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Indicatori acido-base

Gli indicatori acido-base sono acidi o basi organiche deboli  la cui forma acida ha un colore diverso da quello della forma basica coniugata.

Con il termine  indicatore si intende  un composto in grado di subire modifiche facilmente osservabili – di solito il colore – in funzione dell’ambiente chimico in cui si trova.

Tale proprietà è sfruttata per utilizzare tali sostanze nelle titolazioni; a seconda del tipo di titolazione vengono utilizzati indicatori diversi che mostrano una diversa colorazione a seconda delle condizioni.

Equilibrio 

Consideriamo il generico indicatore acido HIn che, a contatto con l’acqua, dà il seguente equilibrio che, in accordo con la teoria di Brønsted-Lowry è il seguente:

HIn (aq)	H2O(l)	⇄	In–(aq)	H3O+(aq)
Acido	Base		Base coniugata	Acido coniugato

 

in cui la forma acida rappresentata da HIn ha un colore diverso rispetto a quello della base coniugata In^–.

Sia K_in la costante di dissociazione del generico indicatore HIn. L’espressione della costante di equilibrio è:

K_in = [H₃O⁺][In^–]/ [HIn] da cui: K_in/ [H₃O⁺] = [In^–]/ [HIn] (*)

Quando la concentrazione dello ione H₃O⁺ ha lo stesso valore numerico di K_in il rapporto tra [HIn] e [I^–] è uguale a 1 e quindi il 50% dell’indicatore è presente nella forma acida mentre il 50% è presente nella forma basica.

Dall’ultima equazione si vede che sia la forma acida che quella basica sono presenti a qualsiasi valore di pH, ma l’occhio umano è in grado di percepire solo il colore della forma prevalente.

Se per esempio la forma acida dell’indicatore è rossa e la forma basica è gialla, quando si confronta una soluzione consistente interamente della forma rossa con una consistente di una miscela del 99% della forma rossa con l’1% della forma gialla l’occhio non riesce a distinguere alcuna variazione di colore.

Generalmente ciò è vero fino a che il rapporto tra [HIn] e [In^–] è all’incirca uguale a 10.

In altre parole qualsiasi soluzione in cui il rapporto [In^–]/ [HIn] è minore di 0.1 alla vista si ha l’impressione che l’indicatore sia presente tutto nella forma acida.
Analogamente, quando il rapporto [HIn]/[In^–] è maggiore di 10 si ha l’impressione che tutto l’indicatore sia presente nella forma basica. Da quanto detto risulta che il colore della forma acida dell’indicatore diventa l’unico visibile quando [In^–]/ [HIn] < 0.1

E quello nella forma basica quando [In^–]/ [HIn] > 10.

Per rapporti fra 0.1 e 10 si osserva un colore intermedio. Il cambiamento di colore di un indicatore da quello della forma acida a quello della forma basica non avviene quindi bruscamente, ad una concentrazione di H₃O⁺ determinata, ma gradualmente e si estende per un certo intervallo di H₃O⁺. se si suppone che i due estremi del campo di variazione corrispondano ai valori 0.1 e 10 del rapporto [In^–]/ [HIn] in base all’equazione (*) si ha:

1)       [In^–]/ [HIn] = 1/10 = K_in/ [H₃O⁺] ovvero [H₃O⁺] = 10 ∙K_in

2)     [In^–]/ [HIn] = 10= K_in / [H₃O⁺] ovvero [H₃O⁺] = K_in/ 10

Per [H₃O⁺] = 10  ·K_in l’indicatore esibisce la colorazione della forma acida e per [H₃O⁺] = K_in/ 10 quella della forma basica. Il cambiamento di colore avviene tra [H₃O⁺] = 10 ∙ K_in  e [H₃O⁺] = K_in/ 10 cioè in unità di pH fra

pH = pK_in +/- 1

Questo campo di pH in cui l’indicatore cambia colore è detto intervallo di viraggio dell’indicatore. L’intervallo di viraggio di un indicatore viene misurato sperimentalmente tramite soluzioni tampone.

Indicatori acido-base

La tabella mostra un elenco degli indicatori più frequentemente usati nell’analisi volumetrica

Indicatore	Colore forma acida	Colore forma basica	Intervallo di viraggio	pKin
Blu timolo	Rosso	Giallo	1.2-2.8	1.65
Giallo metile	Rosso	Giallo	2.9-4.0	3.2
Metilarancio	Rosso	Giallo-arancio	3.1-4.4	3.1
Blu bromofenolo	Giallo	Porpora	3.0-4.6	4.1
Verde bromocresolo	Giallo	Blu	3.8-5.4	4.9
Rosso metile	Rosso	Giallo	4.2-6.2	5.0
Rosso clorofenolo	Giallo	Rosso	4.8-6.4	6.25
Blu bromotimolo	Giallo	Blu	6.0-7.6	7.30
Rosso fenolo	Giallo	Rosso	6.4-8.0	8.0
Blu timolo	Giallo	Blu	8.0-9.6	–
Giallo alizarina	Giallo	Viola	10.1-12.0	–

Si nota che la serie di indicatori copre completamente il campo di pH tra 1 e 12. Gli intervalli di viraggio riportati in tabella si riferiscono alla temperatura di 25°C. quando HIn è elettricamente neutro o ha la carica negativa Ki_n  varia pochissimo con la temperatura, mentre quando HIn è carico positivamente come nel caso del metilarancio aumentando la temperatura l’intervallo di viraggio si sposta verso valori di pH più bassi.

Quando al punto di fine il viraggio non è abbastanza netto può essere conveniente usare una miscela di due indicatori o di un indicatore con un colorante. Se la scelta è ben fatta e indicatore e colorante vengono mescolati nel modo più opportuno l’indicatore misto darà un viraggio netto ed evidente ad un pH ben definito e potrà essere usato nei casi in cui con un indicatore di tipo normale il viraggio non si presenta abbastanza evidente.