Вещества, изменяющие окраску при изменении реакции среды, — индикаторы – чаще всего сложные органические соединения – слабые кислоты или слабые основания. Схематично состав индикаторов можно выразить формулами НInd или IndOH, где Ind – сложный органический анион или катион индикатора.
Принцип применения индикаторов основан на том, что недиссоциированные молекулы индикатора и его Ind–ионы имеют в растворе разную окраску, и окраска раствора изменяется в зависимости от пложения равновесия диссоциации индикатора. Например, фенолфталеин (кислотный индикатор) имеет молекулы бесцветные, а анионы малиновые . метилоранж (основной индикатор) – желтые молекулы и красные катионы.
фенолфталеин метилоранж
HInd H+ + Ind– IndOH
Ind+ + OH–
бесцв. малинов. желт. красн.
Индикаторы, как слабые электролиты, имеют малые величины констант диссоциации. Например, Кд фенолфталеина равна 2∙10-10 и в нейтральных средах он находится преимущественно в виде своих молекул вследствие очень малой концентрации ионов, почему и остается бесцветным. При добавлении щелочи Н+-ионы фенолфталеина связываются, «стягиваются» с ОН–-ионами щелочи, образуя молекулы воды, и положение равновесия диссоциации индикатора смещается вправо – в сторону увеличения концентрации Ind–-ионов, появляется малиновое окрашивание. При добавлении в этот же раствор кислоты одновременно с нейтрализацией щелочи – при достаточной концентрации Н+-ионов – положение равновесия диссоциации индикатора смещается влево, в сторону моляризации, раствор снова обесцвечивается. Аналогично происходит изменение окраски метилоранжа: желтая в нейтральной среде переходит в красную в кислой среде при добавлении H+-ионов и снова в желтую при добавлении OH–-ионов.
|
|
Таким образом, окраска индикаторов зависит от рН-среды.
Раствор, содержащий индикатор, непрерывно изменяет свою окраску при изменении рН. Человеческий глаз, однако, не очень чувствителен к таким изменениям. Диапазон, в котором наблюдается изменение окраски индикатора, определяется физиологическими пределами восприятия цвета человеческим глазом. При нормальном зрении глаз способен различить присутствие одной окраски в смеси ее с другой окраской только при наличии как минимум некоторой пороговой плотности первой окраски: изменение окраски индикатора воспринимается только в той области, где имеется 5-10-кратный избыток одной формы по отношению к другой. Рассматривая в качестве примера HInd и характеризуя состояние равновесия
HInd H+ + Ind–
соответствующей константой
,
можно написать, что индикатор проявляет свою чисто кислотную окраску, обычно улавливаемую наблюдателем, при
|
|
,
а чисто щелочную окраску при
.
Внутри интервала, определяемого этими величинами, проявляется смешанная окраска индикатора.
Таким образом, глаз наблюдателя различает изменение окраски лишь при изменении реакции среды в интервале около 2-х единиц рН. Например, у фенолфталеина этот интервал рН от 8,2 до 10,5: при рН=8,2 глаз наблюдает начало появления розовой окраски, которая все усиливается до значения рН=10,5, а при рН=10,5 усиление красной окраски уже незаметно. Этот интервал значений рН, в котором глаз различает изменение окраски индикатора, называют интервалом перехода окраски индикатора.
Указанный диапазон рН величиной приблизительно в 2 единицы для различных индикаторов не приходится на одну и ту же область шкалы рН, так как его положение зависит от конкретного значения константы диссоциации каждого индикатора. В табл.4 приложения приведены интервалы перехода и цвета наиболее распространенных кислотно-основных индикаторов.
