Indicatori acido-base

La fenolftaleina resta incolore in ogni soluzione sotto pH 8.3 e diventa rosa sopra questo valore.

Nel 1680 Boyle notò che gli acidi cambiano il colore di alcuni coloranti vegetali. Da allora i chimici sfruttano questo effetto per stimare il pH senza strumenti. Un indicatore acido-base è un colorante il cui colore dipende dalla concentrazione di ioni idronio. Gli indicatori sono essi stessi acidi deboli o basi deboli: le loro due forme, con e senza il protone aggiuntivo, hanno colori diversi.

Come un colorante rileva il pH

Indichiamo l'indicatore con HIn. In acqua è in equilibrio con la sua base coniugata: HIn + H₂O ⇌ H₃O⁺ + In⁻. Nel metilarancio HIn è rosso e In⁻ è giallo; la costante di ionizzazione acida è Ka = 4.0 × 10⁻⁴. Aggiungendo acido, l'H₃O⁺ in più sposta l'equilibrio a sinistra e prevale la forma rossa. Aggiungendo una base, che rimuove H₃O⁺, l'equilibrio si sposta a destra, verso il giallo. Il colore osservato dipende dal rapporto tra In⁻ e HIn.

L'equazione di Henderson-Hasselbalch collega questo rapporto al pH: pH = pKa + log([In⁻]/[HIn]). Quando il pH è uguale al pKa, le due forme sono presenti in quantità uguali e si osserva un colore misto, arancione per il metilarancio. L'occhio percepisce una variazione solo quando una forma prevale nettamente sull'altra: il cambiamento visibile avviene quindi in un intervallo detto intervallo di viraggio, pari a circa pKa ± 1. Per il metilarancio, con pKa = −log(4.0 × 10⁻⁴) = 3.40, l'intervallo va da circa pH 3.1 (rosso) a 4.4 (giallo).

Quattro indicatori comuni

Ogni indicatore è utile solo vicino al proprio intervallo. Il metilarancio è rosso sotto circa 3.1 e giallo sopra 4.4, quindi non distingue un acido debole a pH 5 da una base forte a pH 13: entrambi appaiono gialli. Il tornasole passa dal rosso al blu nell'intervallo insolitamente ampio da circa pH 5 a 8, utile per riconoscere rapidamente acidi e basi vicino a 7. Il blu di bromotimolo passa dal giallo al blu tra circa 6.0 e 7.6, con una colorazione verde vicino alla neutralità. La fenolftaleina è incolore sotto pH 8.3 e diventa da rosa a magenta intenso fino a circa 10. Gli intervalli pubblicati variano di qualche decimo secondo la fonte, perché il cambiamento è graduale e la percezione visiva varia.

Usare più indicatori insieme restringe la risposta. Supponi che una soluzione sconosciuta renda giallo il metilarancio e verde il blu di bromotimolo, lasciando incolore la fenolftaleina. Il metilarancio giallo indica pH sopra 4.4; il blu di bromotimolo verde indica un valore tra 6.0 e 7.6; la fenolftaleina incolore indica un valore sotto 8.3. Insieme collocano il pH tra 6.0 e 7.6. L'indicatore universale e la carta indicatrice vanno oltre: mescolano più coloranti così che il colore cambi progressivamente lungo un ampio intervallo di pH.

Lo stesso ragionamento permette di scegliere l'indicatore per una titolazione, in cui acido e base vengono mescolati fino a neutralizzarsi esattamente. L'indicatore deve virare dove il pH cambia bruscamente al punto finale, non durante la lenta salita precedente. Quando si titola un acido debole con una base forte, il punto di equivalenza si trova sopra pH 7 (8.72 per acido acetico 0.100 M): la fenolftaleina è quindi adatta, il metilarancio no. L'ultima unità del corso mostra le curve complete.