16.8: 지표

특정 유기 물질은 히드로늄 이온 농도가 특정 값에 도달하면 희석 용액에서 색이 변합니다. 예를 들어, 페놀프탈레인은 하이드로늄 이온 농도가 5.0 × 10^−9 M(pH < 8.3)보다 큰 모든 수용액에서 무색 물질입니다. 하이드로늄 이온 농도가 5.0 × 10^−9 M(pH > 8.3) 미만인 보다 기본적인 용액에서는 빨간색 또는 분홍색을 띕니다. 용액의 pH를 결정하는 데 사용할 수 있는 페놀프탈레인과 같은 물질을 산-염기 지시약이라고 합니다. 산-염기 지시약은 약한 유기산이거나 약한 유기 염기입니다.

약산인 산-염기 지시약 메틸 오렌지 용액의 평형은 복잡한 메틸 오렌지 분자에 대한 간단한 표현으로 HIn을 사용하는 방정식으로 표현될 수 있습니다.

메틸 오렌지의 음이온인 In^-는 노란색이고, 이온화되지 않은 형태인 HIn은 빨간색입니다. 메틸 오렌지 용액에 산을 첨가하면 르 샤틀리에의 원리에 따라 하이드로늄 이온 농도가 증가하여 평형이 비이온화된 적색 형태로 이동합니다. 염기를 추가하면 평형이 노란색 형태로 이동합니다. 이 동작은 완충 용액의 동작과 완전히 유사합니다.

지시 용액의 인지된 색상은 두 종 In^− 및 HIn의 농도 비율에 의해 결정됩니다. 지시약의 대부분(일반적으로 약 60~90% 이상)이 In^−로 존재하는 경우 인지되는 용액의 색상은 노란색입니다. 대부분이 HIn으로 존재하면 용액 색상이 빨간색으로 나타납니다. 핸더슨-하셀바흐 방정식은 지시약 용액의 pH와 그 구성(따라서 인지된 색상) 사이의 관계를 이해하는 데 유용합니다.

pH > pK_a인 용액에서 로그 항은 양수여야 하며 이는 지시약의 짝염기 형태(노란색 용액)가 과도함을 나타냅니다. pH > pK_a인 경우 로그 항은 음수여야 하며 이는 짝산(빨간색 용액)의 과잉을 나타냅니다. 용액 pH가 지시약 pK_a에 가까우면 상당한 양의 두 결합 파트너가 존재하고 용액 색상은 각각의 첨가제 조합의 색상입니다(노란색과 빨간색, 주황색 생성). 산염기 지시약의 색 변화 간격(또는 pH 간격)은 색 변화가 관찰되는 pH 값의 범위로 정의되며, 대부분의 지시약의 경우 이 범위는 대략 pK_a ± 1입니다.

광범위한 pH 값을 포괄하고 제거 과정에 따라 미지 용액의 대략적인 pH를 결정하는 데 사용할 수 있는 다양한 산-염기 지시약이 있습니다. 범용 지시약과 pH 종이에는 여러 가지 지시약이 혼합되어 있으며 다양한 pH에서 다양한 색상을 나타냅니다.

이 문서는 에서 발췌되었습니다 Openstax, Chemistry 2e, Section 14.7: Acid-Base Titrations.

반응 지시약은 pH에 따라 색상이 변경되므로 솔루션의 pH를 측정하는 데 사용할 수 있습니다. pH 반응 지시약에는 HIn으로 대표되는 약산이 들어 있으며 이 산은 짝 염기인 In 이온으로 변환될 때 색이 변합니다. 색상은 반응 지시약의 pH 간격에 따라 변하며 pKa에 따라 달라집니다.

용액의 pH가 반응 지시약의 pKa보다 낮으면 하이드로늄 농도가 높은 것입니다. 반응의 평형은 왼쪽으로 이동하면서 HN의 농도를 증가시킵니다. 염기를 첨가하면 하이드로늄의 농도가 감소합니다.

이 pH 변화에 따라 HIn을 In 이온으로 변환하고 용액의 색상이 바뀝니다. HIN 색은 pH가 pKa보다 적어도 하나 낮을 때 두드러지고 In 이온 색상은 pH가 적어도 하나 높을 때 두드러지며 색은 그 사이의 pH의 혼합물입니다. 서로 다른 pH 범위에서 색상을 변경하는 pH를 모니터링하는 데 사용할 수 있는 pH 반응 지시약은 여러 가지가 있습니다.

반응 지시약이 색상을 변경하는 점을 종점이라고 합니다. 적정화에 이상적인 반응 지시약에는 당량점 근처에 종점이 있습니다. 당량점 근방에서는 pH 변화가 빠르기 때문에 강산과 염기의 적정 곡선이 가파릅니다.

이러한 적정에서는 비교적 광범위한 반응 지시약을 사용할 수 있습니다. 0.1 몰의 염산과 0.1 몰의 수산화나트륨을 적정화하는 동안 pH는 3에서 11로 빠르게 증가합니다. pH 간격이 8.3 에서10인 반응 지시약인 페놀프탈레인 또는 4.2 에서 6인 반응 지시약인 메틸레드는 이 반응 지시약의 종점이 곡선의 가파로운 끝부분과 겹치기 때문에 여기서 이 중 하나를 사용할 수 있습니다.

대조적으로 약산이나 염기를 포함하는 적정화는 강산과 강염기만을 포함한 것보다 곡선이 덜 가파롭기 때문에 상대적으로 좁은 범위의 반응 지시약을 사용할 수 있습니다 0.1 몰의 아세트산을 0.1 몰의 수산화나트륨과 함께 적정하는 동안 pH는 7에서 11까지 빠르게 증가합니다. 페놀프탈레인은 종점이 당량점과 겹치기 때문에 여기서 사용될 수 있지만 메틸 레드는 비효율적인 반응 지시약이 될 것입니다.