpha_1}. \]
\(\alpha_0=\alpha_1\) olduğunda \(K_1=h\) olur. Dolayısıyla,
\[ pK_1=1.92, \qquad \boxed{K_1=10^{-1.92}=1.2023\times10^{-2}\approx1.2\times10^{-2}}. \]
Benzer şekilde, \(\alpha_1=\alpha_2\) eşitliği \(K_2=h\) olmasını gerektirir ve buradan
\[ pK_2=6.22, \qquad \boxed{K_2=10^{-6.22}=6.0256\times10^{-7}\approx6.0\times10^{-7}}. \]
2.2 — Dağılım kesirleri
Analitik derişim şöyledir:
\[ c=[\ce{H2A}]+[\ce{HA^-}]+[\ce{A^{2-}}], \qquad \alpha_0+\alpha_1+\alpha_2=1. \]
Denge oranlarından şu ifadeler elde edilir:
\[ [\ce{HA^-}]=\frac{K_1}{h}[\ce{H2A}], \qquad [\ce{A^{2-}}]=\frac{K_1K_2}{h^2}[\ce{H2A}]. \]
Dolayısıyla, \(D=h^2+K_1h+K_1K_2\) tanımıyla,
\[ \boxed{ \alpha_0=\frac{h^2}{D},\qquad \alpha_1=\frac{K_1h}{D},\qquad \alpha_2=\frac{K_1K_2}{D}. } \]
Şu tanımı yapalım:
\[ r=\frac{K_2}{K_1}=10^{-4.30}=5.0119\times10^{-5}. \]
pH \(1.92\) değerinde \(h=K_1\) olduğundan
\[ (\alpha_0,\alpha_1,\alpha_2) =\frac{(1,1,r)}{2+r}. \]
Böylece
\[ \alpha_0=\alpha_1=0.49998747, \qquad \alpha_2=2.50587\times10^{-5}. \]
pH \(6.22\) değerinde \(h=K_2\) olduğundan
\[ (\alpha_0,\alpha_1,\alpha_2) =\frac{(r,1,1)}{2+r}. \]
Böylece
\[ \alpha_0=2.50587\times10^{-5}, \qquad \alpha_1=\alpha_2=0.49998747. \]
2.3 — Maksimum hidrojen maleat kesri
\(\alpha_1\) ifadesini şu biçimde yeniden yazalım:
\[ \alpha_1=\frac{1}{1+h/K_1+K_2/h}. \]
Pozitif \(h\) için aritmetik–geometrik ortalama eşitsizliği
\[ \frac{h}{K_1}+\frac{K_2}{h} \geq 2\sqrt{\frac{K_2}{K_1}}, \]
sonucunu verir; eşitlik ancak ve ancak şu koşulda sağlanır:
\[ \frac{h}{K_1}=\frac{K_2}{h}, \qquad h=\sqrt{K_1K_2}. \]
Bu, paydayı en küçük yapar ve dolayısıyla global maksimumu verir:
\[ \boxed{ \mathrm{pH}_{\max} =\frac{pK_1+pK_2}{2} =\frac{1.92+6.22}{2} =4.07. } \]
Maksimum kesir şöyledir:
\[ \boxed{ \alpha_{1,\max} =\frac{1}{1+2\sqrt{K_2/K_1}} =\frac{1}{1+2(10^{-2.15})} =0.98603876\approx0.986. } \]
Bu pH değerinde kalan kesirler birbirine eşittir:
\[ \alpha_0=\alpha_2 =\frac{1-\alpha_{1,\max}}{2} \approx0.00698. \]
2.4 — Eşdeğerlik noktaları ve indikatörler
İki nötralleşme basamağı şöyledir:
\[ \ce{H2A + OH^- -> HA^- + H2O}, \]
\[ \ce{HA^- + OH^- -> A^{2-} + H2O}. \]
Başlangıçtaki asit hacmi \(V_0\) olsun. Hem asidin hem de titrantın derişimi \(0.1\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) olduğundan, birinci ve ikinci eşdeğerlik noktaları için gereken titrant hacimleri sırasıyla \(V_0\) ve \(2V_0\)'dır.
\(25^\circ\mathrm C\)'de yaygın olarak kabul edilen \(K_w=1.0\times10^{-14}\) değerini kullanalım.
Birinci eşdeğerlik noktası.
Seyrelme sonucunda
\[ C_1=\frac{0.1V_0}{2V_0} =0.050\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
Çözelti ağırlıklı olarak amfiprotik hidrojen maleat iyonunu içerir. Bu iyonun asit ve baz tepkimeleri şöyledir:
\[ \ce{HA^- + H2O <=> H3O+ + A^{2-}}, \]
\[ \ce{HA^- + H2O <=> H2A + OH^-}. \]
Bilinen amfolit yaklaşımı şöyledir:
\[ h\approx\sqrt{K_1K_2}, \qquad \mathrm{pH}\approx\frac{pK_1+pK_2}{2}=4.07. \]
Verilen derişim için \(K_1/C_1\approx0.24\) olduğundan küçük bir düzeltme yapılması gerekir. Bu eşdeğerlik noktasında \([\ce{Na+}]=C_1\) olduğundan yük denkliği şunu gerektirir:
\[ h+C_1=\frac{K_w}{h}+C_1\alpha_1+2C_1\alpha_2. \]
Dağılım kesirleri kullanıldığında,
\[ h-\frac{K_w}{h} =C_1(\alpha_2-\alpha_0) =C_1\frac{K_1K_2-h^2}{h^2+K_1h+K_1K_2}. \]
Bu denklemin çözümü şu sonucu verir:
\[ \boxed{\mathrm{pH}_{\mathrm{eq},1}=4.1174\approx4.12.} \]
Hem \(4.07\) hem de \(4.12\), bromfenol mavisi ve Kongo kırmızısı için verilen aralıkların içindedir.
İkinci eşdeğerlik noktası.
Analitik maleat derişimi artık şöyledir:
\[ C_2=\frac{0.1V_0}{3V_0} =\frac{0.1}{3} =0.0333\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
Maleat hidrolize uğrar:
\[ \ce{A^{2-} + H2O <=> HA^- + OH^-}. \]
Baz ayrışma sabiti şöyledir:
\[ K_b=\frac{K_w}{K_2} =\frac{10^{-14}}{6.0256\times10^{-7}} =1.6596\times10^{-8}. \]
\(x=[\ce{OH^-}]\) yazıldığında zayıf baz yaklaşımı şu ifadeleri verir:
\[ K_b=\frac{x^2}{C_2-x}\approx\frac{x^2}{C_2}, \]
\[ x\approx\sqrt{K_bC_2} =\sqrt{(1.6596\times10^{-8})(0.03333)} =2.3520\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
Burada \(x/C_2\approx7.1\times10^{-4}\) olması yaklaşımın geçerliliğini doğrular. Dolayısıyla
\[ \mathrm{pOH}=4.6286, \qquad \boxed{\mathrm{pH}_{\mathrm{eq},2}=14.00-4.6286\approx9.37.} \]
Bu değer, timol mavisi ve fenolftalein aralıklarının içindedir.
Dolayısıyla Tablo 1'e yazılacak indikatörler şunlardır:
| Eşdeğerlik noktası | pH | İndikatör | Verilen renk değişim aralığı |
|---|---|---|---|
| Birinci | \(4.12\) veya basitleştirilmiş yaklaşımda \(4.07\) | Bromfenol mavisi | 3.0–4.6 |
| Birinci | Aynı | Kongo kırmızısı | 3.0–5.2 |
| İkinci | 9.37 | Timol mavisi | 8.0–9.6 |
| İkinci | Aynı | Fenolftalein | 8.2–10.0 |
Bunlar her kutuda iki indikatör satırını doldurur; kalan satırlar boş bırakılabilir.
Aşağıdaki SMILES gösterimleri seçilen bileşikleri tanımlar. Üç ftalein/sülfonftalein indikatörü için yüksüz, kapalı halkalı referans biçimleri gösterilmiştir; Kongo kırmızısı ise yaygın disodyum tuzu biçiminde gösterilmiştir. Çözeltideki biçimleri pH ile değişir.
| İndikatör | SMILES |
|---|---|
| Bromfenol mavisi (bromofenol mavisi) | O=S1(=O)OC(c2cc(Br)c(O)c(Br)c2)(c2cc(Br)c(O)c(Br)c2)c2ccccc21 |
| Kongo kırmızısı | [Na+].[Na+].Nc1c(/N=N/c2ccc(-c3ccc(/N=N/c4cc(S(=O)(=O)[O-])c5ccccc5c4N)cc3)cc2)cc(S(=O)(=O)[O-])c2ccccc12 |
| Timol mavisi | O=S1(=O)OC(c2cc(C(C)C)c(O)cc2C)(c2cc(C(C)C)c(O)cc2C)c2ccccc21 |
| Fenolftalein | O=C1OC(c2ccc(O)cc2)(c2ccc(O)cc2)c2ccccc21 |
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1981 · Problema teórico 2
Disociación del ácido maleico y elección de indicadores ácido-base
El ácido maleico (\(\ce{H2A}\)) es un ácido dibásico débil. La correlación entre las cantidades relativas de \(\ce{H2A}\), \(\ce{HA^-}\), \(\ce{A^{2-}}\):
\[ \alpha_0=\frac{c(\ce{H2A})}{c} \qquad \alpha_1=\frac{c(\ce{HA^-})}{c} \qquad \alpha_2=\frac{c(\ce{A^{2-}})}{c} \]
y los valores de pH de la disolución muestra que:
a) \(\alpha_0=\alpha_1\) para pH = 1.92
b) \(\alpha_1=\alpha_2\) para pH = 6.22
Determine:
2.1 Los valores de las constantes de disociación del ácido maleico para la primera (\(K_1\)) y la segunda (\(K_2\)) etapa de disociación.
2.2 Los valores de \(\alpha_0\), \(\alpha_1\) y \(\alpha_2\) para pH = 1.92 y pH = 6.22.
2.3 ¿Cuál es el valor del pH cuando \(\alpha_1\) alcanza su valor máximo? Determine el valor máximo de \(\alpha\).
2.4 ¿Cuáles de los indicadores ácido-base de la tabla son adecuados para la valoración de una disolución 0.1 M de ácido maleico (como ácido monobásico y como ácido dibásico) con \(\ce{NaOH}\) 0.1 M?
Complete la tabla 1 con las respuestas correctas.
Todos los coeficientes de actividad deben considerarse iguales a 1.
| Indicador | Intervalo de pH |
|---|---|
| Verde de metilo | 0.1 – 2.0 |
| Tropeolina 00 | 1.4 – 3.2 |
| β-Dinitrofenol | 2.4 – 4.0 |
| Azul de bromofenol | 3.0 – 4.6 |
| Rojo Congo | 3.0 – 5.2 |
| Rojo de metilo | 4.4 – 6.2 |
| Rojo de bromofenol | 5.0 – 6.8 |
| Azul de bromotimol | 6.0 – 7.6 |
| Rojo de fenol | 6.8 – 8.0 |
| Rojo de cresol | 7.2 – 8.8 |
| Azul de timol | 8.0 – 9.6 |
| Fenolftaleína | 8.2 – 10.0 |
| Amarillo de alizarina | 10.1 – 12.1 |
| Tropeolina 0 | 11.0 – 13.0 |
| 1,3,5-Trinitrobenceno | 12.2 – 14.0 |
Tabla 1
| 2.1 | \(K_1=\) | |
| \(K_2=\) | ||
| 2.2 | pH = 1.92 | \(\alpha_0=\) |
| \(\alpha_1=\) | ||
| \(\alpha_2=\) | ||
| pH = 6.22 | \(\alpha_0=\) | |
| \(\alpha_1=\) | ||
| \(\alpha_2=\) | ||
| 2.3 | pH = | |
| \(\alpha_1=\) | ||
| 2.4 | Primer punto de equivalencia: indicadores | pH = |
| 1. 2. 3. 4. |
||
| Segundo punto de equivalencia: indicadores | pH = | |
| 1. 2. 3. 4. |
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
-
2.1: \(\boxed{K_1=1.2\times10^{-2},\quad K_2=6.0\times10^{-7}}\).
-
2.2:
| pH | \(\alpha_0\) | \(\alpha_1\) | \(\alpha_2\) |
|---|---|---|---|
| 1.92 | 0.49999 | 0.49999 | \(2.5\times10^{-5}\) |
| 6.22 | \(2.5\times10^{-5}\) | 0.49999 | 0.49999 |
-
2.3: \(\boxed{\mathrm{pH}=4.07,\quad \alpha_{1,\max}=0.986\;(98.6\%)}\).
-
2.4: Utilizando los intervalos de viraje indicados:
- Primer punto de equivalencia: \(\boxed{\mathrm{pH}\approx4.12}\); azul de bromofenol y rojo Congo. La aproximación simplificada habitual para un anfolito da un pH de \(4.07\).
- Segundo punto de equivalencia: \(\boxed{\mathrm{pH}\approx9.37}\); azul de timol y fenolftaleína.
Los SMILES que identifican estos indicadores se proporcionan en la Solución 2.4.
Solución
2.1 — Constantes de disociación
El ácido y sus bases conjugadas son:
| Símbolo | Nombre | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{H2A}\) | Ácido maleico, ácido \((Z)\)-but-2-enedioico | O=C(O)/C=C\C(=O)O |
| \(\ce{HA^-}\) | Ion hidrogenomaleato | O=C(O)/C=C\C(=O)[O-] |
| \(\ce{A^{2-}}\) | Ion maleato | O=C([O-])/C=C\C(=O)[O-] |
Estos SMILES codifican la geometría \(Z\) del alqueno; no especifican una conformación particular de los grupos carboxilo. Otras especies utilizadas a continuación son el agua O, el ion hidronio [OH3+], el ion hidróxido [OH-] y el hidróxido de sodio [Na+].[OH-], cuyo ion sodio [Na+] es un ion espectador.
Las disociaciones sucesivas son
\[ \ce{H2A + H2O <=> H3O+ + HA^-}, \]
\[ \ce{HA^- + H2O <=> H3O+ + A^{2-}}. \]
Sea \(h=[\ce{H3O+}]\). Las expresiones de equilibrio que siguen utilizan concentraciones molares, con el estado estándar de \(1\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) implícito. Entonces
\[ K_1=\frac{h[\ce{HA^-}]}{[\ce{H2A}]} =h\frac{\alpha_1}{\alpha_0}, \qquad K_2=\frac{h[\ce{A^{2-}}]}{[\ce{HA^-}]} =h\frac{\alpha_2}{\alpha_1}. \]
Cuando \(\alpha_0=\alpha_1\), \(K_1=h\). Por consiguiente,
\[ pK_1=1.92, \qquad \boxed{K_1=10^{-1.92}=1.2023\times10^{-2}\approx1.2\times10^{-2}}. \]
Análogamente, \(\alpha_1=\alpha_2\) implica que \(K_2=h\), lo que da
\[ pK_2=6.22, \qquad \boxed{K_2=10^{-6.22}=6.0256\times10^{-7}\approx6.0\times10^{-7}}. \]
2.2 — Fracciones de distribución
La concentración analítica es
\[ c=[\ce{H2A}]+[\ce{HA^-}]+[\ce{A^{2-}}], \qquad \alpha_0+\alpha_1+\alpha_2=1. \]
Las relaciones de equilibrio dan
\[ [\ce{HA^-}]=\frac{K_1}{h}[\ce{H2A}], \qquad [\ce{A^{2-}}]=\frac{K_1K_2}{h^2}[\ce{H2A}]. \]
Por tanto, definiendo \(D=h^2+K_1h+K_1K_2\),
\[ \boxed{ \alpha_0=\frac{h^2}{D},\qquad \alpha_1=\frac{K_1h}{D},\qquad \alpha_2=\frac{K_1K_2}{D}. } \]
Sea
\[ r=\frac{K_2}{K_1}=10^{-4.30}=5.0119\times10^{-5}. \]
A pH \(1.92\), \(h=K_1\), por lo que
\[ (\alpha_0,\alpha_1,\alpha_2) =\frac{(1,1,r)}{2+r}. \]
Así,
\[ \alpha_0=\alpha_1=0.49998747, \qquad \alpha_2=2.50587\times10^{-5}. \]
A pH \(6.22\), \(h=K_2\), por lo que
\[ (\alpha_0,\alpha_1,\alpha_2) =\frac{(r,1,1)}{2+r}. \]
Así,
\[ \alpha_0=2.50587\times10^{-5}, \qquad \alpha_1=\alpha_2=0.49998747. \]
2.3 — Fracción máxima de hidrogenomaleato
Reescribimos la expresión de \(\alpha_1\) como
\[ \alpha_1=\frac{1}{1+h/K_1+K_2/h}. \]
Para \(h\) positivo, la desigualdad entre las medias aritmética y geométrica da
\[ \frac{h}{K_1}+\frac{K_2}{h} \geq 2\sqrt{\frac{K_2}{K_1}}, \]
con igualdad precisamente cuando
\[ \frac{h}{K_1}=\frac{K_2}{h}, \qquad h=\sqrt{K_1K_2}. \]
Esto minimiza el denominador y, por tanto, da el máximo global:
\[ \boxed{ \mathrm{pH}_{\max} =\frac{pK_1+pK_2}{2} =\frac{1.92+6.22}{2} =4.07. } \]
La fracción máxima es
\[ \boxed{ \alpha_{1,\max} =\frac{1}{1+2\sqrt{K_2/K_1}} =\frac{1}{1+2(10^{-2.15})} =0.98603876\approx0.986. } \]
A este pH, las fracciones restantes son iguales:
\[ \alpha_0=\alpha_2 =\frac{1-\alpha_{1,\max}}{2} \approx0.00698. \]
2.4 — Puntos de equivalencia e indicadores
Las dos etapas de neutralización son
\[ \ce{H2A + OH^- -> HA^- + H2O}, \]
\[ \ce{HA^- + OH^- -> A^{2-} + H2O}. \]
Sea \(V_0\) el volumen inicial de ácido. Dado que tanto el ácido como el valorante tienen una concentración de \(0.1\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\), el primer y el segundo punto de equivalencia requieren volúmenes de valorante de \(V_0\) y \(2V_0\), respectivamente.
Utilizamos el valor convencional \(K_w=1.0\times10^{-14}\) a \(25^\circ\mathrm C\).
Primer punto de equivalencia.
La dilución da
\[ C_1=\frac{0.1V_0}{2V_0} =0.050\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
La disolución contiene predominantemente el ion hidrogenomaleato, de carácter anfiprótico. Sus reacciones como ácido y como base son
\[ \ce{HA^- + H2O <=> H3O+ + A^{2-}}, \]
\[ \ce{HA^- + H2O <=> H2A + OH^-}. \]
La aproximación habitual para un anfolito es
\[ h\approx\sqrt{K_1K_2}, \qquad \mathrm{pH}\approx\frac{pK_1+pK_2}{2}=4.07. \]
Para la concentración indicada, se justifica una pequeña corrección porque \(K_1/C_1\approx0.24\). En este punto de equivalencia, \([\ce{Na+}]=C_1\), por lo que el balance de cargas exige
\[ h+C_1=\frac{K_w}{h}+C_1\alpha_1+2C_1\alpha_2. \]
Utilizando las fracciones de distribución,
\[ h-\frac{K_w}{h} =C_1(\alpha_2-\alpha_0) =C_1\frac{K_1K_2-h^2}{h^2+K_1h+K_1K_2}. \]
Al resolver esta ecuación se obtiene
\[ \boxed{\mathrm{pH}_{\mathrm{eq},1}=4.1174\approx4.12.} \]
Tanto \(4.07\) como \(4.12\) se encuentran dentro de los intervalos indicados para el azul de bromofenol y el rojo Congo.
Segundo punto de equivalencia.
La concentración analítica de maleato es ahora
\[ C_2=\frac{0.1V_0}{3V_0} =\frac{0.1}{3} =0.0333\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
El maleato se hidroliza:
\[ \ce{A^{2-} + H2O <=> HA^- + OH^-}. \]
Su constante de disociación básica es
\[ K_b=\frac{K_w}{K_2} =\frac{10^{-14}}{6.0256\times10^{-7}} =1.6596\times10^{-8}. \]
Escribiendo \(x=[\ce{OH^-}]\), la aproximación de base débil da
\[ K_b=\frac{x^2}{C_2-x}\approx\frac{x^2}{C_2}, \]
\[ x\approx\sqrt{K_bC_2} =\sqrt{(1.6596\times10^{-8})(0.03333)} =2.3520\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
Aquí \(x/C_2\approx7.1\times10^{-4}\), lo que confirma la aproximación. Por tanto,
\[ \mathrm{pOH}=4.6286, \qquad \boxed{\mathrm{pH}_{\mathrm{eq},2}=14.00-4.6286\approx9.37.} \]
Este valor se encuentra dentro de los intervalos del azul de timol y de la fenolftaleína.
Por tanto, los indicadores que deben figurar en la tabla 1 son:
| Punto de equivalencia | pH | Indicador | Intervalo de viraje indicado |
|---|---|---|---|
| Primero | \(4.12\), o \(4.07\) en la aproximación simplificada | Azul de bromofenol | 3.0–4.6 |
| Primero | El mismo | Rojo Congo | 3.0–5.2 |
| Segundo | 9.37 | Azul de timol | 8.0–9.6 |
| Segundo | El mismo | Fenolftaleína | 8.2–10.0 |
Estos ocupan dos líneas de indicadores en cada casilla; las líneas restantes pueden dejarse en blanco.
Los siguientes SMILES identifican los compuestos seleccionados. Para los tres indicadores de tipo ftaleína/sulfoneftaleína, se muestran las formas de referencia neutras con el anillo cerrado; el rojo Congo se muestra como su sal disódica habitual. Sus formas en disolución cambian con el pH.
| Indicador | SMILES |
|---|---|
| Azul de bromofenol (azul de bromofenol) | O=S1(=O)OC(c2cc(Br)c(O)c(Br)c2)(c2cc(Br)c(O)c(Br)c2)c2ccccc21 |
| Rojo Congo | [Na+].[Na+].Nc1c(/N=N/c2ccc(-c3ccc(/N=N/c4cc(S(=O)(=O)[O-])c5ccccc5c4N)cc3)cc2)cc(S(=O)(=O)[O-])c2ccccc12 |
| Azul de timol | O=S1(=O)OC(c2cc(C(C)C)c(O)cc2C)(c2cc(C(C)C)c(O)cc2C)c2ccccc21 |
| Fenolftaleína | O=C1OC(c2ccc(O)cc2)(c2ccc(O)cc2)c2ccccc21 |
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 1981 · 理论题 2
马来酸的解离与酸碱指示剂的选择
马来酸(\(\ce{H2A}\))是一种二元弱酸。\(\ce{H2A}\)、\(\ce{HA^-}\)、\(\ce{A^{2-}}\) 的相对含量:
\[ \alpha_0=\frac{c(\ce{H2A})}{c} \qquad \alpha_1=\frac{c(\ce{HA^-})}{c} \qquad \alpha_2=\frac{c(\ce{A^{2-}})}{c} \]
与溶液 pH 值之间的关系表明:
a) 当 pH = 1.92 时,\(\alpha_0=\alpha_1\)
b) 当 pH = 6.22 时,\(\alpha_1=\alpha_2\)
求:
2.1 马来酸的一级(\(K_1\))和二级(\(K_2\))解离常数的值。
2.2 pH = 1.92 和 pH = 6.22 时,\(\alpha_0\)、\(\alpha_1\) 和 \(\alpha_2\) 的值。
2.3 当 \(\alpha_1\) 达到最大值时,pH 为多少?求 \(\alpha\) 的最大值。
2.4 用 0.1 M \(\ce{NaOH}\) 滴定 0.1 M 马来酸溶液(分别将其作为一元酸和二元酸)时,表中的哪些酸碱指示剂适用?
将正确答案填入表 1。
所有活度系数均视为等于 1。
| 指示剂 | pH 范围 |
|---|---|
| 甲基绿 | 0.1 – 2.0 |
| 橙黄 00 | 1.4 – 3.2 |
| β-二硝基苯酚 | 2.4 – 4.0 |
| 溴酚蓝 | 3.0 – 4.6 |
| 刚果红 | 3.0 – 5.2 |
| 甲基红 | 4.4 – 6.2 |
| 溴酚红 | 5.0 – 6.8 |
| 溴百里酚蓝 | 6.0 – 7.6 |
| 酚红 | 6.8 – 8.0 |
| 甲酚红 | 7.2 – 8.8 |
| 百里酚蓝 | 8.0 – 9.6 |
| 酚酞 | 8.2 – 10.0 |
| 茜素黄 | 10.1 – 12.1 |
| 橙黄 0 | 11.0 – 13.0 |
| 1,3,5-三硝基苯 | 12.2 – 14.0 |
表 1
| 2.1 | \(K_1=\) | |
| \(K_2=\) | ||
| 2.2 | pH = 1.92 | \(\alpha_0=\) |
| \(\alpha_1=\) | ||
| \(\alpha_2=\) | ||
| pH = 6.22 | \(\alpha_0=\) | |
| \(\alpha_1=\) | ||
| \(\alpha_2=\) | ||
| 2.3 | pH = | |
| \(\alpha_1=\) | ||
| 2.4 | 第一等当点及其指示剂 | pH = |
| 1. 2. 3. 4. |
||
| 第二等当点及其指示剂 | pH = | |
| 1. 2. 3. 4. |
题目译自官方英文原文。
答案
-
2.1: \(\boxed{K_1=1.2\times10^{-2},\quad K_2=6.0\times10^{-7}}\)。
-
2.2:
| pH | \(\alpha_0\) | \(\alpha_1\) | \(\alpha_2\) |
|---|---|---|---|
| 1.92 | 0.49999 | 0.49999 | \(2.5\times10^{-5}\) |
| 6.22 | \(2.5\times10^{-5}\) | 0.49999 | 0.49999 |
-
2.3: \(\boxed{\mathrm{pH}=4.07,\quad \alpha_{1,\max}=0.986\;(98.6\%)}\)。
-
2.4: 根据所列的变色范围:
- 第一等当点: \(\boxed{\mathrm{pH}\approx4.12}\);溴酚蓝和刚果红。常用的两性电解质简化近似给出 pH 为 \(4.07\)。
- 第二等当点: \(\boxed{\mathrm{pH}\approx9.37}\);百里酚蓝和酚酞。
这些指示剂的 SMILES 标识列于解答 2.4 中。
解答
2.1 — 解离常数
该酸及其共轭碱如下:
| 符号 | 名称 | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{H2A}\) | 马来酸,\((Z)\)-2-丁烯二酸 | O=C(O)/C=C\C(=O)O |
| \(\ce{HA^-}\) | 马来酸氢根离子 | O=C(O)/C=C\C(=O)[O-] |
| \(\ce{A^{2-}}\) | 马来酸根离子 | O=C([O-])/C=C\C(=O)[O-] |
这些 SMILES 表示烯烃的 \(Z\) 构型;它们并未指定羧基的特定构象。下文用到的其他物种为水 O、水合氢离子 [OH3+]、氢氧根离子 [OH-] 和氢氧化钠 [Na+].[OH-],其中钠离子 [Na+] 为旁观离子。
逐级解离反应为
\[ \ce{H2A + H2O <=> H3O+ + HA^-}, \]
\[ \ce{HA^- + H2O <=> H3O+ + A^{2-}}. \]
记 \(h=[\ce{H3O+}]\)。下列平衡表达式使用物质的量浓度,并隐含以 \(1\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) 为标准态。于是
\[ K_1=\frac{h[\ce{HA^-}]}{[\ce{H2A}]} =h\frac{\alpha_1}{\alpha_0}, \qquad K_2=\frac{h[\ce{A^{2-}}]}{[\ce{HA^-}]} =h\frac{\alpha_2}{\alpha_1}. \]
当 \(\alpha_0=\alpha_1\) 时,\(K_1=h\)。因此,
\[ pK_1=1.92, \qquad \boxed{K_1=10^{-1.92}=1.2023\times10^{-2}\approx1.2\times10^{-2}}. \]
同理,\(\alpha_1=\alpha_2\) 意味着 \(K_2=h\),得到
\[ pK_2=6.22, \qquad \boxed{K_2=10^{-6.22}=6.0256\times10^{-7}\approx6.0\times10^{-7}}. \]
2.2 — 分布分数
分析浓度为
\[ c=[\ce{H2A}]+[\ce{HA^-}]+[\ce{A^{2-}}], \qquad \alpha_0+\alpha_1+\alpha_2=1. \]
由平衡浓度比可得
\[ [\ce{HA^-}]=\frac{K_1}{h}[\ce{H2A}], \qquad [\ce{A^{2-}}]=\frac{K_1K_2}{h^2}[\ce{H2A}]. \]
因此,定义 \(D=h^2+K_1h+K_1K_2\),则
\[ \boxed{ \alpha_0=\frac{h^2}{D},\qquad \alpha_1=\frac{K_1h}{D},\qquad \alpha_2=\frac{K_1K_2}{D}. } \]
令
\[ r=\frac{K_2}{K_1}=10^{-4.30}=5.0119\times10^{-5}. \]
在 pH 为 \(1.92\) 时,\(h=K_1\),所以
\[ (\alpha_0,\alpha_1,\alpha_2) =\frac{(1,1,r)}{2+r}. \]
于是
\[ \alpha_0=\alpha_1=0.49998747, \qquad \alpha_2=2.50587\times10^{-5}. \]
在 pH 为 \(6.22\) 时,\(h=K_2\),所以
\[ (\alpha_0,\alpha_1,\alpha_2) =\frac{(r,1,1)}{2+r}. \]
于是
\[ \alpha_0=2.50587\times10^{-5}, \qquad \alpha_1=\alpha_2=0.49998747. \]
2.3 — 马来酸氢根的最大分布分数
将 \(\alpha_1\) 的表达式改写为
\[ \alpha_1=\frac{1}{1+h/K_1+K_2/h}. \]
对于正数 \(h\),由算术平均数与几何平均数不等式可得
\[ \frac{h}{K_1}+\frac{K_2}{h} \geq 2\sqrt{\frac{K_2}{K_1}}, \]
等号成立当且仅当
\[ \frac{h}{K_1}=\frac{K_2}{h}, \qquad h=\sqrt{K_1K_2}. \]
此时分母达到最小值,因此得到全局最大值:
\[ \boxed{ \mathrm{pH}_{\max} =\frac{pK_1+pK_2}{2} =\frac{1.92+6.22}{2} =4.07. } \]
最大分布分数为
\[ \boxed{ \alpha_{1,\max} =\frac{1}{1+2\sqrt{K_2/K_1}} =\frac{1}{1+2(10^{-2.15})} =0.98603876\approx0.986. } \]
在此 pH 下,其余两种形态的分布分数相等:
\[ \alpha_0=\alpha_2 =\frac{1-\alpha_{1,\max}}{2} \approx0.00698. \]
2.4 — 等当点与指示剂
两个中和阶段为
\[ \ce{H2A + OH^- -> HA^- + H2O}, \]
\[ \ce{HA^- + OH^- -> A^{2-} + H2O}. \]
设酸溶液的初始体积为 \(V_0\)。由于酸和滴定剂的浓度均为 \(0.1\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\),达到第一和第二等当点所需的滴定剂体积分别为 \(V_0\) 和 \(2V_0\)。
采用 \(25^\circ\mathrm C\) 时的常用值 \(K_w=1.0\times10^{-14}\)。
第一等当点。
考虑稀释后得到
\[ C_1=\frac{0.1V_0}{2V_0} =0.050\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
溶液中主要含有既能给出质子又能接受质子的马来酸氢根离子。其酸式和碱式反应为
\[ \ce{HA^- + H2O <=> H3O+ + A^{2-}}, \]
\[ \ce{HA^- + H2O <=> H2A + OH^-}. \]
常用的两性电解质近似为
\[ h\approx\sqrt{K_1K_2}, \qquad \mathrm{pH}\approx\frac{pK_1+pK_2}{2}=4.07. \]
对于题给浓度,由于 \(K_1/C_1\approx0.24\),有必要作小幅修正。在此等当点,\([\ce{Na+}]=C_1\),因此电荷平衡要求
\[ h+C_1=\frac{K_w}{h}+C_1\alpha_1+2C_1\alpha_2. \]
利用分布分数,
\[ h-\frac{K_w}{h} =C_1(\alpha_2-\alpha_0) =C_1\frac{K_1K_2-h^2}{h^2+K_1h+K_1K_2}. \]
解此方程得
\[ \boxed{\mathrm{pH}_{\mathrm{eq},1}=4.1174\approx4.12.} \]
\(4.07\) 和 \(4.12\) 均落在所列的溴酚蓝和刚果红的变色范围内。
第二等当点。
此时马来酸根的分析浓度为
\[ C_2=\frac{0.1V_0}{3V_0} =\frac{0.1}{3} =0.0333\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
马来酸根发生水解:
\[ \ce{A^{2-} + H2O <=> HA^- + OH^-}. \]
其碱解离常数为
\[ K_b=\frac{K_w}{K_2} =\frac{10^{-14}}{6.0256\times10^{-7}} =1.6596\times10^{-8}. \]
记 \(x=[\ce{OH^-}]\),由弱碱近似得到
\[ K_b=\frac{x^2}{C_2-x}\approx\frac{x^2}{C_2}, \]
\[ x\approx\sqrt{K_bC_2} =\sqrt{(1.6596\times10^{-8})(0.03333)} =2.3520\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
这里 \(x/C_2\approx7.1\times10^{-4}\),证实了该近似的合理性。因此
\[ \mathrm{pOH}=4.6286, \qquad \boxed{\mathrm{pH}_{\mathrm{eq},2}=14.00-4.6286\approx9.37.} \]
该值落在百里酚蓝和酚酞的变色范围内。
因此,表 1 中的指示剂条目为:
| 等当点 | pH | 指示剂 | 所列变色范围 |
|---|---|---|---|
| 第一 | \(4.12\),或在简化近似下为 \(4.07\) | 溴酚蓝 | 3.0–4.6 |
| 第一 | 同上 | 刚果红 | 3.0–5.2 |
| 第二 | 9.37 | 百里酚蓝 | 8.0–9.6 |
| 第二 | 同上 | 酚酞 | 8.2–10.0 |
这些指示剂在每个方框中各占两行;其余行可留空。
以下 SMILES 用于标识所选化合物。对于三种酞类/磺酞类指示剂,所示的是中性闭环参照形式;刚果红则以其常见的二钠盐形式表示。它们在溶液中的形态随 pH 变化。
| 指示剂 | SMILES |
|---|---|
| 溴酚蓝(溴苯酚蓝) | O=S1(=O)OC(c2cc(Br)c(O)c(Br)c2)(c2cc(Br)c(O)c(Br)c2)c2ccccc21 |
| 刚果红 | [Na+].[Na+].Nc1c(/N=N/c2ccc(-c3ccc(/N=N/c4cc(S(=O)(=O)[O-])c5ccccc5c4N)cc3)cc2)cc(S(=O)(=O)[O-])c2ccccc12 |
| 百里酚蓝 | O=S1(=O)OC(c2cc(C(C)C)c(O)cc2C)(c2cc(C(C)C)c(O)cc2C)c2ccccc21 |
| 酚酞 | O=C1OC(c2ccc(O)cc2)(c2ccc(O)cc2)c2ccccc21 |
解答已与官方解答核对。
IChO 1981 · Теоретическая задача 2
Диссоциация малеиновой кислоты и выбор кислотно-основных индикаторов
Малеиновая кислота (\(\ce{H2A}\)) — слабая двухосновная кислота. Зависимость относительных количеств \(\ce{H2A}\), \(\ce{HA^-}\), \(\ce{A^{2-}}\):
\[ \alpha_0=\frac{c(\ce{H2A})}{c} \qquad \alpha_1=\frac{c(\ce{HA^-})}{c} \qquad \alpha_2=\frac{c(\ce{A^{2-}})}{c} \]
от значений pH раствора показывает, что:
a) \(\alpha_0=\alpha_1\) при pH = 1.92
b) \(\alpha_1=\alpha_2\) при pH = 6.22
Найдите:
2.1 Значения констант диссоциации малеиновой кислоты по первой (\(K_1\)) и второй (\(K_2\)) ступеням.
2.2 Значения \(\alpha_0\), \(\alpha_1\) и \(\alpha_2\) при pH = 1.92 и pH = 6.22.
2.3 При каком значении pH величина \(\alpha_1\) достигает максимума? Найдите максимальное значение \(\alpha\).
2.4 Какие из кислотно-основных индикаторов, приведённых в таблице, подходят для титрования 0.1 М раствора малеиновой кислоты (как одноосновной и как двухосновной кислоты) 0.1 М раствором \(\ce{NaOH}\)?
Заполните таблицу 1 правильными ответами.
Все коэффициенты активности следует считать равными 1.
| Индикатор | Интервал pH |
|---|---|
| Метиловый зелёный | 0.1 – 2.0 |
| Тропеолин 00 | 1.4 – 3.2 |
| β-Динитрофенол | 2.4 – 4.0 |
| Бромфеноловый синий | 3.0 – 4.6 |
| Конго красный | 3.0 – 5.2 |
| Метиловый красный | 4.4 – 6.2 |
| Бромфеноловый красный | 5.0 – 6.8 |
| Бромтимоловый синий | 6.0 – 7.6 |
| Феноловый красный | 6.8 – 8.0 |
| Крезоловый красный | 7.2 – 8.8 |
| Тимоловый синий | 8.0 – 9.6 |
| Фенолфталеин | 8.2 – 10.0 |
| Ализариновый жёлтый | 10.1 – 12.1 |
| Тропеолин 0 | 11.0 – 13.0 |
| 1,3,5-Тринитробензол | 12.2 – 14.0 |
Таблица 1
| 2.1 | \(K_1=\) | |
| \(K_2=\) | ||
| 2.2 | pH = 1.92 | \(\alpha_0=\) |
| \(\alpha_1=\) | ||
| \(\alpha_2=\) | ||
| pH = 6.22 | \(\alpha_0=\) | |
| \(\alpha_1=\) | ||
| \(\alpha_2=\) | ||
| 2.3 | pH = | |
| \(\alpha_1=\) | ||
| 2.4 | Первая точка эквивалентности: индикаторы | pH = |
| 1. 2. 3. 4. |
||
| Вторая точка эквивалентности: индикаторы | pH = | |
| 1. 2. 3. 4. |
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
-
2.1: \(\boxed{K_1=1.2\times10^{-2},\quad K_2=6.0\times10^{-7}}\).
-
2.2:
| pH | \(\alpha_0\) | \(\alpha_1\) | \(\alpha_2\) |
|---|---|---|---|
| 1.92 | 0.49999 | 0.49999 | \(2.5\times10^{-5}\) |
| 6.22 | \(2.5\times10^{-5}\) | 0.49999 | 0.49999 |
-
2.3: \(\boxed{\mathrm{pH}=4.07,\quad \alpha_{1,\max}=0.986\;(98.6\%)}\).
-
2.4: Согласно приведённым интервалам перехода окраски:
- Первая точка эквивалентности: \(\boxed{\mathrm{pH}\approx4.12}\); бромфеноловый синий и конго красный. Обычное упрощённое приближение для амфолита даёт pH \(4.07\).
- Вторая точка эквивалентности: \(\boxed{\mathrm{pH}\approx9.37}\); тимоловый синий и фенолфталеин.
SMILES, идентифицирующие эти индикаторы, приведены в решении пункта 2.4.
Решение
2.1 — Константы диссоциации
Кислота и её сопряжённые основания:
| Обозначение | Название | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{H2A}\) | Малеиновая кислота, \((Z)\)-бут-2-ендиовая кислота | O=C(O)/C=C\C(=O)O |
| \(\ce{HA^-}\) | Гидромалеат-ион | O=C(O)/C=C\C(=O)[O-] |
| \(\ce{A^{2-}}\) | Малеат-ион | O=C([O-])/C=C\C(=O)[O-] |
Эти SMILES задают \(Z\)-конфигурацию двойной связи; они не определяют конкретную конформацию карбоксильных групп. Другие используемые ниже частицы и вещества — вода O, ион гидроксония [OH3+], гидроксид-ион [OH-] и гидроксид натрия [Na+].[OH-], ион натрия [Na+] которого не участвует в реакции.
Последовательные ступени диссоциации:
\[ \ce{H2A + H2O <=> H3O+ + HA^-}, \]
\[ \ce{HA^- + H2O <=> H3O+ + A^{2-}}. \]
Обозначим \(h=[\ce{H3O+}]\). В приведённых ниже выражениях для равновесия используются молярные концентрации; стандартное состояние \(1\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) подразумевается. Тогда
\[ K_1=\frac{h[\ce{HA^-}]}{[\ce{H2A}]} =h\frac{\alpha_1}{\alpha_0}, \qquad K_2=\frac{h[\ce{A^{2-}}]}{[\ce{HA^-}]} =h\frac{\alpha_2}{\alpha_1}. \]
При \(\alpha_0=\alpha_1\) имеем \(K_1=h\). Следовательно,
\[ pK_1=1.92, \qquad \boxed{K_1=10^{-1.92}=1.2023\times10^{-2}\approx1.2\times10^{-2}}. \]
Аналогично, из \(\alpha_1=\alpha_2\) следует \(K_2=h\), откуда
\[ pK_2=6.22, \qquad \boxed{K_2=10^{-6.22}=6.0256\times10^{-7}\approx6.0\times10^{-7}}. \]
2.2 — Доли форм кислоты
Аналитическая концентрация равна
\[ c=[\ce{H2A}]+[\ce{HA^-}]+[\ce{A^{2-}}], \qquad \alpha_0+\alpha_1+\alpha_2=1. \]
Из равновесных соотношений получаем
\[ [\ce{HA^-}]=\frac{K_1}{h}[\ce{H2A}], \qquad [\ce{A^{2-}}]=\frac{K_1K_2}{h^2}[\ce{H2A}]. \]
Поэтому, обозначив \(D=h^2+K_1h+K_1K_2\), получаем
\[ \boxed{ \alpha_0=\frac{h^2}{D},\qquad \alpha_1=\frac{K_1h}{D},\qquad \alpha_2=\frac{K_1K_2}{D}. } \]
Пусть
\[ r=\frac{K_2}{K_1}=10^{-4.30}=5.0119\times10^{-5}. \]
При pH \(1.92\) имеем \(h=K_1\), поэтому
\[ (\alpha_0,\alpha_1,\alpha_2) =\frac{(1,1,r)}{2+r}. \]
Таким образом,
\[ \alpha_0=\alpha_1=0.49998747, \qquad \alpha_2=2.50587\times10^{-5}. \]
При pH \(6.22\) имеем \(h=K_2\), поэтому
\[ (\alpha_0,\alpha_1,\alpha_2) =\frac{(r,1,1)}{2+r}. \]
Таким образом,
\[ \alpha_0=2.50587\times10^{-5}, \qquad \alpha_1=\alpha_2=0.49998747. \]
2.3 — Максимальная доля гидромалеат-иона
Перепишем выражение для \(\alpha_1\) в виде
\[ \alpha_1=\frac{1}{1+h/K_1+K_2/h}. \]
Для положительных \(h\) неравенство между средним арифметическим и средним геометрическим даёт
\[ \frac{h}{K_1}+\frac{K_2}{h} \geq 2\sqrt{\frac{K_2}{K_1}}, \]
причём равенство достигается тогда и только тогда, когда
\[ \frac{h}{K_1}=\frac{K_2}{h}, \qquad h=\sqrt{K_1K_2}. \]
При этом знаменатель минимален, и, следовательно, достигается глобальный максимум:
\[ \boxed{ \mathrm{pH}_{\max} =\frac{pK_1+pK_2}{2} =\frac{1.92+6.22}{2} =4.07. } \]
Максимальная доля равна
\[ \boxed{ \alpha_{1,\max} =\frac{1}{1+2\sqrt{K_2/K_1}} =\frac{1}{1+2(10^{-2.15})} =0.98603876\approx0.986. } \]
При этом pH доли остальных форм равны:
\[ \alpha_0=\alpha_2 =\frac{1-\alpha_{1,\max}}{2} \approx0.00698. \]
2.4 — Точки эквивалентности и индикаторы
Две ступени нейтрализации:
\[ \ce{H2A + OH^- -> HA^- + H2O}, \]
\[ \ce{HA^- + OH^- -> A^{2-} + H2O}. \]
Пусть начальный объём раствора кислоты равен \(V_0\). Поскольку концентрации кислоты и титранта одинаковы и равны \(0.1\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\), для достижения первой и второй точек эквивалентности требуются объёмы титранта \(V_0\) и \(2V_0\) соответственно.
Используем общепринятое значение \(K_w=1.0\times10^{-14}\) при \(25^\circ\mathrm C\).
Первая точка эквивалентности.
С учётом разбавления получаем
\[ C_1=\frac{0.1V_0}{2V_0} =0.050\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
В растворе преобладает амфипротный гидромалеат-ион. Его реакции как кислоты и как основания:
\[ \ce{HA^- + H2O <=> H3O+ + A^{2-}}, \]
\[ \ce{HA^- + H2O <=> H2A + OH^-}. \]
Известное приближение для амфолита имеет вид
\[ h\approx\sqrt{K_1K_2}, \qquad \mathrm{pH}\approx\frac{pK_1+pK_2}{2}=4.07. \]
При указанной концентрации следует внести небольшую поправку, поскольку \(K_1/C_1\approx0.24\). В этой точке эквивалентности \([\ce{Na+}]=C_1\), поэтому условие электронейтральности требует
\[ h+C_1=\frac{K_w}{h}+C_1\alpha_1+2C_1\alpha_2. \]
Используя выражения для долей форм кислоты, получаем
\[ h-\frac{K_w}{h} =C_1(\alpha_2-\alpha_0) =C_1\frac{K_1K_2-h^2}{h^2+K_1h+K_1K_2}. \]
Решение этого уравнения даёт
\[ \boxed{\mathrm{pH}_{\mathrm{eq},1}=4.1174\approx4.12.} \]
Оба значения, \(4.07\) и \(4.12\), попадают в приведённые интервалы для бромфенолового синего и конго красного.
Вторая точка эквивалентности.
Теперь аналитическая концентрация малеата равна
\[ C_2=\frac{0.1V_0}{3V_0} =\frac{0.1}{3} =0.0333\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
Малеат подвергается гидролизу:
\[ \ce{A^{2-} + H2O <=> HA^- + OH^-}. \]
Его константа диссоциации как основания равна
\[ K_b=\frac{K_w}{K_2} =\frac{10^{-14}}{6.0256\times10^{-7}} =1.6596\times10^{-8}. \]
Обозначив \(x=[\ce{OH^-}]\), в приближении слабого основания получаем
\[ K_b=\frac{x^2}{C_2-x}\approx\frac{x^2}{C_2}, \]
\[ x\approx\sqrt{K_bC_2} =\sqrt{(1.6596\times10^{-8})(0.03333)} =2.3520\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
Здесь \(x/C_2\approx7.1\times10^{-4}\), что подтверждает применимость приближения. Следовательно,
\[ \mathrm{pOH}=4.6286, \qquad \boxed{\mathrm{pH}_{\mathrm{eq},2}=14.00-4.6286\approx9.37.} \]
Это значение находится в пределах интервалов для тимолового синего и фенолфталеина.
Таким образом, в таблицу 1 следует внести следующие индикаторы:
| Точка эквивалентности | pH | Индикатор | Приведённый интервал перехода окраски |
|---|---|---|---|
| Первая | \(4.12\), или \(4.07\) в упрощённом приближении | Бромфеноловый синий | 3.0–4.6 |
| Первая | То же | Конго красный | 3.0–5.2 |
| Вторая | 9.37 | Тимоловый синий | 8.0–9.6 |
| Вторая | То же | Фенолфталеин | 8.2–10.0 |
Они занимают две строки для индикаторов в каждом блоке; остальные строки можно оставить пустыми.
Следующие SMILES идентифицируют выбранные соединения. Для трёх фталеиновых/сульфофталеиновых индикаторов показаны нейтральные исходные формы с замкнутым кольцом; конго красный представлен в виде его обычной динатриевой соли. Их формы в растворе изменяются в зависимости от pH.
| Индикатор | SMILES |
|---|---|
| Бромфеноловый синий (бромфеноловый синий) | O=S1(=O)OC(c2cc(Br)c(O)c(Br)c2)(c2cc(Br)c(O)c(Br)c2)c2ccccc21 |
| Конго красный | [Na+].[Na+].Nc1c(/N=N/c2ccc(-c3ccc(/N=N/c4cc(S(=O)(=O)[O-])c5ccccc5c4N)cc3)cc2)cc(S(=O)(=O)[O-])c2ccccc12 |
| Тимоловый синий | O=S1(=O)OC(c2cc(C(C)C)c(O)cc2C)(c2cc(C(C)C)c(O)cc2C)c2ccccc21 |
| Фенолфталеин | O=C1OC(c2ccc(O)cc2)(c2ccc(O)cc2)c2ccccc21 |
Решение проверено по официальному решению.
IChO 1981 · مسألة نظرية 2
تفكك حمض المالييك واختيار كواشف الأحماض والقواعد
حمض المالييك (\(\ce{H2A}\)) حمض ضعيف ثنائي البروتون. تُبيّن العلاقة بين الكميات النسبية لكل من \(\ce{H2A}\)، و\(\ce{HA^-}\)، و\(\ce{A^{2-}}\):
\[ \alpha_0=\frac{c(\ce{H2A})}{c} \qquad \alpha_1=\frac{c(\ce{HA^-})}{c} \qquad \alpha_2=\frac{c(\ce{A^{2-}})}{c} \]
وقيم pH للمحلول أن:
a) \(\alpha_0=\alpha_1\) عند pH = 1.92
b) \(\alpha_1=\alpha_2\) عند pH = 6.22
أوجد:
2.1 قيمتي ثابتي تفكك حمض المالييك للمرحلة الأولى (\(K_1\)) والمرحلة الثانية (\(K_2\)) من التفكك.
2.2 قيم \(\alpha_0\)، و\(\alpha_1\)، و\(\alpha_2\) عند pH = 1.92 وعند pH = 6.22.
2.3 ما قيمة pH عندما تبلغ \(\alpha_1\) قيمتها العظمى؟ أوجد القيمة العظمى لـ\(\alpha\).
2.4 أيّ كواشف الأحماض والقواعد الواردة في الجدول مناسب لمعايرة محلول من حمض المالييك تركيزه 0.1 M (بوصفه حمضًا أحادي البروتون وبوصفه حمضًا ثنائي البروتون) باستخدام \(\ce{NaOH}\) بتركيز 0.1 M؟
املأ الجدول 1 بالإجابات الصحيحة.
اعتبر جميع معاملات الفعالية مساوية لـ1.
| الكاشف | مجال pH |
|---|---|
| أخضر الميثيل | 0.1 – 2.0 |
| تروبيولين 00 | 1.4 – 3.2 |
| β-ثنائي نيتروفينول | 2.4 – 4.0 |
| أزرق البروموفينول | 3.0 – 4.6 |
| أحمر الكونغو | 3.0 – 5.2 |
| أحمر الميثيل | 4.4 – 6.2 |
| أحمر البروموفينول | 5.0 – 6.8 |
| أزرق البروموثيمول | 6.0 – 7.6 |
| أحمر الفينول | 6.8 – 8.0 |
| أحمر الكريزول | 7.2 – 8.8 |
| أزرق الثيمول | 8.0 – 9.6 |
| الفينولفثالين | 8.2 – 10.0 |
| أصفر الأليزارين | 10.1 – 12.1 |
| تروبيولين 0 | 11.0 – 13.0 |
| 1,3,5-ثلاثي نيتروبنزين | 12.2 – 14.0 |
الجدول 1
| 2.1 | \(K_1=\) | |
| \(K_2=\) | ||
| 2.2 | pH = 1.92 | \(\alpha_0=\) |
| \(\alpha_1=\) | ||
| \(\alpha_2=\) | ||
| pH = 6.22 | \(\alpha_0=\) | |
| \(\alpha_1=\) | ||
| \(\alpha_2=\) | ||
| 2.3 | pH = | |
| \(\alpha_1=\) | ||
| 2.4 | نقطة التكافؤ الأولى للكاشف | pH = |
| 1. 2. 3. 4. |
||
| نقطة التكافؤ الثانية للكاشف | pH = | |
| 1. 2. 3. 4. |
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
-
2.1: \(\boxed{K_1=1.2\times10^{-2},\quad K_2=6.0\times10^{-7}}\).
-
2.2:
| pH | \(\alpha_0\) | \(\alpha_1\) | \(\alpha_2\) |
|---|---|---|---|
| 1.92 | 0.49999 | 0.49999 | \(2.5\times10^{-5}\) |
| 6.22 | \(2.5\times10^{-5}\) | 0.49999 | 0.49999 |
-
2.3: \(\boxed{\mathrm{pH}=4.07,\quad \alpha_{1,\max}=0.986\;(98.6\%)}\).
-
2.4: باستخدام مجالات التحول اللوني المدرجة:
- نقطة التكافؤ الأولى: \(\boxed{\mathrm{pH}\approx4.12}\)؛ أزرق البروموفينول وأحمر الكونغو. يعطي التقريب المبسّط المعتاد للمادة الأمفوليتية قيمة pH تساوي \(4.07\).
- نقطة التكافؤ الثانية: \(\boxed{\mathrm{pH}\approx9.37}\)؛ أزرق الثيمول والفينولفثالين.
ترد سلاسل SMILES التي تحدد هذه الكواشف في الحل 2.4.
الحل
2.1 — ثابتا التفكك
الحمض وقاعدتاه المرافقتان هي:
| الرمز | الاسم | SMILES |
|---|---|---|
| \(\ce{H2A}\) | حمض المالييك، حمض \((Z)\)-بوت-2-ين ديويك | O=C(O)/C=C\C(=O)O |
| \(\ce{HA^-}\) | أيون هيدروجين الماليات | O=C(O)/C=C\C(=O)[O-] |
| \(\ce{A^{2-}}\) | أيون الماليات | O=C([O-])/C=C\C(=O)[O-] |
تُرمّز سلاسل SMILES هذه التشكيل الهندسي \(Z\) للألكين؛ ولا تحدد هيئة فراغية بعينها لمجموعات الكربوكسيل. أما الأنواع الكيميائية الأخرى المستخدمة أدناه فهي الماء O، والهيدرونيوم [OH3+]، والهيدروكسيد [OH-]، وهيدروكسيد الصوديوم [Na+].[OH-]، الذي يكون فيه أيون الصوديوم [Na+] أيونًا متفرجًا.
خطوتا التفكك المتتاليتان هما
\[ \ce{H2A + H2O <=> H3O+ + HA^-}, \]
\[ \ce{HA^- + H2O <=> H3O+ + A^{2-}}. \]
لنكتب \(h=[\ce{H3O+}]\). تستخدم تعابير الاتزان أدناه التراكيز المولارية، مع اعتماد الحالة القياسية \(1\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\) ضمنًا. وعندئذٍ
\[ K_1=\frac{h[\ce{HA^-}]}{[\ce{H2A}]} =h\frac{\alpha_1}{\alpha_0}, \qquad K_2=\frac{h[\ce{A^{2-}}]}{[\ce{HA^-}]} =h\frac{\alpha_2}{\alpha_1}. \]
عندما تكون \(\alpha_0=\alpha_1\)، يكون \(K_1=h\). ومن ثم،
\[ pK_1=1.92, \qquad \boxed{K_1=10^{-1.92}=1.2023\times10^{-2}\approx1.2\times10^{-2}}. \]
وبالمثل، تستلزم \(\alpha_1=\alpha_2\) أن يكون \(K_2=h\)، فنحصل على
\[ pK_2=6.22, \qquad \boxed{K_2=10^{-6.22}=6.0256\times10^{-7}\approx6.0\times10^{-7}}. \]
2.2 — كسور التوزيع
التركيز التحليلي هو
\[ c=[\ce{H2A}]+[\ce{HA^-}]+[\ce{A^{2-}}], \qquad \alpha_0+\alpha_1+\alpha_2=1. \]
تعطي نسب الاتزان
\[ [\ce{HA^-}]=\frac{K_1}{h}[\ce{H2A}], \qquad [\ce{A^{2-}}]=\frac{K_1K_2}{h^2}[\ce{H2A}]. \]
لذلك، بتعريف \(D=h^2+K_1h+K_1K_2\)،
\[ \boxed{ \alpha_0=\frac{h^2}{D},\qquad \alpha_1=\frac{K_1h}{D},\qquad \alpha_2=\frac{K_1K_2}{D}. } \]
لتكن
\[ r=\frac{K_2}{K_1}=10^{-4.30}=5.0119\times10^{-5}. \]
عند pH \(1.92\)، يكون \(h=K_1\)، ومن ثم
\[ (\alpha_0,\alpha_1,\alpha_2) =\frac{(1,1,r)}{2+r}. \]
إذن
\[ \alpha_0=\alpha_1=0.49998747, \qquad \alpha_2=2.50587\times10^{-5}. \]
عند pH \(6.22\)، يكون \(h=K_2\)، ومن ثم
\[ (\alpha_0,\alpha_1,\alpha_2) =\frac{(r,1,1)}{2+r}. \]
إذن
\[ \alpha_0=2.50587\times10^{-5}, \qquad \alpha_1=\alpha_2=0.49998747. \]
2.3 — القيمة العظمى لكسر هيدروجين الماليات
نعيد كتابة التعبير عن \(\alpha_1\) على الصورة
\[ \alpha_1=\frac{1}{1+h/K_1+K_2/h}. \]
لقيم \(h\) الموجبة، تعطي متباينة المتوسطين الحسابي والهندسي
\[ \frac{h}{K_1}+\frac{K_2}{h} \geq 2\sqrt{\frac{K_2}{K_1}}, \]
وتتحقق المساواة إذا وفقط إذا كان
\[ \frac{h}{K_1}=\frac{K_2}{h}, \qquad h=\sqrt{K_1K_2}. \]
وهذا يجعل المقام عند قيمته الصغرى، ومن ثم يعطي القيمة العظمى المطلقة:
\[ \boxed{ \mathrm{pH}_{\max} =\frac{pK_1+pK_2}{2} =\frac{1.92+6.22}{2} =4.07. } \]
القيمة العظمى للكسر هي
\[ \boxed{ \alpha_{1,\max} =\frac{1}{1+2\sqrt{K_2/K_1}} =\frac{1}{1+2(10^{-2.15})} =0.98603876\approx0.986. } \]
عند هذه القيمة من pH، يتساوى الكسران المتبقيان:
\[ \alpha_0=\alpha_2 =\frac{1-\alpha_{1,\max}}{2} \approx0.00698. \]
2.4 — نقطتا التكافؤ والكواشف
مرحلتَا التعادل هما
\[ \ce{H2A + OH^- -> HA^- + H2O}, \]
\[ \ce{HA^- + OH^- -> A^{2-} + H2O}. \]
ليكن الحجم الابتدائي للحمض \(V_0\). بما أن تركيز كل من الحمض والمحلول المعايِر هو \(0.1\ \mathrm{mol\,L^{-1}}\)، فإن الوصول إلى نقطتي التكافؤ الأولى والثانية يتطلب حجمين من المحلول المعايِر قدرهما \(V_0\) و\(2V_0\)، على الترتيب.
نستخدم القيمة المتعارف عليها \(K_w=1.0\times10^{-14}\) عند \(25^\circ\mathrm C\).
نقطة التكافؤ الأولى.
يعطي التخفيف
\[ C_1=\frac{0.1V_0}{2V_0} =0.050\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
يحتوي المحلول أساسًا على أيون هيدروجين الماليات الأمفيبروتي. وتفاعلاه بوصفه حمضًا وبوصفه قاعدة هما
\[ \ce{HA^- + H2O <=> H3O+ + A^{2-}}, \]
\[ \ce{HA^- + H2O <=> H2A + OH^-}. \]
التقريب المألوف للمادة الأمفوليتية هو
\[ h\approx\sqrt{K_1K_2}, \qquad \mathrm{pH}\approx\frac{pK_1+pK_2}{2}=4.07. \]
عند التركيز المذكور، يلزم إجراء تصحيح طفيف لأن \(K_1/C_1\approx0.24\). عند نقطة التكافؤ هذه، يكون \([\ce{Na+}]=C_1\)، ولذلك يقتضي ميزان الشحنة أن
\[ h+C_1=\frac{K_w}{h}+C_1\alpha_1+2C_1\alpha_2. \]
باستخدام كسور التوزيع،
\[ h-\frac{K_w}{h} =C_1(\alpha_2-\alpha_0) =C_1\frac{K_1K_2-h^2}{h^2+K_1h+K_1K_2}. \]
يعطي حل هذه المعادلة
\[ \boxed{\mathrm{pH}_{\mathrm{eq},1}=4.1174\approx4.12.} \]
تقع كلتا القيمتين \(4.07\) و\(4.12\) ضمن المجالين المدرجين لكل من أزرق البروموفينول وأحمر الكونغو.
نقطة التكافؤ الثانية.
أصبح التركيز التحليلي للماليات الآن
\[ C_2=\frac{0.1V_0}{3V_0} =\frac{0.1}{3} =0.0333\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
تخضع الماليات للتحلل المائي:
\[ \ce{A^{2-} + H2O <=> HA^- + OH^-}. \]
ثابت تفككها القاعدي هو
\[ K_b=\frac{K_w}{K_2} =\frac{10^{-14}}{6.0256\times10^{-7}} =1.6596\times10^{-8}. \]
بكتابة \(x=[\ce{OH^-}]\)، يعطي تقريب القاعدة الضعيفة
\[ K_b=\frac{x^2}{C_2-x}\approx\frac{x^2}{C_2}, \]
\[ x\approx\sqrt{K_bC_2} =\sqrt{(1.6596\times10^{-8})(0.03333)} =2.3520\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,L^{-1}}. \]
هنا \(x/C_2\approx7.1\times10^{-4}\)، مما يؤكد صحة التقريب. ومن ثم
\[ \mathrm{pOH}=4.6286, \qquad \boxed{\mathrm{pH}_{\mathrm{eq},2}=14.00-4.6286\approx9.37.} \]
تقع هذه القيمة ضمن مجالي أزرق الثيمول والفينولفثالين.
وعليه، تكون خانات الكواشف في الجدول 1 كما يلي:
| نقطة التكافؤ | pH | الكاشف | مجال التحول اللوني المدرج |
|---|---|---|---|
| الأولى | \(4.12\)، أو \(4.07\) في التقريب المبسّط | أزرق البروموفينول | 3.0–4.6 |
| الأولى | القيمة نفسها | أحمر الكونغو | 3.0–5.2 |
| الثانية | 9.37 | أزرق الثيمول | 8.0–9.6 |
| الثانية | القيمة نفسها | الفينولفثالين | 8.2–10.0 |
تشغل هذه الكواشف سطرين في كل خانة؛ ويمكن ترك السطرين المتبقيين فارغين.
تحدد سلاسل SMILES التالية المركبات المختارة. بالنسبة إلى الكواشف الثلاثة من فئة الفثالين/السلفونفثالين، تُعرض الأشكال المرجعية المتعادلة ذات الحلقة المغلقة؛ أما أحمر الكونغو فيُعرض على هيئة ملحه المعتاد ثنائي الصوديوم. وتتغير أشكالها في المحلول مع تغير pH.
| الكاشف | SMILES |
|---|---|
| أزرق البروموفينول (أزرق البروموفينول) | O=S1(=O)OC(c2cc(Br)c(O)c(Br)c2)(c2cc(Br)c(O)c(Br)c2)c2ccccc21 |
| أحمر الكونغو | [Na+].[Na+].Nc1c(/N=N/c2ccc(-c3ccc(/N=N/c4cc(S(=O)(=O)[O-])c5ccccc5c4N)cc3)cc2)cc(S(=O)(=O)[O-])c2ccccc12 |
| أزرق الثيمول | O=S1(=O)OC(c2cc(C(C)C)c(O)cc2C)(c2cc(C(C)C)c(O)cc2C)c2ccccc21 |
| الفينولفثالين | O=C1OC(c2ccc(O)cc2)(c2ccc(O)cc2)c2ccccc21 |
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.