自製酸硷指示剂

浏览量:822 发布于:2020-08-01

自1663年Robert Boyle应用植物性色素测定酸硷度至今,石蕊 (litmus) -地衣用氨与硷处理后所得到的蓝色粉末,仍为广泛运用的酸硷指示剂。大部份指示剂属于弱酸或弱硷性的有机化合物。酸型指示剂如溴百里酚蓝 (bromothymol blue)、酚酞 (phenolphthalein) 等,在酸中呈HIn的型式,在硷中脱去氢离子而为共轭硷In–状态;硷型指示剂,如甲基橙 (methyl orange)、甲基红 (methyl red) 在硷中为In型式,在酸中得到氢离子而呈共轭酸InH+的状态。结构改变后对光线的吸收与反射也改变,因而显现不同的颜色。

以酸型指示剂作说明:

$$\mathrm{HIn\rightleftharpoons H^++In^-}$$

$$K_a$$ 为酸的解离常数,达平衡时,等式 $$\displaystyle\mathrm{\frac{[H^+]\times[In^-]}{[HIn]}=K_a}$$ 成立,

移项得 $$\displaystyle\mathrm{[H^+]=K_a\times\frac{HIn}{[In^-]}}$$,取对数变成 $$\displaystyle\mathrm{pH=pK_a-\log\frac{[HIn]}{[In^-]}}$$

因为肉眼识别能力的关係,$$\mathrm{[HIn]}$$ 为 $$\mathrm{[In^-]}$$ 十倍以上时,才可看到酸性型式的颜色,反之 $$\mathrm{[In^-]}$$ 为 $$\mathrm{[HIn]}$$ 十倍以上,将可看到硷性型式的颜色;故指示剂的变色範围 $$\mathrm{pH}$$ 通常落在其 $$\mathrm{pK_a\pm 1}$$ 之间。

植物色素除了油溶性的叶绿素 (chlorophyll)、类叶红素 (carotenoid) 外,花、叶、茎、果实或可找到水溶性的花青素(anthocyanin)、黄色素 (flavonoid)。花青素种类超过五百种,基本结构相似,简介如表格:

自製酸硷指示剂
编号R1~R7位置可以是-H、-OH、或甲氧基-OCH3,基本结构还要结合葡萄糖或半乳糖等形成醣苷 (glycoside),再与醋酸、琥珀酸一些有机酸搭配,故能形成多种化合物。已知草莓含有洋繍球素(主色橘或橙红)与蓝芙蓉素,无花果、樱桃、桑葚里找得到蓝芙蓉素(主色紫红),茄子与石榴则是飞燕草硷(主色为蓝或紫)。从洋繍球素、蓝芙蓉素到飞燕草硷,苯环接的-OH越多颜色就越偏蓝;若花青素的-OH改接-OCH3,颜色通常又转红,如牡丹花与葡萄的花青素。

因环境酸硷性的改变,导致花青素发生H+的结合或脱离,影响了结构与对可见光的吸收,使得花青素在不同的酸硷环境下,呈现出各种的颜色变化。花青素的种类虽多,但大部份在酸中都显现红色、在硷中则呈现紫色或蓝色、在更强的硷性中,则转变成黄绿色。植物如甜菜、红甘蓝、覆盆子、草莓、葡萄、蓝莓、飞燕草、天竺葵、牵牛花、紫罗兰、罂粟、郁金香等,于果实与果皮或花瓣中皆拥有花青素,都可作为酸硷指示剂的材料。当氧化或温度转变时,花青素也会变色。以下是蓝芙蓉素在不同pH值的结构与颜色:

自製酸硷指示剂
注:$$\mathrm{pH}$$ 的定义为 $$\mathrm{pH=-\log[H^+]}$$,$$\mathrm{pK_a}$$ 的定义为 $$\mathrm{pK_a=-\log K_a}$$。


参考资料
1. 邱翼聪、林清川、方登发译(1986),定性分析,合记出版社
2. 续光清编着(1995),食品化学,徐氏基金会出版
3. 黄荣茂、王禹文、林圣富、杨得仁编译(1987),化学化工百科辞典,晓园出版社
4. http://chemistry.about.com/library/graphics/blancy.htm
5. http://en.wikipedia.org/wiki/PH_indicator