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酸碱指示剂

用于酸碱滴定的指示剂,称为酸碱指示剂。是一类结构较复杂的有机弱酸或有机弱碱,它们在溶液中能部分电离成指示剂的离子和氢离子(或氢氧根离子),并且由于结构上的变化,它们的分子和离子具有不同的颜色,因而在pH不同的溶液中呈现不同的颜色。

酸碱指示剂指的是用于酸碱滴定的指示剂,英文名称:acid-base indicator。

酸碱指示剂一般是有机弱酸或弱碱,它们的共轭酸碱对具有不同结构而呈现不同颜色。当溶液的pH改变时,指示剂得到质子,由碱式转变为共轭酸式,或失去质子,由酸式转变为共轭碱式,由于其结构的转变而发生颜色的变化。 [1]

酸碱指示剂是检验溶液酸碱性的常用化学试剂,像科学上的许多其它发现一样,酸碱指示剂的发现是化学家善于观察、勤于思考。勇于探索的结果。

300多年前,英国年轻的科学家罗伯特波义耳在化学实验中偶然捕捉到一种奇特的实验现象,有一天清晨,波义耳正准备到实验室去做实验,一位花木工为他送来一篮非常鲜美的紫罗兰,喜爱鲜花的波义耳随手取下一块带进了实验室,把鲜花放在实验桌上开始了实验。当他从大瓶里倾倒出盐酸时,一股刺鼻的气体从瓶口涌出,倒出的淡黄色液体冒着白雾,还有少许酸沫飞溅到鲜花上。他想“真可惜,盐酸弄到鲜花上了”。为洗掉花上的酸沫,他把花用水冲了一下,一会儿发现紫罗兰颜色变红了,当时波义耳感到既新奇又兴奋,他认为,可能是盐酸使紫罗兰颜色变红色,为进一步验证这一现象,他立即返回住所,把那篮鲜花全部拿到实验室,取了当时已知的几种酸的稀溶液,把紫罗兰花瓣分别放入这些稀酸中,结果现象完全相同,紫罗兰都变为红色。由此他推断,不仅盐酸,而且其它各种酸都能使紫罗兰变为红色。他想,这太重要了,以后只要把紫罗兰花瓣放迸溶液,看它是不是变红色,就可判别这种溶液是不是酸。偶然的发现,激发了科学家的探求欲望,后来,他又弄来其它花瓣做试验,并制成花瓣的水或酒精的浸液,用它来检验是不是酸,同时用它来检验一些碱溶液,也产生了一些变色现象。

他还采集了药草、牵牛花,苔藓、月季花、树皮和各种植物的根……泡出了多种颜色的不同浸液,有些浸液遇酸变色,有些浸液遇碱变色,不过有趣的是,他从石蕊苔藓中提取的紫色浸液,酸能使它变红色,碱能使它变蓝色,这就是最早的石蕊试液,波义耳把它称作指示剂。为使用方便,波义耳用一些浸液把纸浸透、烘干制成纸片,使用时只要将小纸片放入被检测的溶液,纸片上就会发生颜色变化,从而显示出溶液是酸性还是碱性。今天,我们使用的石蕊、酚酞试纸、pH试纸,就是根据波义耳的发现原理研制而成的。

后来,随着科学技术的进步和发展,许多其它的指示剂也相继被另一些科学家所发现。

常用的酸碱指示剂主要有以下四类:

1、 硝基酚类 这是一类酸性显著的指示剂,如对-硝基酚等。

2、 酚酞类 有酚酞、百里酚酞和α-萘酚酞等,它们都是有机弱酸。

3、磺代酚酞类 有酚红、甲酚红溴酚蓝、百里酚蓝等,它们都是有机弱酸。

4、偶氮化合物类 有甲基橙、中性红等,它们都是两性指示剂,既可作酸式离解,也可作碱式离解。

碱指示剂应该选用甲基橙作指示剂。

1.双色指示剂的变色范围不受其用量的影响,但因指示剂本身就是酸或碱,指示剂的变色要消耗一定的滴定剂,从而增大测定的误差。对于单色指示剂而言,用量过多,会使用变色范围向pH值减小的方向发生移动,也会增大滴定的误差。例如:用0.1mol/L NaOH滴定0.1mol/L HAc,pH≈8.5,突跃范围为pH8.70~9.00,滴定体积若为50ml,滴入2~3滴酚酞,大约在pH≈9时出现红色;若滴入10~15滴酚酞,则在pH≈8时出现红色。显然后者的滴定误差要大得多。

指示剂用量过多,还会影响变色的敏锐性。例如:以甲基橙为指示剂,用HCl滴定NaOH溶液,终点为橙色,若甲基橙用量过多则终点敏锐性就较差。

2.温度和溶剂

温度的变化会引起指示剂电离常数和水的质子自递常数发生变化,因而指示剂的变色范围亦随之改变,对碱性指示剂的影响较酸性指示剂更为明显。不同的溶剂具有不同的介电常数和酸碱性,因而也会影响指示剂的电离常数和变色范围。

3.指示剂的选择

指示剂选择不当,加之肉眼对变色点辨认困难,都会给测定结果带来误差。

因此,在多种指示剂中,选择指示剂的依据是:要选择一种变色范围恰好在滴定曲线的突跃范围之内,或者至少要占滴定曲线突跃范围一部分的指示剂。这样当滴定正好在滴定曲线突跃范围之内结束时,其最大误差不过0.1-,这是容量分析容许的。 [2]

酸碱指示剂既然都是一些有机弱酸或有机弱碱,那么在不同的酸碱性溶液中,它们的电离程度就不同,于是会显示不同的颜色。pH试纸则是由多种指示剂混合液制成的,通常情况下pH试纸就显金黄色,pH≈5,可见在制作时,已将指示剂混合液调至弱酸性,并不是中性,这是为了减弱空气中CO2对测定的影响。此外,中和反应时,使用酸碱指示剂只能用2~3滴,也是因为酸碱指示剂都是有机酸或有机碱,用多了会增大误差的。

石蕊和酚酞都是酸碱指示剂,它们是一种弱的有机酸。在溶液里,随着溶液酸碱性的变化,指示剂的分子结构发生变化而显示出不同的颜色。

石蕊(主要成分用HL表示)在水溶液里能发生如下电离: HL←→H++L-(H+ 红色, L-蓝色)

在酸性溶液里,红色的分子是存在的主要形式,溶液显红色;在碱性溶液里,上述电离平衡向右移动,蓝色的离子是存在的主要形式,溶液显蓝色;在中性溶液里,红色的分子和蓝色的酸根离子同时存在,所以溶液显紫色。

石蕊能溶于水,且能溶于酒精,变色范围是pH 5.0~8.0

酚酞是一种有机弱酸,它在酸性溶液中,浓度较高时,形成无色分子。但随着溶液中H+浓度的减小,OH-浓度的增大,酚酞结构发生改变,并进一步电离成红色离子这个转变过程是一个可逆过程,如果溶液中H+浓度增加,上述平衡向反方向移动,酚酞又变成了无色分子。因此,酚酞在酸性溶液里呈无色,当溶液中H+浓度降低,浓度升高时呈红色。酚酞的变色范围是pH 8.0~10.0。

酚酞的醌式或醌式酸盐,在碱性介质中是很不稳定的,它会慢慢地转化成无色的羧酸盐式因此做氢氧化钠溶液使酚酞显色实验时,要用氢氧化钠稀溶液,而不能用浓溶液。 [3]

在实际中,影响酸碱指示剂变色范围的因素主要有两方面:一种是影响指示剂常数KHln的因素,包括温度溶剂、溶液的离子强度等,其中温度的影响较大。另一种是影响变色范围宽度的因素,如指示剂用量、滴定程序等,现具体讨论如下。

1.温度温度改变时,指示剂常数KHln及水的离子积KW均有改变,因此指示剂的变色范围也随之发生改变。例如,18℃时,甲基橙的变色范围为3.1~4.4,而100℃时,变为2.5~3.7。因此,滴定宜在室温下进行。如必须加热,应该将溶液冷却后再进行滴定。

2.溶剂 指示剂在不同溶剂中其pKHln值是不同的,因此在不同溶剂中的变色范围不同。例如,甲基橙在水溶液中pKHln=3.4,在甲醇中pKHln=3.8。

3.中性电解质溶液中性电解质的存在增加了溶液的离子强度,使指示剂常数改变,影响到指示剂的变色范围。此外,某些电解质还具有吸收不同波长光波的性质,会引起指示剂颜色深度、色调及变色灵敏度的改变。所以在滴定溶液中不宜有大量盐类存在。

4.指示剂用量指示剂的用量(浓度)是一个重要因素。对于单色指示剂(如酚酞、百里酚酞),指示剂的用量对变色范围有较大影响。从指示剂变色的平衡关系看出:

HIn←→H++In-

设指示剂总浓度为c,人眼观察到红色碱式的最低浓度为一固定值a,代入平衡式,则

KHln/[H+]=[In-]/[Hln]=a/(a-c)

式中,KHln是定值,如果c增大了,则[H+]会相应增大,酚酞指示剂将在较低pH值变色。例如,在50~100ml溶液中加入2~3滴0.1-酚酞,在pH≈9时出现为红色;而在同样条件下,如加入15~20滴酚酞,在pH≈8时就会出现为红色。因此.对单色指示剂须严格控制指示剂用量。

对于双色指示剂,指示剂用量多少不会影响变色范围。但溶液中指示剂的浓度大时可能致使终点时颜色变化不敏锐。另外指示剂本身也要消耗滴定剂.使滴定误差增大。因此,指示剂用量一般少一些为宜,只要达到变色灵敏度,用量越少越好。

5.滴定程序溶液由浅色滴定到深色时,便于观察终点颜色的变化。所以滴定程序宜是当指示剂颜色由酸式或碱式色变为混合色时,溶液颜色由浅色变化到深色。例如,用酚酞作指示剂,滴定程序一般为用碱滴定酸,终点由无色变为粉红色,容易辨别。而用甲基橙作指示剂,一般用酸滴定碱,终点由黄色变为橙色,易于辨认。 [1]

各种不同的酸碱指示剂,具有不同的变色范围,有的在酸性溶液中变色,如甲基橙、甲基红等;有的在中性附近变色,如中性红、苯酚红等;有的则在碱性溶液中变色,如酚酞、百里酚酞等。几种常用酸碱指示剂及其变色范围列于下表。 [1]

颜色变化

酸式 碱式

用量

滴/10ml

有许多植物色素在不同pH值的溶液里会呈现出不同的颜色。因此,每个地方都可以就地取材,自制一些酸碱指示剂。下面介绍一些自制的方法:

1.从红萝卜皮中提取酸碱指示剂:刮下红萝卜的红皮后,用95-的酒精浸泡一天左右,过滤取出它的滤液即酸碱指示剂。按检验的需要制作pH1~14的标准液若干个,每个标准液取10ml分置于试管中,再分别加入红萝卜皮浸泡液10滴,塞紧作为比色样品。在某待测溶液中加入红萝卜浸泡液,颜色发生变化后再与比色样品比较,就能确定待测溶液pH值的大致范围。

2. 从紫草中提取酸碱指示剂:取紫草5g,用50-的酒精浸泡一天可得到紫草素的紫色的酒精溶液即酸碱指示剂。其遇到酸碱的变色与石蕊试液相同。

3. 从紫色卷心菜中提取酸碱指示剂:取约250g紫色卷心菜,洗净切碎置于不锈钢锅中加水煮沸10分钟,然后过滤冷却置于容器中即可用作酸碱指示剂。其用法可参照上述操作1的方法。

4. 从米苋菜中提取酸碱指示剂:其操作方法同操作3。

5.用咖喱粉制酸碱指示剂:取一药匙咖喱粉,用50-的调成糊状,涂在一块白布的两面上,放置一段时间后用水冲去多余的咖喱粉,白布被染成黄色,这就制成一块可以多次反复使用的酸碱指示布。它遇碱性溶液时呈红色,遇酸性溶液时呈黄褐色。每次用完后,用水把布上的酸性或碱性物质漂洗干净,指示布又恢复原来的黄色。可以供下次继续使用。

还有很多植物的色素如月季花、菊花、牵牛花等的浸出液都可以制成不同的酸碱指示剂。

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