pH指示薬
| 酸と塩基 |
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| 酸の種類 |
| 基本型 |
pH指示薬は、溶液に少量添加されるハロクロミック 化合物であり、その吸収および/または発光特性の変化から、溶液のpH（酸性または塩基性）を視覚的または分光学的に判定することができます。[ 1 ]したがって、pH指示薬は、アルレニウスモデルにおけるヒドロニウムイオン（H 3 O +）または水素イオン（H + ）の化学検出器です。
通常、指示薬はpH に応じて溶液の色を変えます。指示薬は他の物理的特性の変化も示すことができます。たとえば、嗅覚指示薬は匂いの変化を示します。中性溶液の pH 値は、25°C (標準的な実験室条件) で 7.0 です。pH 値が 7.0 未満の溶液は酸性、pH 値が 7.0 を超える溶液は塩基性です。天然に存在する有機化合物のほとんどはカルボン酸やアミンなどの弱電解質であるため、pH 指示薬は生物学や分析化学で広く使用されています。さらに、pH 指示薬は化学分析で使用される 3 つの主な指示薬化合物の 1 つです。金属陽イオンの定量分析では錯滴定指示薬の使用が好まれます[2] [3]。一方、3 番目の化合物クラスである酸化還元指示薬は酸化還元滴定(化学分析の基礎として 1 つ以上の酸化還元反応を伴う滴定)に使用されます。
理論
pH指示薬自体は、通常、弱酸または弱塩基です。水溶液中の酸性pH指示薬の一般的な反応式は、以下のように表すことができます。
- HInd （aq） + H
2O (l) ⇌ H
3O + (水溶液) + Ind − (水溶液)
ここで、「HInd」は酸性型であり、「Ind −」は指示薬の共役塩基です。
水溶液中の塩基性pH指示薬の場合は逆になります。
- IndOH (水溶液) + H
2O (l) ⇌ H
2O (l) + Ind + (aq) + OH − (aq)
ここで、「IndOH」は指示薬の基本形を表し、「Ind +」は指示薬の共役酸を表します。
共役酸／塩基の濃度と酸性／塩基性指示薬の濃度の比によって溶液のpH（またはpOH）が決定され、色とpH（またはpOH）値が結び付けられます。弱電解質であるpH指示薬の場合、ヘンダーソン・ハッセルバルヒの式は次のように表されます。
- pH = p K a + log 10 [インド− ] / [後部]
- pOH = p K b + log 10 [インド+ ] / [インドOH]
酸度定数と塩基度定数から導かれる式は、pHが指示薬のpK a値またはpK b値に等しい場合、両種が1:1の比率で存在することを示しています。pHがpK a値またはpK b値を超える場合、共役塩基の濃度は酸の濃度よりも高くなり、共役塩基に関連する色が優勢になります。pHがpK a値またはpK b値を下回る場合、逆のことが起こります。
通常、色の変化は p K a値または p K b値で瞬時に起こるのではなく、色が混ざり合う pH 範囲が存在します。この pH 範囲は指示薬によって異なりますが、経験則として、p K a値または p K b値プラスまたはマイナス 1 の間になります。これは、他の種が少なくとも 10% 残っている限り、溶液の色を保持することを前提としています。たとえば、共役塩基の濃度が酸の濃度の 10 倍である場合、それらの比率は 10:1 であり、したがって pH は p K a + 1 または p K b + 1 です。逆に、酸が塩基に対して 10 倍過剰である場合、比率は 1:10 であり、p H は p K a − 1 または p K b − 1 です。
最適な精度を得るには、2種類の物質の色の違いが可能な限り明確である必要があり、色の変化が現れるpH範囲が狭いほど良い結果が得られます。フェノールフタレインなど、一部の指示薬では片方の物質が無色ですが、メチルレッドなど、両方の物質が発色する指示薬もあります。pH指示薬は指定されたpH範囲では効率的に機能しますが、pHスケールの両端では望ましくない副反応により破壊されることがよくあります。
応用
pH指示薬は、分析化学や生物学において、化学反応の程度を測定する滴定によく用いられます。[1]色の決定は主観的なため、pH指示薬の測定値は不正確になりがちです。正確なpH測定が必要な用途では、pHメーターがよく用いられます。広いpH範囲で滑らかな色の変化を実現するために、複数の異なる指示薬を混合して用いる場合もあります。これらの市販の指示薬（例えば、万能指示薬やハイドリオン試験紙）は、pHの大まかな知識のみが必要な場合に用いられます。滴定において、真の終点と指示された終点の差は指示薬誤差と呼ばれます。[1]
以下に、一般的な実験室用pH指示薬をいくつか示します。指示薬は通常、記載されている遷移範囲内のpH値で中間色を示します。例えば、フェノールレッドはpH 6.8からpH 8.4の間でオレンジ色を示します。遷移範囲は、溶液中の指示薬の濃度と使用温度によってわずかに変化する場合があります。右の図は、指示薬の作用範囲と色の変化を示しています。
| インジケータ | 低pH色 | 低域の移行 | トランジション ハイエンド | 高pH色 |
|---|---|---|---|---|
| ゲンチアナバイオレット（メチルバイオレット10B）[4] | 黄色 | 0.0 | 2.0 | 青紫色 |
| マラカイトグリーン（第一遷移） | 黄色 | 0.0 | 2.0 | 緑 |
| マラカイトグリーン（第2遷移） | 緑 | 11.6 | 14.0 | 無色 |
| チモールブルー（第一遷移） | 赤 | 1.2 | 2.8 | 黄色 |
| チモールブルー（第2遷移） | 黄色 | 8.0 | 9.6 | 青 |
| メチルイエロー | 赤 | 2.9 | 4.0 | 黄色 |
| メチレンブルー | 無色 | 5.0 | 9.0 | ダークブルー |
| ブロモフェノールブルー | 黄色 | 3.0 | 4.6 | 青 |
| コンゴレッド | 青紫色 | 3.0 | 5.0 | 赤 |
| メチルオレンジ | 赤 | 3.1 | 4.4 | 黄色 |
| スクリーニングされたメチルオレンジ（最初の遷移） | 赤 | 0.0 | 3.2 | 紫灰色 |
| スクリーニングされたメチルオレンジ（第2遷移） | 紫灰色 | 3.2 | 4.2 | 緑 |
| ブロモクレゾールグリーン | 黄色 | 3.8 | 5.4 | 青 |
| メチルレッド | 赤 | 4.4 | 6.2 | 黄色 |
| メチルパープル | 紫 | 4.8 | 5.4 | 緑 |
| アゾリトミン（リトマス試験紙） | 赤 | 4.5 | 8.3 | 青 |
| ブロモクレゾールパープル | 黄色 | 5.2 | 6.8 | 紫 |
| ブロモチモールブルー | 黄色 | 6.0 | 7.6 | 青 |
| フェノールレッド | 黄色 | 6.4 | 8.0 | 赤 |
| ニュートラルレッド | 赤 | 6.8 | 8.0 | 黄色 |
| ナフトールフタレイン | 淡い赤 | 7.3 | 8.7 | 緑がかった青 |
| クレゾールレッド | 黄色 | 7.2 | 8.8 | 赤紫色 |
| クレゾールフタレイン | 無色 | 8.2 | 9.8 | 紫 |
| フェノールフタレイン（第一遷移） | 無色 | 8.3 | 10.0 | 紫ピンク |
| フェノールフタレイン（第2遷移） | 紫ピンク | 12.0 | 13.0 | 無色 |
| チモールフタレイン | 無色 | 9.3 | 10.5 | 青 |
| アリザリンイエローR | 黄色 | 10.2 | 12.0 | 赤 |
| インジゴカルミン | 青 | 11.4 | 13.0 | 黄色 |
| pH範囲 | 説明 | 色 |
|---|---|---|
| 1-3 | 強酸 | 赤 |
| 3～6 | 弱酸 | オレンジ/イエロー |
| 7 | 中性 | 緑 |
| 8～11歳 | 弱アルカリ | 青 |
| 11-14 | 強アルカリ | バイオレット/インディゴ |
正確なpH測定
指示薬を用いれば、2つ以上の波長で吸光度を定量的に測定することで、pHを非常に正確に測定することができます。その原理は、指示薬として単純な酸であるHAを例に挙げることで説明できます。HAはH +とA −に解離します。
- HA ⇌ H + + A −
酸解離定数p Kaは既知でなければならない。また、 2つの分子種HAとA −の波長λ x とλ y におけるモル吸光度 ε HA とε A −も、事前の実験で決定しておかなければならない。ビールの法則に従うと仮定すると、2つの波長における測定吸光度A xとA y は、それぞれの分子種による吸光度の和となる。
![{\displaystyle {\begin{aligned}A_{x}&=[{\mathrm {HA} }]\varepsilon _{\mathrm {HA} }^{x}+[{\mathrm {A} {\vphantom {A}}^{-}}]\varepsilon _{\mathrm {A} {\vphantom {A}}^{-}}^{x}\\A_{y}&=[{\mathrm {HA} }]\varepsilon _{\mathrm {HA} }^{y}+[{\mathrm {A} {\vphantom {A}}^{-}}]\varepsilon _{\mathrm {A} {\vphantom {A}}^{-}}^{y}\end{整列}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/407bba3b954782cbec25c32d99393bf282c2c36d)
これらは2つの濃度[HA]と[A − ]に関する2つの式です。これを解くとpHは次のように得られます。
![{\displaystyle \mathrm {pH} =\mathrm {p} K_{\mathrm {a} }+\log {\frac {[{\mathrm {A} {\vphantom {A}}^{-}}]}{[{\mathrm {HA} }]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/2ed476e8f78a1980748a81ec195978b60032411f)
2波長以上で測定を行う場合、濃度[HA]と[A − ]は線形最小二乗法によって計算できます。実際には、スペクトル全体をこの目的に使用できます。この手順は、指示薬ブロモクレゾールグリーンを用いて示されています。観測されたスペクトル（緑）は、HA（金色）とA − （青）のスペクトルを、2種の濃度で重み付けした合計です。
単一の指示薬を使用する場合、この方法はpH範囲p K a ± 1の測定に限定されますが、2種類以上の指示薬を混合して使用することで、この範囲を拡張できます。指示薬は強い吸収スペクトルを持つため、指示薬濃度は比較的低く、指示薬自体がpHに与える影響は無視できると想定されます。
当量点
酸塩基滴定において、不適切なpH指示薬を使用すると、指示薬を含む溶液の色の変化が、実際の当量点の前または後に現れることがあります。その結果、使用するpH指示薬によって、溶液の当量点が異なる場合があります。これは、指示薬を含む溶液のわずかな色の変化が、当量点に達したことを示唆するためです。したがって、最も適切なpH指示薬は、滴定対象溶液の当量点のpHを含む、色の変化が顕著な有効pH範囲を有します。[5]
天然に存在するpH指示薬
多くの植物やその一部には、天然色素であるアントシアニン族化合物由来の化学物質が含まれています。これらは酸性溶液では赤色、塩基性溶液では青色に変化します。アントシアニンは、葉（赤キャベツ）、花（ゼラニウム、ケシ、バラの花びら）、果実（ブルーベリー、ブラックカラント）、茎（ルバーブ）など、様々な有色の植物やその一部から水やその他の溶媒を用いて抽出できます。家庭にある植物、特に赤キャベツからアントシアニンを抽出して粗pH指示薬を作る実験は、化学入門の実験としてよく用いられます。
リトマスは中世の錬金術師が用い、現在でも容易に入手可能な天然のpH指示薬で、地衣類、特にロッケラ・ティンクトリア（Roccella tinctoria ）の混合物から作られています。「リトマス」という言葉は、古ノルド語で「色のついた苔」という意味に由来しています（ Litrを参照）。酸性溶液では赤、アルカリ性溶液では青に色が変化します。「リトマス試験」という用語は、選択肢を権威を持って区別することを目的とするあらゆる試験の比喩として広く使われています。
アジサイの花は、土壌の酸性度によって色が変わります。酸性土壌では、土壌中で化学反応が起こり、アルミニウムが植物に吸収されるため、花は青色になります。アルカリ性土壌では、この反応が起こらず、アルミニウムは植物に吸収されません。その結果、花はピンク色のままです。
もう一つの天然pH指示薬はスパイスのターメリックです。酸にさらされると黄色に変わり、アルカリにさらされると赤褐色に変わります。
| インジケータ | 低pH色 | 高pH色 |
|---|---|---|
| アジサイの花 | 青 | ピンクから紫 |
| アントシアニン | 赤 | 青 |
| リトマス | 赤 | 青 |
| ターメリック | 黄色 | 赤褐色 |
- 酸性土壌のアジサイ
- アルカリ性の土壌に生えるアジサイ
- 赤キャベツ抽出液pH指示薬の左側の酸性溶液から右側の塩基性溶液までの勾配
- 重曹（左）と酢（右）に浸した紫カリフラワー。アントシアニンはpH指示薬として作用します。
- 水に溶けたウコンは酸性では黄色、アルカリ性では赤褐色になります。
参照
参考文献
- ^ abc Harris, Daniel C. (2005). 『化学分析の探究（第3版）』ニューヨーク: WH Freeman. ISBN 0-7167-0571-0. OCLC 54073810。
- ^ Schwarzenbach, Gerold (1957). Complexometric Titrations . Irving, Harry 訳 (第1英語版). London: Methuen & Co. pp. 29– 46.
- ^ West, T. S. (1969). EDTAおよび関連試薬による錯滴定（第3版）. プール、英国: BDH Chemicals Ltd. pp. 14– 82.
- ^ アダムズ, エリオット Q.; ローゼンシュタイン, ルートヴィヒ. (1914). 「クリスタルバイオレットの色とイオン化」 .アメリカ化学会誌. 36 (7): 1452– 1473. doi :10.1021/ja02184a014. hdl : 2027/uc1.b3762873 . ISSN 0002-7863.
- ^ Zumdahl, Steven S. (2009). 『化学原理』（第6版）. ニューヨーク: Houghton Mifflin Company . pp. 319– 324.
外部リンク
ウィキメディア・コモンズのpH指示薬関連メディア- 長い指標リスト、Wayback Machineで2022年3月4日にアーカイブ
