酸鹼指示劑（Acid-Base Indicator）的變色原理

酸鹼指示劑（Acid-Base Indicator）的變色原理
國立臺灣大學化學系林雅凡博士/國立臺灣大學化學系李俊毅責任編輯

酸鹼指示劑無論對於判定物質的 pH值，或是應用於酸鹼滴定上，都扮演著重要的角色。早在十七世紀，人們就開始在各樣的研究上利用指示劑，然而卻遲至十九世紀末，科學家才開始對「為什麼酸鹼指示劑在不同的pH值之下會呈不同顏色？」這樣的問題有較深入地探討。最先對這現象提出解釋的，是德國化學家威廉•奧士華（Wilhelm Ostwald），後來經過漢茲許（A. Hantzsch）、科爾索夫（I. M. Kolthoff）以及史第格立茲（Julius Stiegliez, 1867-1937）等人的研究、修正與歸納後，提出現今我們所認同的酸鹼指示劑變色理論。

「決定指示劑變色的因素是什麼？」言簡意賅的說，就是「平衡」。一般常用的指示劑本身即是一種弱酸或弱鹼，所以置於溶液中，自然有微弱的解離現象產生，而能寫成如式一的平衡式。

在達到平衡的時候，此弱酸指示劑（在此以弱酸形式的指示劑為例）的平衡常數K_AI可表達成如式二。

若將式二進一步改寫，可以得到如式三的等式。

而可以作為指示劑分子的，通常具備一個基本特性，那就是弱酸（鹼）性指示劑分子（HIn）與其解離後的共軛結構（In^–）所呈現的顏色是不同的。如此一來，當[H₃O⁺“> > 10 K_AI時，溶液較易表現出HIn的顏色；相反地，如果[H₃O ⁺“> < K_AI/10，溶液呈色就會受In^–的顏色主導。

所以理論上，若要以指示劑測溶液中的pH值，由式三，當[H₃O ⁺“>=K_AI時，能測得最準確的結果，因為在此時，[HIn”>=[In^–“>，溶液呈色應是兩種形式指示劑顏色混合的結果。然而實際上，指示劑的變色並非在[H₃O ⁺“>=K_AI的瞬間，溶液立刻由HIn或In的顏色，變為兩者混合的顏色，乃是存在一變色範圍，在此範圍之內，溶液都會呈現混合顏色，而不易區分哪種顏色主導較多。而混合色範圍的大小，則會因指示劑分子的特性而有所不同，範圍較窄者，判讀出來的pH值越準確。

根據這樣的原理，不論是利用指示劑來判斷pH值，或是用其作為酸鹼反應滴定終點的判斷，「選擇適用的指示劑」就是一門不可或缺的功課。一般而言，我們會選擇用平衡常數為K_AI的指示劑，指示在pK_AI-1到pK_AI+1區間的pH值。

故此，了解酸鹼指示劑的變色範圍就非常重要。表一列出一些實驗室常見的指示劑及其變色範圍。

1920年後，科學家利用不同濃度比例的多種指示劑混合，企圖開始致力於發展出既能精確測出pH值，又適用於較寬廣範圍酸鹼值測定的指示劑。例如1921 年，費勒頓（Lloyd. D. Felton）將甲基紅（methyl red）/溴瑞香草酚藍（bromthymol blue）體積莫耳濃度=1:1比例混合在一起，能成功測得pH=4.6~7.6範圍的物質酸鹼值；將甲基紅/溴甲酚紫（bromcresol purple）=1:1比例混合在一起，可測得pH值範圍則為4.6~7.0；甲基異丙酚藍（thymol blue）/溴酚藍（bromphenol blue）=1:1，可測得pH範圍為1.2~4.6；甲基紅/甲基異丙酚藍=1:1則為4.6~9.0；西元1922年，李吉俄斯（J. L. Lizius）與艾維爾斯（Norman, Evers）共同提出，將甲基紅/甲基異丙酚藍體積莫耳濃度=1:3比例混合在一起，可測得pH值範圍為4.0~10.0；酚酞（phenolphthalein）/甲基異丙酚藍=1:6，可測得pH值範圍為8.0~10.0。而最終，科學家把甲基紅、酚酞、溴瑞香草酚藍、甲基異丙酚藍、麝香草酚酞（thymolphthalein）、1-萘酚酞（α-naphtholphthalein）等五種試劑混合，形成現今廣為人使用的廣用指示劑（universal indicator）。要提出來說明的，是直至二十世紀中，科學家仍持續改良廣用指示劑的成分，所以若查閱其他資料，對廣用指示劑的成分說明，或多或少會有些許不同，但最主要的幾種成分則不會有太大差異，可參閱參考文獻4。

參考文獻：
1. Kolthoff, I. M. “Acid Base Indicator” Lightning Source Inc. 2007.
2. Stiegilez, J. J. Am. Soc. Chem. 1903, 539, 1112.
3. Felton, L. D. J. Biol. Chem. 1921, 299.
4. Foster, S.F. ; Gruntfest, I. J. J. Chem. Edu., 1937, 14, 274.