16.8: Wskaźniki

Niektóre substancje organiczne zmieniają kolor w rozcieńczonym roztworze, gdy stężenie jonów hydroniowych osiąga określoną wartość. Na przykład fenoloftaleina jest bezbarwną substancją w dowolnym roztworze wodnym o stężeniu jonów hydroniowych większym niż 5,0 × 10⁻⁹ M (pH < 8,3). W bardziej podstawowych roztworach, w których stężenie jonów hydroniowych jest mniejsze niż 5,0 × 10⁻⁹ M (pH > 8,3), jest czerwony lub różowy. Substancje takie jak fenoloftaleina, które można wykorzystać do określenia pH roztworu, nazywane są wskaźnikami kwasowo-zasadowymi. Wskaźniki kwasowo-zasadowe to albo słabe kwasy organiczne, albo słabe zasady organiczne.

Równowagę w roztworze wskaźnika kwasowo-zasadowego oranżu metylowego, słabego kwasu, można przedstawić za pomocą równania, w którym używamy HIn jako prostej reprezentacji złożonej cząsteczki oranżu metylowego:

Anion oranżu metylowego, In⁻, jest żółty, a forma niezjonizowana, HIn, jest czerwona. Kiedy dodajemy kwas do roztworu oranżu metylowego, zwiększone stężenie jonów hydroniowych przesuwa równowagę w kierunku niezjonizowanej czerwonej formy, zgodnie z zasadą Le Châteliera. Jeśli dodamy zasadę, przesuwamy równowagę w kierunku formy żółtej. To zachowanie jest całkowicie analogiczne do działania.

Postrzegany kolor roztworu wskaźnikowego zależy od stosunku stężeń dwóch gatunków In⁻ i HIn. Jeśli większość wskaźnika (zwykle około 60-90% lub więcej) jest obecna jako In⁻, postrzegany kolor roztworu jest żółty. Jeśli większość jest obecna jako HIn, kolor roztworu jest czerwony. Równanie Hendersona-Hasselbalcha jest przydatne do zrozumienia związku między pH roztworu wskaźnikowego a jego składem (a więc postrzeganym kolorem):

W roztworach, w których pH >p K_a, wyraz logarytmiczny musi być dodatni, wskazujący na nadmiar sprzężonej formy zasadowej wskaźnika (żółty roztwór). Gdy pH >p K_a, wyraz logarytmiczny musi być ujemny, co wskazuje na nadmiar sprzężonego kwasu (czerwonego roztworu). Gdy pH roztworu jest zbliżone do wskaźnika pK a, obecne są znaczne ilości obu sprzężonych partnerów, a kolor roztworu jest kolorem dodatku kombinacji każdego z nich (żółty i czerwony, co daje pomarańczowy). Interwał zmiany koloru (lub przedział pH) dla wskaźnika kwasowo-zasadowego definiuje się jako zakres wartości pH, w którym obserwuje się zmianę koloru, a dla większości wskaźników zakres ten wynosi w przybliżeniu pK_a ± 1.

Istnieje wiele różnych wskaźników kwasowo-zasadowych, które obejmują szeroki zakres wartości pH i mogą być używane do określania przybliżonego pH nieznanego roztworu w procesie eliminacji. Uniwersalne wskaźniki i papier pH zawierają mieszaninę wskaźników i wykazują różne kolory przy różnych pH.

Ten tekst został zaadaptowany z Openstax, Chemia 2e, Sekcja 14.7: Miareczkowanie kwasowo-zasadowe.