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酸鹼指示劑 Acid-Base Indicators (一) 2-1
2011/06/20 08:39
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當溴瑞香草酚藍用在酸性溶液被滴定的反應中,一開始溴瑞香草酚藍的分子形式是HIn(黃色),然後在pH6左右改變顏色。

化學原理啟迪200

1.     有二種方法可以找到酸鹼滴定的當量點:

(1)    利用pH去觀測pH值,然後把記錄下來的數據連成滴定曲線。pH曲線的垂直線段的中點就是當量點。

(2)    利用酸鹼指示劑,它會用改變顏色來標示滴定反應的終點。雖然化學計量定義的滴定反應的當量點,不完全等於指示劑改變色彩的滴定終點,仔細選擇指示劑就能夠把錯誤減少到可忽略的程度。

2.     最常見的酸鹼指示劑都是大型複雜的分子,它們是弱酸,用「HIn」代表。酸鹼指示劑的分子擁有質子的時候是一種顏色,失去質子又變成另一種顏色。

3.     舉例來說,酚 phenolphthalein是常用的指示劑,它在HIn 狀態時(擁有質子的酸分子)無色,到了IN(失去質子、變為鹼)變為粉紅色。

4.     為了解分子如何發揮指示劑的功能,我們假設有一種指示劑HIn是弱酸,Ka1.0×108

HIn(aq) ←→ H+(aq)  + In(aq)

注:HIn紅色  In藍色

Ka[H+][In][HIn]

5.     重新排列,我們得到

Ka[H+][In] [HIn]

6.     假設我們把這種指示劑滴幾滴到酸性溶液,這個酸性溶液的pH值是1.0[H+]1.0×101)。那麼

Ka[H+](1.0×108)(1.0×101)107

[In][HIn]110,000,000

以上這個比例顯示溶液中的主要酸鹼指示劑分子是HIn,這使得溶液呈現紅色。

7.     隨著OH不斷滴定到溶液中,[H+]減少,平衡位置往右移動,HIn變為In。滴定到某個份量,溶液中In的份量足夠,就能夠看到紫色。也就是顏色從紅色轉為紫色。

8.     溶液裡要有多少的In,肉眼才能察覺顏色改變了呢?大部分的試劑,原本的分子必須有一成變為新的形式(新分子:原本分子=110),顏色才看得清楚。

9.     所以我們假定,對「酸」滴定「鹼」,要讓顏色隨pH改變 

[In][HIn]110

10.  【例題】溴瑞香草酚藍 Bromthymol blue,是一個酸鹼指示劑,Ka1.0×107,在HIn的形式是黃色,在In的形式是藍色。假設我們把幾滴溴瑞香草酚藍滴入強酸溶液中,然後溶液再被NaOH滴定,pH值多少的時候,我們會看到指示劑的顏色開始改變?

11.  【解題】溴瑞香草酚藍的「酸的平衡常數Ka

Ka1.0×107=[H+][In][HIn]

12.  我們顏色的改變要達到看得見的地步,必須

[In][HIn] =110

意思是,當溶液含有1成的藍色和10成的黃色,我們就能看到最先出現的顏色改變:綠色。

13.  所以

Ka=1.0×107=[H+](1)10

[H+]1.0×106 pH6.0

當溶液的pH值是6.0的時候,可以率先看到溶液顏色的改變。

14.  韓德森方程式能幫助我們判斷酸鹼指示劑顏色改變的問題。舉例來說,對指示劑HIn使用方程式,得到

pHpKa+log([In][HIn])

Ka是酸HIn的游離常數酸的平衡方程式。

15.  我們認為要看到顏色改變,原始的酸HIn與鹼In的比例必須是

[In][HIn]110

16.  我們用韓德森方程式就可能判斷在多少pH值時顏色會改變:

pHpKa+log(110)pKa1

17.  對溴瑞香草酚藍bromthymol blueKa1×107, pKa7),顏色改變的pH值是

pH716

如同我們在例題所計算的結果。

18.  一份被滴定的鹼性溶液,一開始裡面的指示劑是In,但是後來增加了酸,產生愈來愈多的HIn。在這裡,當溶液裡指示劑成分的比例是In十倍於HIn,顏色的改變就看得見。也就是會發生顏色從藍色變為藍綠色。因為溶液裡還有一些黃色的HIn分子。

19.  當試劑HIn與共軛鹼In變為以下的比例,就可以看到顏色的改變:

[In] [HIn]101

特別留意這個方程式是酸被滴定的比例的倒數。

20.  把這個比例代入韓德森方程式,得到

pHpKa+log(101)pKa+1

21.  溴瑞香草酚藍在鹼性溶液中能讓我們看到顏色改變的pH值是

pH7+1=8

22.  簡而言之,當溴瑞香草酚藍用在酸性溶液被滴定的反應中,一開始溴瑞香草酚藍的分子形式是HIn(黃色),然後在pH6左右改變顏色。當溴瑞香草酚藍用在鹼性溶液被滴定的反應中,一開始溴瑞香草酚藍的分子形式是In(藍色),當pH值是8左右時顏色改變。

23.  因此溴瑞香草酚藍可測試的pH值範圍是:

pKa(溴瑞香草酚藍)±17±1

或者說pH值範圍從68

n         翻譯編寫Steven S. ZumdahlChemical Principles

n         圖片來源IUS.eduSciencebuddies.org

 


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