Un indicador àcid-base és un colorant que pren un color en medi àcid i un altre en medi alcalí. Els jocs de proves per a piscines, de sòls, d'aquaris i el paper universal de tots els laboratoris escolars funcionen així, igual que el punt final d'una valoració. El que fa que un indicador sigui útil és també el que el limita: un sol colorant respon a una sola pregunta —el pH està per damunt o per davant del meu interval de viratge?—, de manera que un sol pouet mai pot donar un pH, sinó només una desigualtat. Si es col·loquen diversos colorants amb intervals diferents l'un al costat de l'altre, però, les desigualtats es tancaran l'una sobre l'altra des de tots dos costats.
Cada colorant es comporta d'aquesta manera perquè el colorant és ell mateix un àcid feble. La seva forma protonada HIn i la seva forma desprotonada In− absorbeixen la llum de manera diferent, i tots dos estan en equilibri: HIn + H2O ⇌ In− + H3O+. Reordenant l'expressió d'equilibri s'obté pH = pKA + log([In−]/[HIn]), de manera que la relació entre les dues formes acolorides queda fixada exclusivament pel pH. L'ull humà deixa de distingir una mescla de la forma pura a una relació aproximada d'un a deu, motiu pel qual cada indicador canvia en una banda d'unes dues unitats de pH d'ample, centrada en el seu propi pKA, i mostra un sol color pla a cada costat d'aquesta franja.
En aquest laboratori, omplireu dues plaques de sis pous com a una graella de tres per quatre: tres solucions desconegudes abocades per les columnes A, B i C, i quatre indicadors —taronja de metil, vermell de metil, blau de bromotimol i fenolftaleïna— disposats a través de les files de l'1 al 4. Dotze pous donen dotze colors. Capturareu la placa amb la tauleta, fareu coincidir cada pou amb la taula de referència graduada penjada a la banqueta per a aquell indicador, anotareu la desigualtat que implica cada color i combinareu les quatre desigualtats de cada columna per delimitar el pH d'allò desconegut. Un dels tres intervals resultarà ser unilateral, la qual cosa ja és un resultat per si mateix.
Objectius educatius
Treballant amb una placa de cultiu cel·lular
- Carregueu sistemàticament una graella de dotze pous, una solució per columna i un indicador per fila, de manera que cada pou tingui una identitat coneguda abans que aparegui cap color.
- Utilitzeu un comptagotes separat per a cada líquid i aboqueu-hi un nombre comptat de gotes, i expliqueu què faria la contaminació creuada entre els pous al resultat.
Com funciona un indicador
- Un indicador és un àcid feble les formes protonada i desprotonada del qual difereixen en color, i el seu interval de viratge està relacionat amb el seu pK.A.
- Un interval de transició té una amplada d'unes dues unitats de pH perquè la zona de viratge d'un indicador acidobàsic depèn de la relació logarítmica entre les concentracions de les seves formes àcida i bàsica (segons l'equació de Henderson-Hasselbalch). Normalment, l'ull humà o els instruments només poden distingir un canvi de color clar quan la forma d'un color domina sobre l'altra en un factor d'aproximadament 10 a 1 ($\log(10) = 1$) fins a 1 a 10 ($\log(1/10) = -1$). Això abasta un interval de $\text{p}K_a \pm 1$, la qual cosa suma un total de dues unitats de pH. Pel que fa a per què un indicador no dóna cap informació sobre un pH situat fora del seu interval, es deu al fet que en aquests extrems tot l'indicador es troba completament en una sola forma (o bé 100% en la forma àcida o bé 100% en la forma bàsica). Més enllà d'aquest llindar, qualsevol canvi addicional en la concentració d'ions hidrogen no provoca cap més alteració visible en el color de la solució, de manera que no es pot determinar si el pH és lleugerament o extremadament superior o inferior a aquests límits.
Llegir un color com a desigualtat
- Convertir el color d'un pou observat en una declaració sobre el pH: una fita superior, una fita inferior o un interval quan el tint es troba en plena transició.
- Compareu un color parcialment transicionat amb la carta de referència graduada per estimar un pH d'aproximadament una dècima d'unitat, i expliqueu per què aquesta estimació només està disponible per a un dels dotze pous de cada columna.
Combinació de proves de diverses proves
- Interseca quatre desigualtats per obtenir el marge més estret que suporta la placa per a cada incògnita.
- Reconèixer quan un conjunt de proves no aconsegueix delimitar un resultat per una banda, i indicar quin indicador addicional caldria per tancar el claudàtor.
Registre i notificació
- Captureu el plat amb la tauleta i utilitzeu la imatge desada com a registre principal en lloc de confiar en la memòria.
- Informeu de cada incògnita com un claudàtor amb la seva evidència de suport, no com un nombre nu.
Protocol
Hi ha dues plaques de pous a la taula, etiquetades de la A a la C i de l'1 al 4.
- Poseu 5 gotes de la solució desconeguda 1 en cada pou de la columna A.
- Poseu 5 gotes de la solució desconeguda 2 a cada pou de la columna B.
- Poseu 5 gotes de la solució desconeguda 3 a cada pou de la columna C.
- Afegiu 2 gotes de taronja de metil a cada pou de la fila 1.
- Afegiu 2 gotes de vermell de metil a cada pou de la fila 2.
- Afegiu 2 gotes de blau de bromotimol a cada pou de la fila 3.
- Afegiu 2 gotes de fenolftaleïna a cada pou de la fila 4.
- Utilitzant la tauleta, captura una imatge de les plaques de pous fent clic al botó (Desa la imatge).
- Els colors de cada un dels pous es mostren a la imatge capturada que podeu trobar a la secció “Imatge” dels resultats.
Els resultats es troben a la taula de resultats.
Resultats previstos
Els quatre indicadors es trien de manera que els seus rangs de transició cobreixin l'escala de pH des d'aproximadament 3 fins a aproximadament 10 amb només petits buits. Els rangs següents són els impresos a les taules de referència graduades que hi ha al banc, i els colors dels pous són els produïts per la simulació.
| Indicador | Fila | Rang de transició (gràfic de banc) | Forma àcida | Forma base | pKaA |
|---|---|---|---|---|---|
| Taronja de metil | 1 | de 3,2 a 4,4 | vermell | groc | ≈ 3,7 |
| Vermell de metil | 2 | de 4,4 a 6,2 | vermell | groc | ≈ 5,1 |
| Taronja de bromotimol | 3 | de 6,0 a 7,5 | groc | blau | ≈ 7,1 |
| Fenolftaleïna | 4 | de 8,3 a 10,0 | incolor | rosa a magenta | ≈ 9,4 |
El plat. A continuació es detallen els dotze pous i el que implica cada color. Les dues últimes files donen la intersecció de les quatre desigualtats de cada columna i la identitat de la solució.
La placa tal com l'ha capturat la tauleta al final de la prova. Les columnes A, B i C són les tres dissolucions desconegudes; les files de l'1 al 4 són el taronja de metil, el vermell de metil, el blau de bromotimol i la fenolftaleïna.
| Fila / indicador | Columna A (desconegut 1) | Columna B (desconegut 2) | Columna C (desconegut 3) |
|---|---|---|---|
| 1 — taronja de metil | groc → pH > 4.4 | vermell → pH < 3,2 | groc → pH > 4.4 |
| 2 — roig de metil | groc → pH > 6,2 | vermell → pH < 4,4 | groc → pH > 6,2 |
| 3 — blau de bromitimol | verd → 6.0 < pH < 7.5 | groc → pH < 6,0 | blau → pH > 7,5 |
| 4 — fenolftaleïna | incolor → pH < 8,3 | incolor → pH < 8,3 | rosa → 8.3 < pH < 10.0 |
| Suport de la placa | de 6,2 a 7,5, i ≈ 7,0 fent coincidir el verd | pH < 3,2 — sense límit inferior | de 8,3 a 10,0, i ≈ 9,0 coincidint amb el rosa |
| Identitat | H2O, pH 7,00 | HCl 1,0 × 10−3 mol/L, pH 3,00 | NaOH 1,0 × 10−5 mol/L, pH 9,00 |
Comprovant les tres identitats. Cada pH publicat es desprèn de la concentració en una línia. L'aigua pura s'autoionitza fins al punt Kw = [H3O+][OH−] = 1,0 × 10−14 a 25 °C, per tant [H3O+] = √Kw = 1,0 × 10−7 mol/L i pH = 7.00. L'àcid clorhídric s'ionitza completament, de manera que la desconeguda 2 té [H3O+] = 1,0 × 10−3 mol/L i pH = −log(1.0 × 10−3) = 3,00. El hidròxid de sodi es dissocia completament, de manera que el desconegut 3 té [OH−] = 1,0 × 10−5 mol/L, pOH = 5,00 i pH = 14,00 − 5,00 = 9,00. Tots tres cauen dins dels límits que dóna la placa, i els desconeguts 1 i 3 estan acotats a unes poques dècimes.
Resum de tasques per rang de qualificació
De 9è a 10è grau
Enfocament carrega acurada de la placa, descripció precisa del color i la idea que un color és una evidència sobre el pH en lloc d'un valor del pH.
Activitats: ompliu els dotze pous en l'ordre donat i mantingueu un mapa escrit de quina solució i quin indicador hi ha en cadascun; anomeneu el color de cada pou i copieu la imatge guardada al quadern; per a cada pou, llegiu de la taula de banc si el pH està per damunt o per davall del rang de l'indicador; identifiqueu l'únic pou de la placa que no és ni l'un ni l'altre dels dos colors de l'indicador i digueu què significa; ordeneu les tres incògnites de la més àcida a la més alcalina.
11è curs
Enfocament convertint dotze observacions en tres claudàtors.
Activitats: escriviu la desigualtat implicada per cadascun dels dotze pous; intersequeu les quatre desigualtats de cada columna i indiqueu el interval resultant; estimeu el pH de les incògnites 1 i 3 amb una dècima de unitat fent coincidir els pous verd i rosa amb les taules graduades; expliqueu per què la incògnita 2 només té un límit superior i anomeneu un indicador que en donaria un de inferior; convertiu cada pH estimat a una concentració d'hidroni i comproveu-la amb la concentració indicada de la solució.
12è curs / Nivell universitari
Enfocament l'equilibri de l'indicador i els límits d'un mètode colorimètric.
Activitats: Derivació de pH = pKA + log([In−]/[HIn]) a partir de la constant àcida de l'indicador i mostrar que una relació de 1:10 a 10:1 abasta dues unitats de pH; estimar el pKA per a cadascun dels quatre colorants des del punt mitjà del seu interval graficat i comparar-los amb els valors publicats; calculeu la fracció de blau de bromotimol en la seva forma bàsica al pou A3 donat el pH 7,0; estimeu quant podrien desplaçar les 2 gotes d'indicador el pH de les 5 gotes d'aigua no tamponada de la columna A i comenteu si es pot confiar en la columna A com a mesura; proposeu un conjunt d'indicadors que abastin qualsevol pH d'1 a 13 amb un marge d'una unitat, i calculeu quants colorants requereix això.
Equipament de laboratori
Instruments
- Plaques de pocells (2, de sis pocells cadascuna; columnes etiquetades de la A a la C, files etiquetades de l'1 al 4)
- Comptagotes (7 — un per cada solució desconeguda i un per a l'indicador)
- Tauleta (per capturar i visualitzar la imatge de la matrícula)
- Gràfics de referència graduats per als quatre indicadors (a la banqueta)
Productes
- Taronja de metil (indicador, viratge de 3,2 a 4,4)
- Roig de metil (indicador, viratge de 4,4 a 6,2)
- Blau de bromotimol (indicador, transició 6,0 a 7,5)
- Fenolftaleïna (indicador, viratge de 8,3 a 10,0)
- Solucions desconegudes 1, 2 i 3