Tabla de Contenidos
Wskaźniki kwasowo-zasadowe to związki lub substancje chemiczne, które wykazują wyraźnie różne kolory przy różnych wartościach pH . Chociaż służą one do szybkiego pokazania zakresu pH roztworu, są używane głównie w laboratorium chemicznym jako środek do wizualizacji punktu równoważnikowego podczas miareczkowania lub miareczkowania kwasowo-zasadowego.
Związki te są zawsze słabymi kwasami organicznymi lub zasadami, które mają inny kolor po protonowaniu (przy niskim pH) niż po deprotonowaniu (przy wysokim pH). Zwykle są to związki monoprotyczne lub jednozasadowe, co oznacza, że są zaangażowane tylko w jedną równowagę jonową i wykazują pojedynczą zmianę koloru.
Niektóre typowe przykłady wskaźników kwasowo-zasadowych to fenoloftaleina, czerwień metylowa i błękit tymolowy. Można również przygotować domowe wskaźniki kwasowo-zasadowe, takie jak ekstrakt z czerwonej kapusty (czerwona kapusta). Ten można zrobić po prostu gotując czerwoną kapustę w wodzie przez kilka minut. Powstały roztwór będzie prezentował serię kolorów o różnym pH, od czerwonego, fioletowego, ciemnozielonego do żółtego.
Koncepcja wskaźnika kwasowo-zasadowego jest ściśle związana z miareczkowaniem kwasowo-zasadowym i dwoma innymi pokrewnymi koncepcjami, punktem równoważnikowym i punktem końcowym . Zrozumienie, o co chodzi w każdym z nich, pozwoli ci lepiej zrozumieć, czym są wskaźniki kwasowo-zasadowe i do czego służą.
Miareczkowanie zasadą kwasową
Miareczkowanie kwasowo-zasadowe to techniki analityczne stosowane przez chemików do określania stężenia kwasu lub zasady (nazywanej analitem) w nieznanej próbce . W tym celu pobiera się porcję próbki do analizy i dodaje kroplami roztwór zasady lub kwasu o znanym stężeniu (tzw. titrant ) , aż do całkowitego zneutralizowania analitu.
Dokładny punkt, w którym analit zostaje zobojętniony, nazywany jest punktem równoważnikowym , a objętość titranta potrzebna do dotarcia do tego punktu wraz z jego stężeniem pozwalają na określenie stężenia analitu w próbce.
Problem z miareczkowaniem polega na tym, że chemik-analityk przeprowadzający miareczkowanie nie ma możliwości określenia, kiedy punkt równoważnikowy został osiągnięty. Wskaźniki kwasowo-zasadowe dodają się do analitu, ponieważ przechodzą widoczną zmianę koloru po osiągnięciu lub przekroczeniu punktu równoważnikowego.
Punkt końcowy a punkt równoważnikowy
Jak wspomniano powyżej, wskaźniki są używane głównie do wyświetlania lub „wskazania” punktu równoważnikowego podczas miareczkowania kwasowo-zasadowego. Jednak w zależności od stałej kwasowości lub zasadowości analitu taki punkt równoważnikowy pojawi się przy różnych wartościach pH, a to pH rzadko dokładnie pokrywa się z pH, przy którym wskaźnik zmienia kolor. Mimo to zmiana koloru wskaźnika jest jedynym punktem odniesienia, na podstawie którego chemik może wiedzieć, że nadszedł czas, aby zatrzymać miareczkowanie. Z tego powodu chemicy określają punkt, w którym wskaźnik zmienia kolor jako „punkt końcowy”, aby odróżnić go od prawdziwego „punktu równoważnikowego”, którego szukają.
Idealny wskaźnik kwasowo-zasadowy to taki, który wykazuje silną zmianę koloru dokładnie przy pH punktu równoważnikowego miareczkowania. Innymi słowy, jest to ten, w którym punkt końcowy pokrywa się dokładnie z punktem równoważnikowym. Niestety nie istnieje idealny wskaźnik kwasowo-zasadowy, ale istnieją różne wskaźniki, które mają różne zakresy pH, przy których zmieniają kolor. Zwykle wystarcza to do uzyskania dobrego przybliżenia punktu równoważnikowego bez popełnienia bardzo dużego błędu eksperymentalnego.
Z tego powodu każde miareczkowanie kwasowo-zasadowe należy rozpocząć od wybrania wskaźnika, który zmienia kolor jak najbliżej pH punktu równoważnikowego danego analitu.
Działanie wskaźników zasad kwasowych
Wskaźniki kwasowo-zasadowe to słabe kwasy lub zasady, które biorą udział w równowadze kwasowo-zasadowej między ich protonowaną formą kwasu a ich sprzężoną zasadą lub formą deprotonowaną. Te, które są słabymi kwasami, są obojętne w kwaśnym pH i ujemne w alkalicznym, a odwrotnie dzieje się z tymi, które są słabymi zasadami, to znaczy są obojętne w zasadowym pH i jony dodatnie w kwaśnym pH.
Aby zrozumieć, dlaczego tak się dzieje, rozważmy równowagę, w której bierze udział wskaźnik kwasowo-zasadowy. Reakcję można przedstawić w następujący sposób:
Tutaj k a reprezentuje stałą dysocjacji kwasu wskaźnika.
Opierając się na zasadach Le Chateliera, gdy stężenie jonów H + jest wysokie, czyli gdy pH jest niskie, równowaga ta przesuwa się w lewo, czyli w stronę protonowanej formy HIn. W tym przypadku widzimy kolor HIn, ponieważ jest to gatunek występujący w największej proporcji. Gdy wystąpi sytuacja odwrotna (przy niskim stężeniu H + ), równowaga przesuwa się w kierunku produktów. W tym przypadku najliczniejszym gatunkiem, którego kolor widzimy gołym okiem, jest teraz In – .
Zwykle jesteśmy w stanie rozróżnić jeden lub drugi kolor, gdy stężenie jednego jest ponad 10 razy większe niż drugiego.
Przykłady wskaźników kwasowo-zasadowych
Poniższa tabela przedstawia przykłady powszechnie stosowanych w laboratorium chemicznym wskaźników kwasowo-zasadowych, uporządkowanych według zakresu pH, w którym następuje zmiana ich barwy.
| Wskaźnik | Kolor w kwaśnym środowisku | Barwić w środowisku alkalicznym | Zakres pH punktu końcowego |
| błękit tymolowy | Czerwony | Żółty | 1,2 – 2,8 |
| błękit bromofenolowy | Żółty | niebieskawy fioletowy | 3,0 – 4,6 |
| Oranż metylowy | Pomarańczowy | Żółty | 3,1 – 4,4 |
| Czerwień metylowa | Czerwony | Żółty | 4,2 – 6,3 |
| błękit chlorofenolowy | Żółty | Czerwony | 4,8 – 6,4 |
| błękit bromotymolowy | Żółty | Niebieski | 6,0 – 7,6 |
| czerwień krezolowa | Żółty | Czerwony | 7,2 – 8,8 |
| fenoloftaleina | Bezbarwny | Różowy | 8,3 – 10,0 |
Te zakresy pH można określić za pomocą stałej kwasowości wskaźnika i obliczając pH, przy którym [HIn]/[In – ]≥10 (gdy HIn jest dziesięć razy więcej niż In – ) i gdy [HIn]/[In – ]≤0,1 (gdy jest dziesięć razy więcej In – niż HIn).
Jak wybrać odpowiedni wskaźnik kwasowo-zasadowy?
Ogólnie rzecz biorąc, jeśli planujesz miareczkować do mocnego kwasu lub mocnej zasady, możesz użyć prawie każdego wskaźnika, ponieważ w takich miareczkowaniach pH zmienia się dramatycznie od bardzo kwaśnego do bardzo zasadowego lub od bardzo zasadowego do bardzo kwaśnego tuż przed i po miareczkowaniu punkt równoważnikowy, który występuje dokładnie przy pH = 7.
Z drugiej strony, jeśli miareczkowałeś słaby kwas lub zasadę, powinieneś zacząć od sprawdzenia jego stałej kwasowości, a dokładniej pKa analitu (pKa jest ujemną wartością logarytmu stałej równowagi). Ta wartość reprezentuje pH roztworu w połowie drogi do punktu równoważnikowego i dostarcza wskazówek co do pH, przy którym punkt równoważnikowy zostanie osiągnięty. Ponieważ próbka ma nieznane stężenie (ponieważ miareczkowanie przeprowadza się tylko po to, aby znaleźć jego stężenie), nie możemy dokładnie obliczyć pH punktu równoważnikowego, ale pKa daje nam ogólne wyobrażenie o tym, gdzie się on znajduje na skali pH pH.
Tak więc, odpowiednim wskaźnikiem będzie ten, którego zakres pH zmiany barwy jest jak najbardziej wyśrodkowany na wspomnianej wartości pKa.
Przykład doboru wskaźnika kwasowo-zasadowego
- Podczas miareczkowania mocnych kwasów lub zasad, których punkt równoważnikowy występuje przy pH=7, prawie zawsze stosuje się fenoloftaleinę, mimo że zmienia kolor między 8,3 a 10,0. Można też wybrać błękit bromotymolowy lub czerwień krezolową, których skręty są znacznie bliższe pH=7, ale generalnie nie jest to konieczne.
- Jeśli chcesz zmiareczkować słaby kwas o pKa 3,9, dodając NaOH (który jest mocną zasadą), możesz wybrać oranż metylowy, ponieważ zmienia kolor między pH=3,1 a pH=4,4, lub czerwień metylową, która zmienia się w nieco bardziej zasadowe pH. Pamiętaj, że przy pH = 3,9 (czyli gdy pH = pKa) punkt równoważnikowy nie został jeszcze osiągnięty, więc musisz dodawać więcej NaOH, aby punkt równoważnikowy był wyższy niż 3,9.
