Dúha vo fľaške

Či je roztok kyslý alebo zásaditý, určuje koncentrácia oxóniových katiónov $\text{H}_3\text{O}^+$ (zjednodušene píšeme $\text{H}^+$). Keďže tieto koncentrácie môžu byť veľmi malé, vyjadrujeme ich pomocou pH:

$$\text{pH} = -\log\,[\text{H}_3\text{O}^+]$$

Stupnica pH má pri bežných roztokoch rozsah zhruba od 0 do 14:

pH	Prostredie	Farba univerzálneho indikátora
1 až 3	silno kyslé	červená
4 až 5	slabo kyslé	oranžová
6	veľmi slabo kyslé	žltá
7	neutrálne	zelená
8 až 10	zásadité	modrá
11 až 14	silno zásadité	fialová

Presné farby sa podľa výrobcu indikátora trochu líšia, ale poradie je vždy rovnaké, ako farby dúhy.

Acidobázický indikátor je slabá organická kyselina, ktorej molekula ($\text{HInd}$) má inú farbu ako jej anión ($\text{Ind}^-$). Vo vode sa ustaľuje rovnováha:

$$\text{HInd} + \text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{H}_3\text{O}^+ + \text{Ind}^-$$

V kyslom roztoku je veľa $\text{H}_3\text{O}^+$, rovnováha sa posúva doľava a prevláda farba $\text{HInd}$. V zásaditom roztoku ióny $\text{OH}^-$ odoberajú $\text{H}_3\text{O}^+$, rovnováha sa posúva doprava a prevláda farba $\text{Ind}^-$. Ako rovnováha reaguje na zmenu podmienok, si môžete pozrieť v pokuse Le Chatelierov posun chemickej rovnováhy.

Jeden indikátor mení farbu len v úzkom rozsahu pH (asi 2 jednotky). Univerzálny indikátor je preto zmes viacerých indikátorov, napríklad metylčervene (červená až žltá), brómtymolovej modrej (žltá až modrá) a fenolftaleínu (bezfarebný až fialovoružový). Ich farby sa skladajú a pri každom pH vznikne iný odtieň.

Na jeden koniec nádoby pridáme kyselinu, napríklad kyselinu chlorovodíkovú, a na druhý zásadu, napríklad hydroxid sodný. Kde sa stretnú, prebehne neutralizácia:

$$\text{HCl} + \text{NaOH} \rightarrow \text{NaCl} + \text{H}_2\text{O}$$

Iónovo zapísané ide vlastne len o spojenie oxóniového katiónu s hydroxidovým aniónom:

$$\text{H}_3\text{O}^+ + \text{OH}^- \rightarrow 2\,\text{H}_2\text{O}$$

Keďže roztok nemiešame, kyselina a zásada sa šíria len pomaly, difúziou. Blízko kyseliny je pH nízke, blízko zásady vysoké a medzi nimi sa pH mení postupne. Každá vrstva roztoku má teda iné pH, a tým aj inú farbu indikátora. Keby sme nádobu pretrepali, dúha by zmizla a celý roztok by mal jednu farbu podľa toho, čoho bolo viac. Ako vypočítať, koľko zásady treba na neutralizáciu kyseliny, sa dozviete v lekcii Neutralizácia.