酸碱滴定过程中酚酞变色点影响因素的分析*

毕吉利，杨文远，吴晓红，马然松

(宁夏大学 化学化工学院，宁夏 银川 750000)

酚酞(phenolphthalein)的化学名称是3,3-双(对-羟苯基),化学式:C20H14O4,其表观为白色细小晶体,相对密度为1.27，易溶于乙醇,难溶于水．在弱酸性或中性水溶液中均为无色,在811的强碱性溶液中,酚酞的紫红色褪去,变为无色溶液．其变色机理主要是酚酞在不同的pH值范围内分子结构上发生变化导致，在弱酸性条件下,酚酞属于内酯式分子结构，相对稳定,而在碱性溶液中,酚酞则由内酯式结构逐渐向醌式结构过度[1](见图1)．而在中性溶液中，以醇式结构为过度体，向醌式结构转变．

图1 酚酞在不同PH值环境中分子结构

本文主要通过对酚酞试剂变色范围的影响因素分析和论证，从理论和实验数据上使学生理解指示剂变色的真正原因，并能够在实验中得到很好的应用．

1 实验部分

1.1 实验原理

指示剂在溶液pH改变时，由于质子转移引起指示剂分子或离子结构发生变化，使其在可见光范围内发生了吸收光谱的改变，因而呈现不同颜色的变化[2]．若以HIn表示指示剂，In-为其共轭碱，那么，HIn的电离平衡为：HIn(aq)+H2OH3O+(aq)+In(aq)，其中HIn(aq)和In(aq)的颜色分别为无色和红色．当溶液≤溶液的pH≥pKa(HIn)+1，指示剂90%以上以共轭碱In-的形式存在，溶液呈现In-的颜色，由于酚酞试剂为弱电解质，随着酚酞滴数的增加，(HIn)的增加率大于导致酚酞变色点范围左移，致使同一色度下，滴数越少，pH越大．同理，随着溶液温度的升高，平衡向正方向移动，导致的变化率增加，使酚酞变色点范围随着温度的升高向左移动．

1.2 实验仪器和药品

(1)实验仪器.数据采集器、pH传感器、色度传感器、计算机(配套软件)、电子天平、磁力搅拌器、水浴锅、酸式滴定管、碱式滴定管、锥形瓶、容量瓶、烧杯、量筒、玻璃棒、胶头滴管．

(2)药品.酚酞固体，0.1mol/L盐酸，0.1mol/L氢氧化钠，乙醇.

1.3 实验过程

连接好装置，打开数据采集器及计算机配套软件，设置采样频率为2s，手动停止．

实验1

(1)准确称取20mL,0.1mol/L盐酸溶液于4支200mL的锥形瓶中，再分别向4份溶液中滴加3滴、7滴、15滴、20滴的酚酞试剂，静止片刻，使其混合均匀．

(2)将pH传感器插入溶液当中，使探头完全浸没于液面以下，开启磁力搅拌器，用低速搅拌．

(3)用0.1mol/L氢氧化钠溶液匀速滴加到盛放盐酸的锥形瓶中，待溶液pH值增加到3.5左右时，减慢氢氧化钠的滴加速度(半滴/次)，观察溶液颜色变化，当溶液颜色发生变化后，停止滴定，待pH值显示稳定后，迅速清洗探头转移到不同酚酞滴数的锥形瓶当中，平行测定5次，保留图像．

(4)用色度传感器测量滴定后溶液的色度，进行对比．

实验2

(1)取0.1mol/L、30mL盐酸溶液5份，盛放于200mL锥形瓶中，分别滴加3滴酚酞试剂，待其混合均匀后开始实验．

(2)开启水浴锅，调节温度，将pH传感器插入溶液当中，使探头浸没于液面下方，用玻璃棒匀速搅拌．

(3)同实验1中(3).

(4)调节水浴锅温度，平行滴定5次，并用色度传感器测量滴定后溶液的色度．

1.4 实验数据及处理

实验1

确保滴定终点溶液的吸光度相同是研究酚酞变色影响因素的前提，滴定结束后，对所滴定溶液的透光率进行测量和分析，如表1所示．根据朗伯比尔定律A=lgT=εbc，式中:A-吸光度;T-透光率;ε-吸光系数;b-液层厚度;c-溶液浓度．对溶液透光率进行换算可以证明溶液在吸光度上无明显差异，可为后续研究做充分保证．

表1 不同滴数下的透光率和吸光度

相同浓度的氢氧化钠溶液滴定盐酸，在控制浓度因素的前提下，改变指示剂的用量，通过实验数据证明，随着指示剂用量的增加，同一吸光度的被滴定溶液，pH值逐渐减小(见图2)．

图2 不同滴数下pH值变化

对以上数据通过Spearman相关分析[3]，结果显示，酚酞滴数与pH值之间的相关显著，相关系数为r=-0.736，p<0.01(见表2).

表2 滴数与pH相关性

实验2

控制酚酞滴数因素的前提下，改变滴定环境的温度，并在恒温下平行测定酚酞变色点的变化区域范围，通过Spss数理统计软件对其进行描述性统计，不难发现，随着温度的升高，变色点的pH平均值逐渐降低，极值呈周期性变化(见表3)对温度和pH值进行回归拟合，置信区间为95%，R线性=-16.345，具有明显负相关性，如图3所示．

表3 不同温度下pH分析数据结果

图3 温度、pH值交互式图像(回归拟合)

2 结论

酸碱滴定是定量实验的一个重要内容[4]，那么指示剂作为酸碱滴定过程中发生突跃的“标志性”物质更显的尤为重要，不仅体现在本身的种类、用量上，还关系到外界环境等影响因素，如温度、离子强度[5]．实验证明，用量的不同及温度的变化都会影响到指示剂变色点的范围，当溶液

具有相同的吸光度时，随着指示剂滴数的逐渐增加，pH值在变色范围内逐渐减小．随着温度的逐渐降低，pH值在变色范围内逐渐增大．

参考文献：

[1]李晓燕,曾艳丽.关于酚酞变色机理的量子化学探讨[J].大学化学,2010,25(10):34-35.

[2]大连理工大学无机化学教研室.无机化学[M].北京:高等教育出版社,2006.

[3]张奇.SPSS for Windows在心理学与教育学中的应用[M].北京:北京大学出版社,2007.

[4]王彤.仪器分析与实验[M].青岛:青岛出版社,2000.

[5]武汉大学化学与环境科学学院.物理化学实验[M].武汉:武汉大学出版社,2000.