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pH值6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儀去觀測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，酚酞 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，Ka＝1.0×10^－8：

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⁺]＝1.0×10^－1）。那麼

Ka／[H⁺]＝(1.0×10^－8)／(1.0×10^－1)＝10^－7

＝[In^－]／[HIn]＝1／10,000,000

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＝1：10），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]＝1／10

10.  【例題】溴瑞香草酚藍 Bromthymol blue，是一個酸鹼指示劑，Ka＝1.0×10^－7，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」

Ka＝1.0×10^－7=[H⁺][In^－]／[HIn]

12.  我們顏色的改變要達到看得見的地步，必須

[In^－]／[HIn] =1／10

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=1.0×10^－7=[H⁺](1)／10

[H⁺]＝1.0×10^－6 或pH＝6.0

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

pH＝pKa+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]＝1／10

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：

pH＝pKa+log(1／10)＝pKa－1

17.  對溴瑞香草酚藍bromthymol blue（Ka＝1×10^－7,或 pKa＝7），顏色改變的pH值是

pH＝7－1＝6

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]＝10／1

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

pH＝pKa+log(10／1)＝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

pH＝7+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pH值6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）±1＝7±1

或者說pH值範圍從6到8。

n         翻譯編寫Steven S. Zumdahl《Chemical Principles》

n         圖片來源：IUS.edu、Sciencebuddies.org