페놀프탈레인은 왜 산성에서는 무색이고 염기성에서는 붉은색이 되나요?

Question

화학 실험에서 자주 쓰는 페놀프탈레인 지시약이 용액의 산염기성에 따라 색이 바뀌는데, 분자구조가 어떻게 변하길래 이런 색 변화가 일어나는지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 페놀프탈레인의 색 변화는 산성 및 염기성 환경에서 분자의 구조와 전자 분포가 달라지고, 그 결과 가시광선을 흡수하는 방식이 바뀌기 때문입니다. 핵심은 바로 분자의 공액계입니다. 페놀프탈레인은 산성 용액에서는 주로 고리화된 형태로 존재하는데요, 이 구조에서는 분자 내부의 π전자들이 넓은 범위에 걸쳐 충분히 연결되어 있지 않아 가시광선 영역의 빛을 거의 흡수하지 않습니다. 따라서 우리 눈에는 무색으로 보입니다.

그런데 염기성 용액에 들어가면 페놀프탈레인의 페놀성 수소가 OH⁻에 의해 제거되면서 분자의 전자 구조가 크게 변합니다. 동시에 분자 구조가 음전하를 띤 quinoid 형태로 전환되면서 π전자들이 분자 전체에 걸쳐 훨씬 넓게 공명하고 비편재화될 수 있게 됩니다. 이렇게 전자가 넓게 퍼질 수 있는 공액계가 형성되면 분자의 전자 전이 에너지 차이가 작아집니다. 그 결과 페놀프탈레나는 자외선뿐 아니라 가시광선 영역의 특정 파장도 흡수할 수 있게 됩니다. 우리가 보는 색은 흡수되지 않고 남은 빛에 의해 결정되므로, 페놀프탈레나는 염기성에서 분홍색~붉은색으로 보이게 됩니다. 이를 표현하면 산성 → 무색 형태,

페놀프탈레인 → 고리화된 구조 → 공액이 제한됨 → 가시광선 흡수 거의 없음 → 무색 / 염기성 → 색 있는 형태,

페놀프탈레인 + OH⁻ → 탈양성자화 → quinoid 구조 형성 → π전자 비편재화 증가 → 가시광선 흡수 → 분홍~붉은색으로 나타낼 수 있습니다. 특히 페놀프탈레인의 변색은 단순히 OH⁻가 분자의 색을 칠하는 현상이 아니라, 수소 이온의 이동에 의해 분자의 전자구조 자체가 바뀌는 현상이라는 점이 중요합니다. 감사합니다.

Answer 2

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

페놀프탈레인의 색 변화는 수소 이온 농도에 따라 분자 중앙의 락톤 고리가 열리고 닫히면서 전자의 이동 범위인 공액계가 변하기 때문입니다. 이와 관련하여 좀 더 자세히 설명해 드릴게요.

먼저, 산서과 중성 환경에서는 락톤 고리가 닫히면서 전자를 들뜨게 하는 데 매우 큰 에너지가 필요하므로 사람이 볼 수 있는 가시광선이 아닌 자외선 영역의 빛만 흡수하고 가시광선은 그대로 통과하여 눈에 무색 투명하게 보입니다.

반면, 염기성 환경에서는 락톤 고리가 열리면서 전자가 움직일 수 있는 공간이 넓어져 빛을 흡수하는 데 필요한 에너지가 줄어들어 가시광선 영역 중 녹색 빛을 흡수하게 되며, 이 빛이 빠져나가고 남은 보색인 붉은색이 우리 눈에 도달하여 붉게 보이는 것입니다. 하지만 수산화 이온이 과도하게 많아지는 초강염기성 환경에서는 연결되었던 공액계가 다시 깨지면서 붉은색을 잃고 다시 무색이 됩니다.