산성 염기 지시약이란 무엇입니까?

산-염기 지시약은 다른 pH 값에서 현저하게 다른 색상을 나타내는 화합물 또는 화학 물질입니다 . 용액의 pH 범위를 한눈에 보여주는 역할을 하지만 주로 화학 실험실에서 산-염기 적정 또는 적정 시 당량점을 시각화하는 수단으로 사용됩니다.

이러한 화합물은 항상 약한 유기산 또는 염기로, 양성자화(낮은 pH) 시와 탈양성자화(높은 pH) 시 색상이 다릅니다. 이들은 일반적으로 일양자성 또는 일염기성 종이며, 이는 단일 이온 평형에만 관여하고 단일 색상 변화를 나타냄을 의미합니다.

산 염기 지시약의 전형적인 예로는 페놀프탈레인, 메틸 레드 및 티몰 블루가 있습니다. 적양배추 추출물(적양배추)과 같은 집에서 만든 산-염기 지시약도 준비할 수 있습니다. 이것은 단순히 붉은 양배추를 물에 몇 분 동안 끓이면 만들 수 있습니다. 결과 용액은 빨간색, 보라색, 짙은 녹색에서 노란색에 이르는 다양한 pH에서 일련의 색상을 나타냅니다.

산-염기 지시약의 개념은 산-염기 적정 및 두 가지 다른 관련 개념인 당량점 및 종말점 과 밀접하게 연결되어 있습니다 . 각각의 내용을 이해하면 산성 염기 지표가 무엇이며 용도가 무엇인지 더 잘 이해할 수 있습니다.

산 염기 적정

산-염기 적정은 미지의 시료에서 산 또는 염기(분석 물질이라고 함)의 농도를 결정하기 위해 화학자가 사용하는 분석 기법입니다 . 이를 위해 분석할 샘플의 분취량을 취하고 농도를 알고 있는 염기 또는 산 용액( 적정제 라고 함)을 분석물이 완전히 중화될 때까지 한 방울씩 추가합니다 .

분석물이 중화되는 정확한 지점을 당량점 이라고 하며 농도와 함께 해당 지점에 도달하는 데 필요한 적정제의 부피를 통해 샘플의 분석물의 농도를 결정할 수 있습니다.

적정의 문제는 적정을 수행하는 분석 화학자가 언제 당량점에 도달했는지 알 수 있는 방법이 없다는 것입니다. 산-염기 지시약은 당량점에 도달하거나 초과할 때 눈에 보이는 색상 변화를 겪으면서 분석물에 추가됩니다.

종점 대 당량점

위에서 언급한 바와 같이 지시약은 주로 산-염기 적정 중에 당량점을 표시하거나 “표시”하는 데 사용됩니다. 그러나 분석물의 산도 또는 염기도 상수에 따라 이러한 당량점은 다른 pH 값에서 발생하며 이 pH는 지시약의 색상이 변하는 pH와 정확히 일치하는 경우는 거의 없습니다. 그럼에도 불구하고 지시약의 색상 변화는 화학자가 적정을 중지할 시간임을 알기 위해 사용할 수 있는 유일한 참조입니다. 이러한 이유로 화학자들은 그들이 찾고 있는 진정한 ” 당량점 “과 구별하기 위해 지시약의 색이 변하는 지점을 “종료점”이라고 합니다 .

이상적인 산-염기 지시약은 적정 당량점의 pH에서 정확하게 강한 색상 변화를 나타내는 지시약입니다 . 즉, 끝점이 당량점과 정확히 일치하는 것입니다. 불행하게도, 이상적인 산-염기 지시약은 존재하지 않지만, 색이 변하거나 변하는 pH 범위가 다른 여러 지시약이 있습니다. 이것은 일반적으로 매우 큰 실험 오차를 만들지 않고 당량점의 좋은 근사치를 얻기에 충분합니다.

이러한 이유로 산-염기 적정을 수행할 때마다 해당 분석물의 당량점 pH에 가능한 한 가깝게 색이 변하는 지시약을 선택하는 것부터 시작해야 합니다.

산성 염기 지시약의 작동

산-염기 지시약은 양성자화된 산 형태와 짝염기 또는 탈양성자화된 형태 사이의 산-염기 평형에 관여하는 약산 또는 염기입니다. 약산인 것은 산성 pH에서 중성이고 알칼리성 pH에서 음수이며 약염기성인 것, 즉 알칼리성 pH에서는 중성이고 산성 pH에서는 양이온입니다.

왜 이런 일이 발생하는지 이해하기 위해 산-염기 지시약이 관련된 평형을 고려해 봅시다. 반응은 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

여기서 ka _는 지시약의 산해리상수를 나타낸다.

^{르샤틀리에의 원리에 따르면 H +} 이온 의 농도가 높을 때, 즉 pH가 낮을 때 이 평형은 왼쪽으로, 즉 양성자화된 HIn 쪽으로 이동한다. 이 경우 가장 높은 비율로 존재하는 종이기 때문에 HIn의 색상을 볼 수 있습니다. 반대 현상이 발생하면(낮은 H ⁺ 농도에서 ) 평형이 생성물 쪽으로 이동합니다. 이 경우 우리가 육안으로 볼 수 있는 색이 가장 풍부한 종은 이제 In ^– 입니다 .

일반적으로 우리는 한 색의 농도가 다른 색의 농도보다 10배 이상 높을 때 한 색 또는 다른 색을 구별할 수 있습니다.

산 염기 지시약의 예

다음 표는 화학 실험실에서 일반적으로 사용되는 산-염기 지시약의 몇 가지 예를 보여주며 색상 변화가 발생하는 pH 범위에 따라 정렬됩니다.

이러한 pH 범위는 지시약의 산도 상수를 사용하고 [HIn]/[In ^{– ]≥10(In –} 보다 HIn이 10배 더 많은 경우 ) 및 [HIn]/ [In ^{– ]≤0.1(HIn보다 In –가} 10배 더 많은 경우 ).

올바른 산 염기 지시약을 어떻게 선택합니까?

일반적으로 강산 또는 강염기로 적정할 계획이라면 거의 모든 지시약을 사용할 수 있습니다. 그러한 적정에서 pH는 적정 전후에 극산에서 극염기로 또는 극염기에서 극산으로 급격하게 변하기 때문입니다. . 정확히 pH = 7에서 발생하는 당량점.

반면에 약산이나 약염기를 적정하는 경우 산도 상수, 더 정확하게는 분석 물질의 pKa(pKa는 평형 상수 로그의 음수임)를 살펴보는 것부터 시작해야 합니다. 이 값은 당량점의 중간에 있는 용액의 pH를 나타내며 당량점에 도달할 pH에 대한 단서를 제공합니다. 시료의 농도를 알 수 없기 때문에(농도를 찾기 위해 적정을 수행하기 때문에) 당량점의 pH를 정확히 계산할 수는 없지만 pKa는 pH에서 어디에 있는지에 대한 일반적인 아이디어를 제공합니다. 스케일.pH.

따라서 적절한 지표는 색 변화 pH 범위가 가능한 한 상기 pKa의 중심에 있는 지표일 것입니다.

산 염기 지시약 선택의 예

• 당량점이 pH=7인 강산 또는 염기를 적정할 때 8.3에서 10.0 사이에서 색상이 변하더라도 거의 항상 페놀프탈레인이 사용됩니다. 또한 브로모티몰 블루 또는 크레졸 레드를 선택할 수도 있는데, 그 회전은 pH=7에 훨씬 더 가깝지만 일반적으로 필요하지는 않습니다.
• NaOH(강염기)를 첨가하여 pKa가 3.9인 약산을 적정하려면 pH=3.1과 pH=4.4 사이에서 색상이 변하는 메틸 오렌지 또는 다음으로 변하는 메틸 레드를 선택할 수 있습니다. 약간 더 알칼리성 pH. pH = 3.9(즉, pH=pKa일 때)에서 아직 당량점에 도달하지 않았으므로 NaOH를 계속 추가해야 하므로 당량점은 3.9보다 높은 pH에 있게 됩니다.