индикатор pH - pH indicator
Индикатор pH - это галохромное химическое соединение, добавляемое в небольших количествах к раствору, поэтому pH ( кислотность или основность ) раствора можно определить визуально. Следовательно, индикатор pH является химическим детектором ионов гидроксония (H 3 O + ) или ионов водорода (H + ) в модели Аррениуса . Обычно индикатор вызывает изменение цвета раствора в зависимости от pH. Индикаторы также могут отображать изменение других физических свойств; например, обонятельные индикаторы показывают изменение их запаха . Значение pH нейтрального раствора составляет 7,0 при 25 ° C ( стандартные лабораторные условия ). Растворы со значением pH ниже 7,0 считаются кислыми, а растворы со значением pH выше 7,0 - основными (щелочными). Поскольку большинство встречающихся в природе органических соединений представляют собой слабые протолиты, карбоновые кислоты и амины , индикаторы pH находят множество применений в биологии и аналитической химии. Кроме того, индикаторы pH образуют один из трех основных типов индикаторных соединений, используемых в химическом анализе. Для количественного анализа катионов металлов предпочтительным является использование комплексометрических индикаторов , тогда как третий класс соединений, индикаторы окислительно-восстановительного потенциала , используются при титровании, включающем окислительно-восстановительную реакцию в качестве основы анализа.
Теория
Сами по себе индикаторы pH часто представляют собой слабые кислоты или слабые основания. Общая схема реакции индикатора pH может быть сформулирована как:
- HInd + H
2O ⇌ H
3О+
+ Ind-
Здесь HInd обозначает кислотную форму, а Ind - сопряженное основание индикатора. Их соотношение определяет цвет раствора и связывает цвет со значением pH. Показатели pH, являющиеся слабыми протолитами, уравнение Хендерсона – Хассельбаха для них можно записать в виде:
- pH = p K a + log 10
[ Ind-
] / [HInd]
Уравнение, полученное из константы кислотности , утверждает, что, когда pH равен значению p K a индикатора, оба вещества присутствуют в соотношении 1: 1. Если pH выше значения p K a , концентрация основания конъюгата больше, чем концентрация кислоты, и преобладает цвет, связанный с основанием конъюгата. Если pH ниже значения p K a , верно обратное.
Обычно изменение цвета не происходит мгновенно при значении p K a , но существует диапазон pH, в котором присутствует смесь цветов. Этот диапазон pH варьируется от одного индикатора к другому, но, как показывает опыт, он находится в диапазоне от p K до значения плюс или минус один. Это предполагает, что растворы сохраняют свой цвет, пока сохраняется не менее 10% других видов. Например, если концентрация основания конъюгата в 10 раз превышает концентрацию кислоты, их соотношение составляет 10: 1, и, следовательно, pH составляет p K a + 1. И наоборот, если 10-кратный избыток кислоты происходит по отношению к основанию, соотношение составляет 1:10, а pH равен p K a - 1.
Для оптимальной точности разница в цвете между двумя видами должна быть как можно более четкой, и чем уже диапазон pH изменения цвета, тем лучше. В некоторых индикаторах, таких как фенолфталеин , один из видов бесцветен, тогда как в других индикаторах, таких как метиловый красный , оба вида придают цвет. Хотя индикаторы pH работают эффективно в заданном диапазоне pH, они обычно разрушаются на крайних концах шкалы pH из-за нежелательных побочных реакций.
заявка
Индикаторы pH часто используются при титровании в аналитической химии и биологии для определения степени химической реакции . Из-за субъективного выбора (определения) цвета индикаторы pH могут давать неточные показания. Для приложений, требующих точного измерения pH, часто используется pH-метр . Иногда смесь различных индикаторов используется для достижения нескольких плавных изменений цвета в широком диапазоне значений pH. Эти коммерческие индикаторы (например, универсальный индикатор и бумага Hydrion ) используются, когда необходимо лишь приблизительное знание pH.
В таблице ниже приведены несколько распространенных лабораторных индикаторов pH. Индикаторы обычно имеют промежуточный цвет при значениях pH в пределах указанного переходного диапазона. Например, феноловый красный имеет оранжевый цвет при pH от 6,8 до 8,4. Диапазон перехода может незначительно изменяться в зависимости от концентрации индикатора в растворе и от температуры, при которой он используется. На рисунке справа показаны индикаторы с диапазоном их действия и изменением цвета.
Показатель | Цвет с низким pH | Переходный нижний предел |
Переход высокого класса |
Цвет с высоким pH |
---|---|---|---|---|
Генциановый фиолетовый ( Methyl violet 10B ) | желтый | 0,0 | 2.0 | сине-фиолетовый |
Малахитовый зеленый (первый переход) | желтый | 0,0 | 2.0 | зеленый |
Малахитовый зеленый (второй переход) | зеленый | 11,6 | 14.0 | бесцветный |
Тимоловый синий (первый переход) | красный | 1.2 | 2,8 | желтый |
Тимоловый синий (второй переход) | желтый | 8.0 | 9,6 | синий |
Метиловый желтый | красный | 2,9 | 4.0 | желтый |
Бромфеноловый синий | желтый | 3.0 | 4.6 | синий |
Конго красный | сине-фиолетовый | 3.0 | 5.0 | красный |
Метиловый апельсин | красный | 3.1 | 4.4 | желтый |
Экранированный метиловый оранжевый (первый переход) | красный | 0,0 | 3.2 | пурпурно-серый |
Экранированный метиловый оранжевый (второй переход) | пурпурно-серый | 3.2 | 4.2 | зеленый |
Бромкрезоловый зеленый | желтый | 3.8 | 5,4 | синий |
Метиловый красный | красный | 4.4 | 6.2 | желтый |
Метиловый пурпурный | фиолетовый | 4.8 | 5,4 | зеленый |
Азолитмин (лакмусовая бумажка) | красный | 4.5 | 8,3 | синий |
Бромкрезоловый пурпурный | желтый | 5.2 | 6,8 | фиолетовый |
Бромтимоловый синий (первый переход) | пурпурный | <0 | 6.0 | желтый |
Бромтимоловый синий (второй переход) | желтый | 6.0 | 7,6 | синий |
Фенол красный | желтый | 6.4 | 8.0 | красный |
Нейтральный красный | красный | 6,8 | 8.0 | желтый |
Нафтолфталеин | бледно-красный | 7.3 | 8,7 | зеленовато-голубой |
Крезол красный | желтый | 7.2 | 8,8 | красновато-фиолетовый |
Крезолфталеин | бесцветный | 8,2 | 9,8 | фиолетовый |
Фенолфталеин (первый переход) | Оранжево-красный | <0 | 8,3 | бесцветный |
Фенолфталеин (второй переход) | бесцветный | 8,3 | 10.0 | пурпурно-розовый |
Фенолфталеин (третий переход) | пурпурно-розовый | 12.0 | 13,0 | бесцветный |
Тимолфталеин (первый переход) | красный | <0 | 9,3 | бесцветный |
Тимолфталеин (второй переход) | бесцветный | 9,3 | 10,5 | синий |
Ализарин желтый R | желтый | 10.2 | 12.0 | красный |
Индигокармин | синий | 11,4 | 13,0 | желтый |
Универсальный индикатор
диапазон pH | Описание | Цвет |
---|---|---|
1-3 | Сильная кислота | красный |
3–6 | Слабая кислота | Оранжевый / желтый |
7 | Нейтральный | Зеленый |
8–11 | Слабая база | Синий |
11–14 | Сильная база | Фиолетовый / Индиго |
Точное измерение pH
Индикатор может использоваться для получения достаточно точных измерений pH путем количественного измерения оптической плотности на двух или более длинах волн. Принцип можно проиллюстрировать, приняв в качестве индикатора простую кислоту, HA, которая диссоциирует на H + и A - .
- HA ⇌ H + + A -
Необходимо знать значение константы диссоциации кислоты p K a . В молярные поглощательной , & epsi ; HA и & epsi ; А - двух видов HA и А - на длинах волн λ х и λ у должны также были определены с помощью предыдущего эксперимента. Если предположить, что закон Бера соблюдается, измеренные оптические плотности A x и A y на двух длинах волн представляют собой просто сумму оптических плотностей каждого вида.
Это два уравнения для двух концентраций [HA] и [A - ]. После растворения pH получается как
Если измерения производятся на более чем двух длинах волн, концентрации [HA] и [A - ] могут быть вычислены с помощью линейных наименьших квадратов . Фактически для этого можно использовать целый спектр. Процесс проиллюстрирован на индикаторе бромкрезолового зеленого . Наблюдаемый спектр (зеленый) представляет собой сумму спектров HA (золото) и A - (синий), взвешенных по концентрации двух видов.
Когда используется один индикатор, этот метод ограничивается измерениями в диапазоне pH p K a ± 1, но этот диапазон можно расширить, используя смеси двух или более индикаторов. Поскольку индикаторы имеют интенсивные спектры поглощения, концентрация индикатора относительно низкая, и предполагается, что сам индикатор оказывает незначительное влияние на pH.
Точка эквивалентности
При кислотно-основном титровании неподходящий индикатор pH может вызвать изменение цвета раствора, содержащего индикатор, до или после фактической точки эквивалентности. В результате можно сделать вывод о различных точках эквивалентности раствора на основе используемого индикатора pH. Это связано с тем, что малейшее изменение цвета раствора, содержащего индикатор, свидетельствует о достижении точки эквивалентности. Следовательно, наиболее подходящий индикатор pH имеет эффективный диапазон pH, в котором изменение цвета является очевидным, который охватывает pH точки эквивалентности титруемого раствора.
Естественные индикаторы pH
Многие растения или части растений содержат химические вещества из семейства соединений антоцианов естественного цвета . Они красные в кислых растворах и синие в основных. Антоцианы можно экстрагировать водой или другими растворителями из множества цветных растений, частей растений, в том числе из листьев ( краснокочанная капуста ); цветы ( герани , мака или розы лепестков); ягоды ( черника , черная смородина ); и стебли ( ревень ). Извлечение антоцианов из домашних растений, особенно из красной капусты , для получения неочищенного индикатора pH - это популярная вводная химическая демонстрация.
Лакмус , используемый алхимиками в средние века и до сих пор легкодоступный, представляет собой естественный индикатор pH, полученный из смеси видов лишайников , в частности Roccella tinctoria . Слово лакмус буквально означает «цветной мох» на древнескандинавском языке (см. Литр ). Цвет меняется от красного в растворах кислоты до синего в щелочах. Термин «лакмусовая бумажка» стал широко используемой метафорой для любого теста, целью которого является авторитетное различение альтернатив.
Цветки гортензии крупнолистной могут менять окраску в зависимости от кислотности почвы. В кислых почвах в почве происходят химические реакции, которые делают алюминий доступным для этих растений, в результате чего цветы становятся синими. В щелочных почвах эти реакции не могут происходить, и поэтому алюминий не усваивается растениями. В результате цветки остаются розовыми.
Еще один полезный естественный индикатор pH - это пряность Куркума . Он желтого цвета при воздействии кислот и красновато-коричневого цвета в присутствии щелочи .
Показатель | Цвет с низким pH | Цвет с высоким pH |
---|---|---|
Цветы гортензии | синий | от розового до фиолетового |
Антоцианы | красный | синий |
Лакмус | красный | синий |
Куркума | желтый | красновато-коричневый |
Пурпурная цветная капуста, пропитанная пищевой содой (слева) и уксусом (справа). Антоцианин действует как индикатор pH.
Смотрите также
использованная литература
- Длинный список индикаторов
- «Полный список показателей» (PDF) (на французском языке). (57,3 КБ )