酸堿指示劑的變色范圍
實(shí)驗(yàn)室k / 2019-07-06
指示劑在怎樣的pH條件下變色呢?這就必須討論指示劑的變色與溶液pH值的數(shù)量關(guān)系。
現(xiàn)以弱酸型指示劑為例來說明指示劑的變色與溶液pH的數(shù)量關(guān)系。弱酸型指示劑在溶液中的電離平衡可用下式表示：
HIn ?H+＋I(xiàn)n-
達(dá)平衡時(shí)，KHIn＝[H+][In-]/[HIn]
KHIn為平衡常數(shù)，稱指示劑的電離平衡常數(shù)，在一定溫度下，它是一個(gè)常數(shù)值。
從上式得：
[H+]＝KHIn·[HIn]/[In-]
若以pH表示則為：
pH＝pKHIn－lg[HIn]/[In-]
HIn和In-分別代表兩種不同結(jié)構(gòu)的指示劑分子和離子，HIn的顏色稱酸式色，In-的顏色稱堿式色，二者的顏色不相同。在任何溶液中，指示劑的兩種顏色必定同時(shí)存在，即溶液中指示劑的顏色應(yīng)當(dāng)是兩種不同顏色的混合色，溶液的顏色由[HIn]/[In-]的比值來決定。當(dāng)溫度一定時(shí)，[HIn]/[In-]的比值由溶液pH而決定，也就是說，在一定的pH條件下，[HIn]/[In-]的比值一定，溶液的顏色也必然一定。溶液的pH改變時(shí)，溶液的顏色也就相應(yīng)地發(fā)生改變。由于我們的視覺分辨能力有限，在兩種顏色又能互相掩蓋的情況下，pH的微小變化引起的[HIn]/[In-]比值微小變化通常不能用肉眼觀察出來，只有當(dāng)兩種顔色的濃度比在10倍或10倍以上時(shí)，オ能看出濃度較大的那種顏色，而另一種顏色就看不出。
例如：當(dāng)[HIn]/[In-]＝10時(shí)，只能看到[HIn]的酸式顏色
當(dāng)[HIn]/[In-]＝1/10時(shí)，只能看到[In-]的堿式顏色
可見，我們只能在一定的濃度比范圍內(nèi)到指示劑的顔色變化。這一范圍就是由
[HIn]/[In-]＝10 到 [HIn]/[In-]＝1/10
此時(shí)，溶液的pH值則分別為：
pH＝pKHIn－lg10＝pKHIn－1
pH＝pKHIn－lg1/10＝pKHIn＋1
即指示劑變色時(shí)的pH值范圍為：
pH＝pKHIn±1
叫做指示劑的變色范圍。由于不同的指示劑有不同的pKHIn值，所以它們的變色范圍各不相同。
從上式可知，當(dāng)pH≦pKHIn－1時(shí)，所觀察到的是酸式色。
當(dāng)pH≧pKHIn＋1時(shí)，所觀察到的是堿式色。
當(dāng)[HIn]＝[In-]時(shí)，即[HIn]/[In-]＝1
此時(shí)[H+]＝KHIn，pH＝pKHIn，觀察到的是指示劑的中間色，即兩種顏色的混合色。此時(shí)是指示劑變色最靈敏的一點(diǎn)，這時(shí)的pH值叫做指示劑的理論變色點(diǎn)。
根據(jù)理論上的推算，指示劑的變色范圍是兩個(gè)pH值單位。但實(shí)驗(yàn)測(cè)得的各種指示劑的變色范圍并不都是兩個(gè)pH單位，而是略有上下，這主要是人的眼睛對(duì)混合色調(diào)中兩種顏色的敏感程度不同形成的。下面的計(jì)算可以幫助我們理解這個(gè)問題。
實(shí)驗(yàn)測(cè)得，甲基紅變色范圍的pH值為4.4～6.2，其[HIn]/[In-]比值的計(jì)算如下：
當(dāng)pH＝4.4時(shí)，[H+]＝4.0×10(-5次方)M，甲基紅的KHIn＝7.9×10(-6次方)
則：[H+]/KHIn＝[HIn]/[In-]＝4.0×10(-5次方)/7.9×10(-6次方)＝5.0
當(dāng)pH＝6.2時(shí)，[H+]＝6.3×10(-7次方)M，得
[H+]/KHIn＝[HIn]/[In-]＝6.3×10(-7次方)/7.9×10(-6次方)＝1/12.5
上述計(jì)算表明，當(dāng)酸式色的濃度比堿式色的濃度大5倍時(shí)，就能看到酸式色的紅色；如要看到堿式色的黃色，則堿式色的濃度必須比酸式色的濃度大12.5倍，這是由于人眼對(duì)紅色比黃色更敏感的緣故。所以變色范圍在pH小的一端就距離理論變色點(diǎn)近些，在pH值大的端就距離理論變色點(diǎn)遠(yuǎn)些。因此，甲基紅理論變色點(diǎn)為5.0，實(shí)際變色的范圍不是5.0±1的4.0～6.0而是4.4～6.2。
一般變色范圍不大于兩個(gè)pH單位，也不小于1個(gè)pH單位。使用中希望指示劑的變色范圍越窄越好，這樣在等當(dāng)點(diǎn)時(shí)，pH稍有改變，指示劑就能立即由一種顏色變?yōu)榱硪环N顏色，說明指示劑變色敏銳，有利于提高測(cè)定的準(zhǔn)確度。
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