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 zasadowych roztworach, w których stężenie jonów hydroniowych jest mniejsze niż 5,0 × 10−9 M (pH > 8,3), ma barwę czerwoną lub różową. Substancje takie jak fenoloftaleina, które można wykorzystać do określenia pH roztworu, nazywane są wskaźnikami kwasowo-zasadowymi. Wskaźnikami kwasowo-zasadowymi są 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 prostego przedstawienia złożonej cząsteczki oranżu metylowego:

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

Ostateczny kolor roztworu wskaźnika zależy od stosunku stężeń dwóch gatunków In− i HIn. Jeśli większość wskaźnika (zwykle około 60-90% lub więcej) występuje w postaci In-, postrzegany kolor roztworu jest żółty. Jeśli większość występuje w postaci HIn, wówczas kolor roztworu wydaje się czerwony. Równanie Hendersona-Hasselbalcha jest przydatne do zrozumienia zależności między pH roztworu wskaźnika a jego składem (a więc postrzeganym kolorem):

W roztworach, gdzie pH > pKa, składnik logarytmiczny musi być dodatni, co wskazuje na nadmiar sprzężonej formy zasadowej wskaźnika (roztwór żółty). Gdy pH > pKa, logarytm musi być ujemny, co wskazuje na nadmiar sprzężonego kwasu (czerwony roztwór). Gdy pH roztworu jest zbliżone do wskaźnika pKa, obecne są znaczne ilości obu partnerów koniugatu, a kolor roztworu jest addytywną kombinacją każdego z nich (żółty i czerwony, dając pomarańczowy). Przedział 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 pKa ± 1.

Istnieje wiele różnych wskaźników kwasowo-zasadowych, które obejmują szeroki zakres wartości pH i mogą być stosowane do określenia przybliżonego pH nieznanego roztworu w procesie eliminacji. Wskaźniki uniwersalne i papierki pH zawierają mieszaninę wskaźników i wykazują różne kolory przy różnych pH.

Wskaźniki zmieniają kolor w zależności od pH i mogą być używane do monitorowania pH roztworu.

Wskaźnik pH zawiera słaby kwas, reprezentowany przez HIn, który zmienia kolor po przekształceniu w sprzężoną zasadę, jon In. Kolor zmienia się w przedziale pH wskaźnika, który zależy od jego pKa.

Jeśli roztwór ma pH poniżej pKa wskaźnika, stężenie hydroniowe jest wysokie. Równowaga reakcji przesuwa się w lewo, zwiększając stężenie HIn.

Po dodaniu zasady stężenie hydronii maleje. Ta zmiana pH przekształca HIn w jon in, a kolor roztworu zmienia się.

Kolor HIn dominuje, gdy pH jest co najmniej o jeden niższe niż pKa; kolor jonów dominuje, gdy pH jest co najmniej o jeden wyższe, a kolor jest mieszanką przy pH pomiędzy.

Istnieje wiele wskaźników pH, które można wykorzystać do monitorowania pH, które zmieniają kolor w różnych zakresach pH.

Punkt, w którym wskaźnik zmienia kolor, nazywany jest punktem końcowym. Idealny wskaźnik do miareczkowania ma punkt końcowy w pobliżu punktu równoważnikowego.

Krzywa miareczkowania mocnego kwasu i zasady jest stroma ze względu na szybką zmianę pH w pobliżu punktu równoważnikowego. Miareczkowanie to może wykorzystywać stosunkowo szeroki zakres wskaźników.

Podczas miareczkowania 0,1 molowego kwasu solnego 0,1 molowym wodorotlenkiem sodu pH szybko wzrasta z 3 do 11. Można tu zastosować fenoloftaleinę, wskaźnik o przedziale pH od 8,3 do 10, lub czerwień metylową, wskaźnik o przedziale od 4,2 do 6, ponieważ ich punkty końcowe pokrywają się ze stromą częścią krzywej.

W przeciwieństwie do tego, miareczkowanie z udziałem słabego kwasu lub zasady ma mniej stromą krzywą niż takie, w którym występuje tylko mocny kwas i mocna zasada, dlatego można zastosować stosunkowo wąski zakres wskaźników.

Podczas miareczkowania 0,1 molowego kwasu octowego 0,1 molowym wodorotlenkiem sodu pH szybko wzrasta od 7 do 11. Można tu zastosować fenoloftaleinę, ponieważ jej punkt końcowy pokrywa się z punktem równoważności, ale czerwień metylowa byłaby nieskutecznym wskaźnikiem.