Бромтимоловый синий — это широко используемый индикатор в химии и биологии. Его можно использовать для определения pH раствора по цвету, который он приобретает в этом растворе. Изменение цвета происходит потому, что бромтимоловый синий — это слабая кислота, которая может существовать в различных состояниях протонирования в зависимости от pH. Понимание диапазона pH, в котором бромтимоловый синий меняет цвет, важно для выбора правильного индикатора для данного применения и интерпретации экспериментальных результатов.
Бромтимоловый синий (также известный как BTB) имеет молекулярную формулу C27H28Br2O5S. Он принадлежит к классу соединений, известных как сульфонефталеины. Вот химическая структура бромтимолового синего:
Бромтимоловый синий содержит ароматическую кольцевую систему с несколькими связанными атомами кислорода. Два из этих атомов кислорода могут быть протонированы или депротонированы, что делает соединение кислотой.
В частности, бромтимоловый синий действует как слабая полипротонная кислота, то есть он может терять несколько протонов. Две реакции ионизации:
| HB+ | H2B | + | H+ | |
| B2- | HB+ | + | H+ |
Где H2B — дипротонная форма, HB+ — монопротонная форма, а B2- — депротонированная форма.
Соответствующие константы диссоциации кислоты:
| pKa1 = 7,0 |
| pKa2 = 8,9 |
Эти значения pKa указывают на то, что бромтимоловый синий начнет терять свой первый протон при pH около 7, а второй протон — при pH около 9. Это является основой для изменения цвета индикатора.
Различные формы бромтимолового синего имеют разные цвета:
| Форма | Цвет |
| H2B (двухпротонный) | Желтый |
| HB+ (монопротонный) | Синий |
| B2- (депротонированный) | Сине-зеленый |
При очень низких значениях pH доминирует дипротонная желтая форма. По мере увеличения pH она теряет протон, образуя монопротонную синюю форму. При очень высоких значениях pH она теряет свой второй протон, образуя депротонированную сине-зеленую форму.
Переход цвета происходит в диапазоне pH, охватывающем два значения pKa бромтимолового синего. Между pH 6-7,6 цвет меняется с желтого на синий. Между pH 7,6-9,4 цвет меняется с синего на сине-зеленый.
Таким образом, основной диапазон изменения цвета для бромтимолового синего составляет приблизительно от pH 6 до pH 9,4. За пределами этого диапазона индикатор становится желтым (ниже pH 6) или сине-зеленым (выше pH 9,4).
Вот краткое изложение изменения цвета бромтимолового синего:
| pH | Цвет бромтимолового синего |
| Ниже 6 | Желтый |
| 6 – 7,6 | От желтого до синего |
| 7,6 – 9,4 | От синего до сине-зеленого |
| Выше 9,4 | Сине-зеленый |
Диапазон цветового перехода делает бромтимоловый синий хорошо подходящим для индикации того, является ли раствор кислым, нейтральным или основным. Вот несколько примеров:
Более точные значения pH можно определить, сравнив цвет бромтимолового синего в растворе со стандартизированной цветовой шкалой.
Бромтимоловый синий обычно используется в качестве индикатора при титровании слабых кислот. Он позволяет обнаружить точку нейтрализации, сигнализируя об окончании титрования.
Он также может указывать на изменения pH в растворе во время химической реакции или во время биологических процессов, таких как активность ферментов или метаболизм клеток.
Определенные факторы могут влиять на точность бромтимолового синего как индикатора pH:
Значения pKa индикаторов зависят от температуры. Для бромтимолового синего значения pKa немного уменьшаются с повышением температуры. Это означает, что диапазон перехода смещается к более низким значениям pH при более высоких температурах.
Этот эффект обычно незначителен при нормальных лабораторных температурах, но может стать значительным при больших колебаниях температуры. Лучше всего использовать бромтимоловый синий при температуре, близкой к комнатной.
Ионная сила раствора также может влиять на значения pKa индикатора. Повышенная ионная сила имеет тенденцию к снижению значений pKa. Поэтому высококонцентрированные солевые растворы могут вызывать смещение вниз в диапазоне перехода бромтимолового синего.
Этот эффект можно минимизировать, используя разбавленные растворы или калибруя цветовую диаграмму в растворах с соответствующей ионной силой.
Использование бромтимолового синего в неводных растворителях может существенно изменить его диапазон перехода, что ограничит его применение. Бромтимоловый синий предназначен для работы в водных растворах вблизи нейтрального pH. Другие растворители могут радикально изменить его кислотно-щелочное поведение.
Некоторые основные области применения бромтимолового синего в качестве индикатора pH:
Бромтимоловый синий может быстро определить, является ли источник воды кислым, нейтральным или щелочным. Желтый цвет означает кислотные условия, а сине-зеленый указывает на основные условия. Он обычно используется для тестирования бассейнов, аквариумов и питьевой воды.
Четкие, яркие изменения цвета делают бромтимоловый синий идеальным для химических и биологических экспериментов. Студенты могут использовать его для отслеживания кислотно-щелочных титрований и исследования изменений pH.
Бромтимоловый синий в водном растворе станет желтым, когда через него будет пропускаться углекислый газ из-за образования угольной кислоты. Это позволяет использовать бромтимоловый синий для мониторинга уровней CO2.
Многие виды водорослей могут расти только в определенных диапазонах pH. Бромтимоловый синий добавляется к культурам водорослей в качестве индикатора pH, чтобы гарантировать поддержание оптимальной кислотности. Изменение цвета предупреждает, когда среду необходимо отрегулировать.
В аквариумах и прудах для рыб необходимо поддерживать надлежащий диапазон pH для здоровья рыб. Аквариумисты часто используют бромтимоловый синий для мониторинга изменений pH и выявления проблем.
Отслеживание pH внутри клеток и в средах для культивирования клеток важно в биологии. Бромтимоловый синий используется в качестве внутриклеточного индикатора pH из-за его проницаемости мембран.
Бромтимоловый синий иногда используется в питательных средах для изучения бактерий и грибков. Изменение цвета в кислую сторону указывает на метаболизм организмов в среде. Он также может указывать на инфекции в клинических образцах, таких как моча.
Хотя бромтимоловый синий является одним из самых популярных индикаторов pH, существует ряд альтернатив, которые можно использовать:
Феноловый красный — еще один сульфонефталеиновый индикатор с диапазоном цветов от желтого (pH 6,8) до красного (pH 8,2). Он подходит для более кислых условий по сравнению с бромтимоловым синим.
Конго красный — это диазоиндикатор, который меняет цвет с синего на красный в широком диапазоне pH от 3 до 5. Он полезен для очень кислых условий, где бромтимоловый синий будет казаться желтым.
Тимоловый синий — это сульфонефталеин с двумя переходами — от красного к желтому (pH 1,2–2,8) и от желтого к синему (pH 8–9,6). Он идеально подходит для обнаружения очень высоких или очень низких значений pH.
Универсальные индикаторы содержат смесь нескольких различных индикаторов для охвата широкого диапазона pH. Они меняют цвет на несколько цветов и могут точнее определять pH, чем отдельные индикаторы.
Лакмус получают из лишайников и обеспечивают простое цветовое различие между кислыми (красный) и основными (синий) условиями. Он менее точен, чем очищенные индикаторы, но безопасен, прост в использовании и недорог.
Электронные зонды pH могут давать очень точные измерения pH в числовом выражении. Они могут быть предпочтительнее цветных индикаторов, когда требуется точное количественное определение pH или автоматизация. Однако они более дорогие и сложные.
Бромтимоловый синий является бесценным индикатором для мониторинга изменений pH. Диапазон перехода его цвета от желтого (pH ниже 6) до синего (pH 6-7,6) и сине-зеленого (pH выше 7,6) позволяет ему легко определять кислые, нейтральные и основные растворы. Количественно определяя кислотно-щелочное поведение бромтимолового синего, мы можем точно понять, какой диапазон pH вызывает изменение цвета. Знание факторов, влияющих на индикаторы, также помогает повысить точность измерений pH. Хотя бромтимоловый синий имеет некоторые ограничения, он обеспечивает простой и недорогой способ определения приблизительного pH как визуально, так и качественно.