[科普中國]-酸堿指示劑

用于酸堿滴定的指示劑，稱為酸堿指示劑。是一類結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的有機弱酸或有機弱堿，它們在溶液中能部分電離成指示劑的離子和氫離子（或氫氧根離子），并且由于結(jié)構(gòu)上的變化，它們的分子和離子具有不同的顏色，因而在pH不同的溶液中呈現(xiàn)不同的顏色。

簡介酸堿指示劑指的是用于酸堿滴定的指示劑，英文名稱：acid-base indicator。

酸堿指示劑一般是有機弱酸或弱堿，它們的共軛酸堿對具有不同結(jié)構(gòu)而呈現(xiàn)不同顏色。當(dāng)溶液的pH改變時，指示劑得到質(zhì)子，由堿式轉(zhuǎn)變?yōu)楣曹椝崾剑蚴ベ|(zhì)子，由酸式轉(zhuǎn)變?yōu)楣曹棄A式，由于其結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變而發(fā)生顏色的變化。1

發(fā)現(xiàn)經(jīng)過酸堿指示劑是檢驗溶液酸堿性的常用化學(xué)試劑，像科學(xué)上的許多其它發(fā)現(xiàn)一樣，酸堿指示劑的發(fā)現(xiàn)是化學(xué)家善于觀察、勤于思考。勇于探索的結(jié)果。

300多年前，英國年輕的科學(xué)家羅伯特·波義耳在化學(xué)實驗中偶然捕捉到一種奇特的實驗現(xiàn)象，有一天清晨，波義耳正準(zhǔn)備到實驗室去做實驗，一位花木工為他送來一籃非常鮮美的紫羅蘭，喜愛鮮花的波義耳隨手取下一塊帶進了實驗室，把鮮花放在實驗桌上開始了實驗。當(dāng)他從大瓶里傾倒出鹽酸時，一股刺鼻的氣體從瓶口涌出，倒出的淡黃色液體冒著白霧，還有少許酸沫飛濺到鮮花上。他想“真可惜，鹽酸弄到鮮花上了”。為洗掉花上的酸沫，他把花用水沖了一下，一會兒發(fā)現(xiàn)紫羅蘭顏色變紅了，當(dāng)時波義耳感到既新奇又興奮，他認為，可能是鹽酸使紫羅蘭顏色變紅色，為進一步驗證這一現(xiàn)象，他立即返回住所，把那籃鮮花全部拿到實驗室，取了當(dāng)時已知的幾種酸的稀溶液，把紫羅蘭花瓣分別放入這些稀酸中，結(jié)果現(xiàn)象完全相同，紫羅蘭都變?yōu)榧t色。由此他推斷，不僅鹽酸，而且其它各種酸都能使紫羅蘭變?yōu)榧t色。他想，這太重要了，以后只要把紫羅蘭花瓣放迸溶液，看它是不是變紅色，就可判別這種溶液是不是酸。偶然的發(fā)現(xiàn)，激發(fā)了科學(xué)家的探求欲望，后來，他又弄來其它花瓣做試驗，并制成花瓣的水或酒精的浸液，用它來檢驗是不是酸，同時用它來檢驗一些堿溶液，也產(chǎn)生了一些變色現(xiàn)象。

他還采集了藥草、牽?；ǎμ\、月季花、樹皮和各種植物的根……泡出了多種顏色的不同浸液，有些浸液遇酸變色，有些浸液遇堿變色，不過有趣的是，他從石蕊苔蘚中提取的紫色浸液，酸能使它變紅色，堿能使它變藍色，這就是最早的石蕊試液，波義耳把它稱作指示劑。為使用方便，波義耳用一些浸液把紙浸透、烘干制成紙片，使用時只要將小紙片放入被檢測的溶液，紙片上就會發(fā)生顏色變化，從而顯示出溶液是酸性還是堿性。今天，我們使用的石蕊、酚酞試紙、pH試紙，就是根據(jù)波義耳的發(fā)現(xiàn)原理研制而成的。

后來，隨著科學(xué)技術(shù)的進步和發(fā)展，許多其它的指示劑也相繼被另一些科學(xué)家所發(fā)現(xiàn)。

分類常用的酸堿指示劑主要有以下四類：

1、 硝基酚類 這是一類酸性顯著的指示劑，如對-硝基酚等。

2、 酚酞類 有酚酞、百里酚酞和α-萘酚酞等，它們都是有機弱酸。

3、磺代酚酞類 有酚紅、甲酚紅、溴酚藍、百里酚藍等，它們都是有機弱酸。

4、偶氮化合物類 有甲基橙、中性紅等，它們都是兩性指示劑，既可作酸式離解，也可作堿式離解。

用量要求堿指示劑應(yīng)該選用甲基橙作指示劑。

1．雙色指示劑的變色范圍不受其用量的影響，但因指示劑本身就是酸或堿，指示劑的變色要消耗一定的滴定劑，從而增大測定的誤差。對于單色指示劑而言，用量過多，會使用變色范圍向pH值減小的方向發(fā)生移動，也會增大滴定的誤差。例如：用0.1mol/L NaOH滴定0.1mol/L HAc，pH≈8.5，突躍范圍為pH8.70～9.00，滴定體積若為50ml，滴入2～3滴酚酞，大約在pH≈9時出現(xiàn)紅色；若滴入10～15滴酚酞，則在pH≈8時出現(xiàn)紅色。顯然后者的滴定誤差要大得多。

指示劑用量過多，還會影響變色的敏銳性。例如：以甲基橙為指示劑，用HCl滴定NaOH溶液，終點為橙色，若甲基橙用量過多則終點敏銳性就較差。

2．溫度和溶劑

溫度的變化會引起指示劑電離常數(shù)和水的質(zhì)子自遞常數(shù)發(fā)生變化，因而指示劑的變色范圍亦隨之改變，對堿性指示劑的影響較酸性指示劑更為明顯。不同的溶劑具有不同的介電常數(shù)和酸堿性，因而也會影響指示劑的電離常數(shù)和變色范圍。

3．指示劑的選擇

指示劑選擇不當(dāng)，加之肉眼對變色點辨認困難，都會給測定結(jié)果帶來誤差。

因此，在多種指示劑中，選擇指示劑的依據(jù)是：要選擇一種變色范圍恰好在滴定曲線的突躍范圍之內(nèi)，或者至少要占滴定曲線突躍范圍一部分的指示劑。這樣當(dāng)?shù)味ㄕ迷诘味ㄇ€突躍范圍之內(nèi)結(jié)束時，其最大誤差不過0.1%，這是容量分析容許的。2

變色原理酸堿指示劑既然都是一些有機弱酸或有機弱堿，那么在不同的酸堿性溶液中，它們的電離程度就不同，于是會顯示不同的顏色。pH試紙則是由多種指示劑混合液制成的，通常情況下pH試紙就顯金黃色，pH≈5，可見在制作時，已將指示劑混合液調(diào)至弱酸性，并不是中性，這是為了減弱空氣中CO2對測定的影響。此外，中和反應(yīng)時，使用酸堿指示劑只能用2～3滴，也是因為酸堿指示劑都是有機酸或有機堿，用多了會增大誤差的。

石蕊和酚酞都是酸堿指示劑，它們是一種弱的有機酸。在溶液里，隨著溶液酸堿性的變化，指示劑的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而顯示出不同的顏色。

石蕊（主要成分用HL表示）在水溶液里能發(fā)生如下電離： HL←→H++L-（H+ 紅色， L-藍色）

在酸性溶液里，紅色的分子是存在的主要形式，溶液顯紅色；在堿性溶液里，上述電離平衡向右移動，藍色的離子是存在的主要形式，溶液顯藍色；在中性溶液里，紅色的分子和藍色的酸根離子同時存在，所以溶液顯紫色。

石蕊能溶于水，且能溶于酒精，變色范圍是pH 5.0～8.0

酚酞是一種有機弱酸，它在酸性溶液中，濃度較高時，形成無色分子。但隨著溶液中H+濃度的減小，OH-濃度的增大，酚酞結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，并進一步電離成紅色離子這個轉(zhuǎn)變過程是一個可逆過程，如果溶液中H+濃度增加，上述平衡向反方向移動，酚酞又變成了無色分子。因此，酚酞在酸性溶液里呈無色，當(dāng)溶液中H+濃度降低，濃度升高時呈紅色。酚酞的變色范圍是pH 8.0～10.0。

酚酞的醌式或醌式酸鹽，在堿性介質(zhì)中是很不穩(wěn)定的，它會慢慢地轉(zhuǎn)化成無色的羧酸鹽式因此做氫氧化鈉溶液使酚酞顯色實驗時，要用氫氧化鈉稀溶液，而不能用濃溶液。3

影響酸堿指示劑變色范圍的因素在實際中，影響酸堿指示劑變色范圍的因素主要有兩方面：一種是影響指示劑常數(shù)KHln的因素，包括溫度、溶劑、溶液的離子強度等，其中溫度的影響較大。另一種是影響變色范圍寬度的因素，如指示劑用量、滴定程序等，現(xiàn)具體討論如下。

1．溫度溫度改變時，指示劑常數(shù)KHln及水的離子積KW均有改變，因此指示劑的變色范圍也隨之發(fā)生改變。例如，18℃時，甲基橙的變色范圍為3.1～4.4，而100℃時，變?yōu)?.5～3.7。因此，滴定宜在室溫下進行。如必須加熱，應(yīng)該將溶液冷卻后再進行滴定。

2．溶劑 指示劑在不同溶劑中其pKHln值是不同的，因此在不同溶劑中的變色范圍不同。例如，甲基橙在水溶液中pKHln=3.4，在甲醇中pKHln=3.8。

3．中性電解質(zhì)溶液中性電解質(zhì)的存在增加了溶液的離子強度，使指示劑常數(shù)改變，影響到指示劑的變色范圍。此外，某些電解質(zhì)還具有吸收不同波長光波的性質(zhì)，會引起指示劑顏色深度、色調(diào)及變色靈敏度的改變。所以在滴定溶液中不宜有大量鹽類存在。

4．指示劑用量指示劑的用量（濃度）是一個重要因素。對于單色指示劑（如酚酞、百里酚酞），指示劑的用量對變色范圍有較大影響。從指示劑變色的平衡關(guān)系看出：

HIn←→H++In-

設(shè)指示劑總濃度為c，人眼觀察到紅色堿式的最低濃度為一固定值a，代入平衡式，則

KHln/[H+]=[In-]/[Hln]=a/(a-c)

式中，KHln是定值，如果c增大了，則[H+]會相應(yīng)增大，酚酞指示劑將在較低pH值變色。例如，在50～100ml溶液中加入2～3滴0.1%酚酞，在pH≈9時出現(xiàn)為紅色；而在同樣條件下，如加入15～20滴酚酞，在pH≈8時就會出現(xiàn)為紅色。因此．對單色指示劑須嚴格控制指示劑用量。

對于雙色指示劑，指示劑用量多少不會影響變色范圍。但溶液中指示劑的濃度大時可能致使終點時顏色變化不敏銳。另外指示劑本身也要消耗滴定劑．使滴定誤差增大。因此，指示劑用量一般少一些為宜，只要達到變色靈敏度，用量越少越好。

5．滴定程序溶液由淺色滴定到深色時，便于觀察終點顏色的變化。所以滴定程序宜是當(dāng)指示劑顏色由酸式或堿式色變?yōu)榛旌仙珪r，溶液顏色由淺色變化到深色。例如，用酚酞作指示劑，滴定程序一般為用堿滴定酸，終點由無色變?yōu)榉奂t色，容易辨別。而用甲基橙作指示劑，一般用酸滴定堿，終點由黃色變?yōu)槌壬子诒嬲J。1

常用的酸堿指示刑各種不同的酸堿指示劑，具有不同的變色范圍，有的在酸性溶液中變色，如甲基橙、甲基紅等；有的在中性附近變色，如中性紅、苯酚紅等；有的則在堿性溶液中變色，如酚酞、百里酚酞等。幾種常用酸堿指示劑及其變色范圍列于下表。1

|| || 幾種常用酸堿指示劑

自制方法有許多植物色素在不同pH值的溶液里會呈現(xiàn)出不同的顏色。因此，每個地方都可以就地取材，自制一些酸堿指示劑。下面介紹一些自制的方法：

1.從紅蘿卜皮中提取酸堿指示劑：刮下紅蘿卜的紅皮后，用95%的酒精浸泡一天左右，過濾取出它的濾液即酸堿指示劑。按檢驗的需要制作pH1～14的標(biāo)準(zhǔn)液若干個，每個標(biāo)準(zhǔn)液取10ml分置于試管中，再分別加入紅蘿卜皮浸泡液10滴，塞緊作為比色樣品。在某待測溶液中加入紅蘿卜浸泡液，顏色發(fā)生變化后再與比色樣品比較，就能確定待測溶液pH值的大致范圍。

2. 從紫草中提取酸堿指示劑：取紫草5g，用50%的酒精浸泡一天可得到紫草素的紫色的酒精溶液即酸堿指示劑。其遇到酸堿的變色與石蕊試液相同。

3. 從紫色卷心菜中提取酸堿指示劑：取約250g紫色卷心菜，洗凈切碎置于不銹鋼鍋中加水煮沸10分鐘，然后過濾冷卻置于容器中即可用作酸堿指示劑。其用法可參照上述操作1的方法。

4. 從米莧菜中提取酸堿指示劑：其操作方法同操作3。

5.用咖喱粉制酸堿指示劑：取一藥匙咖喱粉，用50%的調(diào)成糊狀，涂在一塊白布的兩面上，放置一段時間后用水沖去多余的咖喱粉，白布被染成黃色，這就制成一塊可以多次反復(fù)使用的酸堿指示布。它遇堿性溶液時呈紅色，遇酸性溶液時呈黃褐色。每次用完后，用水把布上的酸性或堿性物質(zhì)漂洗干凈，指示布又恢復(fù)原來的黃色?？梢怨┫麓卫^續(xù)使用。

還有很多植物的色素如月季花、菊花、牽牛花等的浸出液都可以制成不同的酸堿指示劑。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

張靜 - 副教授 - 西南大學(xué)