Серед різноманіття органічних речовин зустрічаються особливі сполуки, для яких характерні зміни забарвлення різної середовищі. До появи сучасних електронних pH-метрів індикатори були незамінними «інструментами» для визначення кислотно-основних показників середовища, і продовжують використовуватися в лабораторній практиці в якості допоміжних речовин в аналітичній хімії, а також при відсутності необхідного обладнання.
Для чого потрібні індикатори?
Спочатку властивість даних сполук змінювати колір в різній середовищі широко застосовувалося для візуального визначення кислотно-основних властивостей речовин у розчині, що допомагало визначити не тільки характер середовища, але і зробити висновок про утворюються продукти реакції. Розчини індикаторів продовжують використовуватися в лабораторній практиці для визначення концентрації речовин методом титрування і дозволяють навчитися використовувати підручні засоби через брак сучасних pH-метрів.
Існує кілька десятків такого роду речовин, кожен з яких чутливий до досить вузької області: зазвичай вона не перевищує 3 пунктів за шкалою інформативності. Завдяки такому різноманіттю хромофоров і їх малої активності між собою вченим вдалося створити універсальні індикатори, що широко застосовуються в лабораторних і виробничих умовах.
Найбільш використовувані індикатори pH
Примітно, що крім ідентифікаційного властивості, дані сполуки володіють хорошою фарбувальної здатністю, що дозволяє використовувати їх для фарбування тканин у текстильній промисловості. З великої кількості індикаторів кольору в хімії найвідомішими і використовуваними є метиловий оранжевий (метилоранж) і фенолфталеїн. Більшість інших хромофоров в даний час використовуються в суміші один з одним, або для специфічних синтезів і реакції.
Метиловий оранжевий
Багато барвники отримали назву завдяки своїм основним кольорам в нейтральному середовищі, що притаманне і цього хромофору. Метиловий оранжевий є азокрасителем, мають угруповання – N = N ‒ в своєму складі, яка відповідає за перехід кольору індикатора в червоний в кислому середовищі, і жовтий – в лужному. Самі азосоединения не є сильними підставами, проте присутність электродонорных груп (‒ ОН, ‒ NH2, ‒ NH (CH3), ‒ N (CH3)2 і ін) збільшує основність одного з атомів азоту, який стає здатний приєднувати протони водню за донорно-акцепторної принципом. Тому при зміні концентрацій іонів H+ у розчині можна спостерігати зміну забарвлення кислотно-основного індикатора.
Детальніше про отримання метилового оранжевого
Отримують метиловий оранжевий в реакції з диазотирования сульфаниловой кислоти C6H4(SO3H)NH2 з подальшим поєднанням з диметиланилином C6H5N(CH3)2. Сульфаниловую кислоту розчиняють у розчині натрієвої лугу, додаючи нітрит натрію NaNO2, а потім охолоджують льодом для проведення синтезу в максимально близьких до 0°C температурах і приливають соляну кислоту HCl. Далі готують окремий розчин діметіланіліном в HCl, який охолодженим вливають у перший розчин, отримуючи барвник. Його додатково приймати, і з розчину випадає в осад темно-помаранчеві кристали, які після закінчення декількох годин фільтрують і сушать на водяній бані.
Фенолфталеїн
Свою назву цей хромофорів отримав складання найменувань двох реагентів, які беруть участь при його синтезі. Колір індикатора примітний зміною свого забарвлення в лужному середовищі з придбанням малинового (червоно-фіолетового, малиново-червоного) кольору, який знебарвлюється при сильному щелочении розчину. Фенолфталеїн може приймати кілька форм залежно від показників pH середовища, причому в сильнокислых середовищах він має оранжеве забарвлення.
Цей хромофорів одержують шляхом конденсації фенолу і фталиевого ангідриду в присутності хлориду цинку ZnCl2 або концентрованої сірчаної кислоти H2SO4. У твердому стані молекули фенолфталеїну є безбарвними кристалами.
Раніше фенолфталеїн активно використовували при створенні послаблюючих речовин, однак поступово його застосування значно скоротилася у зв’язку з встановленими кумулятивними властивостями.
Лакмус
Цей індикатор став одним з перших реактивів, що використовуються на твердих носіях. Лакмус є складною сумішшю природних сполук, яку отримують з деяких видів лишайників. Його використовують не тільки як барвник, але і як засіб для визначення pH середовища. Це один з перших індикаторів, який почав використовуватися людиною в хімічній практиці: його застосовують у вигляді водних розчинів або просочених їм смужок фільтрувального паперу. Лакмус у твердому стані є темним порошком зі слабким аміачним запахом. При розчиненні у чистій воді колір індикатора приймає фіолетове забарвлення, а при підкисленні дає червоний колір. В лужному середовищі лакмус переходить в синій, що дозволяє використовувати його як універсальний індикатор для загального визначення показника середовища.
Точно встановити механізм і характер реакції, що протікають при зміні pH в структурах компонентів лакмус не представляється можливим, оскільки в нього може входити до 15 різних сполук, причому деякі з них можуть бути нероздільними діючими речовинами, що ускладнює їх індивідуальні дослідження хімічних і фізичних властивостей.
Універсальна індикаторний папір
З розвитком науки і появою індикаторних паперів встановлення показників середовища багаторазово спростилося, оскільки тепер не потрібно було мати готові рідкі реактиви для будь-яких польових досліджень, ніж досі успішно користуються вчені і криміналісти. Так, на зміну розчинів прийшли універсальні індикаторні папери, які завдяки широкому спектру дії практично повністю прибрали необхідність використання будь-яких інших кислотно-основних індикаторів.
Склад просочених смужок може відрізнятися у різних виробників, тому приблизний список входять речовин може бути наступним:
- фенолфталеїн (0-3,0 і 8,2–11);
- (ді)метиловий жовтий (2,9–4,0);
- метиловий оранжевий (3,1–4,4);
- метиловий червоний (4,2–6,2);
- бромтимоловый синій (6,0–7,8);
- α‒нафтолфталеин (7,3–8,7);
- тимолової синій (8,0–9,6);
- крезолфталеин (8,2–9,8).
На упаковці обов’язково наведено еталони кольорової шкали, що дозволяють визначити pH середовища від 0 до 12 (14) з точністю до цілої.
Крім іншого, ці сполуки можуть використовуватися спільно у водних і водно-спиртових розчинах, що робить застосування таких сумішей дуже зручним. Проте деякі з цих речовин можуть бути погано розчиняються у воді, тому необхідно підбирати універсальний органічний розчинник.
Завдяки своїм властивостям кислотно-основні індикатори знайшли своє застосування в багатьох областях науки, а їх різноманіття дозволило створити універсальні суміші, чутливі до широкої області показників pH.
