酸碱指示剂的变色范围
实验室k / 2019-07-06
指示剂在怎样的pH条件下变色呢?这就必须讨论指示剂的变色与溶液pH值的数量关系。
现以弱酸型指示剂为例来说明指示剂的变色与溶液pH的数量关系。弱酸型指示剂在溶液中的电离平衡可用下式表示：
HIn ⇋H+＋In-
达平衡时，KHIn＝[H+][In-]/[HIn]
KHIn为平衡常数，称指示剂的电离平衡常数，在一定温度下，它是一个常数值。
从上式得：
[H+]＝KHIn·[HIn]/[In-]
若以pH表示则为：
pH＝pKHIn－lg[HIn]/[In-]
HIn和In-分别代表两种不同结构的指示剂分子和离子，HIn的颜色称酸式色，In-的颜色称碱式色，二者的颜色不相同。在任何溶液中，指示剂的两种颜色必定同时存在，即溶液中指示剂的颜色应当是两种不同颜色的混合色，溶液的颜色由[HIn]/[In-]的比值来决定。当温度一定时，[HIn]/[In-]的比值由溶液pH而决定，也就是说，在一定的pH条件下，[HIn]/[In-]的比值一定，溶液的颜色也必然一定。溶液的pH改变时，溶液的颜色也就相应地发生改变。由于我们的视觉分辨能力有限，在两种颜色又能互相掩盖的情况下，pH的微小变化引起的[HIn]/[In-]比值微小变化通常不能用肉眼观察出来，只有当两种顔色的浓度比在10倍或10倍以上时，オ能看出浓度较大的那种颜色，而另一种颜色就看不出。
例如：当[HIn]/[In-]＝10时，只能看到[HIn]的酸式颜色
当[HIn]/[In-]＝1/10时，只能看到[In-]的碱式颜色
可见，我们只能在一定的浓度比范围内到指示剂的顔色变化。这一范围就是由
[HIn]/[In-]＝10 到 [HIn]/[In-]＝1/10
此时，溶液的pH值则分别为：
pH＝pKHIn－lg10＝pKHIn－1
pH＝pKHIn－lg1/10＝pKHIn＋1
即指示剂变色时的pH值范围为：
pH＝pKHIn±1
叫做指示剂的变色范围。由于不同的指示剂有不同的pKHIn值，所以它们的变色范围各不相同。
从上式可知，当pH≦pKHIn－1时，所观察到的是酸式色。
当pH≧pKHIn＋1时，所观察到的是碱式色。
当[HIn]＝[In-]时，即[HIn]/[In-]＝1
此时[H+]＝KHIn，pH＝pKHIn，观察到的是指示剂的中间色，即两种颜色的混合色。此时是指示剂变色最灵敏的一点，这时的pH值叫做指示剂的理论变色点。
根据理论上的推算，指示剂的变色范围是两个pH值单位。但实验测得的各种指示剂的变色范围并不都是两个pH单位，而是略有上下，这主要是人的眼睛对混合色调中两种颜色的敏感程度不同形成的。下面的计算可以帮助我们理解这个问题。
实验测得，甲基红变色范围的pH值为4.4～6.2，其[HIn]/[In-]比值的计算如下：
当pH＝4.4时，[H+]＝4.0×10(-5次方)M，甲基红的KHIn＝7.9×10(-6次方)
则：[H+]/KHIn＝[HIn]/[In-]＝4.0×10(-5次方)/7.9×10(-6次方)＝5.0
当pH＝6.2时，[H+]＝6.3×10(-7次方)M，得
[H+]/KHIn＝[HIn]/[In-]＝6.3×10(-7次方)/7.9×10(-6次方)＝1/12.5
上述计算表明，当酸式色的浓度比碱式色的浓度大5倍时，就能看到酸式色的红色；如要看到碱式色的黄色，则碱式色的浓度必须比酸式色的浓度大12.5倍，这是由于人眼对红色比黄色更敏感的缘故。所以变色范围在pH小的一端就距离理论变色点近些，在pH值大的端就距离理论变色点远些。因此，甲基红理论变色点为5.0，实际变色的范围不是5.0±1的4.0～6.0而是4.4～6.2。
一般变色范围不大于两个pH单位，也不小于1个pH单位。使用中希望指示剂的变色范围越窄越好，这样在等当点时，pH稍有改变，指示剂就能立即由一种颜色变为另一种颜色，说明指示剂变色敏锐，有利于提高测定的准确度。
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