ตัวบ่งชี้ความเป็นกรดเบสคืออะไร?

ตัวบ่งชี้ความเป็นกรด-เบสคือสารประกอบหรือสารเคมีที่แสดงสีแตกต่างกันอย่างชัดเจนที่ค่า pH ที่แตกต่างกัน แม้ว่าจะใช้เพื่อแสดงช่วงค่า pH ของสารละลายได้อย่างรวดเร็ว แต่ส่วนใหญ่จะใช้ในห้องปฏิบัติการเคมีเพื่อให้เห็นภาพจุดสมมูลระหว่างการไทเทรตหรือการไทเทรตกรด-เบส

สารประกอบเหล่านี้มักเป็นกรดหรือเบสอินทรีย์อ่อนๆ ที่มีสีแตกต่างกันเมื่อถูกโปรตอน (ที่ pH ต่ำ) กว่าเมื่อถูกขับโปรตอน (ที่ pH สูง) พวกมันมักจะเป็นสปีชีส์เดียวหรือ monobasic ซึ่งหมายความว่าพวกมันเกี่ยวข้องกับสมดุลไอออนิกเดียวและแสดงการเปลี่ยนสีเพียงครั้งเดียว

ตัวอย่างทั่วไปของตัวบ่งชี้กรดเบส ได้แก่ ฟีนอฟทาลีน เมทิลเรด และไทมอลบลู นอกจากนี้ยังสามารถเตรียมตัวบ่งชี้กรดเบสแบบโฮมเมด เช่น สารสกัดจากกะหล่ำปลีแดง (กะหล่ำปลีแดง) สามารถทำได้โดยการต้มกะหล่ำปลีแดงในน้ำไม่กี่นาที สารละลายที่ได้จะแสดงชุดสีที่ pH ต่างกัน ตั้งแต่สีแดง สีม่วง สีเขียวเข้มไปจนถึงสีเหลือง

แนวคิดของตัวบ่งชี้กรด-เบสเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับการไทเทรตกรด-เบสและกับแนวคิดที่เกี่ยวข้องอีกสองแนวคิด จุดสมมูลและจุดสิ้นสุด การทำความเข้าใจว่าแต่ละตัวเกี่ยวกับอะไรจะช่วยให้คุณเข้าใจได้ดีขึ้นว่าตัวบ่งชี้ความเป็นกรดเบสคืออะไรและมีไว้เพื่ออะไร

การไทเทรตกรดเบส

การไทเทรตกรด-เบสเป็นเทคนิคการวิเคราะห์ที่นักเคมีใช้เพื่อกำหนด ความเข้มข้นของกรดหรือเบส (เรียกว่าสารวิเคราะห์) ในตัวอย่างที่ไม่รู้จัก ในการทำเช่นนี้ จะมีการนำเอาส่วนลงตัวของตัวอย่างที่จะวิเคราะห์และสารละลายของเบสหรือกรดที่มีความเข้มข้นที่ทราบ (เรียกว่า ไทแทรนต์ ) จะถูกเติมทีละหยดจนกว่าสารที่วิเคราะห์จะถูกทำให้เป็นกลางอย่างสมบูรณ์

จุดที่แน่นอนที่สารที่วิเคราะห์ถูกทำให้เป็นกลางเรียกว่าจุดสมมูลและปริมาตรของไทแทรนต์ที่จำเป็นในการไปถึงจุดนั้นพร้อมกับความเข้มข้นทำให้สามารถกำหนดความเข้มข้นของสารที่วิเคราะห์ในตัวอย่างได้

ปัญหาของการไทเทรตคือนักเคมีวิเคราะห์ที่ดำเนินการไทเทรตไม่มีทางบอกได้ว่าถึงจุดสมมูลเมื่อใด อินดิเคเตอร์ที่เป็นกรด-เบสจะเพิ่มเข้าไปในสารที่วิเคราะห์เมื่อผ่านการเปลี่ยนสีที่มองเห็นได้เมื่อถึงหรือเกินจุดสมมูล

จุดสิ้นสุดกับจุดสมมูล

ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น อินดิเคเตอร์จะใช้เพื่อ แสดงหรือ “ระบุ” จุดสมมูลระหว่างการไทเทรตกรด-เบสเป็นหลัก อย่างไรก็ตาม ขึ้นอยู่กับค่าคงที่ความเป็นกรดหรือด่างของสารที่วิเคราะห์ จุดสมมูลดังกล่าวจะเกิดขึ้นที่ค่า pH ที่แตกต่างกัน และค่า pH นี้แทบจะไม่ตรงกันทุกประการกับค่า pH ที่อินดิเคเตอร์เปลี่ยนสี อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนสีในตัวบ่งชี้เป็นเพียงข้อมูลอ้างอิงเดียวที่นักเคมีสามารถใช้เพื่อทราบว่าถึงเวลาที่ต้องหยุดการไทเทรตแล้ว ด้วยเหตุนี้ นักเคมีจึงอ้างถึงจุดที่ตัวบ่งชี้เปลี่ยนสีเป็น“จุดสิ้นสุด”เพื่อแยกความแตกต่างจาก“จุดสมมูล” ที่แท้จริง ที่พวกเขากำลังมองหา

อินดิเคเตอร์ที่เป็นกรด-เบสในอุดมคติ คือตัวบ่งชี้ที่แสดงให้เห็นการเปลี่ยนแปลงของสีอย่างชัดเจนที่ค่า pH ของจุดสมมูลของการไทเทรต กล่าวอีกนัยหนึ่งคือจุดที่จุดสิ้นสุดตรงกับจุดสมมูลทุกประการ น่าเสียดายที่ไม่มีอินดิเคเตอร์ที่เป็นกรด-เบสในอุดมคติ แต่มีอินดิเคเตอร์หลายตัวที่มีช่วงค่า pH ที่แตกต่างกันซึ่งจะเปลี่ยนสีหรือเปลี่ยนสี ซึ่งโดยปกติจะเพียงพอที่จะได้ค่าประมาณที่ดีของจุดสมมูลโดยไม่ทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการทดลองขนาดใหญ่มาก

ด้วยเหตุนี้ เมื่อใดก็ตามที่จะดำเนินการไทเทรตกรด-เบส เราควรเริ่มต้นด้วยการเลือกอินดิเคเตอร์ที่เปลี่ยนสีได้ใกล้เคียงกับค่า pH ของจุดสมมูลของสารที่วิเคราะห์ที่เป็นปัญหามากที่สุด

การทำงานของตัวบ่งชี้ความเป็นกรดเบส

ตัวบ่งชี้กรดเบสคือกรดหรือเบสอ่อนที่เกี่ยวข้องกับความสมดุลของกรดเบสระหว่างรูปแบบกรดโปรตอนและคอนจูเกตเบสหรือรูปแบบดีโปรตอน พวกที่เป็นกรดอ่อนจะเป็นกลางใน pH ที่เป็นกรดและลบใน pH ที่เป็นด่าง และสิ่งที่ตรงกันข้ามจะเกิดขึ้นกับพวกที่เป็นเบสอ่อน นั่นคือ พวกที่เป็นกลางใน pH ที่เป็นด่างและไอออนบวกใน pH ที่เป็นกรด

เพื่อทำความเข้าใจว่าเหตุใดจึงเกิดขึ้น ลองพิจารณาสมดุลซึ่งเกี่ยวข้องกับตัวบ่งชี้กรด-เบส ปฏิกิริยาสามารถแสดงได้ดังนี้:

ในที่นี้ k _aแสดงถึงค่าคงที่การแยกตัวของกรดของอินดิเคเตอร์

ตามหลักการของ Le Chatelier เมื่อความเข้มข้นของไอออน H ⁺สูง นั่นคือ เมื่อค่า pH ต่ำ สมดุลนี้จะเลื่อนไปทางซ้าย ซึ่งก็คือ HIn ในรูปแบบโปรตอน ในกรณีนี้เราเห็นสีของ HIn เพราะเป็นสายพันธุ์ที่มีอยู่ในสัดส่วนที่มากที่สุด เมื่อสิ่งที่ตรงกันข้ามเกิดขึ้น (ที่ความเข้มข้น H ⁺ ต่ำ ) สมดุลจะเปลี่ยนไปทางผลิตภัณฑ์ ในกรณีนี้ สิ่งมีชีวิตที่มีสีที่เรามอง เห็นด้วยตาเปล่ามากที่สุดในขณะนี้คือ In ^–

โดยปกติแล้ว เราสามารถแยกความแตกต่างของสีใดสีหนึ่งได้เมื่อความเข้มข้นของสีหนึ่งมีมากกว่าอีกสีหนึ่งถึง 10 เท่า

ตัวอย่างอินดิเคเตอร์ของกรดเบส

ตารางต่อไปนี้แสดงตัวอย่างบางส่วนของตัวบ่งชี้ความเป็นกรด-เบสที่ใช้กันทั่วไปในห้องปฏิบัติการเคมี โดยเรียงลำดับตามช่วงค่า pH ที่เกิดการเปลี่ยนสี

ช่วง pH เหล่านี้สามารถกำหนดได้โดยใช้ค่าคงที่ความเป็นกรดของตัวบ่งชี้และคำนวณค่า pH ที่ [HIn]/[In ^– ]≥10 (เมื่อมี HIn มากกว่า In ^– 10 เท่า ) และเมื่อ [HIn]/ [In ^– ]≤0.1 (เมื่อมี In ^–มากกว่า HIn สิบเท่า)

คุณจะเลือกอินดิเคเตอร์ที่เป็นกรดเบสที่เหมาะสมได้อย่างไร?

โดยทั่วไป หากคุณวางแผนที่จะไทเทรตเป็นกรดแก่หรือเบสแก่ สามารถใช้อินดิเคเตอร์เกือบทุกชนิดได้ เนื่องจากในการไทเทรตดังกล่าว ค่า pH จะเปลี่ยนแปลงอย่างมากจากกรดมากเป็นกรดแก่มาก หรือจากกรดแก่เป็นกรดมากก่อนและหลังการไทเทรต . จุดสมมูลซึ่งเกิดขึ้นที่ pH = 7

ในทางกลับกัน หากคุณกำลังไทเทรตกรดหรือเบสอ่อน คุณควรเริ่มต้นด้วยการดูค่าคงที่ความเป็นกรด หรือให้แม่นยำกว่านั้นคือ pKa ของสารที่วิเคราะห์ (pKa คือค่าลบของลอการิทึมของค่าคงที่สมดุล) ค่านี้แสดงถึงค่า pH ของสารละลายที่อยู่กึ่งกลางของจุดสมมูล และให้เบาะแสเกี่ยวกับค่า pH ที่จะถึงจุดสมมูล เนื่องจากตัวอย่างมีความเข้มข้นที่ไม่ทราบค่า (เนื่องจากการไทเทรตทำเพื่อหาความเข้มข้นเท่านั้น) เราจึงไม่สามารถคำนวณค่า pH ของจุดสมมูลได้อย่างแน่นอน แต่ค่า pKa ทำให้เราทราบโดยทั่วไปว่าค่า pH อยู่ที่จุดใด ขนาด. pH.

ดังนั้น อินดิเคเตอร์ที่เหมาะสมจะเป็นอินดิเคเตอร์ที่มีช่วงค่า pH ที่เปลี่ยนสีได้ซึ่งอยู่กึ่งกลางค่า pKa ดังกล่าวมากที่สุด

ตัวอย่างการเลือกอินดิเคเตอร์ที่เป็นกรดเบส

• เมื่อทำการไทเทรตกรดแก่หรือเบสแก่ที่มีจุดสมมูลเกิดขึ้นที่ pH=7 ฟีนอล์ฟทาลีนมักจะถูกใช้เสมอ แม้ว่ามันจะเปลี่ยนสีระหว่าง 8.3 ถึง 10.0 นอกจากนี้ เราสามารถเลือกโบรโมไทมอลบลูหรือครีซอลเรด ซึ่งค่าการหมุนจะใกล้เคียงกับค่า pH=7 มาก แต่โดยทั่วไปแล้วไม่จำเป็น
• หากคุณต้องการไทเทรตกรดอ่อนที่มีค่า pKa เท่ากับ 3.9 โดยการเติม NaOH (ซึ่งเป็นเบสแก่) คุณสามารถเลือกเมทิลออเรนจ์ได้ เนื่องจากสีจะเปลี่ยนสีระหว่าง pH=3.1 และ pH=4.4 หรือเมทิลเรด ซึ่งจะเปลี่ยนเป็น ค่า pH ที่เป็นด่างเพิ่มขึ้นเล็กน้อย โปรดจำไว้ว่าที่ pH = 3.9 (นั่นคือเมื่อ pH=pKa) ยังไม่ถึงจุดสมมูล ดังนั้น คุณต้องเติม NaOH มากขึ้นเรื่อย ๆ ดังนั้นจุดสมมูลจะอยู่ที่ pH สูงกว่า 3.9