酸鹼指示劑
| 酸鹼指示劑 |
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中文名；酸鹼指示劑 含義；用於酸鹼滴定的指示劑 發現者；羅伯特·波義耳 分類；硝基酚類、酚酞類 |
用於酸鹼滴定的指示劑，稱為酸鹼指示劑。是一類結構較複雜的有機弱酸或有機弱鹼，它們在溶液中能部分電離成指示劑的離子和氫離子（或氫氧根離子），並且由於結構上的變化，它們的分子和離子具有不同的顏色，因而在pH不同的溶液中呈現不同的顏色。[1]
目錄
簡介
酸鹼指示劑指的是用於酸鹼滴定的指示劑，英文名稱：acid-base indicator。
酸鹼指示劑一般是有機弱酸或弱鹼，它們的共軛酸鹼對具有不同結構而呈現不同顏色。當溶液的pH改變時，指示劑得到質子，由鹼式轉變為共軛酸式，或失去質子，由酸式轉變為共軛鹼式，由於其結構的轉變而發生顏色的變化。
發現經過
酸鹼指示劑是檢驗溶液酸鹼性的常用化學試劑，像科學上的許多其它發現一樣，酸鹼指示劑的發現是化學家善於觀察、勤于思考。勇於探索的結果。
300多年前，英國年輕的科學家羅伯特·波義耳在化學實驗中偶然捕捉到一種奇特的實驗現象，有一天清晨，波義耳正準備到實驗室去做實驗，一位花木工為他送來一籃非常鮮美的紫羅蘭，喜愛鮮花的波義耳隨手取下一塊帶進了實驗室，把鮮花放在實驗桌上開始了實驗。當他從大瓶里傾倒出鹽酸時，一股刺鼻的氣體從瓶口湧出，倒出的淡黃色液體冒着白霧，還有少許酸沫飛濺到鮮花上。他想「真可惜，鹽酸弄到鮮花上了」。為洗掉花上的酸沫，他把花用水沖了一下，一會兒發現紫羅蘭顏色變紅了，當時波義耳感到既新奇又興奮，他認為，可能是鹽酸使紫羅蘭顏色變紅色，為進一步驗證這一現象，他立即返回住所，把那籃鮮花全部拿到實驗室，取了當時已知的幾種酸的稀溶液，把紫羅蘭花瓣分別放入這些稀酸中，結果現象完全相同，紫羅蘭都變為紅色。由此他推斷，不僅鹽酸，而且其它各種酸都能使紫羅蘭變為紅色。他想，這太重要了，以後只要把紫羅蘭花瓣放進溶液，看它是不是變紅色，就可判別這種溶液是不是酸。偶然的發現，激發了科學家的探求欲望，後來，他又弄來其它花瓣做試驗，並製成花瓣的水或酒精的浸液，用它來檢驗是不是酸，同時用它來檢驗一些鹼溶液，也產生了一些變色現象。
他還採集了藥草、牽牛花，苔蘚、月季花、樹皮和各種植物的根……泡出了多種顏色的不同浸液，有些浸液遇酸變色，有些浸液遇鹼變色，不過有趣的是，他從石蕊苔蘚中提取的紫色浸液，酸能使它變紅色，鹼能使它變藍色，這就是最早的石蕊試液，波義耳把它稱作指示劑。為使用方便，波義耳用一些浸液把紙浸透、烘乾製成紙片，使用時只要將小紙片放入被檢測的溶液，紙片上就會發生顏色變化，從而顯示出溶液是酸性還是鹼性。今天，我們使用的石蕊、酚酞試紙、pH試紙，就是根據波義耳的發現原理研製而成的。
後來，隨着科學技術的進步和發展，許多其它的指示劑也相繼被另一些科學家所發現。
示劑分類
常用的酸鹼指示劑主要有以下四類：
1、 硝基酚類 這是一類酸性顯著的指示劑，如對-硝基酚等。
2、 酚酞類 有酚酞、百里酚酞和α-萘酚酞等，它們都是有機弱酸。
3、磺代酚酞類 有酚紅、甲酚紅、溴酚藍、百里酚藍等，它們都是有機弱酸。
4、偶氮化合物類 有甲基橙、中性紅等，它們都是兩性指示劑，既可作酸式離解，也可作鹼式離解。
用量要求
鹼指示劑應該選用甲基橙作指示劑。
1．雙色指示劑的變色範圍不受其用量的影響，但因指示劑本身就是酸或鹼，指示劑的變色要消耗一定的滴定劑，從而增大測定的誤差。對於單色指示劑而言，用量過多，會使用變色範圍向pH值減小的方向發生移動，也會增大滴定的誤差。例如：用0.1mol/L NaOH滴定0.1mol/L HAc，pH≈8.5，突躍範圍為pH8.70～9.00，滴定體積若為50ml，滴入2～3滴酚酞，大約在pH≈9時出現紅色；若滴入10～15滴酚酞，則在pH≈8時出現紅色。顯然後者的滴定誤差要大得多。
指示劑用量過多，還會影響變色的敏銳性。例如：以甲基橙為指示劑，用HCl滴定NaOH溶液，終點為橙色，若甲基橙用量過多則終點敏銳性就較差。
2．溫度和溶劑
溫度的變化會引起指示劑電離常數和水的質子自遞常數發生變化，因而指示劑的變色範圍亦隨之改變，對鹼性指示劑的影響較酸性指示劑更為明顯。不同的溶劑具有不同的介電常數和酸鹼性，因而也會影響指示劑的電離常數和變色範圍。
3．指示劑的選擇
指示劑選擇不當，加之肉眼對變色點辨認困難，都會給測定結果帶來誤差。
因此，在多種指示劑中，選擇指示劑的依據是：要選擇一種變色範圍恰好在滴定曲線的突躍範圍之內，或者至少要占滴定曲線突躍範圍一部分的指示劑。這樣當滴定正好在滴定曲線突躍範圍之內結束時，其最大誤差不過0.1%，這是容量分析容許的。
變色原理
酸鹼指示劑既然都是一些有機弱酸或有機弱鹼，那麼在不同的酸鹼性溶液中，它們的電離程度就不同，於是會顯示不同的顏色。pH試紙則是由多種指示劑混合液製成的，通常情況下pH試紙就顯金黃色，pH≈5，可見在製作時，已將指示劑混合液調至弱酸性，並不是中性，這是為了減弱空氣中CO2對測定的影響。此外，中和反應時，使用酸鹼指示劑只能用2～3滴，也是因為酸鹼指示劑都是有機酸或有機鹼，用多了會增大誤差的。
石蕊和酚酞都是酸鹼指示劑，它們是一種弱的有機酸。在溶液里，隨着溶液酸鹼性的變化，指示劑的分子結構發生變化而顯示出不同的顏色。
石蕊（主要成分用HL表示）在水溶液里能發生如下電離： HL←→H++L-（H+ 紅色， L-藍色）
在酸性溶液里，紅色的分子是存在的主要形式，溶液顯紅色；在鹼性溶液里，上述電離平衡向右移動，藍色的離子是存在的主要形式，溶液顯藍色；在中性溶液里，紅色的分子和藍色的酸根離子同時存在，所以溶液顯紫色。
石蕊能溶於水，且能溶於酒精，變色範圍是pH 5.0～8.0
酚酞是一種有機弱酸，它在酸性溶液中，濃度較高時，形成無色分子。但隨着溶液中H+濃度的減小，OH-濃度的增大，酚酞結構發生改變，並進一步電離成紅色離子這個轉變過程是一個可逆過程，如果溶液中H+濃度增加，上述平衡向反方向移動，酚酞又變成了無色分子。因此，酚酞在酸性溶液里呈無色，當溶液中H+濃度降低，濃度升高時呈紅色。酚酞的變色範圍是pH 8.0～10.0。
酚酞的醌式或醌式酸鹽，在鹼性介質中是很不穩定的，它會慢慢地轉化成無色的羧酸鹽式因此做氫氧化鈉溶液使酚酞顯色實驗時，要用氫氧化鈉稀溶液，而不能用濃溶液。
影響因素
在實際中，影響酸鹼指示劑變色範圍的因素主要有兩方面：一種是影響指示劑常數KHln的因素，包括溫度、溶劑、溶液的離子強度等，其中溫度的影響較大。另一種是影響變色範圍寬度的因素，如指示劑用量、滴定程序等，現具體討論如下。
1．溫度溫度改變時，指示劑常數KHln及水的離子積KW均有改變，因此指示劑的變色範圍也隨之發生改變。例如，18℃時，甲基橙的變色範圍為3.1～4.4，而100℃時，變為2.5～3.7。因此，滴定宜在室溫下進行。如必須加熱，應該將溶液冷卻後再進行滴定。
2．溶劑 指示劑在不同溶劑中其pKHln值是不同的，因此在不同溶劑中的變色範圍不同。例如，甲基橙在水溶液中pKHln=3.4，在甲醇中pKHln=3.8。
3．中性電解質溶液中性電解質的存在增加了溶液的離子強度，使指示劑常數改變，影響到指示劑的變色範圍。此外，某些電解質還具有吸收不同波長光波的性質，會引起指示劑顏色深度、色調及變色靈敏度的改變。所以在滴定溶液中不宜有大量鹽類存在。
4．指示劑用量指示劑的用量（濃度）是一個重要因素。對於單色指示劑（如酚酞、百里酚酞），指示劑的用量對變色範圍有較大影響。從指示劑變色的平衡關係看出：
HIn←→H++In-
設指示劑總濃度為c，人眼觀察到紅色鹼式的最低濃度為一固定值a，代入平衡式，則
KHln/[H+]=[In-]/[Hln]=a/(a-c)
式中，KHln是定值，如果c增大了，則[H+]會相應增大，酚酞指示劑將在較低pH值變色。例如，在50～100ml溶液中加入2～3滴0.1%酚酞，在pH≈9時出現為紅色；而在同樣條件下，如加入15～20滴酚酞，在pH≈8時就會出現為紅色。因此．對單色指示劑須嚴格控制指示劑用量。
對於雙色指示劑，指示劑用量多少不會影響變色範圍。但溶液中指示劑的濃度大時可能致使終點時顏色變化不敏銳。另外指示劑本身也要消耗滴定劑．使滴定誤差增大。因此，指示劑用量一般少一些為宜，只要達到變色靈敏度，用量越少越好。
5．滴定程序溶液由淺色滴定到深色時，便於觀察終點顏色的變化。所以滴定程序宜是當指示劑顏色由酸式或鹼式色變為混合色時，溶液顏色由淺色變化到深色。例如，用酚酞作指示劑，滴定程序一般為用鹼滴定酸，終點由無色變為粉紅色，容易辨別。而用甲基橙作指示劑，一般用酸滴定鹼，終點由黃色變為橙色，易於辨認。
常用示劑
各種不同的酸鹼指示劑，具有不同的變色範圍，有的在酸性溶液中變色，如甲基橙、甲基紅等；有的在中性附近變色，如中性紅、苯酚紅等；有的則在鹼性溶液中變色，如酚酞、百里酚酞等。幾種常用酸鹼指示劑及其變色範圍列於下表。
自製方法
有許多植物色素在不同pH值的溶液里會呈現出不同的顏色。因此，每個地方都可以就地取材，自製一些酸鹼指示劑。下面介紹一些自製的方法：
1.從紅蘿蔔皮中提取酸鹼指示劑：刮下紅蘿蔔的紅皮後，用95%的酒精浸泡一天左右，過濾取出它的濾液即酸鹼指示劑。按檢驗的需要製作pH1～14的標準液若干個，每個標準液取10ml分置於試管中，再分別加入紅蘿蔔皮浸泡液10滴，塞緊作為比色樣品。在某待測溶液中加入紅蘿蔔浸泡液，顏色發生變化後再與比色樣品比較，就能確定待測溶液pH值的大致範圍。
2. 從紫草中提取酸鹼指示劑：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鹼指示劑。其遇到酸鹼的變色與石蕊試液相同。
3. 從紫色捲心菜中提取酸鹼指示劑：取約250g紫色捲心菜，洗淨切碎置於不鏽鋼鍋中加水煮沸10分鐘，然後過濾冷卻置於容器中即可用作酸鹼指示劑。其用法可參照上述操作1的方法。
4. 從米莧菜中提取酸鹼指示劑：其操作方法同操作3。
5.用咖喱粉制酸鹼指示劑：取一藥匙咖喱粉，用50%的調成糊狀，塗在一塊白布的兩面上，放置一段時間後用水衝去多餘的咖喱粉，白布被染成黃色，這就製成一塊可以多次反覆使用的酸鹼指示布。它遇鹼性溶液時呈紅色，遇酸性溶液時呈黃褐色。每次用完後，用水把布上的酸性或鹼性物質漂洗乾淨，指示布又恢復原來的黃色。可以供下次繼續使用。
參考來源