PHƯƠNG PHÁP CHUẨN ĐỘ ACI D BASE (PHƯƠNG PHÁP TRUNG HÒA)
7.2.2. Lý thuyết về sự đổi màu của chỉ thị
Thuyết ion: Theo thuyết này thì chất chỉ thị trong phương pháp
trung hòa là những acid hay base hữu cơ yếu, có màu dạng phân tử khác màu ở dạng ion.
Ví dụ: quỳ ở dạng phân tử có màu đỏ, dạng ion có màu xanh, nó là một acid yếu.
Nếu ký hiệu mọi chỉ thị acid dạng phân tử của chỉ thị là HInd, dạng base liên hợp với nó là Ind-, trong dung dịch có cân bằng sau:
HInd + H2O ⇌ Ind-
+ H3O+
Hay: HInd ⇌ Ind- + H+ (7.1)
Khi pH thay đổi thì cân bằng (7.1) sẽ chuyển dịch sang phải hoặc sang trái, chất chỉ thị sẽ tồn tại chủ yếu dưới một trong hai dạng nên dung dịch sẽ có màu của dạng acid (HInd) hay của dạng base (Ind-
). Ví dụ sự phân ly của quỳ được biểu diễn như sau:
HIn ⇌ H+ + In- Đỏ Xanh
Khi hòa tan vào trong nước thì dạng phân tử và dạng ion cùng tồn tại cho nên sẽ có màu tím, nếu thêm acid vào sẽ có màu đỏ, ngược lại thêm base vào thì dung dịch sẽ có màu xanh. Loại chỉ thị cả hai dạng đều có màu được gọi là chỉ thị hai màu. Metyl dacam cũng là chỉ thị hai màu, tromg mơi trường acid có màu đỏ, trong mơi trường base có màu vàng, ở pH bằng 4 có màu hỗn hợp của hai dạng là màu đỏ da cam. Ngồi ra cịn có chỉ thị một màu tức chỉ thị một trong các dạng có màu cịn dạng kia khơng màu, như phenolphthalein trong môi trường acid không màu, trong base có màu đỏ.
Đối với các chỉ thị là những base hữu cơ yếu cũng được giải thích tương tự. Bằng cách ký hiệu dạng phân tử là IndOH và dạng ion là Ind+
. Trong dung dịch chúng phân ly theo phương trình:
IndOH ⇌ Ind+ + OH-
Nếu thêm base vào dung dịch trên thì cân bằng sẽ dịch chuyển sang trái và dung dịch sẽ có màu dạng phân tử. Nếu thêm acid vào dung dịch trên thì cân bằng sẽ chuyển sang phải và dung dịch sẽ có màu dạng ion.
Tóm lại, thuyết ion giải thích về chỉ thị rất đơn giản và giải thích một cách trực quan cơ chế của sự thay đổi màu sắc của chỉ thị dưới ảnh hưởng của các ion H+
và OH- tham gia vào dung dịch. Thuyết này giải thích một cách định lượng về sự thay đổi màu của chị khi pH trong dịch thay đổi, tuy nhiên thuyết ion không cho một quan niệm đầy đủ về ảnh hưởng của cấu tạo chất hữu cơ đối với màu của chúng. Do đó xuất hiện nhóm thứ hai, nhóm thuyết mang màu.
Thuyết nhóm mang màu: Theo thuyết này thì màu của chất chỉ thị acid – base được quyết định bởi sự có mặt trong các phân tử của chúng các nhóm nguyên tử đặc biệt gọi là những “nhóm mang màu”.
Ví dụ nhóm carbonyl (C = O), nhóm nitro (O=N) có thể chuyển hóa thành nhóm nitrozo (OH–N=), nhóm azo (–N=N–) biến đổi thành hydrazo (–N=N–H), nhóm benzo ( ) chuyển thành nhóm quinoid
( )…
Như vậy màu sắc của chỉ thị phụ thuộc khơng những vào sự phân ly (ion hóa) của các phân tử chất chỉ thị mà còn phụ thuộc vào cấu tạo của chúng và sự có mặt của các nhóm mang màu. Đây là cơ sở của quan niệm mới về thuyết mang màu của chỉ thị. Khi pH của dung dịch thay đổi sẽ xảy ra sự chuyển vị của các nguyên tử bên trong, dẫn tới sự thay đổi màu sắc của dung dịch và như vậy các chất chỉ thị có thể tồn tại ở hai dạng, dạng này có thể chuyển đổi sang dạng khác phụ thuộc vào đại lượng pH.
Thuyết ion mang màu: Từ những trình bày ở trên thì thuyết ion mang màu về chỉ thị là đúng đắn hơn cả. Theo thuyết này thì sự thay đổi
màu của chỉ thị được gây nên bởi sự kết hợp hoặc tách các ion H+
từ các phân tử của chúng kèm theo sự thay đổi cấu tạo phân tử, đây là sự thống nhất giữa hai thuyết (thuyết ion và thuyết nhóm mang màu) hợp thành thuyết ion mang màu.
Ví dụ: sự đổi màu của hai chất chỉ thị sau:
Phenolphthalein
Methyl da cam
Cấu trúc của các chỉ thị đều rất phức tạp và sự chuyển từ dạng acid sang dạng base đều có kèm theo sự chuyển vị nội phân tử làm thay đổi màu sắc của chất chỉ thị. Tùy theo cấu trúc mà chất chỉ thị có thể có điện tích khác nhau, ví dụ dạng acid có thể là phân tử trung hịa điện HInd, cation HInd+, anion HInd- hoặc ion lưỡng tính HInd±…
Màu của chất chỉ thị thay đổi một khoảng giá trị pH hẹp, khoảng pH này phụ thuộc vào tính chất của chỉ thị chứ không phụ thuộc vào các chất phản ứng với nhau.
Các yêu cầu đối với chỉ thị:
- Màu của chỉ thị phải khác rõ trong những giá trị pH gần nhau. - Sự đổi màu của chất chỉ thị cần phải xảy ra rõ ràng trong một
khoảng pH nhỏ.
- Màu của chất chỉ thị càng đậm càng tốt.
- Lượng kiềm hay acid thêm vào để làm thay đổi màu của chỉ thị càng ít càng tốt để khỏi ảnh hưởng kết quả chuẩn độ.
- Sự biến đổi màu phải thuận nghịch với sự biến đổi pH trong dung dịch trong quá trình chuẩn độ.
Do những yêu cầu trên nên đã hạn chế việc sử dụng chất chỉ thị acid base, số chất chỉ thị được sử dụng rộng rãi hiện nay không quá 20 chất.
Việc lựa chọn đúng chất chỉ thị có ý nghĩa rất quan trọng trong phép định phân. Để lựa chọn chính xác chất chỉ thị thì phải biết rõ khoảng pH đổi màu của chất chỉ thị.