La colorimetria és la manera més barata de mesurar una quantitat química: s'hi afegeix un reactiu que canvia de color segons la quantitat que es vol, i després es compara el resultat amb un conjunt de referències de valor conegut. No necessita energia, ni calibratge, ni material de vidre més enllà d'un tub, motiu pel qual continua sent el mètode estàndard per analitzar piscines i aquaris, per a estudis de camp de llacs i rius, i per a les tires reactives que s'utilitzen a les clíniques. La seva limitació és igualment clara: la resposta només és tan bona com l'ull que la llegeix i tan precisa com l'espaiat de les referències.
La quantitat que es mesura aquí és el pH, definit com a pH = −log[H⁺]3O+], de manera que cada unitat sencera de pH representa un canvi de deu vegades en la concentració d'ions hidroni. Un indicador universal no és un sol tint, sinó una barreja de diversos àcids febles, cadascun dels quals canvia de color en una banda de pH estreta i diferent. Com que les seves constants de dissociació àcida estan esglaonades, la barreja en conjunt canvia de color progressivament des del vermell, passant pel groc i el verd, fins al blau en un rang d'aproximadament pH 3 a pH 10, i aquest color es pot utilitzar com a substitut d'una mesura de [H3O+] que d'altra manera necessitaria un elèctrode.
En aquest laboratori construireu vosaltres mateixos l'escala de referència en lloc de rebre-la feta. Mesurareu porcions de 25 mL de solucions de pH conegut en una graderia de tubs d'assaig, hi afegireu cinc gotes d'indicador universal a cadascuna i produireu així una escala de colors de pH 3 a pH 7. Després tractareu una mostra d'aigua de llac de la mateixa manera, n'aparellareu el color amb la vostra escala per obtenir-ne el pH, estendreu l'escala a pH 8 i pH 9 si la mostra resulta ser alcalina, i finalment verificareu cada tub amb un pH-metre per veure com d'aproximada ha estat la resposta colorimètrica.
Objectius educatius
Comprendre el pH com a escala logarítmica
- Definició de pH: pH = −log[H⁺]3O+] i convertir en ambdues direccions entre un pH i una concentració d'hidroni.
- Explica per què una mostra a pH 5 és mil vegades més àcida que una a pH 8, i per què una diferència de mitja unitat de pH no és una diferència petita.
Construcció i ús d'una escala de referència colorimètrica
- Prepareu una sèrie de tubs de referència en condicions idèntiques —mateix volum, mateix nombre de gotes, mateix tub— i indiqueu per què cadascuna d'aquestes condicions s'ha de mantenir constant.
- Determineu el pH d'una mostra desconeguda comparant-la amb la sèrie i doneu la resposta amb un interval en lloc d'una xifra única.
- Reconèixer quan una mostra queda fora de l'escala i ampliar l'escala en lloc d'endevinar.
Manipulació de l'indicador i el material de vidre
- Mesureu 25 mL en un proveta graduada i aboqueu-ne un nombre comptat de gotes amb un comptagotes.
- Barregeu un tub d'assaig sense vessament, i esbandiu i eixugueu l'elèctrode entre tubs de manera que una solució no contaminarà la següent.
Contrastar un mètode amb un altre
- Compareu el resultat colorimètric de cada tub amb la lectura del pH-mètre i tabuleu-ne la diferència.
- Expliqueu què mesuren els dos mètodes i per què l'elèctrode és el més fiable dels dos.
Valorant els límits d'un mètode visual
- Indiqueu la resolució més fina que pot suportar una escala en increments d'una unitat de pH, i com es podria millorar.
- Identifiqueu les condicions sota les quals l'indicador mateix canvia el pH de la mostra que està mesurant.
Protocol
Part 1: Prepareu una escala de colorimetria utilitzant l'indicador de pH que tingueu disponible
- Amb el vas de precipitats graduat, mesura 25 ml de dissolució de pH3 i després aboca-ho al tub d'assaig 1.
- Repetiu el pas a) amb les solucions de pH 4, 5, 6 i 7 i els tubs d'assaig 2, 3, 4 i 5.
- Amb el comptagotes, afegiu 5 gotes d'indicador de pH a cada un dels tubs d'assaig del 1 al 5.
- Barregeu el contingut dels tubs d'assaig amb una vareta de vidre, o posant-hi un tap i barrejant suaument de dreta a esquerra.
- Utilitzant el tub d'aigua, mesura 25 ml de la mostra d'aigua del llac i tot seguit aboca-la al tub d'assaig 6.
- Amb el comptagotes, afegeix 5 gotes d'indicador de pH al tub d'assaig 6.
- Barreja el contingut del tub d'assaig amb una vareta de vidre, o bé posant un tap i barrejant suaument d'un costat a l'altre.
Part 2: Determinar el pH de l'aigua del riu utilitzant l'escala colorimètrica
- Determineu el pH de l'aigua del riu comparant el color de la mostra del tub d'assaig 6 amb l'escala colorimètrica del pòster que hi ha al taulell.
-> Si el pH sembla estar per sobre de 7, completa l'escala colorimètrica amb les solucions de pH 8 i 9 i els tubs d'assaig 7 i 8. Si el pH està per sota de 7, passa a la Part 3 per validar el pH de cada solució amb el pH metre.
- Amb el tub de mesura, mesura 25 ml d'una solució de pH 8 i després aboca-la al tub d'assaig 7.
- Amb el comptagotes, afegiu 5 gotes d'indicador de pH al tub d'assaig 7.
- Utilitzant el tub de mesura, mesura 25 ml de solució de pH 9 i aboca-la al tub d'assaig 8.
- Amb el comptagotes, afegeix 5 gotes d'indicador de pH al tub d'assaig 8.
- Barregeu el contingut dels tubs d'assaig amb una vareta de vidre, o posant-hi un tap i barrejant suaument de dreta a esquerra.
- Torneu a comparar el pH de l'aigua del riu utilitzant aquesta nova escala (pH de 3 a 9).
Part 3: Valida el pH de cada solució amb el pH-metre
- Introduïu l'elèctrode del pH-metre al tub d'assaig que conté l'aigua de riu (tub d'assaig 6) i als altres tubs d'assaig per validar el pH de cada solució.
- Anoteu el valor que apareix al dial digital del pHmetre.
No ho oblideu: entre mesuraments, esbandiu l'elèctrode amb aigua destil·lada i assequeu-lo amb un paper de secant.
Resultats previstos
No hi ha una única resposta correcta per a aquest laboratori. El pH de la mostra d'aigua del llac s'obté de nou cada vegada que es reinicia l'activitat i se situa entre 3 i 9, de manera que el que es puntua no és el nombre que l'estudiant indica, sinó el procediment, el marge que hi adjunten i la concordança entre la seva lectura colorimètrica i el pH-metre. La sèrie de referència, en canvi, està totalment determinada: vuit tubs de pH conegut han de donar els colors de la taula d'indicadors universals, en ordre, sense cap inversió.
| Tub | pH estàndard | [H3O+] (mol/L) | Color esperat d'un indicador universal |
|---|---|---|---|
| 1 | 3 | 1 × 10−3 | De vermell a vermell-taronja |
| 2 | 4 | 1 × 10−4 | Taronja |
| 3 | 5 | 1 × 10−5 | Groc-taronja |
| 4 | 6 | 1 × 10−6 | De groc a verd grogenc |
| 5 | 7 | 1 × 10−7 | Verd |
| 6 | la mostra | pendent de determinar | Tot el que doni la mostra; comparat amb els altres |
| 7 | 8 | 1 × 10−8 | Verd-blau |
| 8 | 9 | 1 × 10−9 | Blau |
Què diu l'escala de pH. Perquè el pH = −log[H⁺]3O+], un pH de 5 correspon a [H3O+] = 10−5 mol/L i un pH de 8 a 10−8 mol/L: la mostra àcida conté mil vegades més hidroni que la d'alcalina. Val la pena deixar-ho clar abans de començar a comparar els colors, perquè un alumne que interpreti la mostra com a “aproximadament 6 o 7” ha citat un rang de deu vegades la concentració d'hidroni. En l'aigua dolça també importa biològicament: la majoria dels ous de peix fallen per sota d'un pH aproximat de 5,5, i un llac amb un pH de 4 és efectivament estèril.
Per què un indicador universal canvia de color gradualment. Un indicador únic és un àcid feble les dues formes del qual tenen colors diferents: HIn ⇌ H+ + En−, amb Ka = [H+][En−] / [HIn], i per tant [In−] / [HIn] = Ka / [H+]. A pH = pKa les dues formes estan present en quantitats iguals i el color és a mig camí entre totes dues; una unitat de pH per sota, la proporció és 1 : 10 i predomina el color de l'àcid; una unitat per damunt, és de 10 : 1 i predomina el color de la base. Per tant, un sol colorant té una transició útil de només unes dues unitats de pH, raó per la qual un indicador “universal” és una barreja de quatre o cinc colorants amb pKa valors separats per aproximadament dues unitats. L'arc de Sant Martí continu del gràfic és la suma d'aquestes transicions superposades, no el comportament de cap molècula individual.
Per què cinc gotes, i per què les mateixes cinc gotes a cada tub. L'indicador és en si mateix un àcid feble, de manera que aporta hidroni a qualsevol cosa a què s'afegeixi. Cinc gotes equivalen aproximadament a 0,25 mL, o a uns 1 % d'una porció de 25 mL — prou petites per deixar intacte un estàndard tamponat, però no necessàriament prou petites per a una aigua natural mal tamponada, que és exactament el que pot ser una mostra de llac. Afegir un nombre diferent de gotes a tubs diferents també canvia la profunditat del color, cosa que corromp la comparació fins i tot si el pH no canvia. Aquest és l'únic punt procedimental sobre el qual es fonamenta tota la determinació, i val la pena assenyalar-ho.
El que afegeix el mesurador de pH. L'elèctrode de vidre respon a l'activitat del hidroni mitjançant la relació de Nernst, E = E0 − 0,0592 × pH a 25 °C, és a dir, 59,2 mV per cada unitat de pH, i el mesurador simplement converteix aquest voltatge en un nombre. Se'n deriven dues conseqüències. La primera és la resolució: un mesurador que mostra fins a 0,1 pH resol un canvi de 6 mV, mentre que una escala de colors en passos d'una unitat sencera no es pot llegir de manera fiable amb una precisió millor d'aproximadament mitja unitat, ni tan sols amb un ull atent. La segona és que els dos mètodes són independents, de manera que la Part 3 és una comprovació real més que no pas una repetició, i el resultat esperat és una coincidència d'aproximadament ±0,5 pH en cada tub. Un desacord sistemàtic en una direcció en els vuit tubs apunta a la calibració del mesurador; un desacord només en la mostra apunta a la possibilitat que l'indicador hagi desplaçat el pH d'una aigua no amortida.
Resum de tasques per rang de qualificació
De 9è a 10è grau
Enfocament observació, vocabulari i tècnica acurada. Els estudiants construeixen l'escala i la fan servir, sense manipular logaritmes.
Activitats:
- Mesureu 25 mL a cada tub i compteu exactament cinc gotes d'indicador a cadascun, i expliqueu per què tots dos nombres han de ser el mateix per a cada tub.
- Anoteu el color de cadascun dels tubs de referència i de la mostra en una taula, i etiqueteu els extrems de l'escala com a àcid, neutre i alcalí.
- Doneu el pH de l'aigua del llac com un rang, com ara “entre 6 i 7”, en lloc d'un sol nombre.
- Llegiu el pH-metre de cada tub i indiqueu si l'escala de colors hi coincidia.
- Menceleu tres llocs quotidians on es mesura el pH amb una comparació de color.
11è curs
Enfocament l'escala logarítmica i la comparació quantitativa dels dos mètodes.
Activitats:
- Convertir cada pH estàndard de la sèrie en una concentració d'hidroni utilitzant [H3O+] = 10−pH, i tabuleu les dues columnes una al costat de l'altra.
- Indiqueu quantes vegades més àcid és el patró més àcid que el més alcalí, i comproveu la resposta amb la diferència de pH.
- Tabuleu la lectura colorimètrica i la lectura del mesurador per als vuit tubs i calculeu-n'hi la diferència per a cadascun; indiqueu si la discrepància és aleatòria o sistemàtica.
- Explica-ho utilitzant Ka = [H+][En−] / [HIn], per què un sol indicador canvia de color en un interval d'unes dues unitats de pH.
- Calculeu quiva fracció de cada tub és solució indicadora i argumenteu si això és prou petit com per ignorar-ho.
12è curs / Nivell universitari
Enfocament la base física de tots dos instruments, l'anàlisi d'errors i la crítica del mètode.
Activitats:
- Obteniu la resolució de l'elèctrode a partir de E = E0 − 0,0592 × pH, indiqueu el canvi de voltatge corresponent a 0,1 pH i digueu què implica això sobre la impedància d'entrada del mesurador.
- Demostreu per què afegir un indicador d'àcid feble a una aigua natural mal tamponada pot desplaçar el seu pH, i calculeu un límit superior del desplaçament per a una concentració d'indicador determinada i una mostra sense tampó.
- Proposeu com es dissenyaria una prospecció d'un llac real — nombre de punts de mostreig, moment del dia, profunditat, correcció de la temperatura — i expliqueu per què una única mostra us diu gairebé res sobre un llac.
Equipament de laboratori
Instruments
- Tubs d'assaig (8) en un gradell, amb taps
- Proveta graduada (25 mL)
- Gotes
- Barra de vidre
- Vasos de precipitats (de 50 mL i de 250 mL)
- pH-metre amb elèctrode
- Carta de pH colorimètrica (pòster, pH 0 a 14)
- Paper de cuina
Productes
- Solucions patró de pH (pH 3 a pH 9)
- Mostra d'aigua del llac (pH aleatori entre 3 i 9)
- Solució d'indicador de pH universal