شاخص ها- ترکیبات آلی که می توانند رنگ محلول را با تغییر اسیدیته (pH) تغییر دهند. شاخص ها به طور گسترده ای در تیتراسیون در شیمی تجزیه و بیوشیمی استفاده می شود. مزیت آنها هزینه پایین، سرعت و دید مطالعه است.
اندیکاتورها معمولاً با افزودن چند قطره محلول آبی یا الکلی یا کمی پودر به نمونه محلول آزمایش استفاده می شوند. بنابراین، در طول تیتراسیون، یک شاخص به مقدار کمی از محلول آزمایش اضافه می شود و تغییرات رنگ در نقطه هم ارزی مشاهده می شود.

فواصل انتقال رنگ نشانگر

شکل داده های تقریبی را در مورد وجود اشکال رنگی مختلف شاخص ها در محلول های آبی نشان می دهد.
برای اطلاعات دقیق تر (انتقال های چندگانه، مقدار pH عددی)، بخش بعدی را ببینید.

جدول مقادیر انتقال pH برای رایج ترین شاخص ها

شاخص های اسید-باز رایج در عمل آزمایشگاهی به ترتیب صعودی مقادیر pH داده می شود که باعث تغییر رنگ می شود. اعداد رومی در پرانتز مربع با عدد انتقال رنگ (برای نشانگرهایی با نقاط انتقال چندگانه) مطابقت دارد.

اعتقاد بر این است که رنگ یک شکل از نشانگر در صورتی قابل توجه است که غلظت آن 10 برابر بیشتر از غلظت شکل دیگر باشد، یعنی. اگر نسبت / = /K ln برابر با 0.1 یا 10 باشد. تغییر در رنگ نشانگر در ناحیه pH = pK lp b 1، به نام to-ry مشخص می شود. فاصله انتقال نشانگر تغییر حداکثر به طور مشخص وقتی = و K ln = [H 3 O] +، یعنی. در pH = pKln. مقدار pH، در Krom، تیتراسیون معمولا به پایان می رسد، نامیده می شود. نشانگر تیتراسیون pT. شاخص های تیتراسیون به گونه ای انتخاب می شوند که فاصله انتقال رنگ شامل مقدار pH باشد که محلول باید در نقطه هم ارزی داشته باشد. اغلب این مقدار pH با pT شاخص مورد استفاده مطابقت ندارد، که منجر به به اصطلاح می شود. خطای نشانگر اگر در K. t. t. بیش از حد یک پایه ضعیف تیتر نشده یا به شما وجود داشته باشد، خطا نامیده می شود. پاسخ بازی یا اسید حساسیت نشانگر غلظت (بر حسب مول در لیتر) یون تعیین شده است (در این مورد، H + یا OH - ) در نقطه حداکثر. تغییر رنگ ناگهانی متمایز کردن: شاخص های حساس به آنجا، با فاصله زمانی انتقال در زمینه مقادیر قلیایی pH (به عنوان مثال، فنل فتالئین، تیمولفتالئین). شاخص های حساس به پایه با فاصله گذار در ناحیه اسیدی (مانند دی متیل زرد، متیل نارنجی و غیره)؛ شاخص های خنثی، فاصله انتقال به ریخ تقریباً است. PH 7 (قرمز خنثی، قرمز فنل و غیره).و شاخص ها با یک یا دو فرم رنگی عرضه می شوند. چنین شاخص هایی نامیده می شوند پاسخ تک رنگ و دو رنگ. نایب. تغییر رنگ واضحی در آن شاخص‌ها مشاهده می‌شود که شکل‌های اسیدی و بازی آن‌ها علاوه بر رنگ‌آمیزی است. رنگ ها با این حال، چنین شاخص هایی وجود ندارد. بنابراین با افزودن یک رنگ، رنگ های هر دو شکل مطابق آن تغییر می کند. بنابراین، در قرمز متیل، انتقال از قرمز به زرد در محدوده 2 واحد pH رخ می دهد و اگر متیلن آبی به محلول اضافه شود، انتقال رنگ از قرمز-بنفش به سبز به وضوح و در pH 5.3 مشاهده می شود. اثر مشابهی را می توان با استفاده از مخلوطی از دو نشانگر که رنگ های آنها مکمل یکدیگر هستند به دست آورد. دوست چنین شاخص هایی نامیده می شوند مخلوط (جدول 2).


مخلوطی از اندیکاتورها به طور مداوم رنگ خود را در کل محدوده مقادیر pH از 1 تا 14 تغییر می دهند. جهانی. آنها برای حدود استفاده می شوند. ارزیابی محلول های pH تغییر رنگ نشانگر تحت تأثیر غلظت آن است. برای نشانگرهای دو رنگ، هر چه غلظت بیشتر باشد، تغییر رنگ به شدت کمتر می شود، زیرا. طیف جذبی هر دو شکل بیشتر همپوشانی دارند و تشخیص تغییر رنگ دشوارتر می شود. معمولاً از همان حداقل (چند قطره محلول) مقدار نشانگر استفاده کنید. فاصله گذار بسیاری از شاخص ها به t-ry بستگی دارد. بنابراین، متیل نارنجی در دمای اتاق در محدوده pH 3.4-4.4 و در 100 درجه سانتیگراد در محدوده pH 2.5-3.3 تغییر رنگ می دهد. این به دلیل تغییر محصول یونی آب است. ذرات کلوئیدی موجود در محلول شاخص ها را جذب می کنند که منجر به تغییر کامل رنگ آن می شود. برای جلوگیری از خطا در حضور ذرات کلوئیدی با بار مثبت، نشانگرها باید در حضور استفاده شوند. دارای بار منفی - نشانگرهای اسید. هنگام تیتراسیون در شرایط عادی، اثر CO 2 محلول باید در نظر گرفته شود، به ویژه هنگام استفاده از شاخص هایی با pK ln > 4 (مانند متیل اورانژ، متیل قرمز، فنل فتالئین). گاهی اوقات CO 2 قبلاً با جوشاندن حذف می شود یا در غیاب تماس با جو با یک محلول تیتر می شود. تأثیر الکترولیت های خنثی خارجی (اثر نمک) در تغییر در تعادل شاخص ها آشکار می شود. در مورد نشانگرهای اسیدی، فاصله انتقال به ناحیه اسیدی تر و در مورد شاخص های پایه به ناحیه قلیایی تر تغییر می کند. بسته به ماهیت حلال، رنگ نشانگرها، pK ln و حساسیت آنها تغییر می کند. بنابراین، متیل رد در آب در مقادیر بالاتری از فعالیت یون های H + نسبت به بروموفنل آبی، و بالعکس در محلول اتیلن گلیکول، تغییر رنگ می دهد. در محلول های آب- متانول و آب- اتانول تغییر در مقایسه با محیط آبی ناچیز است. در یک محیط الکلی، شاخص های اسید نسبت به شاخص های باز نسبت به یون های H + حساس تر هستند. اگرچه هنگام تیتراسیون در محیط های غیر منفی، KT معمولاً به صورت پتانسیومتری با استفاده از الکترود نشانگر شیشه ای تنظیم می شود، شاخص های اسید-باز نیز استفاده می شود (جدول 3). اغلب، متیل رد در دی اکسان یا کریستال ویولت در CH 3 COOH بی آب برای تیتر کردن بازهای ضعیف استفاده می شود. هنگام تیتراسیون ضعیف به تیمول آبی در DMF. رفتار اندیکاتورها در محیط های غیر آبی و آبی مشابه است. به عنوان مثال، برای یک HIn ضعیف به شما در p-حلال SH، می توانید تعادل را بنویسید: Hin + SH D در- + SH 2 + . مکانیسم عملکرد شاخص ها مانند آب است، فقط در محیط های غیر آبی از مقیاس های اسیدیته مناسب استفاده می کنند (pH p, pA؛ تیتراسیون اسید-باز را ببینید). به عنوان نشانگرهای اسید-باز، از نشانگرهای فلورسنت نیز استفاده می شود که بسته به pH رنگ و شدت فلورسانس را تغییر می دهند و امکان تیتراسیون محلول های با رنگ قوی و کدر را فراهم می کنند.

برای تیتراژ ضعیف به - t اعمال می شود. نشانگرهای ابری در داخل وارونه، تشکیل سیستم های کلوئیدی برگشت پذیر، انعقاد در محدوده pH بسیار باریک (به عنوان مثال، ایزونیترواستیل-n-آمینو بنزن کدورت را در pH 10.7-11.0 می دهد). کمپلکس‌های فلزی با شاخص‌های متالوکرومی را می‌توان به عنوان شاخص‌های اسید-باز استفاده کرد (به زیر مراجعه کنید). این کمپلکس ها در حال فروپاشی، رنگ محلول را در محدوده PH باریک تغییر می دهند. برای تعیین سازمان to-t و بازها در آب در حضور. محلول غیر قابل اختلاط با آن به اصطلاح استفاده می شود. نشانگرهای آمفی، تا چاودار نمک های اندیکاتور اسیدها (به عنوان مثال، تروپئولین 00) با تجزیه هستند. org بازها (به عنوان مثال آلکالوئیدها). این شاخص ها به خوبی حل می شوند. در سازمان p-حامیان، بد در آب; بسیار حساس هستند شاخص های جذب موادی که می توانند روی سطح رسوب جذب شوند و رنگ یا شدت لومینسانس را تغییر دهند. این شاخص ها معمولاً برگشت پذیر هستند و در تیتراسیون بارش استفاده می شوند. اول از همه، یون هایی که توسط رسوب جذب می شوند، یکسان هستند. بخشی از رسوب هستند و پس از آن شاخص جذب می شود. گروه بزرگی از شاخص ها رنگ ها هستند (جدول 4) که توسط سطح رسوب با تشکیل نمک ها با یون های موجود در رسوب جذب می شوند.


به عنوان مثال، محلول ائوزین صورتی است، زمانی که AgNO 3 اضافه می شود، to-ry تغییر نمی کند. اما هنگامی که با محلول KBr تیتر می شود، رسوب یون های Ag + را جذب می کند که آنیون های ائوزین را به خود متصل می کند. رسوب به رنگ قرمز مایل به بنفش در می آید. در c.t.t وقتی همه یون های Ag + تیتر می شوند، رنگ رسوب از بین می رود و محلول دوباره صورتی می شود. Inorg. جذب شاخص ها یک رسوب رنگی یا کمپلکس با یون های تیترانت تشکیل می دهند (مثلاً یون های CrO 4 که به عنوان نشانگر استفاده می شوند.- و SCN- در آرژانتومتری). به عنوان یک جاذب شاخص ها نیز استفاده می شود nek-ry اسید باز، oxidize.-restore. و کمپلکس سنجی شاخص‌ها، جزایر سنت تا ریخ (ثابت تفکیک اسید، پتانسیل‌های اکسیدکننده-کاهشی و ثابت‌های پایداری کمپلکس‌ها با کاتیون‌های فلزی) در جذب. حالت به ماهیت و غلظت یون ها در سطح رسوب بستگی دارد. کاهش اکسیداسیون نشانگرها - in-va، قادر به تغییر رنگ بسته به اکسیداسیون.-بازیابی. پتانسیل r-ra برای ایجاد K. t. t. oxidize-restore استفاده می شود. تیتراسیون و برای رنگ سنجی. تعاریف okislit.-restore. پتانسیل (در درجه اول در زیست شناسی). چنین شاخص هایی معمولاً جزایر هستند که چاودار خود تحت اکسیداسیون یا کاهش قرار می گیرند و فرم های اکسید شده (در گاو) و کاهش یافته (در قرمز) رنگ های مختلفی دارند. برای اکسیداسیون برگشت پذیر.-بازیابی. شاخص ها را می توان نوشت: در Ox + ne D در قرمز، جایی که n تعداد الکترون ها است. در پتانسیل E، نسبت غلظت هر دو شکل نشانگر با معادله نرنست تعیین می شود:
,
جایی که E ln - واقعی okislit.-restore. پتانسیل نشانگر بسته به ترکیب محلول. فاصله انتقال رنگ عملاً هنگامی مشاهده می شود که نسبت / از 0.1 به 10 تغییر کند که در 25 درجه سانتیگراد مطابق با D E (در V) = E ln b (0.059/n). پتانسیل مربوط به واضح ترین تغییر رنگ E ln است. هنگام انتخاب یک شاخص، Ch. arr مقادیر E ln، ضریب رستگاری مولی هر دو شکل نشانگر و پتانسیل محلول در نقطه هم ارزی. هنگام تیتراسیون با عوامل اکسید کننده قوی (K 2 Cr 2 O 7 ، KMnO 4 و غیره) از شاخص هایی استفاده می شود که دارای Eln نسبتاً بالایی هستند ، به عنوان مثال ، دی فنیل آمین و مشتقات آن. هنگام تیتراسیون با عوامل کاهنده قوی [نمک های Ti(III)، V(II، و غیره]، از شاخص هایی با Eln نسبتاً کم استفاده می شود، به عنوان مثال، سافرانین، متیلن بلو (جدول 5).


برخی از in-va رنگ خود را به طور غیر قابل برگشت تغییر می دهند، به عنوان مثال، هنگامی که اکسید می شوند، با تشکیل بی رنگ از بین می روند. محصولاتی مانند نیل تحت تأثیر هیپوکلریت ها یا نفتول آبی-سیاه تحت تأثیر یون های BrO 3. اندیکاتورهای کمپلکسومتری - موادی که با یون های فلزی (M) کمپلکس های رنگی تشکیل می دهند که از نظر رنگ با خود شاخص ها متفاوت است و برای ایجاد K.T.T در کمپلکس سنجی استفاده می شود. پایداری کمپلکس های فلزی با اندیکاتورها (In) کمتر از کمپلکس های مربوطه است. بنابراین، کمپلکس‌ها نشانگرها را از کمپلکس‌های با فلزات در c.t.t جابجا می‌کنند. در لحظه تغییر رنگ در نقطه هم ارزی = و بنابراین، pM = - lg K Mln، که در آن pM = - lg[M] نامیده می شود. نقطه انتقال نشانگر، K Mln - ثابت پایداری مجموعه فلز با نشانگر. خطا در هنگام تیتراسیون به این دلیل است که تعداد معینی از

شاخص ها(از زبان lat. نشانگر - اشاره گر) - موادی که به شما امکان می دهد ترکیب محیط یا پیشرفت یک واکنش شیمیایی را نظارت کنید. یکی از رایج ترین نشانگرهای اسید و باز است که بسته به اسیدیته محلول تغییر رنگ می دهد. این اتفاق می افتد زیرا در یک محیط اسیدی و قلیایی، مولکول های شاخص ساختار متفاوتی دارند. یک مثال نشانگر رایج فنولفتالئین است که قبلاً به عنوان ملین به نام purgen نیز استفاده می شد. در محیط اسیدی این ترکیب به صورت مولکول های تفکیک نشده و محلول بی رنگ و در محیط قلیایی به صورت آنیون های تک باردار و محلول به رنگ زرشکی است. سانتی متر. تجزیه الکترولیتی. الکترولیت ها). با این حال، در یک محیط به شدت قلیایی، فنل فتالئین دوباره بی رنگ می شود! این به دلیل تشکیل شکل بی رنگ دیگری از نشانگر - به شکل یک آنیون سه باردار اتفاق می افتد. در نهایت، در محیطی از اسید سولفوریک غلیظ، یک رنگ قرمز دوباره ظاهر می شود، البته نه به شدت. مقصر آن کاتیون فنل فتالئین است. این واقعیت کمتر شناخته شده می تواند منجر به خطا در تعیین واکنش محیط شود.

شاخص های اسید-باز بسیار متنوع هستند. بسیاری از آنها به راحتی در دسترس هستند و بنابراین برای بیش از یک قرن شناخته شده اند. اینها جوشانده یا عصاره گل های رنگی، انواع توت ها و میوه ها هستند. بنابراین، جوشانده زنبق، پنسی، لاله، زغال اخته، تمشک، تمشک، توت سیاه، کلم قرمز، چغندر و سایر گیاهان در محیط اسیدی قرمز و در محیط قلیایی سبز-آبی می شود. اگر قابلمه را با بقایای گل گاوزبان با آب صابون (یعنی قلیایی) بشویید، به راحتی قابل مشاهده است. با استفاده از یک محلول اسیدی (سرکه) و یک محلول قلیایی (نوشیدنی، یا بهتر است، نوشابه)، می توانید کتیبه هایی را روی گلبرگ ها با رنگ های مختلف قرمز یا آبی ایجاد کنید.

چای معمولی نیز یک شاخص است. اگر آب لیمو را بریزید یا چند کریستال اسید سیتریک را در یک لیوان چای غلیظ حل کنید، چای بلافاصله سبک تر می شود. اگر جوش شیرین را در چای حل کنید، محلول تیره می شود (البته نباید چنین چای بنوشید). چای تهیه شده از گل ("karkade") رنگ های بسیار روشن تری می دهد.

احتمالاً قدیمی ترین نشانگر اسید-باز تورنسل است. در سال 1640، گیاه شناسان هلیوتروپ (Heliotropium Turnesole) را توصیف کردند - یک گیاه معطر با گل های بنفش تیره، که رنگ از آن جدا شد. این رنگ همراه با آب بنفشه توسط شیمیدانان به عنوان یک شاخص به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفت که در محیط اسیدی قرمز و در محیط قلیایی آبی بود. این را می توان در نوشته های رابرت بویل فیزیکدان و شیمیدان مشهور قرن هفدهم خواند. در ابتدا با کمک یک شاخص جدید، آبهای معدنی مورد بررسی قرار گرفت و از حدود سال 1670 آنها شروع به استفاده از آن در آزمایشات شیمیایی کردند. پیر پومت شیمیدان فرانسوی در سال 1694 در مورد تورنسول نوشت: «به محض اینکه مقدار کمی اسید اضافه کنم، قرمز می شود، بنابراین اگر کسی بخواهد بداند که چیزی حاوی اسید است، می توان از آن استفاده کرد.» در سال 1704، دانشمند آلمانی M. Valentin این رنگ را تورنسل نامید، این کلمه در تمام زبان های اروپایی به جز فرانسوی باقی مانده است، در فرانسه تورنسل است که در لغت به معنای "چرخش پس از خورشید" است، همان چیزی است که فقط در یونانی است. به زودی مشخص شد که تورنسل را می توان از مواد خام ارزان تر، به عنوان مثال، از انواع خاصی از گلسنگ ها استخراج کرد.

متأسفانه، تقریباً همه شاخص های طبیعی دارای یک اشکال جدی هستند: جوشانده های آنها به سرعت خراب می شوند - ترش یا کپک می شوند (محلول های الکلی پایدارتر هستند). یکی دیگر از معایب، دامنه بسیار گسترده تغییر رنگ است. در این مورد، تشخیص، برای مثال، یک محیط خنثی از یک محیط کمی اسیدی یا یک محیط کمی قلیایی از یک محیط قوی قلیایی دشوار یا غیرممکن است. بنابراین، در آزمایشگاه های شیمیایی، از شاخص های مصنوعی استفاده می شود که به شدت رنگ خود را در محدوده های pH نسبتاً باریک تغییر می دهد. از این دست شاخص ها زیاد است و هر کدام دامنه خاص خود را دارند. به عنوان مثال، متیل ویولت رنگ را از زرد به سبز در محدوده pH 0.13 - 0.5 تغییر می دهد. متیل نارنجی - از قرمز (pH< 3,1) до оранжево-желтой (рН 4); бромтимоловый синий – от желтой (рН < 6,0) до сине-фиолетовой (рН 7,0); фенолфталеин – от бесцветной (рН < 8,2) до малиновой (рН 10); тринитробензол – от бесцветной (pH < 12,2) до оранжевой (рН 14,0).

در آزمایشگاه ها، اغلب از شاخص های جهانی استفاده می شود - مخلوطی از چندین شاخص جداگانه، انتخاب شده به گونه ای که محلول آنها به طور متناوب تغییر رنگ می دهد و هنگامی که اسیدیته محلول در محدوده وسیعی از pH تغییر می کند، از تمام رنگ های رنگین کمان عبور می کند (به عنوان مثال، از 1 تا 11). نوارهای کاغذ اغلب با محلول یک نشانگر جهانی آغشته می شوند، که به شما امکان می دهد با مقایسه رنگ نوار مرطوب شده با محلول با مقیاس رنگ مرجع، به سرعت (البته با دقت نه چندان بالا) pH محلول تجزیه و تحلیل شده را تعیین کنید. .

علاوه بر نشانگرهای اسید و باز از انواع دیگری از اندیکاتورها نیز استفاده می شود. بنابراین، اندیکاتورهای ردوکس بسته به اینکه یک عامل اکسید کننده یا کاهنده در محلول وجود داشته باشد، رنگ خود را تغییر می دهند. به عنوان مثال، شکل اکسید شده دی فنیل آمین بنفش است، در حالی که شکل احیا شده بی رنگ است. برخی از عوامل اکسید کننده می توانند خود به عنوان یک شاخص عمل کنند. به عنوان مثال، هنگام تجزیه و تحلیل ترکیبات آهن (II) در جریان واکنش

10FeSO4 + 2KMnO4 + 8H2SO4؟ 5Fe 2 (SO 4) 3 + 2MnSO 4 + K 2 SO 4 + 8H 2 O

محلول پرمنگنات اضافه شده تا زمانی که یون های Fe 2+ در محلول وجود داشته باشد بی رنگ می شود. به محض ظاهر شدن کوچکترین مقدار اضافی پرمنگنات، محلول رنگ صورتی به دست می آورد. با مقدار پرمنگنات مصرفی، محاسبه میزان آهن موجود در محلول آسان است. به طور مشابه، در تجزیه و تحلیل های متعدد با استفاده از روش یدومتری، ید خود به عنوان یک شاخص عمل می کند. برای افزایش حساسیت تجزیه و تحلیل، از نشاسته استفاده می شود، که امکان تشخیص کوچکترین مقدار اضافی ید را فراهم می کند.

شاخص های کمپلسونومتری به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند - موادی که ترکیبات پیچیده رنگی را با یون های فلزی (که بسیاری از آنها بی رنگ هستند) تشکیل می دهند. یک مثال T اریوکروم سیاه است. محلول این ترکیب آلی پیچیده رنگ آبی دارد و در حضور منیزیم، کلسیم و برخی یون‌های دیگر کمپلکس‌هایی به وجود می‌آید که به رنگ قرمز شرابی تند رنگ می‌شوند. تجزیه و تحلیل به شرح زیر انجام می شود: به محلولی حاوی کاتیون های تجزیه و تحلیل شده و یک شاخص، قوی تر، در مقایسه با اندیکاتور، عامل کمپلکس کننده به صورت قطره ای اضافه می شود، اغلب Trilon B. به محض اینکه Trilon به طور کامل همه کاتیون های فلزی را متصل کرد، وجود خواهد داشت. یک انتقال متمایز از قرمز به آبی باشد. از مقدار تریلون اضافه شده، به راحتی می توان محتوای کاتیون های فلزی در محلول را محاسبه کرد.

انواع دیگر شاخص ها نیز شناخته شده اند. به عنوان مثال، برخی از مواد روی سطح رسوب جذب می شوند و رنگ آن را تغییر می دهند. چنین شاخص هایی جذب نامیده می شوند. هنگام تیتراسیون محلول های ابری یا رنگی، که در آن تقریباً غیرممکن است تغییر رنگ نشانگرهای اسید-باز معمولی را مشاهده کنید، از نشانگرهای فلورسنت استفاده می شود. آنها بسته به pH محلول در رنگهای مختلف می درخشند (فلورسانس). به عنوان مثال، فلورسانس آکریدین از سبز در pH = 4.5 به آبی در pH = 5.5 تغییر می کند. مهم است که لومینسانس نشانگر به شفافیت و رنگ ذاتی محلول بستگی نداشته باشد.

ایلیا لینسون

روش های مختلفی برای تعیین غلظت (به طور دقیق تر، فعالیت) یون های هیدروژن (و بر این اساس، غلظت یون های هیدروکسید) وجود دارد. یکی از ساده ترین (رنگ سنجی) بر اساس استفاده است شاخص های اسید و باز بسیاری از اسیدها و بازهای آلی که رنگ خود را در محدوده باریکی از مقادیر pH تغییر می دهند، می توانند به عنوان چنین شاخص هایی عمل کنند.

اندیکاتورها اسیدها یا بازهای ضعیفی هستند که رنگ های متفاوتی به شکل تفکیک نشده و تفکیک نشده (یونی) خود دارند.

مثال.

1. فنل فتالئین اسیدی است که به شکل مولکولی (HJnd) در pH 8.1 ≤ بی رنگ است. آنیونهای فنل فتالئین (Jnd -) در pH 9.6 دارای رنگ قرمز مایل به بنفش هستند:

H Jnd  H + + Jnd -

بی رنگ  قرمز-بنفش

pH8.1 pH9.6

با کاهش غلظت یون های H + و افزایش غلظت یون های OH - شکل مولکولی فنل فتالئین به دلیل جدا شدن یون هیدروژن از مولکول ها و اتصال آن به یون هیدروکسید در آب آنیونی می شود. بنابراین، در pH 9.6، محلول در حضور فنل فتالئین رنگ بنفش قرمز به خود می‌گیرد. برعکس، در محلول های اسیدی در pH 8.1 ≥، تعادل به سمت شکل مولکولی نشانگر تغییر می کند که رنگ ندارد.

2. متیل نارنجی یک پایه ضعیف JndOH است , که به شکل مولکولی در pH 4.4  دارای رنگ زرد است. کاتیون های Jnd + در pH 3.0 محلول را قرمز رنگ می کنند:

JndOH  Jnd + + OH -

زرد  قرمز

pH4.4 pH3.0

فرم اسیدی نشانگر شکلی است که در محلولهای اسیدی غالب است و پایه ای فرم - موردی که در محلول های اساسی (قلیایی) وجود دارد. در محدوده مشخصی از مقادیر pH در محلول، مقدار مشخصی از هر دو شکل نشانگر می تواند به طور همزمان در تعادل باشد، در نتیجه یک رنگ انتقالی نشانگر رخ می دهد - این محدوده pH رنگ نشانگر است. انتقال یا به سادگی فاصله انتقال نشانگر

جدول 1 فواصل انتقال برخی از شاخص های رایج را نشان می دهد.

میز 1

شاخص های اسید-باز

برای تعیین سریع pH، استفاده از محلول یک شاخص جهانی نیز راحت است که مخلوطی از شاخص های مختلف است و دارای محدوده انتقال بزرگی است (مقادیر pH از 1 تا 10). بر اساس یک شاخص جهانی، صنعت نوارهای کاغذی ویژه ای را برای تعیین pH محلول ها با مقایسه با مقیاس ویژه برای تغییر رنگ آنها تحت تأثیر محلول آزمایش تولید می کند.

در روش رنگ سنجی برای تعیین دقیق pH از محلول های بافر استاندارد استفاده می شود که مقدار pH آن دقیقا مشخص و ثابت است.

محلول های بافر مخلوطی از اسیدها یا بازهای ضعیف با نمک آنها هستند. چنین مخلوط هایی یک مقدار pH معین را هم هنگام رقیق شدن و هم زمانی که مقادیر کمی اسیدهای قوی یا قلیایی اضافه می کنند حفظ می کنند.

موادی که با تغییر واکنش محیط تغییر رنگ می دهند، شاخص هستند - اغلب ترکیبات آلی پیچیده - اسیدهای ضعیف یا بازهای ضعیف. از نظر شماتیک، ترکیب شاخص ها را می توان با فرمول های НInd یا IndOH بیان کرد، که در آن Ind یک آنیون آلی پیچیده یا کاتیون نشانگر است.

در عمل، شاخص ها برای مدت طولانی مورد استفاده قرار گرفته اند، اما اولین تلاش برای توضیح عملکرد آنها در سال 1894 توسط استوالد انجام شد که نظریه یونی نامیده می شود. بر اساس این نظریه، مولکول‌های نشانگر تفکیک نشده و یون‌های Ind آن در محلول رنگ‌های متفاوتی دارند و رنگ محلول بسته به موقعیت تعادل تفکیک نشانگر تغییر می‌کند. به عنوان مثال، فنل فتالئین (شاخص اسید) دارای مولکول های بی رنگ و آنیون های زرشکی است. متیل نارنجی (شاخص اصلی) - مولکول های زرد و کاتیون های قرمز.

فنل فتالئین متیل اورنج

HIndH + + Ind–IndOH
Ind + +OH-

بی رنگ تمشک رنگ زرد قرمز

تغییر مطابق با اصل لو شاتلیه منجر به تغییر تعادل به راست یا چپ می شود.

با توجه به نظریه کروموفور (هانچ) که بعداً ظاهر شد، تغییر رنگ شاخص ها با بازآرایی برگشت پذیر اتم ها در مولکول یک ترکیب آلی همراه است. چنین بازآرایی برگشت پذیری در شیمی آلی، توتومریسم نامیده می شود. اگر در اثر تغییر تومور در ساختار، گروه های خاصی به نام کروموفورها در مولکول یک ترکیب آلی ظاهر شوند، آنگاه ماده آلی رنگ می گیرد. کروموفورها گروه‌هایی از اتم‌ها هستند که حاوی یک یا چند پیوند هستند که باعث جذب انتخابی ارتعاشات الکترومغناطیسی در ناحیه UV می‌شوند. گروه بندی اتم ها و پیوندها، مانند -N=N−، =С=S، −N=O، ساختارهای کینوئیدی و غیره می توانند به عنوان گروه های کروموفور عمل کنند.

هنگامی که یک تبدیل توتومریک منجر به تغییر در ساختار کروموفور می شود، رنگ تغییر می کند. اگر پس از بازآرایی، مولکول دیگر حاوی کروموفور نباشد، رنگ ناپدید می شود.

ایده های مدرن مبتنی بر نظریه یون کروموفوریک است که بر اساس آن تغییر رنگ شاخص ها به دلیل انتقال از شکل یونی به مولکولی و بالعکس همراه با تغییر در ساختار شاخص ها است. بنابراین، یک شاخص می تواند به دو شکل با ساختارهای مولکولی متفاوت وجود داشته باشد و این اشکال می توانند به یکدیگر تبدیل شوند و بین آنها در محلول تعادل برقرار شود.

به عنوان مثال، می‌توانیم تغییرات ساختاری در مولکول‌های شاخص‌های اسید-باز معمولی - فنل فتالئین و متیل اورانژ را تحت تأثیر محلول‌های قلیایی و اسیدی (در مقادیر مختلف pH) در نظر بگیریم.

واکنشی که در نتیجه آن به دلیل بازآرایی توتومری ساختار مولکول فنل فتالئین، یک گروه کروموفور در آن ظاهر می شود که باعث ظاهر شدن رنگ می شود، مطابق با معادله زیر پیش می رود:

بی رنگ بی رنگ بی رنگ

زرشکی

اندیکاتورها به عنوان الکترولیت های ضعیف دارای ثابت تفکیک کوچکی هستند. به عنوان مثال، Kd فنل فتالئین 2 ∙ 10 -10 است و در محیط های خنثی عمدتاً به شکل مولکول های آن به دلیل غلظت بسیار کم یون ها یافت می شود و به همین دلیل بی رنگ می ماند. هنگامی که قلیایی اضافه می شود، یون های H + فنل فتالئین متصل می شوند، با یون های قلیایی OH "انقباض" می کنند، مولکول های آب را تشکیل می دهند و موقعیت تعادل تفکیک نشانگر به سمت راست - به سمت افزایش غلظت یون های Ind- تغییر می کند. در یک محیط قلیایی، نمک دی سدیم تشکیل می شود که دارای ساختار کینوئیدی است که باعث رنگ نشانگر می شود. تغییر در تعادل بین اشکال توتومر به تدریج رخ می دهد. بنابراین، رنگ نشانگر بلافاصله تغییر نمی کند، بلکه از یک رنگ مخلوط به رنگ آنیون ها عبور می کند. هنگامی که یک اسید به همان محلول به طور همزمان با خنثی سازی یک قلیایی اضافه می شود - با غلظت کافی یون های H + - - موقعیت تعادل تفکیک نشانگر به سمت چپ تغییر می کند، به سمت مولار شدن، محلول دوباره تغییر رنگ می دهد.

به طور مشابه، رنگ متیل اورانژ تغییر می کند: مولکول های خنثی متیل اورانژ به محلول رنگ زرد می دهند که در نتیجه پروتونه شدن به قرمز تبدیل می شود که مطابق با ساختار کینوئید است. این انتقال در محدوده pH 4.4-3.1 مشاهده می شود:

زرد قرمز

بنابراین، رنگ نشانگرها به pH محیط بستگی دارد. شدت رنگ چنین شاخص هایی بسیار زیاد است و حتی با وارد کردن مقدار کمی از نشانگر به وضوح قابل مشاهده است که قادر به تأثیر قابل توجهی بر pH محلول نیست.

محلول حاوی نشانگر با تغییر pH به طور مداوم رنگ خود را تغییر می دهد. چشم انسان اما به چنین تغییراتی حساسیت چندانی ندارد. محدوده ای که در آن تغییر رنگ نشانگر مشاهده می شود با محدودیت های فیزیولوژیکی درک رنگ توسط چشم انسان تعیین می شود. با دید طبیعی، چشم تنها در صورتی قادر به تشخیص وجود یک رنگ در مخلوط آن با رنگ دیگر است که حداقل تراکم آستانه رنگ اول وجود داشته باشد: تغییر در رنگ نشانگر فقط در رنگ نشانگر درک می شود. ناحیه ای که در آن 5-10 برابر یک فرم نسبت به شکل دیگر زیاد است. HInd را به عنوان مثال در نظر بگیرید و وضعیت تعادل را مشخص کنید

هند
H + + Ind-

ثابت مربوطه

,

می توان نوشت که نشانگر رنگ کاملاً اسیدی خود را که معمولاً توسط ناظر گرفته می شود، نشان می دهد

,

و یک رنگ کاملا قلیایی در

در فاصله زمانی تعیین شده توسط این مقادیر، یک رنگ ترکیبی از نشانگر ظاهر می شود.

بنابراین، چشم ناظر تنها زمانی تغییر رنگ را تشخیص می دهد که واکنش محیط در محدوده حدود 2 واحد pH تغییر کند. به عنوان مثال، در فنل فتالئین، این محدوده PH از 8.2 تا 10.5 است: در pH = 8.2، چشم شروع به ظاهر شدن یک رنگ صورتی را مشاهده می کند که تا pH = 10.5 تشدید می شود و در pH = 10.5 افزایش قرمز است. رنگ در حال حاضر نامرئی این محدوده از مقادیر pH که در آن چشم تغییر رنگ نشانگر را تشخیص می دهد، فاصله انتقال رنگ نشانگر نامیده می شود. برای متیل اورنج، KD = 1.65 10 -4 و pK = 3.8. این بدان معنی است که در pH = 3.8، اشکال خنثی و تفکیک شده در غلظت های تقریباً مساوی در تعادل هستند.

محدوده pH مشخص شده تقریباً 2 واحد برای شاخص های مختلف در یک منطقه از مقیاس pH قرار نمی گیرد، زیرا موقعیت آن به مقدار خاص ثابت تفکیک هر نشانگر بستگی دارد: هرچه اسید HInd قوی تر باشد، انتقال اسیدی تر است. فاصله اندیکاتور است. روی میز. 18 فواصل انتقال و رنگ رایج ترین نشانگرهای اسید-باز را نشان می دهد.

برای تعیین دقیق تر مقدار pH محلول ها، از مخلوط پیچیده ای از چندین شاخص اعمال شده بر روی کاغذ صافی (به اصطلاح "شاخص جهانی Kolthoff") استفاده می شود. نواری از کاغذ نشانگر در محلول آزمایش آغشته می شود، روی یک بستر سفید ضد آب قرار می گیرد و رنگ نوار به سرعت با مقیاس مرجع برای pH مقایسه می شود.

جدول 18

فواصل انتقال و رنگ آمیزی در رسانه های مختلف

رایج ترین شاخص های اسید-باز