医用化学/酸碱指示剂

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酸碱指示剂是一类在其特定的PH值范围内,随溶液PH值改变而变色的化合物,通常是有机弱酸或有机弱碱。当溶液PH值发生变化时,指示剂可能失去质子由酸色成分变为碱色成分,也可能得到质子由碱色成分变为酸色成分;在转变过程中,由于指示剂本身结构的改变,从而引起溶液颜色的变化。指示剂的酸色成分或碱色成分是一对共轭酸碱。

一、指示剂的变色原理

现以弱酸型指示剂(如酚酞)为例,说明酸碱指示剂的变色原理。

弱酸型酸碱指示剂在溶液中存在下列平衡:

Gmoe9lk4.jpg


HIn表示弱酸的分子,为酸色成分;In-是弱酸分子离解出H+以后的复杂离子,为碱色成分。酚酞的酸色成分是无色的,碱色的成分则呈红色。根据平衡原理:

Gmoe9kip.jpg


或 Gmoe9okp.jpg


将等式两边各取负对数得:

Gmoe9jae.jpg


或 Gmoe9ni4.jpg (3-8)

由式(3-8)可知,溶液的颜色决定于碱色成分的浓度比值,而此比值又与PH和PHHin值有关。一定温度下,对指定的某种指示剂,PHHin是一常数。所以碱色成分与酸色成的浓度比值随溶液PH值的改变而变化,溶液的颜色也随之改变。例如,在酚酞指示剂溶液中加入酸时,H+就大量增多,使酚酞的离解平衡向左移动,这时酸色成分增多,碱色成分减少,溶液的颜色以酸色为主,酚酞在酸液中是无色的。反之,如向溶液中加碱时,则平衡向右移动,碱色成分增加,酸色成分减少,溶液的颜色就以碱色为主,酚酞在碱液中是红色的。所以指示剂可用以指示溶液的酸碱性或测定溶液的PH值。

Gmoe9ppj.jpg


上述弱酸指示剂的变色原理,同样适用于弱碱指示剂。

二、指示剂的变色范围和变色点

由式(3-8)可以看出,当溶液的PH值大于PKHin时,[ In-]将大于[HIn],溶液的颜色将以碱色为主。反之,当溶液的PH值小于PKHin时,[In-]就小于[HIn],溶液的颜色将以酸色为主。通常当[ In-]/[HIn]=10时,即碱色成分的浓度是酸色成分浓度10倍时,溶液将完全呈现碱色成分的颜色,而酸色被遮盖了。这量溶液的PH值为:

Gmoe9mje.jpg


即 pH=pKHIn+1

同理,当[In-]/[HIn]=1/10时,即酸色成分浓度是碱色成分浓度10倍时,溶液的颜色将完全呈现指示剂的酸色。这时溶液的PH值为:

Gmoe9qzf.jpg


即 pH=pKHIn-1

可见溶液的颜色是在PH=PKHin-1到 PH= PKHin+1的范围内变化的,这个范围称为指示剂的变色范围即变色域。在变色范围内,当溶液的PH值改变时,碱色成分和酸色成分的比值随之改变,指示剂的颜色也发生改变。超出这个范围,如Ph≥PKHin+1时,看到的只是碱色;而在PH ≤PKHin-1时,则看到的只是酸色。因此指示剂的变色范围约2个PH单位。当[In-]/[HIn]=1即PH= PKHin时,称为指示剂的变色点。由于人的视觉对各种颜色的敏感程度不同,加上在变色域内指示剂呈现混合色,两种颜色互相影响观察,所以实际观察结果与理论值有差别,大多数指示剂的变色范围小于2个PH单位。表3-4列出了常用指示剂的变色范围。

表3-4 几种常用的酸碱指示剂

酸碱指示剂 变色范围 PKHin 颜色 浓度 用量
酸色 碱色 (滴/10mL试液)
百里酚蓝(麝香草酚蓝) 1.2~2.8 1.65 0.1%的20%酒精溶液 1~2
甲基黄 2.9~4.0 3.3 0.1%的90%酒精溶液 1
甲基橙 3.1~4.4 3.40 0.05%的水溶液 1
溴酚蓝 3.0~4.6 3.85 蓝紫 0.1%的20%酒精溶液或其钠盐水溶液 1
甲基红 4.4~6.2 4.95 0.1%的60%酒精溶液或其钠盐水溶液 1
溴百里酚蓝(溴麝香草酚蓝) 6.2~7.6 7.1 0.1%的20%酒精溶液或其钠盐水溶液 1
中性红 6.8~8.0 7.4 0.1%的60%酒精溶液 1
酚红 6.7~8.4 7.9 0.1%的60%酒精溶液或其钠盐水溶液 1
酚酞 8.0~10.0 9.1 0.5%的90%酒精溶液 1~3
百里酚酞(麝香草酚酞) 9.4~10.6 10.0 0.1%的90%酒精溶液 1~2

在测定溶液的PH值时,也常用混合指示剂,它是把许多范围不同的指示剂混合起来,使其在不同的PH值范围内显示不同的颜色。一种可以测定PH4-10范围内溶液酸度的混合指示剂的配方是:百里酚蓝0.01g,溴百里酚蓝1.20g,甲基红0.32g,酚酞1.20g.配制时,可将上述指示剂按配方称取,然后研匀,用200mL95%酒精润湿并溶解,加蒸馏水150mL稀释,用0.1mol.L-1的NaOH溶液中和至溶液显绿色,再加水至400mL。其PH值为8.1。它在不同酸度的溶液中显出不同的颜色。例如:

PH:   4 5 6 7 8 9 10

颜色: 红 橙 黄 绿 青 蓝 紫

为了使用方便起见,也可用混合指示剂溶液将试纸润湿,凉干制成PH试纸供测试之用。

32 水的离子积和溶液的PH值 | 盐类溶液的PH值 32
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