Кратко: при добавлении NaOH pH растёт, молекула фенолфталеина де-протонируется и переходит из замкнутой бесцветной лактонной формы в открытую квонионоидную анионную форму с расширённой сопряжённой системой — поэтому появляется розовый цвет.
Детали (атомно‑молекулярная картина и равновесия):
- Исходная бесцветная форма — спиро‑лакто́н (обозначим $\mathrm{HIn}$). При добавлении оснований происходят ступенчатые реакции отщепления протонов:
$$\mathrm{HIn}+{\mathrm{OH}}^{-}\rightleftharpoons {\mathrm{In}}^{-}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O},$$ $${\mathrm{In}}^{-}+{\mathrm{OH}}^{-}\rightleftharpoons \mathrm{I}{\mathrm{n}}^{2-}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}.$$ Практически наблюдаемая цветная форма — дикатионный/дианионный квонионоид $\mathrm{I}{\mathrm{n}}^{2-}$.
- Переходный диапазон индикатора: примерно $\mathrm{pH}\approx 8.2\text{–}10.0$ (приблизительно соответствующий значению $p{K}_a$ ступеней диссоциации порядка $\sim 9$–$10$).
- Почему меняется структура: в кислой среде молекула образует замкнутую спиро‑лактонную структуру — связь спиро‑C–O сохраняется, ароматические фрагменты не сопряжены с карбонильной/фталевой частью → небольшая сопряжённость → поглощение в UV → бесцветно. При депротонировании (удалении протона с фенольной группы(ок)) нарушается лактонный цикл (открывается кольцо, разрыв спиро‑C–O) и формируется квонионоидная структура с сильно развитой сопряжённой системой и отрицательными зарядами, дельокализованными по молекуле. Расширенная сопряжённая система уменьшает энергетический разрыв ($\Delta E$) между HOMO и LUMO, сдвигая поглощение в видимую область — молекула начинает поглощать зелёно‑жёлтую часть спектра и выглядеть розовой/малиновой.
- Количественное условие видимости цвета: видимый розовый цвет появляется, когда доля квонионоидной формы достаточна. Это выражается уравнением Хендерсона‑Хассельбалха (для пар $\mathrm{HIn}/\mathrm{I}{\mathrm{n}}^{2-}$ в упрощённой форме):
$$\mathrm{pH}=p{K}_a+\log \frac{[\mathrm{I}{\mathrm{n}}^{2-}]}{[\mathrm{HIn}]}.$$ При малом приросте pH вокруг переходного интервала концентрация $[\mathrm{I}{\mathrm{n}}^{2-}]$ быстро возрастает → наблюдается резкая смена цвета.
Итог: NaOH отбирает протоны у фенолфталеина, лактонное кольцо открывается, возникает конъюгированная квонионоидная дианионная форма $\mathrm{I}{\mathrm{n}}^{2-}$, которая поглощает свет в видимой области и выглядит розовой.