酸碱指示剂及其应用

酸碱指示剂是检验溶液酸碱性的常用化学试剂，借助颜色变化确定溶液的pH，因而存在相应的变色范围，酸碱指示剂在化学学习中应用较为广泛，现归纳分析如下：

一、酸碱指示剂的概念

⒈ 酸碱指示剂：

跟酸性或碱性溶液起作用而显示不同颜色的物质，通常也简称指示剂。

一般是某些有机弱酸或弱碱，或是有机酸碱两性物质，它们在酸碱滴定过程中也能参与质子转移反应，在溶液里，随着溶液酸碱性的变化，指示剂的分子结构发生变化，因分子结构的改变而引起自身颜色的变化，并且这种颜色伴随结构的转变是可逆的。例如酚酞，甲基橙。

⒉ 分类：

⑴ 单色指示剂：在酸式或碱式型体中仅有一种型体具有颜色的指示剂。如酚酞

⑵ 双色指示剂：酸式或碱式型体均有颜色的指示剂。如甲基橙。

⑶ 混合指示剂：混合指示剂利用了颜色之间的互补作用，具有很窄的变色范围，且在滴定终点有敏锐的颜色变化。

二、酸碱指示剂的变色原理

酸碱指示剂是一类结构较复杂的有机弱酸或有机弱碱，它们在溶液中能部分电离成指示剂的离子和氢离子（或氢氧根离子），并且由于结构上的变化，它们的分子和离子具有不同的颜色，因而在pH不同的溶液中呈现不同的颜色。其酸式色与碱式色不同。

⒈ 变色原理：以HIn表示指示剂，在溶液中，存在以下平衡：

HIn = H++ In-

(酸式色) （碱式色）
Ka为指示剂的解离常数。

⑴ 溶液的颜色是由[In-]/[HIn]的比值来决定的，随溶液的[H+]的变化而变化。

⑵ 当[In-]/[HIn]≤1/10，PH≤PKa-1，呈现的主要是酸式色；

当10＞[In-]/[HIn]＞1/10，PH在PKa±1之间，颜色逐渐变化的混合色；

当[In-]/[HIn]≥10，PH≥PKa+1，呈现的主要是碱式色。

⒉ 实例分析：

石蕊和酚酞都是酸碱指示剂，它们是一种弱的有机酸。

⑴ 石蕊能溶于水，且能溶于酒精，变色范围是 pH＝5.0－8.0

石蕊(主要成分用HL表示)在水溶液里能发生如下电离：HL红色=H++L-蓝色

在酸性溶液里，红色的分子是存在的主要形式，溶液显红色；

在碱性溶液里，上述电离平衡向右移动，蓝色的离子是存在的主要形式，溶液显蓝色；

在中性溶液里，红色的分子和蓝色的酸根离子同时存在，所以溶液显紫色。

⑵ 酚酞是一种有机弱酸，变色范围是pH＝8.0－10.0。

它在酸性溶液中，浓度较高时，形成无色分子。但随着溶液中H+浓度的减小，OH-浓度的增大，酚酞结构发生改变，并进一步电离成红色离子，这个转变过程是一个可逆过程；如果溶液中H+浓度增加，上述平衡向反方向移动，酚酞又变成了无色分子。因此，酚酞在酸性溶液里呈无色，当溶液中H+浓度降低，OH-浓度升高时呈红色。

酚酞的醌式或醌式酸盐，在碱性介质中是很不稳定的，它会慢慢地转化成无色的羧酸盐，因此，做氢氧化钠溶液使酚酞显色实验时，要用氢氧化钠稀溶液，而不能用浓溶液。

三、常见酸碱指示剂的变色范围

⒈ 变色范围：

当溶液的PH由PKa-1变化到PKa+1（或相反）时，才可以观察到指示剂由酸式色经混合色变化到碱性色，这一颜色变化的pH范围，即pH=pKa±1称为指示剂的变色范围。

由实验测得，常见的酸碱指示剂变色范围如下：

指示剂 pH变色范围

甲基橙 0←红色一3.1－橙色－4.4－黄色→14

石蕊 0←红色－5.0-紫色一8.0－蓝色→14

酚酞 0←无色－8.2－粉红色－10.0－红色→14

⒉ 理论变色点：

当指示剂的酸式型体与碱式型体的浓度相等，即[In-]/[HIn]==1时，溶液的pH=pKa，称为指示剂的理论变色点。

四、影响指示剂变色范围的因素

⒈ 指示剂的用量：

因为酸碱指示剂都是有机酸或有机碱，使用酸碱指示剂只能用2-3滴，用多了会增大误差的。

双色指示剂：指示剂的变色范围不受其用量的影响。但指示剂的变色也要消耗一定的滴定剂，从而引入误差。

单色指示剂：单色指示剂的用量增加，其变色范围向PH减小的方向发生移动。使用时其用量要合适。

⒉ 温度：

温度的变化会引起指示剂解离常数和水的质子自递常数发生变化，因而指示剂的变色范围亦随之改变，对碱性指示剂的影响较酸性指示剂更为明显。

⒊ 溶剂：

不同的溶剂具有不同的介电常数和酸碱性，因而一行指示剂的解离常数和变色范围。

五、酸碱指示剂的选择

指示剂选择不当，加之肉眼对变色点辨认困难，都会给测定结果带来误差。因此，在多种指示剂中，选择指示剂的依据是：要选择一种变色范围恰好在滴定曲线的突跃范围之内，或者至少要占滴定曲线突跃范围一部分的指示剂。这样当滴定正好在滴定曲线突跃范围之内结束时，其最大误差小于0.1%。

六、注意事项

⒈ 指示剂大多是有机弱酸或弱碱，或有机酸碱两性物质在酸碱滴定过程中参与质子转移反应。

⒉ 颜色伴随结构的转变是可逆的。

⒊ 指示剂酸性体或碱性体的颜色不同。

⒋ 是酸性溶液(或碱性溶液)使指示剂变色，而不是指示剂使酸性溶液(或碱性溶液)变色。如盐酸能使紫色石蕊溶液变红色，而不是紫色石蕊溶液使盐酸变红色。

⒌ 某溶液滴入无色酚酞溶液不变色，该溶液不一定是酸性溶液，也可能是中性溶液。

⒍ 指示剂遇酸性或碱性溶液变色的过程是化学变化。

⒎ 不溶于水的酸或碱不能使指示剂变色，如氢氧化铜是一种难溶于水的碱，它不能使无色酚酞溶液变红。

⒏ 因为酸碱指示剂都是有机酸或有机碱，使用酸碱指示剂只能用2-3滴，用多了会增大误差。

⒐ 在酸碱滴定中，有时使用单一指示剂变色不敏锐，或是需要将终点限制在很狭窄的范围内，这时可采用混合指示剂。

⒑ 由于指示剂的变色不是突变，而是在一个pH范围内变化，且指示剂的变色点不正好与化学计量点一致，指示剂指示终点时会产生一定的误差，另外指示剂的用量也会影响误差的大小。

七、酸碱指示剂的应用

㈠ 溶液

酸碱性的确定

常温下，pH=7的溶液呈中性 c(H+＝(cOH-)＝10-7mol/L,

pH＜7的溶液呈酸性 c(H+)＞10-7moI/L＞c(OH-),

pH＞7的溶液呈碱性 c(OH-)＞1O-7moI/L＞c(H+)。

可见，溶液的酸碱性取决于c(H+)和c(OH-）的相对大小。因此可以通过酸碱指示剂的显色确定溶液的pH,进一步确定溶液的酸碱性．

例1 在下列各组溶液中加入甲基橙后显黄色，另加入酚酞后溶液呈无色，则溶液中熊大量存在的高子是（ ）

(A) H+、Cl-、NH4+

(B) S2-、CO32-、K+

(C) SO42-、Na+、Cl-

(D) OH-、AlO2-、K+

解析：根据酸碱指示剂的变色范围，甲基橙呈黄色，说明该溶液pH＞4.4，酚酞呈无色，说明该溶液pH＜8.2，即4.4＜pH＜8.2推得该溶液可能显酸性、中性或碱性；(A)项中H+、NH4+在碱性溶液中不能大量共存，（B）项中S2－、CO32-,(D)项中OH-、AlO2-在酸性溶液中不能大量共存，(C)项中三种离子在酸、中、碱性中都不发生离子反应，能大量共存故选（C）。

㈡ 滴定终点的判断

中和滴定应选择适当的酸碱指示剂，选择的依据是中和后溶液的酸碱性尽可能落在指示剂的变色范围内或与之靠近，滴定过程中根据指示剂颜色的变化（且在半分钟内不褪色），确定滴定终点。常见的中和情况与变色情况如下，其中石蕊因变色范围太宽且紫色与蓝色不易分辨而不宜选用。

滴定时指示剂的选择与指示剂变色情况

⒈强（弱〉碱滴定强酸：如氨水滴定盐酸，溶液呈中性或弱酸性，用甲基橙作指示剂，变色情况为：红色一橙色

⒉强酸滴定强（弱）碱：如盐酸滴定氨水，溶液呈中性或弱酸性，用甲基橙作指示剂，变色情况为：黄色一橙色

⒊强碱滴定强（弱）酸：如氢氧化钠滴定醋酸，溶液呈中性或弱碱性，用酚酞作指示剂，变色情况为：无色一粉红色

⒋强（弱）酸滴定强碱：如醋酸滴定氢氧化钠，溶液呈中性或弱碱性，用酚酞作指示剂，变色情况为：粉红色一无色

例2 已知常温常压下饱和CO2的水溶液的pH=3.9，则可推断用标准盐酸滴定NaHC03水溶液时，适宜用的指示剂及滴定终点时颜色变化的情况是（ ）

(A)石蕊，由蓝色变红色

(8)甲基橙，由橙色变黄色

(C)酚酞，由红色变无色

(D)甲基橙，由黄色变橙色

解析：本题属于强酸滴定弱碱（或呈碱性的盐），发生的反应为：NaHCO3+HCl=NaCl+H2O+CO2↑，滴定终点的溶液是CO2的饱和溶液(pH=3.9)。根据酸碱指示剂的变色范围，应选用甲基橙为指示剂，滴定终点时颜色由黄色突变为橙色（且半分钟内不褪色）。选(D)

㈢ 平衡移动的验证

弱电解质存在着电离平衡，其盐溶液存在着水解平衡，加入适当指示剂后，由于外在条件的变化（如：改变温度、稀释等），引起指示剂颜色的相应变化，从而验证了弱电解质或平衡移动的存在。

例3 现在酚酞试液、石蕊试液、0.1mol/L氨水、35％盐酸、0.1mol/L盐酸、氢氧化钙固体和蒸馏水，请应用化学平衡知识设计一个实验（只限于选用上述试剂），证明氨水是弱碱，简述方法．

解析：本题可用反证法，假设氨水是强碱，与同浓度同体积的盐酸混合，得到氯化铵溶液，即生成了强酸强碱盐，溶液呈中性，滴加石蕊试液显紫色；反之，如果显红色，说明生成强酸弱碱盐（原假设不成立），即氨水是弱碱。根据以上分析，得出方法：取0.1mol/L氨水和0.1mol/L盐酸等体积混合并振荡，再滴入2-3滴石蕊试液，溶液显红色，说明氨水是弱碱。

倒4 试用简单的实验证明，在醋酸溶液中存在着CH3COOH=(可逆)CH3COO-+H+的电离平衡（要求写出简要操作、现象及实验能说明的问题）。

解析：要证明醋酸存在电离平衡，应证明醋酸的电离是一个可逆过程。①向醋酸溶液中加入石蕊，溶液变红色，说明醋酸分子已发生了电离（水中C(H+）增大）。②再加醋酸铵固体（水溶液呈中性），使得CH3COO-结合大量H+，平衡向逆反应移动，溶液的红色变浅。由此得出操作步骤：用一只试管取少量醋酸溶液，滴加2-3滴紫色石蕊试液，溶液变红色，再加少量醋酸铵固体，振荡，红色变浅说明醋酸存在着电离平衡。

㈣ 溶液的成分和百分含量的测定（双指示剂法）

双指示剂法是利用指示剂（常用的是酚酞和甲基橙）的变色范围判断滴定终点，依据两次滴定的体积大小关系确定试样的组成或算出试样中各组分的百分含量的方法，它是测定溶液成分或百分含量的常用方法。

例5 双指示剂法可用来测定NaOH、NaHC03、Na2CO3中的一种或两种物质组成的混合物的含量。具体做法是：先向待测液中加酚酞，用标准盐酸滴定，当NaOH或Na2C03被转化成NaCl或NaHCO3时，酚酞由红色褪成无色，消耗V1mL盐酸，然后滴加甲基橙，继续用盐酸滴定，当NaHCO3转化为NaCl时，溶液由黄色变成橙色，消耗V2mL盐酸。

(1) 用上述方法进行下表的5种试样测试，试根据盐酸用量确定①-⑤ 的成分。

试样①：标准盐酸用量，V1＞V2且V2=0，试样成分（ ）

试样②：标准盐酸用量，V2＞V1且V1=0，试样成分（ ）

试样③：标准盐酸用量，V1=V2＞0，试样成分（ ）

试样④：标准盐酸用量，V1＞V2＞0，试样成分（ ）

试样⑤：标准盐酸用量，V2＞V1＞0，试样成分（ ）

(2) 若称取含杂质试样I.2g（杂质不与盐酸反应）配制成100mL溶液取出20mL，用0.1mol/L盐酸滴定，测得V1=35mL,V2=5mL，求试样的成分及质量分数。

解析：向该溶液中滴加盐酸时，发生的反应依次为：

HCl+NaOH=NaCl+H20 ①

HCl+Na2CO3=NaCl+NaHC03 ②

HCl+NaHCO3=NaCl+CO2↑+H20 ③

由于酚酞在碱性区域内变色(8.2-10.0)，甲基橙在酸性区域内变色(3.1-4.4)，若反应后生成NaHCO3（发生②），溶液呈碱性，可用酚酞作指示剂；若完全生成NaCl、CO2和H2O（发生③），溶液呈弱酸性，可用甲基橙作指示剂。综上所述，讨论分析如下：

⒈ 单一溶质

⑴ 若溶液中只有NaOH时，只发生了①，推得V1＞V2且V2=0

⑵ 若溶液中只有NaHCO3时，只发生了③，推得V2＞V1，且V1=0

⑶ 若溶液中只有Na2CO3时,发生了②和③，推得V1=V2＞0

⒉ 混合溶质

⑴ 若是NaOH和Na2CO3混合时，三个反应都发生，推得V1＞V2＞0；

⑵ 若是Na2CO3和NaHCO3混合时，只发生②和③，推得V1＞V2＞0；

⑶ 因NaHCO3和NaOH发生反应，不可能同时成为混合溶液中的溶质。

所以，上表中的五种物质为：①NaOH，②NaHCO3，③Na2CO3，④NaOH和Na2CO3，⑤Na2CO3和NaHCO3。

⑵中给出的V1=35mL,V2=5mL，即V1＞V2＞0，说明试样成分是NaOH和Na2CO3（见表中的第④组）。由此求得：

W(Na0H)%=0.1moV/L×(35一5)×10-3L×40g/mol×5÷1.2g×l00%=50%

W(Na2CO3)%=0.lmol/L×5×10-3L×40g/mo1×5÷1.2g×l00%=22%

总之，酸碱指示剂除了上述应用外，还可用于未知浓度的测定、误差分析等方面。只要我们平时多注意归纳总结，就会把零散的知识点串成线，把线织成网，有效的把知识转化成能力。