Mikä on happoemäksen indikaattori?

Happo-emäs-indikaattorit ovat yhdisteitä tai kemikaaleja, joilla on huomattavasti erilaisia ​​värejä eri pH-arvoissa . Vaikka niiden avulla voidaan näyttää liuoksen pH-alue yhdellä silmäyksellä, niitä käytetään pääasiassa kemian laboratorioissa keinona visualisoida ekvivalenssipiste happo-emästitrauksen tai -titrauksen aikana.

Nämä yhdisteet ovat aina heikkoja orgaanisia happoja tai emäksiä, joilla on eri väri protonoituessaan (alhaisessa pH:ssa) kuin deprotonoitaessa (korkeassa pH:ssa). Ne ovat yleensä yksiproottisia tai yksiemäksisiä lajeja, mikä tarkoittaa, että ne ovat mukana vain yhdessä ionitasapainossa ja niissä on yksi värimuutos.

Joitakin tyypillisiä esimerkkejä happoemäs-indikaattoreista ovat fenolftaleiini, metyylipunainen ja tymolinsininen. Kotitekoisia happo-emäs-indikaattoreita, kuten punakaaliuutetta (punakaali), voidaan myös valmistaa. Tämä voidaan valmistaa yksinkertaisesti keittämällä punakaalia vedessä muutaman minuutin ajan. Tuloksena oleva liuos esittelee sarjan värejä eri pH-arvoilla, jotka vaihtelevat punaisesta, violetista, syvän vihreästä keltaiseen.

Happo-emäs-indikaattorin käsite liittyy läheisesti happo-emästitrauksiin ja kahteen muuhun asiaan liittyvään käsitteeseen, ekvivalenssipisteeseen ja loppupisteeseen . Kun ymmärrät, mistä kussakin on kyse, voit ymmärtää paremmin, mitä happoemäs-indikaattorit ovat ja mihin ne on tarkoitettu.

Happoemästitraukset

Happo-emästitraukset ovat analyyttisiä tekniikoita, joita kemistit käyttävät määrittäessään hapon tai emäksen (kutsutaan analyytiksi) pitoisuutta tuntemattomassa näytteessä . Tätä varten otetaan alikvootti analysoitavasta näytteestä ja lisätään tipoittain emäksen tai hapon liuosta, jonka pitoisuus tunnetaan ( titrantti ) , kunnes analyytti on täysin neutraloitunut.

Tarkkaa pistettä, jossa analyytti neutraloituu, kutsutaan ekvivalenssipisteeksi , ja sen pisteen saavuttamiseen tarvittava titrausaineen tilavuus yhdessä sen pitoisuuden kanssa mahdollistaa analyytin pitoisuuden määrittämisen näytteessä.

Titrausten ongelmana on, että titrausta suorittava analyyttinen kemisti ei pysty kertomaan, milloin ekvivalenssipiste on saavutettu. Happo-emäs-indikaattorit lisäävät analyytin määrää, kun ne läpikäyvät näkyvän värinmuutoksen saavuttaessaan tai ylittäessä ekvivalenssipisteen.

Päätepiste vs. ekvivalenssipiste

Kuten edellä mainittiin, indikaattoreita käytetään ensisijaisesti näyttämään tai ”osoittamaan” ekvivalenssipiste happo-emäs-titrauksen aikana. Kuitenkin, riippuen analyytin happamuus- tai emäksisyysvakiosta, tällainen ekvivalenssipiste esiintyy eri pH-arvoissa, ja tämä pH on harvoin täsmälleen sama kuin pH, jossa indikaattori muuttaa väriä. Tästä huolimatta indikaattorin värinmuutos on ainoa viite, jonka avulla kemisti voi tietää, että on aika lopettaa titraus. Tästä syystä kemistit viittaavat kohtaan, jossa indikaattori muuttaa väriä , ”päätepisteeksi” erottaakseen sen etsimästään todellisesta ”ekvivalenssipisteestä” .

Ihanteellinen happo-emäs-indikaattori on sellainen, joka osoittaa voimakkaan värinmuutoksen täsmälleen titrauksen ekvivalenssipisteen pH:ssa . Toisin sanoen se on se, jonka päätepiste on täsmälleen sama kuin ekvivalenssipiste. Valitettavasti ihanteellinen happo-emäs-indikaattori ei ole olemassa, mutta on olemassa erilaisia ​​​​indikaattoreita, joilla on erilaiset pH-alueet, joilla ne muuttuvat tai muuttavat väriä. Tämä riittää yleensä hyvän likiarvon saamiseksi ekvivalenssipisteestä tekemättä kovin suurta kokeellista virhettä.

Tästä syystä aina kun happo-emäs-titraus tehdään, tulee aloittaa valitsemalla indikaattori, joka muuttaa väriä mahdollisimman lähelle kyseisen analyytin ekvivalenssipisteen pH:ta.

Happoemäsilmaisimien toiminta

Happo-emäs-indikaattorit ovat heikkoja happoja tai emäksiä, jotka ovat mukana happo-emästasapainossa protonoidun happomuotonsa ja konjugaattiemäksen tai deprotonoidun muotonsa välillä. Ne, jotka ovat heikkoja happoja, ovat neutraaleja happamassa pH:ssa ja negatiivisia emäksisessä pH:ssa, ja päinvastoin tapahtuu niille, jotka ovat heikkoja emäksiä, eli ne ovat neutraaleja emäksisessä pH:ssa ja positiiviset ionit happamassa pH:ssa.

Ymmärtääksemme miksi näin tapahtuu, tarkastellaan tasapainoa, jossa happo-emäs-indikaattori on mukana. Reaktio voidaan esittää seuraavasti:

Tässä k _a edustaa indikaattorin happodissosiaatiovakiota.

^{Le Chatelierin periaatteiden perusteella, kun H +} -ionien pitoisuus on korkea, eli kun pH on alhainen, tämä tasapaino siirtyy vasemmalle, eli kohti protonoitua HIn-muotoa. Tässä tapauksessa näemme HIn:n värin, koska se on laji, jota esiintyy eniten. Kun tapahtuu päinvastoin (matalalla H ⁺ -pitoisuudella ), tasapaino siirtyy kohti tuotteita. Tässä tapauksessa runsain laji, jonka värin näemme paljaalla silmällä, on nyt In ^– .

Normaalisti pystymme erottamaan yhden tai toisen värin, kun toisen pitoisuus on yli 10 kertaa suurempi kuin toisen.

Esimerkkejä happoemäs-indikaattoreista

Seuraavassa taulukossa on esimerkkejä kemian laboratorioissa yleisesti käytetyistä happo-emäs-indikaattoreista, jotka on järjestetty sen pH-alueen mukaan, jolla niiden värinmuutos tapahtuu.

Nämä pH-alueet voidaan määrittää käyttämällä indikaattorin happamuusvakiota ja laskemalla pH, jossa [HIn]/[In ^– ]≥10 (kun HIn on kymmenen kertaa enemmän kuin In ^– ) ja kun [HIn]/ [In ^{– ]≤0,1 (kun In –} on kymmenen kertaa enemmän kuin HIn).

Kuinka valitset oikean happoemäksen indikaattorin?

Yleensä, jos aiot titrata vahvaksi hapoksi tai vahvaksi emäkseksi, voidaan käyttää melkein mitä tahansa indikaattoria, koska tällaisissa titrauksissa pH muuttuu dramaattisesti erittäin happamasta erittäin emäksiseksi tai erittäin emäksestä erittäin happamaan juuri ennen titrausta ja sen jälkeen. .ekvivalenssipiste, joka esiintyy tarkalleen pH = 7:ssä.

Toisaalta, jos titraat heikkoa happoa tai emästä, sinun tulee aloittaa tarkastelemalla sen happamuusvakiota tai tarkemmin analyytin pKa-arvoa (pKa on tasapainovakion logaritmin negatiivinen arvo). Tämä arvo edustaa liuoksen pH:ta puolivälissä ekvivalenttipisteeseen ja antaa vihjeen pH:sta, jossa ekvivalenssipiste saavutetaan. Koska näytteen pitoisuus on tuntematon (koska titraus suoritetaan vain sen pitoisuuden löytämiseksi), emme voi laskea tarkasti ekvivalenssipisteen pH:ta, mutta pKa antaa meille yleiskuvan siitä, missä se on pH:ssa pH.

Siten sopiva indikaattori on se, jonka värinmuutos-pH-alue on mahdollisimman keskitetty mainittuun pKa:han.

Esimerkki happoemäs-indikaattorin valinnasta

• Titrattaessa vahvoja happoja tai emäksiä, joiden ekvivalenttipiste on pH=7:ssä, käytetään lähes aina fenolftaleiinia, vaikka se muuttaa väriä välillä 8,3-10,0. Voidaan myös valita bromotymolininen tai kresolipunainen, joiden kierrokset ovat paljon lähempänä pH=7:ää, mutta yleensä se ei ole välttämätöntä.
• Jos haluat titrata heikkoa happoa, jonka pKa on 3,9 lisäämällä NaOH:ta (joka on vahva emäs), voit valita metyylioranssin, koska se muuttaa väriä pH = 3,1 ja pH = 4,4 välillä, tai metyylipunan, joka muuttuu hieman emäksisempi pH. Muista, että pH = 3,9 (eli kun pH = pKa) ekvivalenssipistettä ei ole vielä saavutettu, joten sinun on lisättävä lisää NaOH:ta, jotta ekvivalenssipiste on korkeammalla pH:lla kuin 3,9.