Chỉ thị mang màu | Khái niệm hoá học

1. Định nghĩa

Chỉ thị mang màu là chất cho vào dung dịch để dễ dàng nhận biết được điểm kết thúc của phản ứng khi thấy sự thay đổi màu"

Theo Kolthoff (1926): "Chỉ thị pH là những acid hay base yếu mà dạng ion của nó có cấu trúc và màu sắc khác biệt với dạng không bị ion hóa"

Thuận lợi: Khi thêm một lượng nhỏ của chất chỉ thị này vào dung dịch được định lượng thì màu của chỉ thị biến đổi tức thì giữa hai giá trị pH nào đó.

Thí dụ: Phtaleine chỉ có một cấu trúc phân tử nên không màu trong môi trường acid, còn trong môi trường kiềm (pH = 8,3 - 10) nó có nhiều dạng đồng phân dưới dạng ion nên xuất hiện màu.

Những chất được sử dụng làm chỉ thị đầu tiên là những chất màu thực vật như các anthocyan. Hiện nay có nhiều chỉ thị màu tổng hợp.

2. Cơ chế đổi màu của chỉ thị

Cấu trúc electron của một hợp chất hữu cơ có thể thay đổi bằng cách thêm hay mất đi một H⁺ hay một nhóm OH^-

Những chỉ thị theo pH trong dãy sau cho những dạng đồng phân quang học (vòng thơm). Quan trọng nhất là:

- Phtalein: phenolphtalein, thymolphtalein...

- Sulfon phtalein: thymol - sulfon phtalein, phenol - sulfon phtalein, bromophenol - sulfon phtalein.

- Các azoic như Helianthin

Trong môi trường acid: dung dịch azoic có màu đỏ vì hai dạng đồng phân có được do proton hóa nito amin.

Trong môi trường kiềm: dung dịch azoic có màu vàng vì còn có một loại những nối đôi liên hợp nhưng có nhiều khả năng hủy tại chỗ những nối đôi này.

- Dẫn chất anthraquinon (Alizarin sulfonat natri). Nitrophenol

Thông thường, để có thể sử dụng thì màu sắc hay chuyển đổi thuận nghịch.

3. Vùng chuyển màu của chỉ thị màu trong môi trường nước

Ở một pH nhất định, không có chỉ thị mang màu nào thay đổi màu đột ngột. Sự thay đổi màu này xảy ra giữa 2 pH để xác định vùng chuyển màu hay khoảng đổi màu.

Nếu gọi chỉ thị mang màu ở dạng acid là I_A, chỉ thị dạng base là IB thì:

H₂O + I_A = I_B + H₃O⁺ với I_A = HI_B

Ở đó có cân bằng là K_A = [I_B].[H⁺]/I_A

hoặc pH = pK_a + log[I_B]/[I_A] khi [I_B] = [I_A]; pH = pK_A

Khi pH = pK_A thì màu sắc của chất chỉ thị được phân chia giữa hai dạng, lúc đó màu sắc của nó nhạy nhất.

dù cho pH là bao nhiêu, cũng có thể viết: log[I_B]/[I_A] = pH - pK_a

- Nếu pH = (pK_a + 1) thì log[I_B]/[I_A] = 1 và [I_B]/[I_A] = 10

=> [I_B] = 10[I_A]. Lúc này trong thực tế màu của dung dịch là màu của dạng base

- Nếu pH = (pKa - 1) thì log[I_B]/[I_A] = -1 và [I_B]/[I_A] = 0,1

=> [I_B] = 1/10 [I_A]. Lúc này trong thực tế, màu cảu dung dịch là màu của dạng acid. Do vậy: giới hạn của vùng chuyển màu chỉ thị khoảng : pH = pK_a $\pm$1

Nếu dùng chỉ thị cho chuẩn độ mà vùng đổi màu không màu không nằm trong vùng thay đổi đột ngột của pH thì sẽ dẫn đến sai số vì khó nhận biết.

Chọn chỉ thị màu trong phương pháp chuẩn độ acid - base

Thí dụ: khi trung hòa HCl 1N bởi NaOH 1N thì lúc tới điểm tương đương vùng pH thay đổi đột ngột rất rộng, pH từ 3 đến 11. Do đó có thể lựa chọn một số chất chỉ thị như sau:

Chỉ thị: 

- Helianthin (pH của vùng chuyển màu là 3,1 đến 4,4)

- giấy quỳ (pH của vùng chuyển màugần vùng trung tính)

- Phenolphtalein ( pH của vùng chuyển màu từ 8,3 đến 10)

Nếu trung hòa một base yếu bằng một acid mạnh hay trung hòa một base mạnh bởi một acid yếu thì khoảng pH thay đổi đột ngột sẽ bị giảm đi.

Chú ý

- Khi định lượng, nếu khoảng pH chuyển màu của chỉ thị càng nhỏ thì sự chuyển màu càng rõ, khoảng này thường là hai đơn vị pH.

- Ngược lại trong trường hợp do màu theo pH: nếu sự chuyển màu càng trải ra một vùng pH lớn thì phép đo càng dễ thực hiện.

Thí dụ: xanh bromothymol chuyển màu vàng ở pH = 5,8; vàng lục ở pH = 6,2; xanh lá ở pH = 7; xanh dương ở pH = 8.

Chỉ thị có thể sử dụng trong những vùng pH quá cao hay quá thấp

Các loại chỉ thị này cho phép thực hiện khi nồng độ acid hay base lớn. Chủ yếu liên quan đến các phép phân tích định lượng

Ngược lại trong môi trường rất kiềm ở pH =12, tropeoline chuyển màu vàng sang đỏ gạch.

- Chỉ thị hỗn hợp

Nguyên tắc: khi thêm vào một màu hỗ trợ sẽ làm thay đổi sự chuyển màu của chỉ thị chính.

Thí dụ:

Chỉ thị Tashiri

- Dung dịch A: - Xanh methylen 1%/EiOH 25ml (màu hỗ trợ)

- Đỏ methylen 1%/EtOH 100ml

- Điều chế chỉ thị Tashiri: Dung dịch A: 100ml; EtOH: 100ml; nước: 200ml. Thêm NaOH loãng đến khi mất màu đỏ;

Ở pH từ 5,45 đến 5,50 màu hồng chuyển sang xanh lá. Chỉ thị này thích hợp để định lượng amoniac

- Chỉ thị hỗn hợp hai phtalein

- Phenolphtalein 1%/EtOH 50% 20ml

- Napholphtalein 1%/EtOH 50% 10ml

Ở pH từ 9,6 đến 9,7; màu từ hồng sang tím. Chỉ thịnày thích hợp để định lượng chức acid thứ hai của acid phosphoric.

Nồng độ chỉ thị màu được sử dụng

Từ hằng số K_A= [I_B].[H⁺]/[I_A] => [I_B]/[I_A] = K_A/[H⁺]

Tùy theo chỉ thị có một dạng có màu (phtalein) hay 2 dạng có màu (heliathin).

Trường hợp chỉ thị có một nhóm mang màu (monochrom)

Thí dụ: phenolphtalein [IB] màu đỏ và [IA] không màu. [I_B] = K_A.[I_A]/[H⁺]

Ở pH đã cho: nếu nồng độ của chỉ thị ở dạng không màu [IA] càng lớn thì khi thay đổi pH, sự chuyển màu của chỉ thị càng dễ thấy => ưu điểm: có thể cho 1 lượng tương đối lớn chất chỉ thị.

Thường thường chỉ dùng dung dịch chỉ thị 2 - 3% (khoảng 10mg) để tránh trường hợp chất chỉ thị có thể tiêu thụ nhiều thuốc thử chuẩn độ.

Trường hợp chỉ thị có nhiều nhóm mang màu (polichrom)

Thí dụ: helianthin [I_A] màu đỏ và [I_B] màu vàng.

Ở 1 pH xác định, thành phần của hai dạng màu này không đổi. Do vậy, khi cho 1 lượng thừa chất chỉ thị cũng sẽ không làm biến đổi tỷ lệ [I_B]/[I_A] và lại càng khó thấy chuyển màu nên không có lợi.

Trong thực hành, thường thêm 1 giọt dung dịch 2% (khoảng 0,1 mg và là 100 lần ít hơn trường hợp thêm phenolphtalein).