Характерная окраска и области перехода ряда индикаторов

Индикаторы чаще всего представляют собой слабые ор­ганические кислоты или основания, имеющие различную окраску молекулярной и ионной форм. Диссоциация этих веществ в растворе протекает по следующему механизму:

IndOH<–> ОН^– + Ind⁺

HInd<–>H⁺ + 1пd^–

Так как процесс диссоциации слабых электролитов об­ратим, положение равновесия будет определяться кислот­ностью исследуемого раствора. Предположим, что молеку­лярная форма индикатора лакмуса — органической кислоты Hind^– — имеет красную окраску, а ионная (1пd^–) — синюю. В кислых растворах, в соответствии с принципом Ле-Шателье, подобный индикатор преимущественно находится в виде молекул, и окраска раствора красная. При смещении рН раствора в сторону больших значений (щелочная среда) равновесие сместится вправо и раствор приобретет синюю окраску. Индикаторы, имеющие две окрашенные формы, на­зываются двухцветными. К таким индикаторам относятся, кроме лакмуса, метиловый оранжевый, метиловый красный и т. д. Индикаторы, имеющие только одну окрашенную фор­му, называются одноцветными (фенолфталеин).

Изменение окраски индикатора связано с таутомерией ор­ганических молекул, содержащих хромофорные группы (так называемые «носители цвета»), содержащие л-электроны. Наиболее известными хромофорными группами являются карбонильные группы — СОН, расположенные в определен­ной последовательности, азогруппа — N = N—, нитрогруппа -О—N = О, —N= N— и т. д. Молекулы индикатора также содержат ауксохромные и антиауксохромные группы, кото­рые в присутствии хромофоров усиливают окраску за счет влияния на распределение электронной плотности в молеку­ле. К первым относятся галогенид-ионы —F, —Сl, —Вr; гидроксильная группа —ОН; аминогруппа — МН₂; ко вторым относятся — NH₃⁺; —SО₂NН₂; —СN; —СООСН₃. Соглас­но хромофорной теории окраски присоединение или отщеп­ление протона вызывает перестройку молекулы индикато­ра, в результате которой появляются новые или исчезают существовавшие ранее хромофорные группы, что, в свою очередь, приводит к изменению окраски. В качестве приме­ра рассмотрим индикатор фенолфталеин, который является слабой органической кислотой. Молекулярная форма HInd бесцветна, так как не имеет хромофорной группировки, а ионная форма 1пd^– имеет красно-малиновую окраску. В со­став молекулы фенолфталеина входят три бензольных ядра, одно из которых может переходить в хиноидную группу, ко­торая является хромофором. В растворах данного индикато­ра устанавливается равновесие между бензольной и хиноидной структурами:

Структурные изменения в растворах метилового оранже­вого при изменении рН можно представить схемой:

В качестве индикаторов также используются другие груп­пы органических соединений: сульфофталеины (тимоловый синий, бромкрезоловый зеленый, феноловый красный), три-фенилметановые красители (метиловый фиолетовый, кри­сталлический фиолетовый, метиловый фиолетовый) и др. При смешении нескольких индикаторов можно получить универсальный индикатор, имеющий соответствующую окраску при любом значении рН.