酸塩基指示薬
フェノールフタレインはpH 8.3未満では無色で、それを超えると桃色になります。
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1680年、ボイルは酸が特定の植物色素の色を変えることに気づきました。それ以来、化学ではこの性質を利用し、測定器なしでpHを見積もってきました。酸塩基指示薬は、オキソニウムイオン濃度によって色が変わる色素です。指示薬自身も弱酸または弱塩基で、陽子を1個余分に持つ形と持たない形で色が異なります。
色素がpHを感じ取る仕組み
指示薬をHInと書きます。水中では共役塩基との間で平衡が成り立ちます。HIn + H₂O ⇌ H₃O⁺ + In⁻です。メチルオレンジではHInは赤、In⁻は黄で、酸解離定数はKa = 4.0 × 10⁻⁴です。酸を加えると、増えたH₃O⁺によって平衡が左に移り、赤い形が優勢になります。塩基を加えてH₃O⁺を減らすと、平衡は右に移り、黄色に近づきます。見える色はIn⁻とHInの比で決まります。
ヘンダーソン・ハッセルバルヒの式は、この比とpHを結びつけます。pH = pKa + log([In⁻]/[HIn])です。pHとpKaが等しいと2つの形が同量になり、混ざった色が見えます。メチルオレンジならオレンジ色です。目で変化が分かるのは一方が明らかに多いときなので、変色はある幅を持って起きます。これを変色域といい、およそpKa ± 1です。メチルオレンジはpKa = −log(4.0 × 10⁻⁴) = 3.40で、変色域は約pH 3.1の赤から4.4の黄までです。
代表的な4種類の指示薬
各指示薬が役立つのは、自分の変色域の近くだけです。メチルオレンジは約3.1未満で赤、4.4より上で黄なので、pH 5の弱酸とpH 13の強塩基を区別できません。どちらも黄色です。リトマスは約pH 5から8という広い範囲で赤から青に変わり、7付近で酸性か塩基性かを手早く調べるのに便利です。ブロモチモールブルーは約6.0から7.6で黄から青に変わり、中性付近で緑になります。フェノールフタレインはpH 8.3未満では無色で、約10に向けて桃色から濃い赤紫になります。変化が徐々に起き、見え方にも個人差があるため、資料によって変色域は小数第一位で数単位ほど異なります。
複数の指示薬を使うと範囲を絞れます。未知の水溶液でメチルオレンジが黄、ブロモチモールブルーが緑、フェノールフタレインが無色になったとします。黄のメチルオレンジはpHが4.4より上、緑のブロモチモールブルーは6.0から7.6、無色のフェノールフタレインは8.3未満を意味します。合わせるとpHは6.0から7.6です。万能指示薬やpH試験紙はさらに複数の色素を混ぜ、広いpH範囲で段階的に色が変わるようにしています。
酸と塩基をちょうど反応し尽くすまで混ぜる滴定でも、同じ考え方で指示薬を選びます。指示薬は、その前の緩やかな上昇部分ではなく、終点付近でpHが急変する場所で変色する必要があります。弱酸を強塩基で滴定すると当量点はpH 7より上にあり、0.100 Mの酢酸では8.72です。そのためフェノールフタレインは使えますが、メチルオレンジは適しません。このコースの最後の単元で曲線全体を示します。
| 指示薬 | pHの範囲（目安） | 酸性側から塩基性側への色 |
|---|---|---|
| メチルオレンジ | 3.1から4.4 | 赤から黄 |
| リトマス | 5から8 | 赤から青 |
| ブロモチモールブルー | 6.0から7.6 | 黄から青 |
| フェノールフタレイン | 8.3から10.0 | 無色から桃色 |
| メチルオレンジ | 3.1未満で赤、4.4より上で黄 |
| リトマス | 酸性で赤、塩基性で青（約5から8） |
| ブロモチモールブルー | 6.0未満で黄、7.6より上で青 |
| フェノールフタレイン | 8.3未満で無色、それより上で桃色 |
| 変色域 | 指示薬のpKa ± 1程度 |
- pH 7のフェノールフタレインは何色ですか？
- 無色
- 桃色
- 黄
- 青
- pH 2のメチルオレンジは何色ですか？
- 赤
- 黄
- 青
- 無色
- ブロモチモールブルーが緑色です。pHとして最も考えられる範囲はどれですか？
- 6.0から7.6
- 3未満
- 10より上
- ちょうど14
- メチルオレンジのKaは4.0 × 10⁻⁴です。pKaを小数第2位まで求めるといくらですか？
- メチルオレンジでpH 5とpH 13を区別できないのはなぜですか？
- どちらでも黄色になるから
- どちらでも赤色になるから
- 酸にしか溶けないから
- 水と反応するから
- 指示薬の変色域はおよそどの範囲ですか？
- pKa ± 1
- 常に6から8
- pKa ± 5
- ある1つのpHの値だけ
- ある水溶液はメチルオレンジを黄色にし、フェノールフタレインは無色のままでした。pHは4.4と何の間ですか？
- 指示薬とはどのような物質ですか？
- 弱酸または弱塩基
- 強酸
- 金属
- 水に溶けない塩
- 変色する範囲が最も広い指示薬はどれですか？
- リトマス
- メチルオレンジ
- ブロモチモールブルー
- フェノールフタレイン
- 指示薬は、HInの形とIn⁻の形で色が異なる弱酸または弱塩基です。
- 目に見える変化は、およそpKa ± 1の範囲で起こります。
- メチルオレンジは3.1から4.4、リトマスは約5から8、ブロモチモールブルーは6.0から7.6、フェノールフタレインは8.3から10です。
このコースの出典 (10)
- OpenStax Chemistry 2e (openstax.org/books/chemistry-2e): 4.2 neutralization and antacids (stomach roughly 0.03 M HCl, milk of magnesia Mg(OH)2, Al(OH)3)
- 14.1 Brønsted-Lowry acids and bases (Boyle 1680, Davy 1815, Arrhenius 1884, Brønsted and Lowry 1923, autoionization about two in a billion molecules, Kw = 1.0 × 10⁻¹⁴ at 25 °C, about 5.6 × 10⁻¹³ at 100 °C)
- 14.2 pH and pOH (pH = −log[H3O+], stomach acid 1.2 × 10⁻³ M gives 2.92, vinegar about 4 × 10⁻³ M gives 2.4, blood 7.3, KOH 0.0125 M gives 12.10, neutral pH 6.31 at 80 °C, rainwater 5 to 6, acid rain below 5, pH meter resolution 0.001, Figure 14.2: 1 M HCl 0, gastric juice about 1.5, lime juice about 2, wine about 3.5, coffee about 5, milk of magnesia about 10.5)
- 14.3 relative strengths (six strong acids and six strong bases, Ka, percent ionization, 0.100 M acetic acid 1.3%)
- 14.6 buffers (normal blood pH about 7.4)
- 14.7 titrations (25.00 mL of 0.100 M HCl or acetic acid with 0.100 M NaOH, Table 14.2, equivalence pH 7.00 and 8.72, half-equivalence pH = pKa, Ka acetic acid 1.8 × 10⁻⁵, methyl orange Ka 4.0 × 10⁻⁴ red HIn and yellow In⁻, interval about pKa ± 1, phenolphthalein colourless below pH 8.3)
- LibreTexts Acid-Base Indicators (litmus about 5 to 8, methyl orange 3.1 to 4.4, phenolphthalein 8.3 to 10.0; chem.libretexts.org) and bromothymol blue 6.0 to 7.6 yellow to blue (Prairie South indicator table via LibreTexts Chemistry 30)
- PubChem acetic acid pKa 4.76 at 25 °C, sodium bicarbonate 0.1 M pH 8.3, ammonia 0.1 N pH 11.1, sodium hydroxide (pubchem.ncbi.nlm.nih.gov)
- NOAA Ocean acidification (noaa.gov: surface ocean pH has fallen by 0.1 since the industrial revolution, about a 30 percent increase in acidity)
- IUPAC CIAAW abridged standard atomic weights.
確認日: 2026-10-17