酸碱指示剂

酸碱指示剂是一种少量添加到溶液中的光致变色化合物，因此可以通过吸收和/或发射特性的变化通过视觉或光谱法确定溶液的 pH 值（酸度或碱度）。 因此，酸碱指示剂是阿伦尼乌斯模型中水合氢离子 (H3O+) 或氢离子 (H+) 的化学检测器。 通常，指示剂会导致溶液的颜色根据 pH 值发生变化。 指标还可以显示其他物理特性的变化； 例如，嗅觉指示器显示气味的变化。 在 25°C（标准实验室条件）下，中性溶液的 pH 值为 7.0。 pH 值低于 7.0 的溶液被认为是酸性的，pH 值高于 7.0 的溶液被认为是碱性的。 由于大多数天然存在的有机化合物都是弱电解质，例如羧酸和胺，酸碱指示剂在生物学和分析化学中有许多应用。 此外，酸碱指示剂是化学分析中使用的三种主要指示化合物之一。 对于金属阳离子的定量分析，优选使用络合指示剂，而第三类化合物，即氧化还原指示剂，用于氧化还原滴定。

就其本身而言，酸碱指示剂通常是弱酸或弱碱。 酸性酸碱指示剂在水溶液中的一般反应式可表示为：

HInd(aq) + H_{2O(l) ⇌ H3O+(aq) + Ind−(aq)}

其中，HInd 代表指示剂的酸性形式，Ind− 代表指示剂的共轭碱基。 碱性酸碱指示剂在水溶液中反之亦然：

IndOH(aq) + H_{2O(l) ⇌ H2O(l) + Ind+(aq) + OH−(aq)}

其中 IndOH 代表指示剂的基本形式，Ind+ 代表指示剂的共轭酸。

共轭酸/碱的浓度与酸性/碱性指示剂的浓度之比决定了溶液的 pH（或 pOH）并将颜色与 pH（或 pOH）值联系起来。 对于弱电解质酸碱指示剂，Henderson-Hasselbalch方程可以写成：

pH = pKa + log10 ⟩[Ind−]⟩/⟩[HInd]

从酸度常数和碱度常数导出的方程式表明，当 pH 值等于指示剂的 pKa 或 pKb 值时，两种物质的比例为 1:1。 如果 pH 高于 pKa 或 pKb 值，则共轭碱的浓度大于酸的浓度，并且与共轭碱相关的颜色占主导地位。 如果 pH 值低于 pKa 或 pKb 值，则反之。

通常，pKa 或 pKb 值的颜色变化不是瞬时的，而是存在混合颜色的 pH 范围。 该 pH 范围因指示剂而异，但根据经验，它介于 pKa 或 pKb 值正负一之间。 这假设只要至少 10% 的其他物质存在，溶液就会保持其颜色。 例如，如果共轭碱的浓度比酸的浓度大 10 倍，则它们的比例为 10:1，因此 pH 为 pKa + 1 或 pKb + 1。相反，如果过量 10 倍 酸与碱的比例为 1:10，pH 为 pKa − 1 或 pKb − 1。

为了获得最佳准确度，两个物种之间的颜色差异应尽可能清晰，并且颜色变化的 pH 范围越窄越好。 在一些指示剂中，例如酚酞，其中一种物质是无色的，而在其他指示剂中，例如甲基红，两种物质都具有颜色。 虽然酸碱指示剂在其指定的 pH 范围内有效工作，但由于不需要的副反应，它们通常在 pH 范围的极端被破坏。

酸碱指示剂常用于分析化学和生物学的滴定中，以确定化学反应的程度。 由于颜色的主观选择（确定），酸碱指示剂容易受到不精确读数的影响。 对于需要精确测量 pH 值的应用，经常使用 pH 计。 有时，混合使用不同指示剂可在较宽的 pH 值范围内实现多种平滑的颜色变化。 这些商业指示剂用于仅需要粗略了解 pH 值的情况。 对于滴定，真实终点与指示终点之间的差异称为指示剂误差。

下面列出了几种常见的实验室酸碱指示剂。 指示剂通常在所列过渡范围内的 pH 值下呈现中间色。 例如，酚红在 pH 6.8 和 pH 8.4 之间呈橙色。