16.8: Индикаторы

Некоторые органические вещества меняют цвет в разбавленном растворе раствор, когда концентрация ионов гидрония достигает определенного значения. Например, фенилфталеин является бесцветным веществом в любой водной раствор с концентрацией ионов гидрония выше 5.0 × 10^-9 M (pH < 8.3). В более простых растворах, где концентрация ионов гидрония меньше 5.0 × 10^-9 M (pH > 8.3), он красный или розовый. Такие вещества, как фенолфталеин, которые могут использоваться для определения pH раствор, называются индикаторами кислотно-основная. Индикаторы кислотно-основная являются либо слабыми органическими кислотами, либо слабыми органическими основаниями.

Равновесие в раствор индикатора кислотно-основная метилового апельсина, слабой кислоты, может быть представлено уравнением, в котором мы используем Hin как простое представление для сложной молекулы метилового апельсина:

Анион метилового апельсина желтого ^цвета, а неионизированная форма, Hin, красного цвета. Когда мы добавляем кислоту в раствор метилового апельсина, повышенная концентрация ионов гидрония смещает равновесие в сторону неионизированной красной формы в соответствии с принципом Ле Шатье. Если мы добавим основание, мы смеем равновесие в сторону желтой формы. Это поведение полностью аналогично действию буферов.

Воспринимаемый цвет индикатора раствор определяется соотношением концентраций двух видов в и Хин. Если большая часть индикатора (обычно около 60-90% или более) присутствует как in^-, воспринимаемый цвет раствор является желтым. Если большая часть присутствует как Hin, то цвет раствор будет красным. Уравнение Хендерсона-Хасселбалха полезно для понимания связи между рН индикатора раствор и его составом (таким образом, воспринимаемый цвет):

В растворах, где pH > pKa, логарифмический термин должен быть положительным, указывая на превышение конъюгатной формы основание индикатора (желтый раствор). Когда pH > pKa, срок логарифмики должен быть отрицательным, что указывает на избыток конъюгатной кислоты (Red раствор). Когда показатель pH раствор близок к индикатору pKa, присутствуют значительные количества обоих сопряженных партнеров, а цвет раствор является добавкой комбинации каждого из них (желтый и красный, дающий оранжевый цвет). Интервал смены цвета (или интервал pH) для индикатора кислотно-основная определяется как диапазон значений pH, в течение которого наблюдается изменение цвета, и для большинства индикаторов этот диапазон составляет приблизительно pKa ± 1.

Существует множество различных индикаторов кислотно-основная, которые охватывают широкий диапазон значений pH и могут быть использованы для определения приблизительного pH неизвестного раствор путем устранения. Универсальные индикаторы и бумага pH содержат смесь индикаторов и имеют разные цвета при разных PH.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 14.7: Титраки кислотно-основная.

Индикаторы меняют цвет в зависимости от pH и могут использоваться для контроля pH раствора. Индикатор pH содержит слабую кислоту, представленную как HIn, которая меняет цвет при преобразовании в сопряженное с ней основание, ион In.Цвет меняется в интервале pH индикатора, который зависит от его pKa. Если раствор имеет pH ниже pKa индикатора, концентрация гидроксония высокая.

Равновесие реакции смещается влево, увеличивая концентрацию HIn. При добавлении основания концентрация гидроксония уменьшается. Это изменение pH превращает HIn в ион In, и цвет раствора изменяется.

Цвет HIn преобладает, когда pH по крайней мере на единицу ниже pKa;цвет иона In преобладает, когда pH как минимум на единицу выше, и цвет представляет собой смесь при pH между ними. Существует множество индикаторов pH, которые можно использовать для контроля pH, меняющих цвет в различных диапазонах pH. Точка, в которой индикатор меняет цвет, называется конечной точкой.

Идеальный индикатор для титрования имеет конечную точку, близкую к точке эквивалентности. Кривая титрования сильной кислоты и основания крутая из-за быстрого изменения pH вблизи точки эквивалентности. Эти титрования могут использовать относительно широкий спектр индикаторов.

Во время титрования 0, 1 М соляной кислоты 0, 1 М гидроксидом натрия pH быстро увеличивается с 3 до 11. Здесь можно использовать фенолфталеин, индикатор с интервалом pH от 8, 3 до 10, или метиловый красный, индикатор с интервалом pH от 4, 2 до 6, поскольку их конечные точки перекрываются с крутым участком кривой. Напротив, титрование с использованием слабой кислоты или основания имеет менее крутой график, чем титрование только с сильной кислотой и сильным основанием;следовательно, можно использовать относительно узкий набор индикаторов.

Во время титрования 0, 1 М уксусной кислоты 0, 1 М гидроксидом натрия pH быстро увеличивается с 7 до 11. Здесь можно использовать фенолфталеин, так как его конечная точка перекрывается с точкой эквивалентности, а метиловый красный был бы неэффективным индикатором.