산·염기 지시약(acid-base indicator)은 용액의 수소 이온 농도(pH) 변화에 따라 색깔이 변하는 화학 물질이다. 주로 약산(weak acid) 또는 약염기(weak base)의 성질을 가지는 유기 색소이며, 산성형(HIn)과 염기성형(In⁻)의 분자 구조가 서로 다른 색을 띠는 원리를 이용한다. 용액의 pH가 변하면 지시약 분자의 해리 평형이 이동하여 산성형과 염기성형의 상대적 비율이 달라지고, 이에 따라 용액의 색이 변화한다.
작용 원리
산·염기 지시약은 일반적으로 다음과 같은 평형 반응을 나타낸다.
HIn(aq) + H₂O(l) ⇌ In⁻(aq) + H₃O⁺(aq)
여기서 HIn은 산성형(짝산), In⁻은 염기성형(짝염기)이며, 두 형태의 색이 서로 다르다. 산성 용액에서는 평형이 왼쪽으로 이동하여 HIn 형태가 우세하게 존재하고, 염기성 용액에서는 평형이 오른쪽으로 이동하여 In⁻ 형태가 우세해진다. 이때 각 형태의 고유한 색이 나타나므로 용액의 액성을 판별할 수 있다.
지시약의 색이 변하는 pH 구간을 변색 범위(indicator range)라고 하며, 일반적으로 pKₐ ± 1 범위에 해당한다. 변색 범위는 지시약의 종류에 따라 다르다.
대표적인 산·염기 지시약
| 지시약 | 산성 색 | 변색 범위(pH) | 염기성 색 |
|---|---|---|---|
| 메틸 오렌지 | 적색 | 3.1~4.4 | 황색 |
| 메틸 레드 | 적색 | 4.4~6.2 | 황색 |
| 브로모티몰 블루(BTB) | 황색 | 6.0~7.6 | 청색 |
| 리트머스 | 적색 | 4.5~8.3 | 청색 |
| 페놀프탈레인 | 무색 | 8.2~10.0 | 자주색 |
| 티몰프탈레인 | 무색 | 9.3~10.5 | 청색 |
용도
산·염기 지시약은 주로 산-염기 중화 적정에서 종말점(end point)을 확인하는 데 사용된다. 적정에 사용되는 산과 염기의 종류(강산, 약산, 강염기, 약염기)에 따라 중화점에서의 pH가 달라지므로, 해당 중화점 근처에서 변색하는 지시약을 선택하는 것이 중요하다. 또한 여러 가지 지시약을 혼합한 만능 지시약(universal indicator)은 넓은 pH 범위에서 연속적인 색 변화를 나타내어 용액의 대략적인 pH 값을 추정하는 데 사용된다.
천연 지시약
자주색 양배추, 포도, 붓꽃, 검은콩 등에 포함된 안토시아닌(anthocyanin) 색소도 pH에 따라 색이 변하므로 천연 지시약으로 활용될 수 있다. 안토시아닌은 산성에서 붉은색, 중성에서 보라색, 염기성에서 녹색~황색 계열로 변화한다.
