Bài học

Chất chỉ thị acid–base

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em nêu được nguyên tắc hoạt động của chất chỉ thị acid–base, dự đoán được màu của quỳ tím và phenolphthalein trong các dung dịch cho trước, và suy luận được khoảng pH gần đúng của một dung dịch từ kết quả thử nhiều chỉ thị.

Kiến thức nền cần nhớ

Em đã biết cách tính chính xác pH của một dung dịch (Chương 3) bằng công thức. Nhưng trong phòng thí nghiệm hay đời sống, không phải lúc nào cũng có máy đo pH — bài này giới thiệu công cụ đơn giản hơn nhiều: chất chỉ thị màu, đổi màu theo pH.

Khởi động

Nhúng giấy quỳ tím vào cốc giấm ăn, giấy chuyển đỏ. Nhúng vào cốc nước xà phòng, giấy chuyển xanh. Cùng một mảnh giấy, tại sao lại đổi màu khác nhau tuỳ dung dịch?

Kiến thức trọng tâm

Chất chỉ thị acid–base là những chất hữu cơ có màu sắc thay đổi rõ rệt khi pH của môi trường thay đổi qua một khoảng nhất định, gọi là khoảng đổi màu. Bản thân chất chỉ thị cũng là một acid yếu hoặc base yếu — dạng phân tử và dạng ion của nó có màu khác nhau, và tỉ lệ giữa hai dạng đó phụ thuộc $[H^+]$ của dung dịch, đúng theo nguyên lí cân bằng đã học.

**Chất chỉ thị acid–base** là những chất hữu cơ có màu sắc thay đổi rõ rệt khi pH của môi trường thay đổi qua một khoảng nhất định, gọi là **khoảng đổi màu**. Bản thân chất chỉ thị cũng là một acid yếu hoặc base yếu — dạng phân tử và dạng ion của nó có màu khác nhau, và tỉ lệ giữa hai dạng đó phụ thuộc $[H^+]$ của dung dịch, đúng theo nguyên lí cân bằng đã học.

Quỳ tím là chỉ thị quen thuộc nhất: hoá đỏ trong môi trường acid ( $pH$ thấp), hoá xanh trong môi trường base ( $pH$ cao), giữ màu tím ở vùng trung tính. Quỳ tím cho biết dung dịch là acid, base hay trung tính, nhưng không cho biết pH chính xác — chỉ là một phép thử định tính, nhanh và tiện.

**Quỳ tím** là chỉ thị quen thuộc nhất: hoá **đỏ** trong môi trường acid ($pH$ thấp), hoá **xanh** trong môi trường base ($pH$ cao), giữ màu **tím** ở vùng trung tính. Quỳ tím cho biết dung dịch là acid, base hay trung tính, nhưng không cho biết pH chính xác — chỉ là một phép thử định tính, nhanh và tiện.

Phenolphthalein có khoảng đổi màu hẹp và rõ hơn: không màu khi $pH$ nhỏ hơn khoảng 8, chuyển sang hồng khi $pH$ lớn hơn khoảng 10 (khoảng chuyển màu $\approx 8,2$ – $10,0$ ). Đặc điểm này khiến phenolphthalein trở thành chỉ thị chuẩn cho các phép chuẩn độ acid–base, vì sự đổi màu từ không màu sang hồng rất dễ quan sát bằng mắt thường tại đúng thời điểm phản ứng vừa đủ.

**Phenolphthalein** có khoảng đổi màu hẹp và rõ hơn: **không màu** khi $pH$ nhỏ hơn khoảng 8, chuyển sang **hồng** khi $pH$ lớn hơn khoảng 10 (khoảng chuyển màu $\approx 8,2$–$10,0$). Đặc điểm này khiến phenolphthalein trở thành chỉ thị chuẩn cho các phép chuẩn độ acid–base, vì sự đổi màu từ không màu sang hồng rất dễ quan sát bằng mắt thường tại đúng thời điểm phản ứng vừa đủ.

Về bản chất hoá học, phenolphthalein tự nó là một acid hữu cơ yếu, gọi tắt là $HIn$ (dạng không màu) $\rightleftharpoons$ $H^+ + In^-$ (dạng hồng, ion). Ở $pH$ thấp, nồng độ $H^+$ lớn đẩy cân bằng lệch về dạng $HIn$ không màu (theo Le Chatelier); ở $pH$ cao, $H^+$ bị trung hoà nhiều, cân bằng lệch về dạng ion $In^-$ có màu hồng. Đây chính là lý do mọi chất chỉ thị acid–base đều là những acid hoặc base yếu — cơ chế đổi màu của chúng chỉ là một cân bằng điện li nữa, đúng khuôn với những gì em đã học ở Chương 1 và Chương 2.

Khi có nhiều chỉ thị với khoảng đổi màu khác nhau, kết quả thử đồng thời cho phép thu hẹp khoảng pH của một dung dịch chưa biết — đây là kỹ thuật suy luận thường gặp trong đề thi: nếu một chỉ thị đổi màu (chứng tỏ pH đã vượt ngưỡng của nó) còn chỉ thị khác chưa đổi màu (chứng tỏ pH chưa tới ngưỡng của nó), ta khoanh vùng được pH nằm giữa hai ngưỡng đó.

Khi có nhiều chỉ thị với khoảng đổi màu khác nhau, kết quả thử đồng thời cho phép **thu hẹp khoảng pH** của một dung dịch chưa biết — đây là kỹ thuật suy luận thường gặp trong đề thi: nếu một chỉ thị đổi màu (chứng tỏ pH đã vượt ngưỡng của nó) còn chỉ thị khác chưa đổi màu (chứng tỏ pH chưa tới ngưỡng của nó), ta khoanh vùng được pH nằm giữa hai ngưỡng đó.

Ngoài quỳ tím và phenolphthalein, phòng thí nghiệm còn dùng nhiều chỉ thị khác với khoảng đổi màu ở các vùng pH khác nhau — methyl orange (đỏ ở pH thấp, vàng ở pH cao hơn khoảng 4,4), bromothymol xanh (vàng–xanh quanh pH 7)... Việc có nhiều chỉ thị với ngưỡng khác nhau không phải trùng lặp thừa thãi: mỗi phép chuẩn độ, tuỳ vào acid và base cụ thể tham gia, sẽ có pH tại điểm tương đương khác nhau (có thể là 7, có thể lệch hẳn về acid hay base), nên phải chọn đúng chỉ thị có khoảng đổi màu bao trùm pH đó — chọn sai chỉ thị sẽ cho kết quả chuẩn độ sai lệch dù thao tác tay hoàn toàn chính xác.

Ví dụ

Dự đoán màu chỉ thị trong các dung dịch

1
Cho ba dung dịch: $HCl$ 0,10 M, $NaOH$ 0,10 M, nước cất. Dự đoán màu quỳ tím và màu phenolphthalein trong mỗi dung dịch.
Cho ba dung dịch: $HCl$ 0,10 M, $NaOH$ 0,10 M, nước cất. Dự đoán màu quỳ tím và màu phenolphthalein trong mỗi dung dịch.
2
$HCl$ 0,10 M có $pH = 1$ (acid mạnh). $NaOH$ 0,10 M có $pH = 13$ (base mạnh). Nước cất có $pH = 7$ (trung tính).
$HCl$ 0,10 M có $pH = 1$ (acid mạnh). $NaOH$ 0,10 M có $pH = 13$ (base mạnh). Nước cất có $pH = 7$ (trung tính).
3
$HCl$ ( $pH=1$ ): quỳ tím hoá đỏ. $NaOH$ ( $pH=13$ ): quỳ tím hoá xanh. Nước cất ( $pH=7$ ): quỳ tím giữ nguyên màu tím.
$HCl$ ($pH=1$): quỳ tím hoá đỏ. $NaOH$ ($pH=13$): quỳ tím hoá xanh. Nước cất ($pH=7$): quỳ tím giữ nguyên màu tím.
4
$HCl$ ( $pH=1 < 8$ ): không màu. $NaOH$ ( $pH=13 > 10$ ): hồng. Nước cất ( $pH=7 < 8$ ): không màu.
$HCl$ ($pH=1 < 8$): không màu. $NaOH$ ($pH=13 > 10$): hồng. Nước cất ($pH=7 < 8$): không màu.
5
Vậy $HCl$ : quỳ đỏ, phenolphthalein không màu. $NaOH$ : quỳ xanh, phenolphthalein hồng. Nước cất: quỳ tím (không đổi), phenolphthalein không màu.
Vậy $HCl$: quỳ đỏ, phenolphthalein không màu. $NaOH$: quỳ xanh, phenolphthalein hồng. Nước cất: quỳ tím (không đổi), phenolphthalein không màu.

Ví dụ

Suy luận khoảng pH từ nhiều kết quả thử chỉ thị

1
Một dung dịch $X$ chưa biết pH được thử với ba chỉ thị: quỳ tím hoá xanh, phenolphthalein không màu. Biết phenolphthalein đổi màu ở khoảng $pH \approx 8,2$ – $10,0$ (không màu khi $pH < 8,2$ ). Hãy suy luận khoảng pH có thể có của dung dịch $X$ .
Một dung dịch $X$ chưa biết pH được thử với ba chỉ thị: quỳ tím hoá xanh, phenolphthalein không màu. Biết phenolphthalein đổi màu ở khoảng $pH \approx 8,2$–$10,0$ (không màu khi $pH < 8,2$). Hãy suy luận khoảng pH có thể có của dung dịch $X$.
2
Quỳ tím hoá xanh nghĩa là dung dịch $X$ có tính base, tức $pH > 7$ .
Quỳ tím hoá xanh nghĩa là dung dịch $X$ có tính base, tức $pH > 7$.
3
Phenolphthalein KHÔNG đổi màu (vẫn không màu) nghĩa là $pH$ của $X$ chưa đạt ngưỡng đổi màu của phenolphthalein, tức $pH < 8,2$ .
Phenolphthalein KHÔNG đổi màu (vẫn không màu) nghĩa là $pH$ của $X$ chưa đạt ngưỡng đổi màu của phenolphthalein, tức $pH < 8,2$.
4
Kết hợp cả hai: $pH > 7$ và $pH < 8,2$ . Vậy $7 < pH_X < 8,2$ .
Kết hợp cả hai: $pH > 7$ và $pH < 8,2$. Vậy $7 < pH_X < 8,2$.
5
Vậy dung dịch $X$ có pH nằm trong khoảng $7$ đến $8,2$ — có tính base rất nhẹ, gần trung tính. Đây là kỹ thuật thu hẹp khoảng pH bằng cách kết hợp kết quả của nhiều chỉ thị có ngưỡng đổi màu khác nhau.
Vậy dung dịch $X$ có pH nằm trong khoảng $7$ đến $8,2$ — có tính base rất nhẹ, gần trung tính. Đây là kỹ thuật thu hẹp khoảng pH bằng cách kết hợp kết quả của nhiều chỉ thị có ngưỡng đổi màu khác nhau.

Sai lầm thường gặp

Nhiều em nghĩ chỉ thị cho biết pH CHÍNH XÁC, trong khi thực ra chỉ thị chỉ cho biết pH đang ở TRÊN hay DƯỚI một ngưỡng (hoặc một khoảng hẹp) — muốn biết pH chính xác vẫn cần máy đo pH hoặc tính toán từ $K_a$ / $K_b$ . Một lỗi khác: nhớ nhầm khoảng đổi màu phenolphthalein — nó KHÔNG MÀU ở vùng acid và trung tính, chỉ chuyển HỒNG khi base đủ mạnh ( $pH > 8,2$ ), không đổi màu ngay ở $pH = 7$ .

Nhiều em nghĩ chỉ thị cho biết pH CHÍNH XÁC, trong khi thực ra chỉ thị chỉ cho biết pH đang ở TRÊN hay DƯỚI một ngưỡng (hoặc một khoảng hẹp) — muốn biết pH chính xác vẫn cần máy đo pH hoặc tính toán từ $K_a$/$K_b$. Một lỗi khác: nhớ nhầm khoảng đổi màu phenolphthalein — nó KHÔNG MÀU ở vùng acid và trung tính, chỉ chuyển HỒNG khi base đủ mạnh ($pH > 8,2$), không đổi màu ngay ở $pH = 7$.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Chất chỉ thị đổi màu theo pH: quỳ tím đỏ (acid) / xanh (base) / tím (trung tính) — chỉ định tính. Phenolphthalein không màu ( $pH<8,2$ ) / hồng ( $pH>10$ ) — khoảng hẹp, dùng cho chuẩn độ. Kết hợp nhiều chỉ thị giúp thu hẹp khoảng pH của một dung dịch chưa biết.

Chất chỉ thị đổi màu theo pH: quỳ tím đỏ (acid) / xanh (base) / tím (trung tính) — chỉ định tính. Phenolphthalein không màu ($pH<8,2$) / hồng ($pH>10$) — khoảng hẹp, dùng cho chuẩn độ. Kết hợp nhiều chỉ thị giúp thu hẹp khoảng pH của một dung dịch chưa biết.

Bài tiếp theo dùng chính phenolphthalein để thực hiện chuẩn độ acid–base — kỹ thuật xác định chính xác nồng độ một dung dịch acid hoặc base chưa biết bằng một dung dịch chuẩn đã biết nồng độ.