Кислотно-основные индикаторы

Фенолфталеин остаётся бесцветным в любом растворе с pH ниже 8.3 и розовеет при более высоком pH.

В 1680 году Бойль заметил, что кислоты меняют цвет некоторых растительных красителей. С тех пор химики используют этот эффект для оценки pH без приборов. Кислотно-основной индикатор является красителем, цвет которого зависит от концентрации ионов гидроксония. Сами индикаторы представляют собой слабые кислоты или слабые основания, а две их формы, с дополнительным протоном и без него, окрашены по-разному.

Как краситель реагирует на pH

Обозначим индикатор HIn. В воде он находится в равновесии со своим сопряжённым основанием: HIn + H₂O ⇌ H₃O⁺ + In⁻. У метилоранжа HIn красный, а In⁻ жёлтый; константа диссоциации кислоты Ka = 4.0 × 10⁻⁴. При добавлении кислоты избыток H₃O⁺ сдвигает равновесие влево, и преобладает красная форма. При добавлении основания, которое связывает H₃O⁺, равновесие сдвигается вправо, к жёлтой форме. Видимый цвет зависит от отношения In⁻ к HIn.

Уравнение Гендерсона и Хассельбаха связывает это отношение с pH: pH = pKa + log([In⁻]/[HIn]). Когда pH равен pKa, обе формы присутствуют в равных количествах, и виден смешанный цвет, оранжевый у метилоранжа. Глаз замечает изменение лишь при явном преобладании одной формы, поэтому видимый переход происходит в диапазоне, который называют интервалом перехода окраски, примерно pKa ± 1. Для метилоранжа с pKa = −log(4.0 × 10⁻⁴) = 3.40 этот интервал идёт примерно от pH 3.1 (красный) до 4.4 (жёлтый).

Четыре распространённых индикатора

Каждый индикатор полезен лишь вблизи своего интервала перехода. Метилоранж красный ниже примерно 3.1 и жёлтый выше 4.4, поэтому не отличает слабую кислоту с pH 5 от сильного основания с pH 13: оба раствора жёлтые. Лакмус переходит из красного в синий в необычно широком диапазоне примерно от pH 5 до 8, поэтому удобен для быстрой проверки среды вблизи 7. Бромтимоловый синий переходит из жёлтого в синий между примерно 6.0 и 7.6, становясь зелёным вблизи нейтральной среды. Фенолфталеин бесцветен ниже pH 8.3, а затем становится розовым и к pH около 10 ярко-малиновым. В разных источниках границы отличаются на несколько десятых: переход постепенный, а восприятие цвета у людей разное.

Несколько индикаторов позволяют сузить ответ. Допустим, неизвестный раствор окрашивает метилоранж в жёлтый, бромтимоловый синий в зелёный, а фенолфталеин оставляет бесцветным. Жёлтый метилоранж означает pH выше 4.4, зелёный бромтимоловый синий указывает на диапазон от 6.0 до 7.6, а бесцветный фенолфталеин означает pH ниже 8.3. Вместе они ограничивают pH диапазоном от 6.0 до 7.6. Универсальный индикатор и индикаторная бумага используют смесь нескольких красителей, чтобы цвет последовательно менялся в широком диапазоне pH.

Так же выбирают индикатор для титрования, при котором кислоту и основание смешивают до их полного взаимного взаимодействия. Индикатор должен менять цвет на скачке pH в конце титрования, а не на пологом участке перед ним. При титровании слабой кислоты сильным основанием точка эквивалентности лежит выше pH 7 (8.72 для 0.100 M уксусной кислоты), поэтому фенолфталеин подходит, а метилоранж нет. В последнем уроке курса показаны полные кривые.