16.8: 指标

当水合氢离子浓度达到特定值时，某些有机物质会在稀释溶液中变色。 例如，酚酞是水溶液 5.0 × 10⁻⁹ M (pH < 8.3) 的任何水合氢离子浓度大于中的无色物质。 在更基本的溶液中，水合氢离子浓度为小于 5.0 × 10⁻⁹ M (pH > 8.3) ，则为红色或粉红色。 可用于测定溶液 pH 值的酚酞等物质被称为 酸-碱 指标。 酸-碱 指示灯要么是弱有机酸，要么是弱有机碱。

酸-碱 指示物甲基橙 (弱酸) 的溶液中的平衡可以用方程表示，在 HIn 中，我们使用 作为复杂甲基橙分子的简单表示：

甲基橙色阴离子 ⁽⁻⁾ 为黄色，非离子形式 HIn 为红色。 当我们将酸添加到甲基橙的溶液中时，增加的水合氢离子浓度会根据 勒夏特列原理（Le Chatelier's Principle） 将平衡转移到非电离红形式。 如果添加碱，则将平衡向黄色形式转移。 这种行为与缓冲液的行为完全类似。

溶液的感知颜色由两种物种在⁻和 HIn 中的浓度比决定。 如果大多数指示灯 (通常为 60−90% 或更高) 以⁻ 的形式出现，则溶液的感知颜色为黄色。 如果 MOST 显示为 HIn ，则溶液颜色将显示为红色。 亨德森-哈塞尔巴尔赫方程（Henderson-Hasselbalch Equation） 有助于了解指标溶液的 pH 值与其成分 (因此，感知的颜色) 之间的关系：

在 pH > pK_a 的溶液中，对数术语必须为正数，表示指示符的共轭碱形式超出 (黄色溶液)。 当 pH > pK_a 时，日志术语必须为负值，表示共轭酸 (红色溶液) 过量。 当溶液 pH 值接近 pK_a 指示符时，两个共轭伙伴的含量都相当可观，溶液颜色是每个伙伴的添加剂组合 (黄色和红色，产生橙色)。 酸-碱 指示器的换色间隔 (或 pH 间隔) 定义为观察到颜色变化的 pH 值范围，而对于大多数指示器，该范围约为 pK_a ± 1。

有许多不同的 酸-碱 指示器涵盖各种 pH 值，可用于通过消除过程确定未知溶液的近似 pH 值。 通用指示器和 pH 值纸包含多种指示器，在不同的外环中显示不同的颜色。

本文改编自 Openstax, 化学 2e, 第14.7节： 酸-碱 滴定。

指示剂的颜色随 pH 值的变化而变化，可用于监测溶液的 pH 值。pH 指示剂含有一种弱酸，以 HIn 表示，当转化为它的共轭碱，In 离子时，它会变色。颜色会随指示剂的 pH 值区间而变化，这取决于它的 pKa。如果溶液的 pH 值低于指示剂的 pKa，则水合氢离子的浓度较高。反应的平衡点向左移动，增加了 Hln 的浓度。当加入碱时，水合氢离子的浓度 降低。这种 pH 值的变化将 HIn 转化为 In 离子，溶液的颜色也随之改变。当 pH 值至少比 pKa 低 1 时，HIn 颜色 占主导地位；当 pH 值至少比 pKa 高 1 时，In 离子颜色占主导地位，而 pH 值 介于两者之间时，颜色是混合色。有各种 pH 指示剂 可用于监测在不同的 pH 值范围内 改变颜色的 pH 值。指示剂改变颜色的点 称为终点。理想的滴定指示剂 有一个接近等值点的终点。强酸和强碱的滴定曲线 是陡峭的，因为在等值点附近 的 pH 值变化很快。这些滴定可以使用相对广泛的 指示剂。在用 0.1M 氢氧化钠滴定 0.1M 盐酸的过程中，pH 值 从 3 迅速增加到 11。不论是酚酞，一种 pH 值区间 为 8.3 到 10 的指示剂，还是甲基红，一种区间为 4.2 到 6 的指示剂，都可以在这里使用，因为它们的终点 与曲线的陡峭部分重叠。相反，涉及弱酸或弱碱的滴定曲线，跟只有强酸和强碱的滴定曲线相比，没有那么陡；因此，可以使用 相对狭窄的指示剂范围。在用 0.1M 氢氧化钠滴定 0.1M 乙酸的过程中，pH 值 从 7 迅速增加到 11。酚酞可以在这里使用，因为其终点 与等值点重叠，但甲基红 将是一个无效的指示剂。