อินดิเคเตอร์สำหรับกรด – เบส

อินดิเคเตอร์สำหรับกรด – เบส

อินดิเคเตอร์เป็นสารที่ใช้บอกความเป็นกรด – เบสของสารละลาย ส่วนใหญ่เป็นสารอินทรีย์ประเภทสีย้อมและมีสีต่างๆ กัน มีสูตรโครงสร้างที่ซับซ้อนและมีสมบัติเป็นกรดอ่อนเพื่อความสะดวกจึงสมมุติให้มีสูตรเป็น HIn อินดิเคเตอร์ชนิดหนึ่ง ๆ จะมีโครงสร้าง 2 แบบซึ่งมีสีแตกต่างกันเมื่ออินดิเคเตอร์ละลายน้ำหรืออยู่ในสารละลายจะมีการแตกตัวเป็นไอออนการที่มีสมบัติเป็นกรดอ่อนจึงทำให้มีภาวะสมดุลเกิดขึ้น เขียนแสดงได้ด้วยสมการดังนี้

ในปฏิกิริยาจะพบว่า HIn และ In- เป็นคู่กรด-เบส ซึ่งกันและกัน HIn มีโครงสร้างเป็นกรดจึงเรียกว่า รูปกรด ในขณะที่คู่เบส คือ  In- เป็นโครงสร้างที่แสดงสมบัติเป็นเบสจึงเรียกว่า รูปเบส โครงสร้างของรูปกรดและรูปเบส สำหรับอินดิเคเตอร์ชนิดหนึ่งๆจะมีสีไม่เหมือนกันและมีปริมาณอยู่ในสารละลายต่างกันจึงทำให้สีของสารละลายเปลี่ยนแปลงไปได้ในสารละลาย ถ้ามีโครงสร้างของรูปใดมากกว่า สารละลายจะมีสีตามรูปนั้น การที่จะมีรูปกรดหรือรูปเบสมากกว่ากันจะขึ้นอยู่กับปริมาณของ H3O+ในสารละลายหรือขึ้นอยู่กับ pHของสารละลายนั่นเอง   ดังนั้นอินดิเคเตอร์จึงมีสีเปลี่ยนแปลงไปตามค่า pH ของสารละลาย ทำให้สามารถบอกความเป็นกรด-เบส ของสารละลายจากการดูที่สีของอินดิเคเตอร์

(ที่มา : http://www.il.mahidol.ac.th/e-media/acid-base/C8.HTM)

            ตัวอย่างการเปลี่ยนสีของเมทิลเรด ซึ่งเป็นอินดิเคเตอร์ที่มีสมบัติเป็นกรดอ่อนเมื่ออยู่ในรูปโมเลกุล (HIn) ซึ่งเป็นรูปกรด (acid form) จะมีสีแดง และเมื่ออยู่ในรูปไอออน (In^–) ซึ่งอยู่ในรูปเบส (base form) หรือเป็นคู่เบสจะมีสีเหลือง เมื่ออยู่ในสารละลายที่มีน้ำเป็นตัวทำละลายจึงมีภาวะสมดุล ดังสมการ

เมทิลเรดจะปรากฎสีใดขึ้นอยู่กับปริมาณของ HIn และ In^– ดังนี้

1. ในสารละลายที่มี H₃O⁺ มาก เนื่องจากการเติมกรดลงในสารละลายตามหลักของเลอชาเตอลิเอร์สมดุลจะเลื่อนมาทางซ้าย ทำให้เกิด [HIn] มาก อินดิเคเตอร์จะปรากฎเป็นสีแดงมากกว่าสีเหลือง ดังสมการ

2. ในสารละลายที่มี OH^– มาก เนื่องจากการเติมเบสลงในสารละลาย สมดุลจะเลื่อนไปทางขวามากขึ้น เพราะ OH^– ไปทำปฏิกิริยากับ H₃O⁺ ทำให้ [H₃O⁺] ลดลง เกิดปฏิกิริยาไปข้างหน้ามากขึ้น [In^–] จึงเพิ่มขึ้นอินดิเคเตอร์จะปรากฎสีเหลืองมากกว่าสีแดง

3. ในสารละลายที่มีค่าความเข้มข้นของ HIn และ In- ใกล้เคียงกัน สีของอินดิเคเตอร์จะเป็นสีผสมระหว่างสีของรูปกรดและรูปเบสผสมกัน ในกรณีของเมทิลเรดจะได้สีส้มซึ่งเป็นสีผสมระหว่างสีแดงกับสีเหลืองและเรียก pH ของสารละลายช่วงสีผสมนี้ว่า“ช่วง pH ของการเปลี่ยนสี
(pH range) ของอินดิเคเตอร์” ดังสมการต่อไปนี้

จากอัตราส่วนระหว่าง [HIn] ต่อ [In^–] มีผลต่อสีของอินดิเคเตอร์ ดังนี้

  ถ้าอัตราส่วนของ [HIn] ต่อ [In^–]         =          1 : 1    ได้สีส้ม

    ถ้าอัตราส่วนของ [HIn] ต่อ [In^–]         =          10 : 1  ได้สีแดง

        ถ้าอัตราส่วนของ [HIn] ต่อ [In^–]         =          1 : 10  ได้สีเหลือง

           ดังนั้น ช่วงปรับเปลี่ยนสีของอินดิเคเตอร์ที่มีสมบัติเป็นกรดอ่อน คือ ช่วง pHที่ทำให้อัตราส่วนระหว่าง  [HIn] ต่อ [In^–] เปลี่ยนจาก 10 ไปเป็น 0.1 ถ้า           [HIn] > [In^–]  ≥ 10 จะพบสีของสารละลายในรูปกรด

หรือเปลี่ยนสีที่

ถ้า

จะพบสีของสารละลายในรูปเบสหรือเปลี่ยนสีที่ช่วง pH      =      pKa + log10

=      pKa + 1

แสดงว่าอินดิเคเตอร์ใดๆ จะเปลี่ยนสีที่ pH  =  pKa ± 1 ดังตัวอย่างต่อไปนี้

ตัวอย่าง  อินดิเคเตอร์ชนิดหนึ่ง มีค่า Ka = 2×10^-5 รูปกรดมีสีเหลือง รูปเบสมีสีน้ำเงิน

เติมลงในสารละลาย มีค่า pH = 3 จะได้สีอะไรและที่ pH 5.5 และ 9.2 สารละลายจะมีสีใด

แสดงว่า pH ต่ำกว่า 3.7 มีสีเหลือง สูงกว่า 5.7 มีสีน้ำเงิน และช่วง pH 3.7 ถึง 5.7

เมื่อเติมอินดิเคเตอร์ในสารละลาย        pH         =          3  จะมีสีเหลือง

pH         =          5.5 จะมีสีเขียว

pH         =          9.2 จะมีสีน้ำเงิน

ส่วนช่วง pH ที่ทำให้อินดิเคเตอร์ที่เป็นเบสอ่อนเปลี่ยนสี คือ ช่วงที่ pH = pKa ± 1

ตารางแสดงช่วง pH ที่เปลี่ยนสีของอินดิเคเตอร์บางชนิด

(ที่มา : http://www.lks.ac.th/student/kroo_su/chem22/indi.htm)

             ผลการวิเคราะห์ข้อมูลจากตารางพบว่า อินดิเคเตอร์แต่ละชนิดเปลี่ยนสีที่ค่า pHต่างกัน มีช่วง pH ของการเปลี่ยนสีกว้างต่างกัน อินดิเคเตอร์ที่มีช่วง pH เปลี่ยนสีที่กว้างมากจะไม่สามารถบอกความเป็นกรด – เบส ได้ถูกต้อง ถ้าใช้อินดิเคเตอร์เพียงชนิดเดียวถ้าใช้อินดิเคเตอร์หลายชนิดทดสอบค่า pH ของสารละลาย จะสามารถประมาณค่า pHได้ใกล้เคียงที่สุด โดยการวิเคราะห์ค่าpH แล้วหาช่วงที่มีค่า pH ซ้ำกัน จะเป็นค่า pH  ของสารละลาย ดังตัวอย่างตัวอย่างที่ 1  การทดลองหาค่า pH ของสารละลายชนิดหนึ่ง โดยใช้อินดิเคเตอร์ 5 ชนิดด้วยกัน ผลการทดลองเป็นดังนี้

ชนิดของอินดิเคเตอร์	ช่วง pH	สีที่เปลี่ยน	สีสารละลายที่ได้จากการทดลอง
1. methyl yellow 2. Bromeresol green 3. Methyl red 4. Bromothymol blue 5. Phenophtalein	2.9-4.0 3.8-5.4 4.4-6.2 6.0-7.6 8.0-9.6	สีแดง-เหลือง เหลือง-น้ำเงิน แดง-เหลือง เหลือง-น้ำเงิน ไม่มีสี-สีชมพู	เหลือง น้ำเงิน ส้ม เหลือง ไม่มีสี

       ให้หาค่า pH ของสารละลายจากข้อมูลการทดลองข้างต้น

แนวคิด จากอินดิเคเตอร์ชนิดที่ 1 แสดงว่า pH ของสารละลาย > 4 จากอินดิเคเตอร์

ชนิดที่ 2แสดงว่า pH ของสารละลายอยู่ระหว่าง 4.4-6.2 จากอินดิเคเตอร์ชนิดที่ 3 แสดงว่า

pH ของสารละลาย > 5.4 จากอินดิเคเตอร์ชนิดที่ 4 แสดงว่า pH ของสารละลาย < 6

จากอินดิเคเตอร์ชนิดที่ 5 แสดงว่า pH ของสารละลาย < 8.0 สรุปได้ว่า สารละลายมีpH อยู่ระหว่าง 5.4 – 6

ตัวอย่างที่ 2  กำหนดชนิดของอินดิเคเตอร์ช่วง pH ที่เปลี่ยนสีและสีที่เปลี่ยนให้ ดังนี้

นำสารละลาย X ซึ่งใสไม่มีสีมา 3 หลอด หยดอินดิเคเตอร์ ได้ผลดังนี้

pH ของสารละลาย X เท่ากับ 7.2 – 7.6 เนื่องจากเป็นช่วง pH ที่ซ้ำกันของอินดิเคเตอร์

ทั้ง 3 ชนิดและสามารถสรุปได้ว่าสารละลายมีสมบัติเป็นเบสเนื่องจาก pH มากกว่า 7    ดังนั้น ถ้านำอินดิเคเตอร์หลายชนิด ซึ่งเปลี่ยนสีของสารละลายได้ในช่วงpH แตกต่างกันมากผสมกันในอัตราส่วนที่เหมาะสม จะได้อินดิเคเตอร์ที่ค่า pHของสารละลายได้ชัดเจนมากขึ้น เรียกว่า“ยูนิเวอร์ซัลอินดิเคตอร์(universal indicatior)”ทำให้สามารถระบุค่า pHของสารละลายตั้งแต่ pH1-14

(ที่มา : http://www.camlab.co.uk/item.asp?itemid=21331&categoryid=204&browsecategoryid=307)

(ที่มา : http://ujutchemical.exteen.com/20060911/entry-3)

               ยูนิเวอร์ซัลอินดิเคเตอร์ที่ใช้โดยทั่วไป ได้จากการผสมอินดิเคเตอร์ 4 ชนิด คือ

เมทิลเรด    เมทิลออเรนจ์ ฟีนอล์ฟทาลีน และโบรโมไทมอลบลู ในอัตราส่วนที่เหมาะสมทำให้เปลี่ยนสีได้เกือบทุกช่วงของ pH เช่นที่ pH=3

เมทิลออเรนจ์และเมทิลเรดจะมีสีแดง ฟีนอล์ฟทาลีนไม่มีสี โบรโมไทมอลบูลมีสีเหลืองเมื่อรวมกันยูนิเวอร์ซัลอินดิเคเตอร์จะให้สีที่ปรากฏเป็นสีแดงส้มที่ pH เท่ากับ 3กระดาษ pH เป็นกระดาษที่ชุบด้วยยูนิเวอร์ซัลอินดิเคเตอร์ใช้ทดสอบความเป็นกรด-เบสของสารละลายได้สะดวก  โดยการตัดเป็นชิ้นเล็กๆและนำสารละลายมาแตะบนกระดาษ แล้วนำผลที่ได้ไปเทียบสีของค่า pH ที่แผ่นเทียบสีบนกล่องบรรจุกระดาษ pHทำให้สามารถระบุค่า pH ของสารละลายได้  สีที่สกัดได้จากส่วนต่างๆ ของพืชจะเปลี่ยนสีในช่วง pH ต่างๆ ได้ ดังนั้นจึงสามารถนำมาใช้เป็นอินดิเคเตอร์ ดังตัวอย่างต่อไปนี้

ตารางแสดงอินดิเคเตอร์จากพืชที่สกัดด้วยน้ำ 

ชนิดของพืช	ช่วง pH ที่เปลียนสี	สีที่เปลี่ยน
ดอกอัญชัน	1-3	แดง-ม่วง
ดอกกระเจี๊ยบ	6-7	แดง-เขียว
ขมิ้นชัน	6-7	เหลืองส้ม
ขมิ้นชัน	11-12	ส้ม-น้ำตาล
ชบาซ้อน	7-8	แดง-เขียว
ดาวเรืองเหลือง	9-10	ไม่มีสี-เขียว
กล้วยไม้	10-11	ไม่มีสี-เหลือง
ทองกวาว	11-12	เหลืองเขียว-แดง

จากตารางพบว่า สีจากพืชสามารถเปลี่ยนสีในช่วง pH ต่างๆ กัน ดังนั้น

อาจเตรียมอินดิเคเตอร์จากสารสกัดจากส่วนต่างๆ ที่มีสีของพืชได้  นอกจากนี้การวัดค่า pH ของสารละลายอาจใช้เครื่องมือที่เรียกว่า “พีเอชมิเตอร์

(pH meter)” เป็นเครื่องมือที่ใช้วัดค่า pH ของสารละลายที่ปรากฎเป็นตัวเลขที่มีค่าถูกต้องและละเอียดยิ่งขึ้น