酸塩基指示薬とは何ですか？

酸塩基指示薬は、異なる pH 値で著しく異なる色を示す化合物または化学物質です。溶液のpH範囲がひとめでわかるようにするものですが、主に化学実験室で酸塩基滴定や滴定の際の当量点を可視化する手段として使用されています。

これらの化合物は常に弱い有機酸または塩基であり、プロトン化されたとき (低 pH) と脱プロトン化されたとき (高 pH) では異なる色を示します。それらは通常、モノプロトンまたは一塩基種であり、単一のイオン平衡にのみ関与し、単一の色の変化を示します。

酸塩基指示薬の代表的な例としては、フェノールフタレイン、メチルレッド、チモールブルーなどがあります。赤キャベツ抽出物（赤キャベツ）などの自家製の酸塩基指示薬も調製できます。これは赤キャベツを水で数分間茹でるだけで作れます。得られた溶液は、赤、紫、深緑から黄色まで、さまざまな pH で一連の色を呈します。

酸塩基指示薬の概念は、酸塩基滴定、および当量点と終点という他の 2 つの関連概念と密接に関連しています。それぞれが何であるかを理解することで、酸塩基指示薬とは何か、そしてそれらが何のためにあるのかをよりよく理解することができます.

酸塩基滴定

酸塩基滴定は、化学者が未知のサンプル中の酸または塩基 (検体と呼ばれる) の濃度を決定するために使用する分析技術です。これを行うには、分析するサンプルのアリコートを採取し、分析対象物が完全に中和されるまで、既知の濃度の塩基または酸の溶液 (滴定液と呼ばれます) を一滴ずつ加えます。

分析物が中和される正確な点は当量点と呼ばれ、その濃度とともにその点に到達するのに必要な滴定液の量により、サンプル中の分析物の濃度を決定することができます。

滴定の問題は、滴定を行う分析化学者が、いつ当量点に到達したかを知る方法がないことです。酸塩基指示薬は、当量点に到達またはそれを超えると目に見える色の変化を起こすため、分析対象物に追加されます。

終点と等価点

前述のように、指示薬は主に酸塩基滴定中に当量点を表示または「指示」するために使用されます。ただし、分析物の酸性度または塩基性度の定数に応じて、このような当量点はさまざまな pH 値で発生し、この pH が指示薬の色が変化する pH と正確に一致することはめったにありません。それにもかかわらず、指示薬の色の変化は、化学者が滴定を停止する時期であることを知るために使用できる唯一の基準です。このため、化学者は指示薬の色が変化する点を「終点」と呼び、探している真の「当量点」と区別します。

理想的な酸塩基指示薬は、 滴定の当量点の pH で強い色の変化を示すものです。つまり、終点と当量点がぴったり一致するものです。残念ながら、理想的な酸塩基指示薬は存在しませんが、変色または変色する pH 範囲が異なるさまざまな指示薬があります。これは通常、非常に大きな実験誤差を生じることなく、当量点の適切な近似値を取得するのに十分です。

このため、酸塩基滴定を実施する場合は常に、問題の分析物の当量点の pH にできるだけ近い色に変化する指示薬を選択することから始める必要があります。

酸塩基指示薬の操作

酸塩基指示薬は、プロトン化された酸の形と共役塩基または脱プロトン化された形との間の酸塩基平衡に関与する弱酸または弱塩基です。弱酸は酸性 pH では中性、アルカリ性 pH では負であり、弱塩基はその逆、つまりアルカリ性 pH では中性、酸性 pH では陽イオンです。

なぜこれが起こるのかを理解するために、酸塩基指示薬が関与する平衡を考えてみましょう. 反応は次のように表すことができます。

ここで、ｋ_{a は}指示薬の酸解離定数を表す。

ルシャトリエの原理によると、H ⁺イオンの濃度が高いとき、つまりpHが低いとき、この平衡は左、つまりプロトン化されたHInの方向にシフトします。この場合、最も高い割合で存在する種であるため、HIn の色が見えます。反対のことが起こると (低 H ⁺濃度で)、平衡は生成物に向かってシフトします。この場合、肉眼で色が見える最も豊富な種は現在 In ^–です。

通常、一方の色の濃度が他方の濃度の 10 倍以上あれば、どちらの色かを識別することができます。

酸塩基指示薬の例

次の表は、化学実験室で一般的に使用される酸塩基指示薬の例を、色の変化が起こる pH 範囲に従って並べたものです。

これらの pH 範囲は、指示薬の酸性度定数を使用し、[HIn]/[In ^{– ]≧10 (In –}の 10 倍の HIn がある場合) および [HIn]/[In ^{– ]≤0.1 (HIn の 10 倍の In –}がある場合)。

適切な酸塩基指示薬をどのように選択しますか?

一般に、強酸または強塩基への滴定を計画している場合、ほとんどすべての指示薬を使用できます。これは、このような滴定では、滴定の直前と直後で、強酸性から強塩基性へ、または強塩基性から強酸性へと pH が劇的に変化するためです。 . pH = 7 で正確に発生する当量点。

一方、弱酸または弱塩基を滴定している場合は、その酸度定数、より正確には分析対象物の pKa (pKa は平衡定数の対数の負の値) を調べることから始める必要があります。この値は、当量点までの途中の溶液の pH を表し、当量点に達する pH に関する手がかりを提供します。サンプルの濃度は未知であるため (滴定はその濃度を見つけるためだけに実行されるため)、当量点の pH を正確に計算することはできませんが、pKa は、pH 上のどこにあるかについての一般的な考えを与えてくれます。スケール、pH。

従って、適切な指示薬は、その変色ｐＨ範囲が上記ｐＫａを可能な限り中心とするものであろう。

酸塩基指示薬の選択例

• 当量点が pH=7 である強酸または強塩基を滴定する場合、フェノールフタレインは 8.3 ～ 10.0 の間で色が変化しますが、ほとんどの場合使用されます。ターンが pH=7 に非常に近いブロモチモール ブルーまたはクレゾール レッドを選択することもできますが、一般的には必要ありません。
• NaOH (強塩基) を加えて pKa が 3.9 の弱酸を滴定したい場合は、pH=3.1 と pH=4.4 の間で色が変わるメチル オレンジ、またはややアルカリ性のpH。pH = 3.9 (つまり、pH=pKa のとき) では、まだ当量点に達していないため、NaOH をさらに追加し続ける必要があるため、当量点は 3.9 よりも高い pH になることに注意してください。