Acidobazický indikátor je barvivo, které má v kyselém prostředí jednu barvu a v zásaditém jinou. Testovací sady pro bazény, půdní sady, sady pro akvária a univerzální papírek v každé školní laboratoři fungují tímto způsobem, stejně jako bod ekvivalence při titraci. To, co činí indikátor užitečným, je zároveň to, co jej omezuje: jediné barvivo odpovídá pouze na jedinou otázku – je pH nad, nebo pod mým přechodovým rozsahem? – takže jediná jamka nemůže nikdy poskytnout hodnotu pH, ale pouze nerovnost. Pokud však vedle sebe umístíme několik barviv s různými rozsahy, nerovnosti se k sobě z obou stran přiblíží.
Každé barvivo se chová tímto způsobem, protože barvivo je samo o sobě slabou kyselinou. Jeho protonovaná forma HIn a jeho deprotonovaná forma In− absorbují světlo odlišně a obě formy jsou v rovnováze: HIn + H2O ⇌ In− + H3O+. Úpravou rovnovážného výrazu získáme pH = pKV + log([In−]/[HIn]), takže poměr obou barevných forem je dán samotným pH. Lidské oko přestane rozlišovat směs od čisté formy při poměru přibližně jedna ku deseti, a proto každý indikátor mění barvu v rozmezí asi dvou jednotek pH, jehož střed leží na jeho vlastní hodnotě pKV, a na obou stranách tohoto pásu zobrazuje jedinou plochou barvu.
V této laboratoři naplníte dvě šestijamkové destičky jako mřížku tři krát čtyři: tři neznámé roztoky nalité do sloupců A, B a C a čtyři indikátory – methyloranž, methylčerveň, bromothymolová modř a fenolftalein – nanesené v řadách 1 až 4. Dvanáct jamek dává dvanáct barev. Destičku vyfotografujete tabletem, každou jamku porovnáte s odstupnicovanou srovnávací tabulkou pro daný indikátor, která je vyvěšena na lavici, zapíšete nerovnost, kterou každá barva vyjadřuje, a zkombinujete čtyři nerovnosti v každém sloupci, abyste ohraničili pH dané neznámé látky. Jedno ze tří ohraničení se ukáže být jednostranné, což je samo o sobě výsledkem.
Vzdělávací cíle
Práce s jamkovou destičkou
- Dvanáctijamkovou destičku naplňte systematicky – jeden roztok do každého sloupce a jeden indikátor do každého řádku – tak, aby každá jamka měla před objevením jakékoliv barvy známou identitu.
- Pro každou kapalinu použijte jiné kapátko a aplikujte odměřený počet kapek, přičemž vysvětlete, jak by kontaminace mezi jamkami ovlivnila výsledek.
Jak funguje indikátor
- Indikátor lze popsat jako slabou kyselinu, jejíž protonovaná a deprotonovaná forma mají odlišnou barvu. Přechodová oblast indikátoru souvisí s jeho hodnotou $\mathrm{p}K_{\mathrm{a}}$ tak, že se obvykle nachází v rozmezí $\mathrm{p}K_{\mathrm{a}} \pm 1$.V.
- Přechodová oblast je široká přibližně dvě jednotky pH, protože lidské oko nebo přístroje dokážou zaznamenat změnu barvy indikátoru (který je slabou kyselinou nebo zásadou) pouze tehdy, když poměr jeho ionizované a neionizované formy spadá zhruba do rozmezí od 1:10 do 10:1. Tento logaritmický vztah mezi koncentracemi forem a pH se promítá právě do intervalu přibližně dvou jednotek pH (pKa ± 1). Indikátor neposkytuje žádnou informaci o pH mimo svou přechodovou oblast, protože při pH nižším nebo vyšším než toto rozmezí je indikátor přítomen již zcela ve své jedné formě (buď zcela v kyselé, nebo zcela v zásadité). Další změny pH již nevyvolávají žádnou další viditelnou změnu barvy, protože veškerý indikátor se již přeměnil na danou formu.
Čtení barvy jako nerovnosti
- Převést zjištěnou barvu studny na tvrzení o pH – horní mez, dolní mez nebo interval, když je barvivo zachyceno uprostřed přechodu.
- Porovnejte částečně přeměněnou barvu s odstupňovanou laboratorní tabulkou, abyste odhadli pH přibližně na desetinu jednotky, a uveďte, proč je tento odhad k dispozici pouze pro jednu ze dvanácti jamek v každém sloupci.
Kombinace důkazů z několika testů
- Protněte čtyři nerovnice, abyste pro každou neznámou získali nejužší interval, který deska unese.
- Rozpoznat, když sada testů nedokáže ohraničit výsledek z jedné strany, a uvést, jaký další indikátor by byl potřeba k uzavření intervalu.
Záznam a hlášení
- Vyfoťte talíř s tabletem a použijte uložený snímek jako primární záznam namísto spoléhání se na paměť.
- Nahlaste každou neznámou jako závorku s podpůrným důkazem, nikoli jako pouhé číslo.
Protokol
Na stole jsou dvě destičky s jamkami, označené od A do C a od 1 do 4.
- Nakapejte 5 kapek neznámého roztoku 1 do každé jamky ve sloupci A.
- Do každé jamky sloupce B nakapejte 5 kapek neznámého roztoku 2.
- Kápněte 5 kapek neznámého roztoku 3 do každé jamky sloupce C.
- Přidejte 2 kapky methyloranže do každé jamky v řádku 1.
- Přidejte 2 kapky methylčerveně do každé jamky řady 2.
- Přidejte 2 kapky bromothymolové modři do každé jamky řady 3.
- Přidejte 2 kapky fenolftaleinu do každé jamky v řadě 4.
- Pomocí tabletu zachyťte snímek destiček s jamkami kliknutím na tlačítko (Uložit snímek).
- Barvy jednotlivých jímek jsou zobrazeny na zachyceném snímku, který najdete v sekci “Obrázek” ve výsledcích.
Výsledky jsou uvedeny v tabulce výsledků.
Předvídané výsledky
Čtyři indikátory jsou zvoleny tak, aby jejich přechodové oblasti pokrývaly stupnici pH od přibližně 3 do přibližně 10 s jen malými mezerami. Níže uvedené rozsahy jsou ty, které jsou vytištěny na srovnávacích tabulkách stojících na lavici, a barvy v jamkách jsou ty, které produkuje simulace.
| Indikátor | Řada | Přechodový rozsah (srovnávací graf) | Kyselá forma | Základní tvar | p.k.V |
|---|---|---|---|---|---|
| Methylová oranž | 1 | 3,2 až 4,4 | červená | žlutý | ≈ 3,7 |
| Methylčerveň | 2 | 4,4 až 6,2 | červená | žlutý | ≈ 5,1 |
| Bromothymolová modř | 3 | 6,0 až 7,5 | žlutý | modrá | ≈ 7,1 |
| Fenolftalein | 4 | 8,3 až 10,0 | bezbarvý | růžová do purpurové | ≈ 9,4 |
Talíř. Dvanáct studní a význam jednotlivých barev jsou uvedeny níže. Poslední dva řádky uvádějí průnik čtyř nerovnic v každém sloupci a identitu řešení.
Destička zachycená tabletou na konci měření. Sloupce A, B a C představují tři neznámé roztoky; řádky 1 až 4 jsou methyl oranž, methyl červená, bromothymolová modř a fenolftalein.
| Řádek / indikátor | Sloupec A (neznámá 1) | Sloupec B (neznámá 2) | Sloupec C (neznámé 3) |
|---|---|---|---|
| 1 — methylčerveň | žlutá → pH > 4,4 | červená → pH < 3,2 | žlutá → pH > 4,4 |
| 2 — methyl červeni | žlutá → pH > 6,2 | červená → pH < 4,4 | žlutá → pH > 6,2 |
| 3 — bromothymolová modř | zelená → 6.0 < pH < 7.5 | žlutá → pH < 6,0 | modrá → pH > 7,5 |
| 4 — fenolftalein | bezbarvý → pH < 8,3 | bezbarvý → pH < 8,3 | růžová → 8,3 < pH < 10,0 |
| Konzola z desky | 6,2 až 7,5 a ≈ 7,0 srovnáním se zelenou | pH < 3,2 — bez dolní meze | 8,3 až 10,0 a ≈ 9,0 podle shody s růžovou |
| Identita | H2O, pH 7,00 | HCl 1,0 × 10−3 mol/l, pH 3,00 | NaOH 1,0 × 10−5 mol/L, pH 9,00 |
Ověřování tří identit. Každé publikované pH vyplývá z koncentrace na jednom řádku. Čistá voda se samovolně ionizuje do míry Kw = [H3O+][OH−] = 1,0 × 10−14 při 25 °C, takže [H3O+] = √Kw = 1,0 × 10−7 mol/L a pH = 7,00. Chlorovodíková kyselina ionizuje úplně, takže neznámá 2 má [H3O+] = 1,0 × 10−3 mol/L a pH = −log(1,0 × 10−3) = 3,00. Hydroxid sodný disociuje úplně, takže neznámá 3 má [OH−] = 1,0 × 10−5 mol/L, pOH = 5,00 a pH = 14,00 − 5,00 = 9,00. Všechny tři spadají do intervalu, který destička poskytuje, a neznámé 1 a 3 jsou stanoveny s přesností na několik desetin.
Shrnutí úkolů podle věkové kategorie
9. až 10. ročník
Zaměření opatrné naložení destičky, přesný popis barvy a myšlenka, že barva je důkazem o pH, nikoli hodnotou pH.
Aktivity: naplňte dvanáct jamek v daném pořadí a pište si plánek toho, který roztok a který indikátor je v které; pojmenujte barvu v každé jamce a zkopírujte uložený obrázek do laboratorního deníku; pro každou jamku odečtěte z laboratorní tabulky, zda je pH nad, nebo pod rozsahem indikátoru; identifikujte onu jednu jamku na destičce, která nemá ani jednu ze dvou barev indikátoru, a vysvětlete, co to znamená; uspořádejte tři neznámé vzorky od nejkyselějšího po nejzásaditější.
11. ročník
Zaměření převod dvanácti pozorování na tři závorky.
Aktivity: napište nerovnici, kterou naznačuje každá z dvanácti jamek; proveďte průnik čtyř nerovnic v každém sloupci a uveďte výsledný interval; odhadněte pH neznámých 1 a 3 na desetinu jednotky porovnáním zelených a růžových jamek s kalibrovanými tabulkami; vysvětlete, proč má neznámá 2 pouze horní mez, a jmenujte indikátor, který by poskytl dolní mez; převeďte každé odhadnuté pH na koncentraci oxoniových iontů a ověřte ji oproti uváděné koncentraci roztoku.
12. ročník / Úroveň college
Zaměření rovnováha indikátoru a meze kolorimetrické metody.
Aktivity: odvození pH = pKV + log([In−]/[HIn]) z kyselé konstanty indikátoru a ukažte, že poměr 1:10 až 10:1 pokrývá dvě jednotky pH; odhadněte pKV pro každé ze čtyř bareviv od středu jeho zmapovaného rozsahu a porovnejte s publikovanými hodnotami; vypočítejte podíl bromthymolové modři v její zásadité formě ve studni A3 při pH 7,0; odhadněte, jak moc by 2 kapky indikátoru mohly posunout pH 5 kapek nepuferované vody ve sloupci A, a komentujte, zda lze sloupec A považovat za spolehlivé měření; navrhněte sadu indikátorů, která by ohraničila libovolné pH od 1 do 13 na méně než jednu jednotku, a vypočítejte, kolik bareviv to vyžaduje.
Laboratorní potřeby
Nástroje
- Destičky s jamkami (2, každá se šesti jamkami; sloupce označené A až C, řádky označené 1 až 4)
- Kapátka (7 — jedno na každou neznámou roztok a jedno na indikátor)
- Tablet (pro snímání a zobrazení obrazu SPZ)
- Ocejchované referenční grafy pro čtyři indikátory (na lavici)
Produkty
- Methyloranž (indikátor, přechod 3,2 až 4,4)
- Methyl červená (indikátor, přechod 4,4 až 6,2)
- Bromothymolová modř (indikátor, přechod 6,0 až 7,5)
- Fenolftalein (indikátor, přechod 8,3 až 10,0)
- Neznámé roztoky 1, 2 a 3