一、酸碱指示剂的变色原理和变色范围
1.酸碱指示剂的变色原理
酸碱滴定过程中溶液本身不发生任何外观变化,故常借助酸碱指示剂的颜色变化来指示滴定终点。酸碱指示剂是有机弱酸或弱碱,在水溶液中存在着电离平衡,且电离产生酸式和碱式的不同型体具有不同的颜色。当溶液的pH改变时,伴随电离平衡的移动,电离产生的酸、碱式不同型休的浓度相对发生变化,从而引起溶液颜色发生变化。
由平衡关系可以看出,在H+浓度减小时,平衡向左移动,溶液由红色变成黄色;反之,在H+浓度增大时,由黄色转变成红色。
酚酞指示剂是有机弱酸,它在水溶液中发生如下的离解作用和颜色变化。
从离解平衡看,当溶液由酸性变到碱性时,平衡向右移动,溶液由无色变成红色;反之,在酸性溶液中,由红色变成无色。但在浓碱溶液中,酚酞就会转变成无色的羧酸盐式。
2.酸碱指示剂的变色范围
为了简便起见,通常用HIn表示弱酸指示剂,用InOH表示弱碱指示剂。下面以弱酸型指示剂为例,进一步讨论指示剂颜色的变化与溶液酸度的关系。
弱酸型指示剂在溶液中的离解平衡为:
HIn↔H++In-
K(HIn)=c(H+)c(In-)/c(HIn)或c(H+)/K(HIn)=c(HIn)/c(In-)
式中:K(HIn)为指示剂的离解常数;c(HIn)和c(In-)分别为指示剂的酸式和碱式的浓度。由上式可知,在一定的温度下,比值c(HIn)/c(In-)仅是H+浓度的函数,即c(H+)发生改变,c(HIn)/c(In-)比值随之发生改变,溶液颜色也逐渐发生改变。但由于人眼辨别颜色的能力有限,一般说来,当c(Hln)/c(In-)≥10时,只能看到酸式(HIn)颜色;c(HIn)/c(In-)≤1/10时,只能看到碱式(In-)颜色;10>c(HIn)/c(In-)>1/10时,指示剂呈混合色;c(HIn)/c(In-)=1时,两者浓度相等,此时,pH=pK(HIn),称为指示剂的理论变色点。
c(HIn)/c(In)≥10,c(H+)≥10K(HIn),pH≤pK(HIn)-1
c(HIn)/c(In-)≤1/10,c(H+)≤1/10K(HIn),pH≥pK(HIn)+1
因此,当溶液的pH由pK(HIn)-1变化到pK(HIn)+1,或由pK(HIn)+1变化到pK(HIn)-1时,人们才能明显地观察到指示剂颜色的变化。所以pH=pK(HIn)士1就是指示剂变色的pH范围,称指示剂的理论变色范围。不同的指示剂因pK(HIn)不同,其变色范围也各异。
应当指出,指示剂的实际变色范围与理论推算之间是有差别的。这是由于人眼对各种颜色的敏感程度不同,加之两种颜色之间相互掩盖所造成的。
指示剂的变色范围越窄越好,因为pH稍有改变,指示剂就可立即由一种颜色变成另一种颜色,即指示剂变色敏锐,有利于提高测定结果的准确度。
二、混合指示剂
一般指示剂的变色范围较宽,变色不敏锐,且变色过程中有过渡色,不易于辨别颜色的变化。混合指示剂则具有变色范围窄,变色敏锐等优点。
混合指示剂有以下两种配制方法:
一种方法是用一种不随c(H+)变化而改变颜色的染料和一种指示剂混合而成。例如甲基橙和靛蓝(染料)组成的混合指示剂。该混合指示剂随c(H+)变化而发生如下表中的颜色变化。
可见,单一的甲基橙指示剂由红(或黄)变到黄(或红),中间有一过渡的橙色,不易辨别。而混合指示剂由紫(或绿)变成绿(或紫),变色非常敏锐,容易辨别。
另一种方法是由两种不同的指示剂混合而成。例如,甲酚红和百里酚蓝组成的混合指示剂其变色范围缩小为0.2个pH单位。