自製酸鹼指示劑

自製酸鹼指示劑 (Home-made Acid-Base Indicators)
高雄市立新莊高級中學化學科歐惠郡老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

自1663年Robert Boyle應用植物性色素測定酸鹼度至今，石蕊 (litmus) －地衣用氨與鹼處理後所得到的藍色粉末，仍為廣泛運用的酸鹼指示劑。大部份指示劑屬於弱酸或弱鹼性的有機化合物。酸型指示劑如溴百里酚藍 (bromothymol blue)、酚酞 (phenolphthalein) 等，在酸中呈HIn的型式，在鹼中脫去氫離子而為共軛鹼In^–狀態；鹼型指示劑，如甲基橙 (methyl orange)、甲基紅 (methyl red) 在鹼中為In型式，在酸中得到氫離子而呈共軛酸InH⁺的狀態。結構改變後對光線的吸收與反射也改變，因而顯現不同的顏色。

以酸型指示劑作說明：

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

$$K_a$$ 為酸的解離常數，達平衡時，等式 $$\displaystyle\mathrm{\frac{[H^+]\times[In^-]}{[HIn]}=K_a}$$ 成立，

移項得 $$\displaystyle\mathrm{[H^+]=K_a\times\frac{HIn}{[In^-]}}$$，取對數變成 $$\displaystyle\mathrm{pH=pK_a-\log\frac{[HIn]}{[In^-]}}$$

因為肉眼識別能力的關係，$$\mathrm{[HIn]}$$ 為 $$\mathrm{[In^-]}$$ 十倍以上時，才可看到酸性型式的顏色，反之 $$\mathrm{[In^-]}$$ 為 $$\mathrm{[HIn]}$$ 十倍以上，將可看到鹼性型式的顏色；故指示劑的變色範圍 $$\mathrm{pH}$$ 通常落在其 $$\mathrm{pK_a\pm 1}$$ 之間。

植物色素除了油溶性的葉綠素 (chlorophyll)、類葉紅素 (carotenoid) 外，花、葉、莖、果實或可找到水溶性的花青素(anthocyanin)、黃色素 (flavonoid)。花青素種類超過五百種，基本結構相似，簡介如表格：

編號R1~R7位置可以是-H、-OH、或甲氧基-OCH₃，基本結構還要結合葡萄糖或半乳糖等形成醣苷 (glycoside)，再與醋酸、琥珀酸一些有機酸搭配，故能形成多種化合物。已知草莓含有洋繍球素（主色橘或橙紅）與藍芙蓉素，無花果、櫻桃、桑葚裡找得到藍芙蓉素（主色紫紅），茄子與石榴則是飛燕草鹼（主色為藍或紫）。從洋繍球素、藍芙蓉素到飛燕草鹼，苯環接的-OH越多顏色就越偏藍；若花青素的-OH改接-OCH₃，顏色通常又轉紅，如牡丹花與葡萄的花青素。

因環境酸鹼性的改變，導致花青素發生H⁺的結合或脫離，影響了結構與對可見光的吸收，使得花青素在不同的酸鹼環境下，呈現出各種的顏色變化。花青素的種類雖多，但大部份在酸中都顯現紅色、在鹼中則呈現紫色或藍色、在更強的鹼性中，則轉變成黃綠色。植物如甜菜、紅甘藍、覆盆子、草莓、葡萄、藍莓、飛燕草、天竺葵、牽牛花、紫羅蘭、罌粟、鬱金香等，於果實與果皮或花瓣中皆擁有花青素，都可作為酸鹼指示劑的材料。當氧化或溫度轉變時，花青素也會變色。以下是藍芙蓉素在不同pH值的結構與顏色：

註：$$\mathrm{pH}$$ 的定義為 $$\mathrm{pH=-\log[H^+]}$$，$$\mathrm{pK_a}$$ 的定義為 $$\mathrm{pK_a=-\log K_a}$$。

參考資料
1. 邱翼聰、林清川、方登發譯（1986），定性分析，合記出版社
2. 續光清編著（1995），食品化學，徐氏基金會出版
3. 黃榮茂、王禹文、林聖富、楊得仁編譯（1987），化學化工百科辭典，曉園出版社
4. http://chemistry.about.com/library/graphics/blancy.htm
5. http://en.wikipedia.org/wiki/PH_indicator