常用的酸碱指示剂是一些有机弱酸或弱碱,它们在溶液中或多或少的解离成离子,同时发生结构变化,呈现不同的颜色。
现以甲基橙为例,说明指示剂的变色原理。设HIn为甲基橙的红色分子,In为甲基橙的黄色离子,当达平衡时,存在下述平衡:
HIn ⇋ H+ + In-
红色分子 黄色离子
指示剂酸式 指示剂碱式
K(HIn)=〔H+〕·〔In-〕/〔HIn〕
K(HIn)是指示剂的电离常数,简称指示剂常数。其数值取决于指示剂的性质和温度。由于甲基橙的酸式HIn是红色的,所以甲基橙在酸性溶液中显红色,当加入碱时,OH-与H+结合生成难电离的水,使平衡向右移动,此时溶液显黄色。由此可知指示剂本身结构的变化是指示剂变色的内因,而溶液pH值的改变是外因。
酸碱指示剂的颜色是随溶液pH值的改变而变化的。但由于人的视觉对颜色的辨别能力有局限性。事实证明当指示剂的一种颜色为另一种颜色的10倍时,我们才能看出浓度大的那种颜色。所以其颜色改变的范围在:
红色分子的浓度/黄色离子的浓度=〔HIn〕/〔In-〕≈10/1至1/10之间
当 〔HIn〕/〔In-〕≥10/1时,人眼所能看出的只是红色;
当 〔HIn〕/〔In-〕≤1/10时,人眼只能看到黄色。
当 〔HIn〕/〔In-〕比值是由溶液的pH值决定的。我们将用眼睛看到的指示剂明显地由一种颜色变到另一种颜色的pH范围称为指示剂的“变色范围”。
例如在一系列不同pH值的溶液中,各加入一滴甲基橙,可以看出溶液颜色的变化:
红色 | 红橙色 | 橙 | 黄橙色 | 黄色 |
PH=3.1 PH=4 PH=4.4
酸式色 碱式色
当溶液的pH值从3.1逐渐增加到4.4时,人们视觉所能观察到甲基橙呈现出
红色 → 红橙色 → 橙色 → 黄橙色 → 黄色的渐变过程。因此甲基橙指示剂的变色范围是
pH=3.1~4.4
各种指示剂由于其电离常数不相同,其变色点的pH值也不相同。指示剂变色范围通常在变色点前后各一个pH单位,
pH=pK(HIn)±1
也就是通常在两个pH单位之间。这是从理论上推出的变色范围,它只能说明变色范闱的由来,由于人的视觉对各种颜色的敏感程度不同,所以实验测得的变色范围常小于两个pH单位。
在酸碱滴定中有时需要用颜色变化明显而变色范围较窄的指示剂,即混合指示剂。混合指示剂是由一种酸職指示剂和一种惰性染料,或两种酸碱指示剂按一定比例配制成的混合物。例如当将0.1%甲基橙溶液与0.25%靛蓝二磺酸钠溶液等体积混合。旋蓝二磺酸钠是一种染料,本身为蓝色,它与甲基橙混合后,颜色随溶液酸度而改变。
三种颜色的差别很大,颜色变化非常明显。
应当指出配制混合指示剂时,应严格控制两种组分的比例,否则颜色变化将不显著。