La colorimetría es la forma más barata de medir una cantidad química: se añade un reactivo que cambia de color según la cantidad que se desea, y luego se compara el resultado con un conjunto de referencias de valor conocido. No necesita electricidad, ni calibración, ni material de vidrio más allá de un tubo, razón por la cual sigue siendo el método estándar para analizar piscinas y acuarios, para estudios de campo de lagos y ríos, y para las tiras reactivas utilizadas en clínicas. Su limitación es igualmente clara: el resultado es tan bueno como el ojo que lo lee y tan preciso como el espaciado de las referencias.
La cantidad que se está midiendo aquí es el pH, definido como pH = −log[H3O+], de modo que cada unidad entera de pH representa un cambio de diez veces en la concentración de iones hidronio. Un indicador universal no es un solo tinte, sino una mezcla de varios ácidos débiles, cada uno de los cuales cambia de color en una banda de pH diferente y estrecha. Debido a que sus constantes de disociación ácida están escalonadas, la mezcla en su conjunto cambia de color progresivamente de rojo a amarillo y verde, y luego a azul, en un rango de aproximadamente pH 3 a pH 10, y ese color puede usarse como sustituto de una medición de [H3O+] que de otro modo necesitaría un electrodo.
En este laboratorio, usted mismo construirá la escala de referencia en lugar de recibir una ya hecha. Medirá porciones de 25 mL de soluciones de pH conocido en una grada de tubos de ensayo, añadirá cinco gotas de indicador universal a cada una y producirá así una escala de colores de pH 3 a pH 7. A continuación, tratará una muestra de agua de lago de la misma manera, comparará su color con el de su escala para obtener su pH, ampliará la escala a pH 8 y pH 9 si la muestra resulta ser alcalina y, finalmente, comprobará cada tubo con un pH-metro para ver qué tan cerca estuvo el resultado colorimétrico.
Objetivos Educativos
Comprender el pH como una escala logarítmica
- Definición pH = −log[H⁺]3O+] y convertir en ambas direcciones entre un pH y una concentración de hidronio.
- Explica por qué una muestra a pH 5 es mil veces más ácida que una a pH 8, y por qué una diferencia de media unidad de pH no es una diferencia pequeña.
Construcción y uso de una escala de referencia colorimétrica
- Prepare una serie de tubos de referencia en condiciones idénticas —mismo volumen, mismo número de gotas, mismo tubo— y explique por qué cada una de estas condiciones debe mantenerse constante.
- Determina el pH de una muestra desconocida comparándola con la serie y expresa el resultado como un intervalo, en lugar de como una cifra concreta.
- Reconocer cuándo una muestra cae fuera de la escala y extender la escala en lugar de adivinar.
Manejo del indicador y de la cristalería
- Mida 25 mL en una probeta graduada y añada un número contado de gotas con un cuentagotas.
- Mezcle un tubo de ensayo sin pérdidas y enjuague y seque el electrodo entre tubos para que una solución no contamine la siguiente.
Cotejar un método con otro
- Compara el resultado colorimétrico de cada tubo con la lectura del medidor de pH y anota la diferencia en una tabla.
- Explica qué miden los dos métodos y por qué el electrodo es el más confiable de los dos.
Evaluar los límites de un método visual
- Establezca la resolución más alta que una escala en incrementos de una unidad de pH puede admitir y cómo se mejoraría.
- Identifica las condiciones en las que el propio indicador modifica el pH de la muestra que está midiendo.
Protocolo
Parte 1: Preparar una escala de colorimetría utilizando el indicador de pH disponible
- Usando la probeta, mide 25 ml de solución de pH3 y luego viértela en el tubo de ensayo 1.
- Repite el paso a) con las soluciones de pH 4, 5, 6 y 7 y los tubos de ensayo 2, 3, 4 y 5.
- Usando el gotero, agregue 5 gotas de indicador de pH a cada uno de los tubos de ensayo del 1 al 5.
- Mezcle el contenido de los tubos de ensayo con una varilla de vidrio, o poniéndole un tapón y mezclando suavemente de derecha a izquierda.
- Usando la probeta graduada, mide 25 mL de la muestra de agua de lago y luego vierte en el tubo de ensayo 6.
- Con el cuentagotas, agregue 5 gotas de indicador de pH al tubo de ensayo número 6.
- Mezcle el contenido del tubo de ensayo con una varilla de vidrio, o colocando un tapón y mezclando suavemente de derecha a izquierda.
Parte 2: Determinar el pH del agua de río utilizando la escala colorimétrica
- Determinar el pH del agua de río comparando el color de la muestra en el tubo de ensayo 6 con la escala colorimétrica del póster que está en el mostrador.
-> Si el pH parece ser superior a 7, complete la escala de colorimetría con las soluciones de pH 8 y 9 y los tubos de ensayo 7 y 8. Si el pH es inferior a 7, continúe con la Parte 3 para validar el pH de cada solución con el pHmetro.
- Usando la probeta graduada, mide 25 mL de solución de pH 8 y luego viértela en el tubo de ensayo 7.
- Con el cuentagotas, añada 5 gotas de indicador de pH en el tubo de ensayo 7.
- Usando la probeta, mide 25 ml de la solución de pH 9 y luego viértelo en el tubo de ensayo 8.
- Usando el cuentagotas, agrega 5 gotas de indicador de pH al tubo de ensayo 8.
- Mezcle el contenido de los tubos de ensayo con una varilla de vidrio, o poniéndole un tapón y mezclando suavemente de derecha a izquierda.
- Compara de nuevo el pH del agua del río usando esta nueva escala (pH de 3 a 9).
Parte 3: Validar el pH de cada solución con el medidor de pH
- Inserte el electrodo del pHmetro en el tubo de ensayo que contiene el agua de río (tubo de ensayo 6) y en los demás tubos de ensayo para validar el pH de cada solución.
- Registre el valor mostrado en el dial digital del medidor de pH.
No olvides: entre mediciones; enjuaga el electrodo con agua destilada y sécalo con una toalla de papel.
Resultados esperados
No hay una única respuesta correcta para este ejercicio de laboratorio. El pH de la muestra de agua del lago se mide de nuevo cada vez que se reinicia la actividad y se sitúa entre 3 y 9, por lo que lo que se evalúa no es la cifra que indica el alumno, sino el procedimiento, el intervalo que cita en torno a ella y la concordancia entre su lectura colorimétrica y el medidor de pH. La serie de referencia, por su parte, está totalmente determinada: ocho tubos con un pH conocido deben presentar los colores de la tabla del indicador universal, en orden, sin inversiones.
| Tubo | pH estándar | [H3O+] (mol/l) | Color esperado de un indicador universal |
|---|---|---|---|
| 1 | 3 | 1 × 10−3 | De rojo a rojo anaranjado |
| 2 | 4 | 1 × 10−4 | Naranja |
| 3 | 5 | 1 × 10−5 | Amarillo anaranjado |
| 4 | 6 | 1 × 10−6 | De amarillo a amarillo verdoso |
| 5 | 7 | 1 × 10−7 | Verde |
| 6 | la muestra | por determinar | Lo que dé la muestra; comparado con los demás |
| 7 | 8 | 1 × 10−8 | Azul verdoso |
| 8 | 9 | 1 × 10−9 | Azul |
Qué nos indica la escala de pH. Porque el pH = −log[H3O+], un pH de 5 se corresponde con [H3O+] = 10−5 mol/L y un pH de entre 8 y 10−8 mol/L: la muestra ácida contiene mil veces más iones hidronio que la alcalina. Conviene dejar esto claro antes de comenzar con la comparación de colores, ya que un alumno que interprete la muestra como “alrededor de 6 o 7” habrá indicado un rango de concentración de iones hidronio diez veces mayor. En el agua dulce también tiene importancia desde el punto de vista biológico: la mayoría de los huevos de pez no se desarrollan por debajo de un pH de aproximadamente 5,5, y un lago con un pH de 4 es, a efectos prácticos, estéril.
Por qué un indicador universal cambia de color gradualmente. Un indicador simple es un ácido débil cuyas dos formas tienen colores diferentes: HIn ⇌ H+ + En−, con Ka = [H+][En−] / [HIn], y por lo tanto [In−] / [HIn] = Ka / [H+]. A pH = pKa las dos formas están presentes en cantidades iguales y el color está a mitad de camino entre ellas; un pH por debajo, la proporción es 1:10 y domina el color ácido; un pH por encima, es 10:1 y domina el color básico. Por lo tanto, un solo colorante tiene una transición útil de solo unas dos unidades de pH, razón por la cual un indicador “universal” es una mezcla de cuatro o cinco colorantes con pKa valores espaciados aproximadamente dos unidades de distancia. El arco iris continuo en el gráfico es la suma de esas transiciones superpuestas, no el comportamiento de una sola molécula.
Por qué cinco gotas, y por qué las mismas cinco gotas en cada tubo. El indicador es en sí mismo un ácido débil, por lo que aporta iones hidronio a cualquier solución a la que se añada. Cinco gotas equivalen aproximadamente a 0,25 ml, o alrededor de 1 % de una porción de 25 ml: una cantidad lo suficientemente pequeña como para no alterar un patrón tamponado, pero no necesariamente lo suficientemente pequeña para una agua natural mal tamponada, que es precisamente lo que puede ser una muestra de lago. Añadir un número diferente de gotas a distintos tubos también modifica la intensidad del color, lo que viciaría la comparación incluso si el pH no variara. Este es el único aspecto del procedimiento en el que se basa toda la determinación, y merece la pena destacarlo.
Lo que el medidor de pH añade. El electrodo de vidrio responde a la actividad del hidronio mediante la relación de Nernst, E = E0 − 0,0592 × pH a 25 °C, es decir, 59,2 mV por cada unidad de pH, y el medidor simplemente convierte ese voltaje en un número. Se desprenden dos consecuencias. La primera es la resolución: un medidor que muestra hasta 0,1 pH resuelve un cambio de 6 mV, mientras que una escala de colores en pasos de una unidad entera no se puede leer con precisión a mejor de media unidad, ni siquiera por un ojo cuidadoso. La segunda es que los dos métodos son independientes, por lo que la Parte 3 es una comprobación real en lugar de una repetición, y el resultado esperado es una concordancia de aproximadamente ±0,5 pH en cada tubo. Un desacuerdo sistemático en una dirección en los ocho tubos apunta a la calibración del medidor; un desacuerdo únicamente en la muestra apunta a que el indicador ha desplazado el pH de un agua sin amortiguar.
Resumen de la asignación por rango de calificación
Grados 9–10
Enfoque: observación, vocabulario y técnica cuidadosa. Los estudiantes construyen la escala y la usan, sin manejar logaritmos.
Actividades
- Mida 25 mL en cada tubo y cuente exactamente cinco gotas de indicador en cada uno, y explique por qué ambos números deben ser los mismos para cada tubo.
- Registre el color de cada uno de los tubos de referencia y de la muestra en una tabla, y etiquete los extremos de la escala como ácido, neutro y alcalino.
- Proporcione el pH del agua del lago como un rango, como “entre 6 y 7”, en lugar de como un número único.
- Lee el medidor de pH para cada tubo y di si la escala de colores coincidía con él.
- Nombra tres lugares cotidianos donde se mide el pH con una comparación de colores.
Undécimo grado
Enfoque: la escala logarítmica y la comparación cuantitativa de los dos métodos.
Actividades
- Convierta cada pH estándar de la serie en una concentración de hidronio usando [H3O+] = 10-pH, y tabular las dos columnas una al lado de la otra.
- Indique cuántas veces más ácido es el estándar más ácido que el más alcalino, y compruebe la respuesta con la diferencia de pH.
- Tabule la lectura colorimétrica y la lectura del medidor para los ocho tubos y calcule la diferencia para cada uno; indique si la discrepancia es aleatoria o sistemática.
- Explicar, usando Ka = [H+][En−] / [HIn], por qué un solo indicador cambia de color en un intervalo de aproximadamente dos unidades de pH.
- Calcula qué fracción de cada tubo es solución indicadora y argumenta si es lo suficientemente pequeña como para ignorarla.
12.º curso / Nivel universitario
Enfoque: la base física de ambos instrumentos, el análisis de errores y la crítica del método.
Actividades
- Deriva la resolución del electrodo a partir de E = E0 − 0.0592 × pH, indique el cambio de voltaje correspondiente a 0.1 pH y diga qué implica eso sobre la impedancia de entrada del medidor.
- Muestre por qué la adición de un indicador de ácido débil a un agua natural mal tamponada puede alterar su pH y calcule un límite superior para la desviación para una concentración de indicador indicada y una muestra sin tamponar.
- Propón cómo se diseñaría un estudio de un lago real —número de puntos de muestreo, hora del día, profundidad, corrección de la temperatura— y explica por qué una sola muestra no aporta prácticamente ninguna información sobre un lago.
Esenciales de laboratorio
Instrumentos
- Tubos de ensayo (8) en una gradilla, con tapones
- Probeta graduada (25 mL)
- Goteros
- Varilla de vidrio
- Vasos de precipitados (50 mL y 250 mL)
- pH-metro con electrodo
- Tabla de pH colorimétrica (póster, pH 0 a 14)
- Toalla de papel
Productos
- Soluciones patrón de pH (pH 3 a pH 9)
- Muestra de agua de lago (pH aleatorizado entre 3 y 9)
- Solución de indicador universal de pH