Таблица индикаторов в средах кислая щелочная нейтральная. Растительные индикаторы в школьной лаборатории

Существуют различные методы определения концентрации (точнее активности) ионов водорода (и, соответственно, концентрации гидроксид-ионов). Один из простейших (колориметрический) основан на использовании кислотно-основных индикаторов. В качестве таких индикаторов могут служить многие органические кислоты и основания, которые изменяют свою окраску в некотором узком интервале значений рН.

Индикаторы представляют собой слабые кислоты или основания, которые в недиссоциированной и в диссоциированной (ионной) формах имеют разную окраску.

Пример.

1.Фенолфталеин представляет собой кислоту, которая в молекулярной форме (HJnd) при рН8,1 бесцветна. Анионы фенолфталеина (Jnd -) при рН9,6 имеют красно-фиолетовую окраску:

H Jnd  H + + Jnd -

Бесцветный  красно-фиолетовый

рН8,1 рН9,6

При уменьшении концентрации ионов Н + и увеличении концентрации ионовOH - молекулярная форма фенолфталеина переходит в анионную из-за отрыва от молекул иона водорода и связывания его с гидроксид-ионом в воду. Поэтому при рН9,6 раствор в присутствии фенолфталеина приобретает красно-фиолетовую окраску. Наоборот, в кислотных растворах при рН8,1 равновесие смещается в сторону молекулярной формы индикатора, не имеющей окраски.

2.Метиловый оранжевый представляет собой слабое основание JndOH, которое в молекулярной форме при рН 4,4 имеет желтый цвет. Катионы Jnd + при рН3,0 окрашивают раствор в красный цвет:

JndOH  Jnd + + OH -

желтый  красный

рН4,4 рН3,0

Кислотной формой индикатора называют форму, которая преобладает в кислотных растворах, а основной формой – ту, которая существует в основных (щелочных) растворах. В некотором промежутке значений рН в растворе может одновременно находиться в равновесии некоторое количество обеих форм индикатора, вследствие чего возникает переходная окраска индикатора, - это интервал рН перехода окраски индикатора, или просто интервал перехода индикатора.

В табл.1 показаны интервалы перехода некоторых часто используемых индикаторов.

Таблица 1

Кислотно-основные индикаторы

Индикатор

Значение рН

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Тимоловый синий

Метиловый оранжевый

желто-оранжевая

Бромфеноловый синий

Ализариновый красный

фиолетовая

Метиловый красный

Феноловый красный

Фенолфталеин

бесцветная

красная (розовая)

Ализариновый желтый

бледно-желтая

желто-коричн-евая

Индиго карминовый

11,6-14,0 14- желтая

Для быстрого определения рН удобно также пользоваться раствором универсального индикатора, представляющего собой смесь различных индикаторов и имеющего большой интервал перехода (значения рН от 1 до 10). На основе универсального индикатора промышленностью выпускаются специальные бумажные ленты для определения рН у растворов путем сравнения со специальной шкалой изменения их окраски под действием испытуемого раствора.

В колориметрическом методе для точного определения рН применяются стандартные буферные растворы, значение водородного показателя которых точно известно и постоянно.

Буферными растворами называются смеси слабых кислот или оснований с их солями. Такие смеси сохраняют определенное значение рН как при разбавлении, так и при прибавлении небольших количеств сильных кислот или щелочей.

Среди многообразия органических веществ встречаются особые соединения, которым характерны изменения окраски в различной среде. До появления современных электронных pH-метров индикаторы были незаменимыми «инструментами» для определения кислотно-основных показателей среды, и продолжают использоваться в лабораторной практике в качестве вспомогательных веществ в аналитической химии, а также при отсутствии необходимого оборудования.

Для чего нужны индикаторы?

Изначально свойство данных соединений изменять цвет в различной среде широко применялось для визуального определения кислотно-основных свойств веществ в растворе, что помогало определить не только характер среды, но и сделать вывод об образующихся продуктах реакции. Растворы индикаторов продолжают использоваться в лабораторной практике для определения концентрации веществ методом титрования и позволяют научиться использовать подручные способы за неимением современных pH-метров.

Существует несколько десятков подобного рода веществ, каждый из которых чувствителен к довольно узкой области: обычно она не превышает 3 пунктов по шкале информативности. Благодаря такому многообразию хромофоров и их малой активности между собой ученым удалось создать универсальные индикаторы, широко применяемые в лабораторных и производственных условиях.

Наиболее используемые индикаторы pH

Примечательно, что помимо идентификационного свойства, данные соединения обладают хорошей красящей способностью, что позволяет использовать их для покраски тканей в текстильной промышленности. Из большого числа индикаторов цвета в химии самыми известными и используемыми являются метиловый оранжевый (метилоранж) и фенолфталеин. Большинство других хромофоров в настоящее время используются в смеси друг с другом, либо для специфических синтезов и реакции.

Метиловый оранжевый

Многие красители получили название благодаря своим основным цветам в нейтральной среде, что присуще и этому хромофору. Метиловый оранжевый является азокрасителем, имеющим группировку - N = N ‒ в своем составе, которая отвечает за переход цвета индикатора в красный в и в желтый - в щелочной. Сами азосоединения не являются сильными основаниями, однако присутствие электродонорных групп (‒ OH, ‒ NH 2 , ‒ NH (CH 3), ‒ N (CH 3) 2 и др.) увеличивает основность одного из атомов азота, который становится способен присоединять протоны водорода по донорно-акцепторному принципу. Поэтому при изменении концентраций ионов H + в растворе можно наблюдать изменение окраски кислотно-основного индикатора.

Подробнее о получении метилового оранжевого

Получают метиловый оранжевый в реакции с диазотирования сульфаниловой кислоты C 6 H 4 (SO 3 H)NH 2 с последующим сочетанием с диметиланилином C 6 H 5 N(CH 3) 2 . Сульфаниловую кислоту растворяют в растворе натриевой щелочи, добавляя нитрит натрия NaNO 2 , а затем охлаждают льдом для проведения синтеза в максимально близких к 0°C температурах и приливают соляную кислоту HCl. Далее готовят отдельный раствор диметиланилина в HCl, который охлажденным вливают в первый раствор, получая краситель. Его дополнительно подщелачивают, и из раствора выпадают в осадок темно-оранжевые кристаллы, которые по истечении нескольких часов отфильтровывают и сушат на водяной бане.

Фенолфталеин

Свое название данный хромофор получил из сложения наименований двух реагентов, которые участвуют при его синтезе. Цвет индикатора примечателен изменением своей окраски в щелочной среде с приобретением малинового (красно-фиолетового, малиново-красного) оттенка, который обесцвечивается при сильном щелочении раствора. Фенолфталеин может принимать несколько форм в зависимости от показателей pH среды, причем в сильнокислых средах он имеет оранжевую окраску.

Этот хромофор получают путем конденсации фенола и фталиевого ангидрида в присутствии хлорида цинка ZnCl 2 или концентрированной серной кислоты H 2 SO 4 . В твердом состоянии молекулы фенолфталеина являются бесцветными кристаллами.

Ранее фенолфталеин активно использовали при создании слабительных веществ, однако постепенно его применение значительно сократилось в связи с установленными кумулятивными свойствами.

Лакмус

Этот индикатор стал одним из первых реактивов, используемых на твердых носителях. Лакмус является сложной смесью природных соединений, которую получают из некоторых видов лишайников. Его используют не только как но и как средство для определения pH среды. Это один из первых индикаторов, который начал использоваться человеком в химической практике: его применяют в виде водных растворов или пропитанных им полосок фильтровальной бумаги. Лакмус в твердом состоянии является темным порошком со слабым аммиачным запахом. При растворении в чистой воде цвет индикатора принимает фиолетовое окрашивание, а при подкислении дает красный цвет. В щелочной среде лакмус переходит в синий, что позволяет использовать его как универсальный индикатор для общего определения показателя среды.

Точно установить механизм и характер реакции, протекающих при изменении pH в структурах компонентов лакмуса не представляется возможным, так как в него может входить до 15 различных соединений, причем некоторые из них могут быть неразделимыми действующими веществами, что усложняет их индивидуальные исследования химических и физических свойств.

Универсальная индикаторная бумага

С развитием науки и появлением индикаторных бумаг установление показателей среды многократно упростилось, поскольку теперь не нужно было иметь готовые жидкие реактивы для каких-либо полевых исследований, чем до сих пор успешно пользуются ученые и криминалисты. Так, на смену растворам пришли универсальные индикаторные бумаги, которые благодаря широкому спектру действия практически полностью убрали необходимость использования любых других кислотно-основных индикаторов.

Состав пропитанных полосок может отличаться у различных производителей, поэтому примерный список входящих веществ может быть следующим:

• фенолфталеин (0-3,0 и 8,2-11);
• (ди)метиловый желтый (2,9-4,0);
• метиловый оранжевый (3,1-4,4);
• метиловый красный (4,2-6,2);
• бромтимоловый синий (6,0-7,8);
• α‒нафтолфталеин (7,3-8,7);
• тимоловый синий (8,0-9,6);
• крезолфталеин (8,2-9,8).

На упаковке обязательно приведены эталоны цветной шкалы, позволяющие определить pH среды от 0 до 12 (где-то 14) с точностью до одной целой.

Помимо прочего, данные соединения могут использоваться совместно в водных и водно-спиртовых растворах, что делает применение таких смесей очень удобным. Однако некоторые из этих веществ могут быть плохо растворимы в воде, поэтому необходимо подбирать универсальный органический растворитель.

Благодаря своим свойствам кислотно-основные индикаторы нашли свое применение во многих областях науки, а их многообразие позволило создать универсальные смеси, чувствительные к широкой области показателей pH.

Изменение окраски индикаторов в зависимости от pH

Кислотно-основные индикаторы - это соединения, окраска которых меняется в зависимости от кислотности среды.

Например, лакмус в кислой среде окрашен в красный цвет, а в щелочной - в синий. Это свойство можно использовать для быстрой оценки pH растворов.

Кислотно-основные индикаторы находят широкое применение в химии. Известно, например, что многие реакции по-разному протекают в кислой и щелочной средах. Регулируя pH, можно изменить направление реакции. Индикаторы можно использовать не только для качественной, но и для количественной оценки содержания кислоты в растворе (метод кислотно-основного титрования).

Применение индикаторов не ограничивается "чистой" химией. Кислотность среды необходимо контролировать во многих производственных процессах, при оценке качества пищевых продуктов, в медицине и т. д.

В таблице 1 указаны наиболее "популярные" индикаторы и отмечена их окраска в нейтральной, кислой и щелочной средах.

Таблица 1

Метилоранж

Фенолфталеин

В действительности, каждый индикатор характеризуется своим интервалом рН, в котором происходит изменение цвета (интервал перехода). Изменение окраски происходит из-за превращения одной формы индикатора (молекулярной) в другую (ионную). По мере понижения кислотности среды (с ростом рН) концентрация ионной формы повышается, а молекулярной - падает. В таблице 2 перечислены некоторые кислотно-основные индикаторы и соответствующие интервалы перехода.

Таблица 2

При проведении химического процесса чрезвычайно важно бывает проследить за условиями протекания реакции или установить достижение ее окончания. Иногда это удается наблюдать по некоторым внешним признакам: прекращению выделения пузырьков газа, изменению окраски раствора, выпадению осадка или, наоборот, переходу в раствор одного из компонентов реакции и т. п. В большинстве же случаев для определения окончания реакции пользуются реактивами вспомогательного действия, так называемыми индикаторами, которые вводят обычно в анализируемый раствор в небольших количествах.

Индикаторами называются химические соединения, способные изменять окраску раствора в зависимости от условий среды, не влияя при этом непосредственно на испытуемый раствор и на направление реакции. Так, кислотно-щелочные индикаторы изменяют окраску в зависимости от pH среды; окислительно-восстановительные индикаторы - от потенциала среды; адсорбционные индикаторы - от степени адсорбции и т. д.

Особенно широко применяют индикаторы в аналитической практике для титриметрического анализа. Они служат также важнейшим инструментом для контроля технологических процессов в химической, металлургической, текстильной, пищевой и других отраслях промышленности. В сельском хозяйстве при помощи индикаторов проводят анализ и классификацию почв, устанавливают характер удобрений и необходимое количество их для внесения в почву.

Различают кислотно-щелочные, флуоресцентные, окислительновосстановительные, адсорбционные и хемилюминесцентные индикаторы.

КИСЛОТНО-ЩЕЛОЧНЫЕ (PH) ИНДИКАТОРЫ

Как известно из теории электролитической диссоциации, растворенные в воде химические соединения диссоциируют на положительно заряженные ионы - катионы и отрицательно заряженные - анионы. Вода также диссоциирует в очень малой степени на ионы водорода, заряженные положительно, и ионы гидроксила, заряженные отрицательно:

Концентрацию водородных ионов в растворе обозначают символом .

Если концентрация водородных и гидроксильных ионов в растворе одинакова, то такие растворы нейтральны и pH = 7. При концентрации водородных ионов, соответствующей pH от 7 до 0, раствор кислый, если же концентрация гидроксильных ионов больше (pH = от 7 до 14), раствор щелочной.

Для измерения значения pH пользуются различными методами. Качественно же реакцию раствора можно определить с помощью специальных индикаторов, меняющих свою окраску в зависимости от концентрации водородных ионов. Такими индикаторами являются кислотно-щелочные индикаторы, которые реагируют на изменение pH среды.

Кислотно-щелочные индикаторы в подавляющем большинстве являются красителями или другими органическими соединениями, молекулы которых претерпевают структурные изменения в зависимости от реакции среды. Ими пользуются в титриметрическом анализе при реакциях нейтрализации, а также для колориметрического определения pH.

Индикатор	Интервал pH перехода окраски	Изменение окраски
Метиловый фиолетовый	0,13-3,2	Желтая - фиолетовая
Тимоловый синий	1,2-2,8	Красная - желтая
Тропеолин 00	1,4-3,2	Красная - желтая
- Динитрофенол	2,4-4,0	Бесцветная - желтая
Метиловый оранжевый	3,1-4,4	Красная - желтая
Нафтиловый красный	4,0-5,0	Красная - оранжевая
Метиловый красный	4,2-6,2	Красная - желтая
Бромтимоловый синий	6,0-7,6	Желтая - синяя
Феноловый красный	6,8-8,4	Желтая - красная
Метакрезоловый пурпуровый	7,4-9,0	Желтая - фиолетовая
Тимоловый синий	8,0-9,6	Желтая - синяя
Фенолфталеин	8,2-10,0	Бесцветная - красная
Тимолфталеин	9,4-10,6	Бесцветная - синяя
Ализариновый желтый Р	10,0-12,0	Бледно-желтая - красно-оранжевая
Тропеолин 0	11,0-13,0	Желтая - срзнжевая
Малахитовый зеленый	11,6-13,6	Зеленовато-голубая - бесцветная

Если необходимо повысить точность измерения pH, то пользуются смешанными индикаторами. Для этого подбирают два индикатора с близкими интервалами pH перехода окраски, имеющими в этом интервале дополнительные цвета. При помощи такого смешанного индикатора можно проводить определения с точностью до 0,2 единицы pH.

Широко пользуются также универсальными индикаторами, способными многократно изменять окраску в широком диапазоне значений pH. Хотя точность определения такими индикаторами не превышает 1,0 единицы pH, зато они позволяют вести определения в широком интервале pH: от 1,0 до 10,0. Универсальные индикаторы обычно представляют собой комбинацию из четырех - семи двухцветных или одноцветных индикаторов с различными интервалами pH перехода окраски, составленную таким образом, чтобы при изменении pH среды происходило заметное изменение окраски.

Например, выпускаемый промышленностью универсальный индикатор РКС - смесь семи индикаторов: бромкрезолового пурпурового, бромкрезолового зеленого, метилового оранжевого, тро-пеолина 00, фенолфталеина, тимолового синего и бромтимолового синего.

Этот индикатор в зависимости от pH имеет следующую окраску: при pH = 1 - малиновую, pH = 2 - розовато-оранжевую, pH =3 - оранжевую, pH = 4 - желто-оранжевую, pH =5 желтую, pH = 6 - зеленовато-желтую, pH = 7 - желто-зеленую,. РН = 8 - зеленую, pH = 9 - сине-зеленую, pH = 10 - серовато-синюю.

Индивидуальные, смешанные и универсальные кислотно-щелочные индикаторы обычно растворяют в этиловом спирте и по нескольку капель добавляют в испытуемый раствор. По изменению окраски раствора судят о значении pH. Кроме спирторастворимых индикаторов, выпускаются также водорастворимые формы, представляющие собой аммонийные или натриевые соли этих индикаторов.

Во многих случаях удобнее пользоваться не растворами индикаторов, а индикаторными бумажками. Последние готовят следующим образом: фильтровальную бумагу пропускают через стандартный раствор индикатора, отжимают бумагу от избыточного раствора, высушивают, разрезают на узкие полоски и брошюруют в книжечки. Для проведения испытания индикаторную бумажку опускают в испытуемый раствор или одну каплю раствора помещают на полоску индикаторной бумажки и наблюдают изменение ее окраски.

ФЛУОРЕСЦЕНТНЫЕ ИНДИКАТОРЫ

Некоторые химические соединения при воздействии на них ультрафиолетовых лучей обладают способностью при определенном значении pH вызывать флуоресценцию раствора или изменять ее цвет или оттенок.

Этим свойством пользуются для кислотно-щелочного титрования масел, мутных и сильно окрашенных растворов, поскольку обычные индикаторы для этих целей непригодны.

Работу с флуоресцентными индикаторами проводят при освещении исследуемого раствора ультрафиолетовым светом.

Индикатор	Интервал pH изменения флуоресценции (в ультрафиолетовом свете)	Изменение цвета флуоресценции
4-Этоксиакридон	1,4-3,2	Зеленый - синий
2-Нафтиламин	2,8-4,4	Нарастание фиолетовой флуоресценции
Диметнлнафтэйродин	3,2-3,8	Лиловый - оранжевый
1-Нафтиламнн	3,4-4,8	Нарастание синей флуоресцен­ции
Акридин	4,8-6,6	Зеленый - фиолетовый
3,6-Диоксифталимид	6,0-8,0	Желто-зеленый - желтый
2,3-Дициангидрохинон	6,8-8,8	Синий - зеленый
Эухризин	8,4-10,4	Оранжевый - зеленый
1,5-Нафтиламинсульфамид	9,5-13,0	Желтый - зеленый
СС-кислота (1,8-аминонафтол 2,4-дисульфокислота)	10,0-12,0	Фиолетовый - зеленый

ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ ИНДИКАТОРЫ

Окислительно-восстановительные индикаторы - химические соединения, изменяющие окраску раствора в зависимости от значения окислительно-восстановительного потенциала. Они применяются в титриметрических методах анализа, а также в биологических исследованиях для колориметрического определения окислительно-восстановительного потенциала.

Индикатор	Нормальный окислительно-восстановительный потенциал (при рН=7), В	Окраска раствора
		окислительная форма	восстановленная форма
Нейтральный красный	-0,330	Красно-фиолето­вая	Бесцветная
Сафранин Т	-0,289	Коричневая	Бесцветная
Индигомоносульфонат калия	-0,160	Синяя	Бесцветная
Индигодисульфонат калия	-0,125	Синяя	Бесцветная
Индиготрисульфонат калия	-0,081	Синяя	Бесцветная
Инднготетрасульфо­нат калия	-0,046	Синяя	Бесцветная
Толуидиновый голу­бой	+0,007	Синяя	Бесцветная
Тнонин	+0,06	Фиолетовая	Бесцветная
о-Крезолиндофенолят натрия	+0,195	Красновато-синяя	Бесцветная
2,6-Днхлорфенолиндофенолят натрия	+0,217	Красновато-синяя	Бесцветная
м-Бромфенолиндофенолят натрия	+0,248	Красновато-синяя	Бесцветная
Дифеинлбензидин	+0,76 (кислый раствор)	Фиолетовая	Бесцветная

АДСОРБЦИОННЫЕ ИНДИКАТОРЫ

Адсорбционные индикаторы - вещества, в присутствии которых происходит изменение цвета осадка, образующегося при титровании методом осаждения. Изменять цвет осадка при определенном значении pH способны многие кислотно-щелочные индикаторы, некоторые красители и другие химические соединения, что делает их пригодными для использования в качестве адсорбционных индикаторов.

Индикатор	Определяемый ион	Ион осадитель	Изменение окраски
Ализариновый красный С			Желтая - розово-красная
Бромфеноловый синий			Желтая - зеленая
			Сиреневая - желтая
			Фиолетовая - сине-зеленая
Дифенилкарбазид	, ,		Бесцветная - фиолетовая
Конго красный	, ,		Красная - синяя
			Синяя - красная
Флуоресцеин	,		Желто-зеленая - розовая
Эозин	,		Желто-красная - красно­ фиолетовая
Эритрозин			Красно-желтая - темно­ красная

ХЕМИЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ИНДИКАТОРЫ

К этой группе индикаторов относятся вещества, способные при определенных значениях pH высвечивать видимым светом. Хемилюминесцентными индикаторами удобно пользоваться при работе с темными жидкостями, поскольку в данном случае в конечной точке титрования возникает свечение.