酸堿指示劑

酸堿指示劑是一種少量添加到溶液中的光致變色化合物，因此可以通過吸收和/或發射特性的變化通過視覺或光譜法確定溶液的 pH 值（酸度或堿度）。 因此，酸堿指示劑是阿倫尼烏斯模型中水合氫離子 (H3O+) 或氫離子 (H+) 的化學檢測器。 通常，指示劑會導致溶液的顏色根據 pH 值發生變化。 指標還可以顯示其他物理特性的變化； 例如，嗅覺指示器顯示氣味的變化。 在 25°C（標準實驗室條件）下，中性溶液的 pH 值為 7.0。 pH 值低于 7.0 的溶液被認為是酸性的，pH 值高于 7.0 的溶液被認為是堿性的。 由于大多數天然存在的有機化合物都是弱電解質，例如羧酸和胺，酸堿指示劑在生物學和分析化學中有許多應用。 此外，酸堿指示劑是化學分析中使用的三種主要指示化合物之一。 對于金屬陽離子的定量分析，優選使用絡合指示劑，而第三類化合物，即氧化還原指示劑，用于氧化還原滴定。

就其本身而言，酸堿指示劑通常是弱酸或弱堿。 酸性酸堿指示劑在水溶液中的一般反應式可表示為：

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

其中，HInd 代表指示劑的酸性形式，Ind? 代表指示劑的共軛堿基。 堿性酸堿指示劑在水溶液中反之亦然：

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

其中 IndOH 代表指示劑的基本形式，Ind+ 代表指示劑的共軛酸。

共軛酸/堿的濃度與酸性/堿性指示劑的濃度之比決定了溶液的 pH（或 pOH）并將顏色與 pH（或 pOH）值聯系起來。 對于弱電解質酸堿指示劑，Henderson-Hasselbalch方程可以寫成：

pH = pKa + log10 ?[Ind?]?/?[HInd]

從酸度常數和堿度常數導出的方程式表明，當 pH 值等于指示劑的 pKa 或 pKb 值時，兩種物質的比例為 1:1。 如果 pH 高于 pKa 或 pKb 值，則共軛堿的濃度大于酸的濃度，并且與共軛堿相關的顏色占主導地位。 如果 pH 值低于 pKa 或 pKb 值，則反之。

通常，pKa 或 pKb 值的顏色變化不是瞬時的，而是存在混合顏色的 pH 范圍。 該 pH 范圍因指示劑而異，但根據經驗，它介于 pKa 或 pKb 值正負一之間。 這假設只要至少 10% 的其他物質存在，溶液就會保持其顏色。 例如，如果共軛堿的濃度比酸的濃度大 10 倍，則它們的比例為 10:1，因此 pH 為 pKa + 1 或 pKb + 1。相反，如果過量 10 倍 酸與堿的比例為 1:10，pH 為 pKa ? 1 或 pKb ? 1。

為了獲得最佳準確度，兩個物種之間的顏色差異應盡可能清晰，并且顏色變化的 pH 范圍越窄越好。 在一些指示劑中，例如酚酞，其中一種物質是無色的，而在其他指示劑中，例如甲基紅，兩種物質都具有顏色。 雖然酸堿指示劑在其指定的 pH 范圍內有效工作，但由于不需要的副反應，它們通常在 pH 范圍的極端被破壞。

酸堿指示劑常用于分析化學和生物學的滴定中，以確定化學反應的程度。 由于顏色的主觀選擇（確定），酸堿指示劑容易受到不精確讀數的影響。 對于需要精確測量 pH 值的應用，經常使用 pH 計。 有時，混合使用不同指示劑可在較寬的 pH 值范圍內實現多種平滑的顏色變化。 這些商業指示劑用于僅需要粗略了解 pH 值的情況。 對于滴定，真實終點與指示終點之間的差異稱為指示劑誤差。

下面列出了幾種常見的實驗室酸堿指示劑。 指示劑通常在所列過渡范圍內的 pH 值下呈現中間色。 例如，酚紅在 pH 6.8 和 pH 8.4 之間呈橙色。