Индикатор PH - PH indicator

Индикаторы pH: графический вид

А индикатор pH это галохромный химическое соединение добавлены в небольших количествах к решение Итак pH (кислотность или же основность ) раствора можно определить визуально. Следовательно, индикатор pH - это химический детектор для гидроксоний ионы (H₃О⁺) или ионов водорода (H⁺) в Модель Аррениуса. Обычно индикатор вызывает цвет раствора менять в зависимости от pH. Индикаторы также могут отображать изменение других физических свойств; например, обонятельные индикаторы показывают изменение их запах. 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 являются слабыми протолитами, карбоновые кислоты и амины, индикаторы pH находят множество применений в биологии и аналитической химии. Более того, индикаторы pH образуют один из трех основных типов индикаторных соединений, используемых в химическом анализе. Для количественного анализа катионов металлов использование комплексометрические показатели предпочтительнее,^[1][2] тогда как третий составной класс, 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 + ЧАС
₂О ⇌ ЧАС
₃О⁺
+ Ind⁻

Здесь HInd обозначает кислотную форму, а Ind⁻ для сопряженной базы индикатора. Их соотношение определяет цвет раствора и связывает цвет со значением pH. Показатели pH, являющиеся слабыми протолитами, Уравнение Хендерсона – Хассельбаха для них можно записать так:

pH = pK_а + бревно₁₀  [Ind⁻
] / [HInd]

Уравнение, полученное из константа кислотности, утверждает, что когда pH равен pK_а По значению показателя оба вида присутствуют в соотношении 1: 1. Если pH выше pK_а значение, концентрация основания конъюгата больше, чем концентрация кислоты, и преобладает цвет, связанный с основанием конъюгата. Если pH ниже pK_а значение, верно обратное.

Обычно изменение цвета не происходит мгновенно в точке p.K_а значение, но существует диапазон pH, в котором присутствует смесь цветов. Этот диапазон pH варьируется между показателями, но, как правило, он находится между p.K_а значение 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 равен pK_а + 1. И наоборот, если имеется 10-кратный избыток кислоты по отношению к основанию, соотношение составляет 1:10, а pH равен pK_а − 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 по другим индикаторам, таким как метиловый красный, оба вида придают цвет. Индикаторы pH эффективно работают в заданном диапазоне pH, но обычно они разрушаются на крайних концах шкалы pH из-за нежелательных побочных реакций.

Заявление

Измерение pH с помощью индикаторной бумаги

Индикаторы pH часто используются в титрования в аналитическая химия и биология определить степень химическая реакция. Из-за субъективный выбор (определение) цвета, показатели pH подвержены неточным показаниям. Для приложений, требующих точного измерения pH, pH метр часто используется. Иногда смесь различных индикаторов используется для достижения нескольких плавных изменений цвета в широком диапазоне значений pH. Эти коммерческие показатели (например, универсальный индикатор и Бумага Hydrion ) используются, когда необходимо только 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.

Индикатор	Цвет с низким pH	Переход нижний предел	Переход высокий конец	Цвет с высоким pH
Генциановый фиолетовый (Метил фиолетовый 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 фиолетовый	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
< 3	Сильная кислота	красный
3–6	Слабая кислота	Желтый
7	Нейтральный	Зеленый
8–11	Слабая база	Синий
> 11	Сильная база	фиолетовый

Точное измерение pH

Спектры поглощения бромкрезоловый зеленый на разных стадиях протонирования

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 А⁻.

HA ⇌ H⁺ + А⁻

Ценность константа диссоциации кислоты, пK_а, должно быть известно. В молярная абсорбция, ε_HA и ε_А⁻ двух видов HA и A⁻ на длинах волн λ_Икс и λ_y также должно быть определено предыдущим экспериментом. Предполагая Закон пива необходимо соблюдать измеренные значения оптической плотности А_Икс и А_y на двух длинах волн - это просто сумма оптической плотности каждого вида.

${\displaystyle {\begin{aligned}A_{x}&=[{\ce {HA}}]\varepsilon _{{\ce {HA}}}^{x}+[{\ce {A-}}]\varepsilon _{{\ce {A-}}}^{x}\\A_{y}&=[{\ce {HA}}]\varepsilon _{{\ce {HA}}}^{y}+[{\ce {A-}}]\varepsilon _{{\ce {A-}}}^{y}\end{aligned}}}$

Это два уравнения для двух концентраций [HA] и [A⁻]. После растворения pH получается как

${\displaystyle \mathrm {pH} =\mathrm {p} K_{\mathrm {a} }+\log {\frac {[{\ce {A-}}]}{[{\ce {HA}}]}}}$

Если измерения производятся на более чем двух длинах волн, концентрации [HA] и [A⁻] можно рассчитать как линейный метод наименьших квадратов. Фактически, для этого можно использовать целый спектр. Процесс показан на индикаторе бромкрезоловый зеленый. Наблюдаемый спектр (зеленый) представляет собой сумму спектров HA (золото) и A⁻ (синий), взвешенный по концентрации двух видов.

При использовании одного индикатора этот метод ограничивается измерениями в диапазоне pH p.K_а ± 1, но этот диапазон можно расширить, используя смесь двух или более индикаторов. Поскольку индикаторы имеют интенсивные спектры поглощения, концентрация индикатора относительно низка, 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, предполагает, что точка эквивалентности достигнута. Следовательно, наиболее подходящий индикатор pH имеет эффективный диапазон pH, в котором изменение цвета является очевидным, который охватывает pH точки эквивалентности титруемого раствора.^[3]

Естественные индикаторы pH

Многие растения или части растений содержат химические вещества из естественно окрашенных антоциан семейство соединений. Они красные в кислых растворах и синие в основных. Антоцианы можно экстрагировать водой или другими растворителями из множества окрашенных растений или частей растений, в том числе из листьев (Красная капуста ); цветы (герань, мак, или же Роза лепестки); ягоды (черника, черная смородина ); и стебли (ревень ). Извлечение антоцианов из домашних растений, особенно Красная капуста, чтобы сформировать неочищенный индикатор pH, является популярной вводной демонстрацией химии.

Лакмус, используемый алхимиками в средние века и все еще легко доступный, представляет собой естественный индикатор pH, сделанный из смеси лишайник виды, особенно Roccella tinctoria. Слово лакмусовая бумажка буквально от «цветной мох» в Древнескандинавский (видеть 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.

Гортензия крупнолистная цветы могут менять окраску в зависимости от кислотности почвы. В кислых почвах в почве происходят химические реакции, которые вызывают алюминий доступны этим растениям, делая цветы 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 - пряность. Куркума. Он желтый при воздействии кислот и красновато-коричневый при наличии щелочь.

Индикатор	Цвет с низким pH	Цвет с высоким pH
Гортензия цветы	синий	от розового до фиолетового
Антоцианы	красный	синий
Лакмус	красный	синий
Куркума	желтый	красновато-коричневый

• 

  Гортензия в кислой почве

• 

  Гортензия в щелочной почве

• 

  Градиент индикатора pH экстракта краснокочанной капусты от кислого раствора слева к основному справа

• 

  Пурпурная цветная капуста, пропитанная пищевой содой (слева) и уксусом (справа). Антоцианин действует как индикатор pH.

• 

  Куркума, диспергированная в воде, имеет желтый цвет в кислой и коричневый цвет в щелочной среде.

Смотрите также

• Хромофор
• Тест фекального pH
• Нитразин
• pH метр
• Универсальный индикатор

Рекомендации

1. Шварценбах, Герольд (1957). Комплексометрические титрования. Перевод Ирвинга, Гарри (1-е английское изд.). Лондон: Methuen & Co. С. 29–46.
2. Уэст, Т. С. (1969). Комплексометрия с ЭДТА и родственными реагентами (3-е изд.). Пул, Великобритания: BDH Chemicals Ltd., стр. 14–82.
3. Зумдал, Стивен С. (2009). Химические принципы (6-е изд.). Нью-Йорк: Компания Houghton Mifflin. С. 319–324.

• Длинный список индикаторов
• «Полный список индикаторов» (PDF) (На французском). (57.3 KiB )

внешняя ссылка