Tabla de Contenidos
Các chất chỉ thị axit-bazơ là các hợp chất hoặc hóa chất thể hiện các màu khác nhau rõ rệt ở các giá trị pH khác nhau . Mặc dù chúng dùng để hiển thị nhanh phạm vi pH của dung dịch, nhưng chúng chủ yếu được sử dụng trong phòng thí nghiệm hóa học như một phương tiện để trực quan hóa điểm tương đương trong quá trình chuẩn độ hoặc chuẩn độ axit-bazơ.
Các hợp chất này luôn là các axit hoặc bazơ hữu cơ yếu có màu khác khi được proton hóa (ở độ pH thấp) so với khi bị khử proton (ở độ pH cao). Chúng thường là loài đơn bội hoặc đơn bazơ, có nghĩa là chúng chỉ tham gia vào một trạng thái cân bằng ion duy nhất và thể hiện một sự thay đổi màu duy nhất.
Một số ví dụ điển hình về chất chỉ thị gốc axit là phenolphtalein, đỏ metyl và xanh thymol. Cũng có thể chuẩn bị các chất chỉ thị axit-bazơ tự chế như chiết xuất bắp cải đỏ (bắp cải đỏ). Món này có thể được thực hiện bằng cách đun sôi bắp cải đỏ trong nước trong vài phút. Dung dịch thu được sẽ có một loạt màu ở các độ pH khác nhau, từ đỏ, tím, xanh đậm đến vàng.
Khái niệm về chất chỉ thị axit-bazơ có liên quan chặt chẽ với phép chuẩn độ axit-bazơ và với hai khái niệm liên quan khác, điểm tương đương và điểm kết thúc . Hiểu được nội dung của từng loại sẽ cho phép bạn hiểu rõ hơn về chỉ số axit bazơ là gì và chúng dùng để làm gì.
Chuẩn độ axit bazơ
Chuẩn độ axit-bazơ là kỹ thuật phân tích mà các nhà hóa học sử dụng để xác định nồng độ của axit hoặc bazơ (được gọi là chất phân tích) trong một mẫu chưa biết . Để làm điều này, một phần mẫu cần phân tích được lấy và dung dịch bazơ hoặc axit có nồng độ đã biết (gọi là chất chuẩn độ ) được thêm từng giọt cho đến khi chất phân tích được trung hòa hoàn toàn.
Điểm chính xác mà tại đó chất phân tích được trung hòa được gọi là điểm tương đương và thể tích của chất chuẩn độ cần thiết để đạt đến điểm đó cùng với nồng độ của nó cho phép xác định nồng độ của chất phân tích trong mẫu.
Vấn đề với phép chuẩn độ là nhà hóa học phân tích thực hiện phép chuẩn độ không có cách nào để biết khi nào đạt đến điểm tương đương. Các chất chỉ thị axit-bazơ thêm vào chất phân tích khi chúng trải qua sự thay đổi màu sắc có thể nhìn thấy khi đạt hoặc vượt quá điểm tương đương.
Điểm cuối so với điểm tương đương
Như đã đề cập ở trên, các chất chỉ thị chủ yếu được sử dụng để hiển thị hoặc “chỉ ra” điểm tương đương trong quá trình chuẩn độ axit-bazơ. Tuy nhiên, tùy thuộc vào hằng số axit hoặc bazơ của chất phân tích, một điểm tương đương như vậy sẽ xảy ra ở các giá trị pH khác nhau và độ pH này hiếm khi trùng khớp chính xác với độ pH mà tại đó chất chỉ thị đổi màu. Mặc dù vậy, sự thay đổi màu sắc trong chất chỉ thị là tham chiếu duy nhất mà nhà hóa học có thể sử dụng để biết rằng đã đến lúc dừng chuẩn độ. Vì lý do này, các nhà hóa học gọi điểm mà tại đó chất chỉ thị đổi màu là “điểm cuối”, để phân biệt nó với “điểm tương đương” thực sự mà họ đang tìm kiếm.
Chất chỉ thị axit-bazơ lý tưởng là chất chỉ thị thay đổi màu mạnh chính xác ở pH của điểm tương đương của phép chuẩn độ. Nói cách khác, nó là điểm mà điểm cuối trùng chính xác với điểm tương đương. Thật không may, chất chỉ thị axit-bazơ lý tưởng không tồn tại, nhưng có những chất chỉ thị khác nhau có các khoảng pH khác nhau mà tại đó chúng chuyển màu hoặc đổi màu. Điều này thường là đủ để có được giá trị gần đúng của điểm tương đương mà không gây ra sai số thực nghiệm rất lớn.
Vì lý do này, bất cứ khi nào tiến hành chuẩn độ axit-bazơ, người ta nên bắt đầu bằng cách chọn chất chỉ thị thay đổi màu càng gần với độ pH của điểm tương đương của chất phân tích càng tốt.
Hoạt động của các chỉ số axit bazơ
Các chất chỉ thị axit-bazơ là các axit hoặc bazơ yếu có liên quan đến trạng thái cân bằng axit-bazơ giữa dạng axit được proton hóa và dạng bazơ liên hợp hoặc dạng khử proton của chúng. Những axit yếu là trung tính ở pH axit và âm ở pH kiềm, và điều ngược lại xảy ra với những axit yếu là bazơ yếu, nghĩa là chúng trung tính ở pH kiềm và ion dương ở pH axit.
Để hiểu tại sao điều này xảy ra, chúng ta hãy xem xét trạng thái cân bằng trong đó có liên quan đến chất chỉ thị axit-bazơ. Phản ứng có thể được biểu diễn như sau:
Ở đây k a là hằng số phân ly axit của chất chỉ thị.
Dựa trên nguyên lý Le Chatelier, khi nồng độ ion H + cao, nghĩa là khi pH thấp, cân bằng này chuyển dịch sang trái, tức là về phía HIn bị proton hóa. Trong trường hợp này ta thấy màu HIn là loài có mặt với tỉ lệ cao nhất. Khi điều ngược lại xảy ra (ở nồng độ H + thấp ), cân bằng chuyển dịch về phía sản phẩm. Trong trường hợp này, loài phong phú nhất có màu sắc mà chúng ta nhìn thấy bằng mắt thường hiện là In – .
Thông thường, chúng ta có thể phân biệt màu này hay màu kia khi nồng độ của một màu lớn hơn 10 lần so với màu kia.
Ví dụ về các chất chỉ thị axit bazơ
Bảng sau đây cho thấy một số ví dụ về các chất chỉ thị axit-bazơ thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm hóa học, được sắp xếp theo phạm vi pH mà sự thay đổi màu sắc của chúng xảy ra.
| chỉ số | Màu trong môi trường axit | Màu trong môi trường kiềm | Phạm vi pH điểm cuối |
| màu xanh thymol | Màu đỏ | Màu vàng | 1,2 – 2,8 |
| màu xanh bromophenol | Màu vàng | tím xanh | 3.0 – 4.6 |
| Metyl da cam | Quả cam | Màu vàng | 3.1 – 4.4 |
| metyl đỏ | Màu đỏ | Màu vàng | 4.2 – 6.3 |
| màu xanh clorophenol | Màu vàng | Màu đỏ | 4,8 – 6,4 |
| màu xanh bromothymol | Màu vàng | Màu xanh da trời | 6,0 – 7,6 |
| cresol màu đỏ | Màu vàng | Màu đỏ | 7,2 – 8,8 |
| phenolphtalein | không màu | Hồng | 8,3 – 10,0 |
Các phạm vi pH này có thể được xác định bằng cách sử dụng hằng số axit của chất chỉ thị và tính toán độ pH mà tại đó [HIn]/[In – ]≥10 (khi HIn gấp 10 lần In – ) và khi [HIn]/[In – ]≤0,1 (khi có gấp 10 lần In – so với HIn).
Làm thế nào để bạn chọn đúng chất chỉ thị bazơ axit?
Nói chung, nếu bạn định chuẩn độ bằng axit mạnh hoặc bazơ mạnh, hầu hết mọi chất chỉ thị đều có thể được sử dụng, vì trong các phép chuẩn độ như vậy, độ pH thay đổi đáng kể từ rất axit sang rất bazơ hoặc từ rất bazơ sang rất axit ngay trước và sau khi chuẩn độ .điểm tương đương, xảy ra chính xác ở pH=7.
Mặt khác, nếu bạn đang chuẩn độ một axit hoặc bazơ yếu, bạn nên bắt đầu bằng cách xem hằng số axit của nó, hay chính xác hơn là pKa của chất phân tích (pKa là âm của logarit của hằng số cân bằng). Giá trị này biểu thị độ pH của dung dịch ở giữa điểm tương đương và cung cấp manh mối về độ pH mà tại đó sẽ đạt đến điểm tương đương. Vì mẫu có nồng độ chưa biết (do quá trình chuẩn độ được thực hiện chỉ để tìm nồng độ của nó), chúng tôi không thể tính chính xác độ pH của điểm tương đương, nhưng pKa cho chúng tôi ý tưởng chung về vị trí của nó trên độ pH cặn.pH.
Do đó, chất chỉ thị thích hợp sẽ là chất có phạm vi pH thay đổi màu càng tập trung vào pKa đã nói càng tốt.
Ví dụ về lựa chọn chất chỉ thị axit bazơ
- Khi chuẩn độ axit hoặc bazơ mạnh có điểm tương đương xảy ra ở pH=7, phenolphtalein hầu như luôn được sử dụng, mặc dù nó đổi màu trong khoảng từ 8,3 đến 10,0. Người ta cũng có thể chọn màu xanh bromothymol hoặc màu đỏ cresol, có số lần lượt gần với pH=7 hơn nhiều, nhưng nói chung là không cần thiết.
- Nếu bạn muốn chuẩn độ một axit yếu có pKa là 3,9 bằng cách thêm NaOH (là một bazơ mạnh) thì bạn có thể chọn metyl da cam, vì nó đổi màu giữa pH=3,1 và pH=4,4, hoặc metyl đỏ, đổi màu thành pH kiềm hơn một chút. Nên nhớ là ở pH = 3.9 (tức là khi pH=pKa) thì điểm tương đương vẫn chưa đạt nên bạn phải tiếp tục thêm NaOH vào, như vậy điểm tương đương sẽ ở mức pH cao hơn 3.9.
