Un indicador ácido-base es un colorante que muestra un color en medio ácido y otro en medio alcalino. Los kits de análisis para piscinas, de suelo, de acuarios y el papel universal en cada laboratorio escolar funcionan de esta manera, al igual que el punto final de una valoración. Lo que hace que un indicador sea útil es también lo que lo limita: un solo colorante responde a una sola pregunta —¿está el pH por encima o por debajo de mi rango de viraje?—, por lo que un solo pocillo nunca puede dar un valor de pH, sino únicamente una desigualdad. Sin embargo, si se colocan varios colorantes con diferentes rangos unos al lado de otros, las desigualdades se cierran mutuamente desde ambos lados.
Cada colorante se comporta de esta manera porque el propio colorante es un ácido débil. Su forma protonada HIn y su forma desprotonada In− absorben la luz de forma diferente, y los dos están en equilibrio: HIn + H2O ⇌ In− + H3O+. Reordenando la expresión de equilibrio se obtiene pH = pKEn + log([In−]/[HIn]), de modo que la proporción de las dos formas coloreadas está determinada únicamente por el pH. El ojo deja de distinguir una mezcla de la forma pura a una proporción de aproximadamente uno a diez, razón por la cual cada indicador cambia en una banda de aproximadamente dos unidades de pH de ancho, centrada en su propio pKEn, y muestra un solo color plano a cada lado de esa banda.
En este laboratorio, llenarán dos placas de seis pocillos formando una cuadrícula de tres por cuatro: tres soluciones desconocidas vertidas en las columnas A, B y C, y cuatro indicadores —naranja de metilo, rojo de metilo, azul de bromitimol y fenolftaleína— dispuestos a lo largo de las filas 1 a 4. Doce pocillos dan doce colores. Capturarán la placa con la tableta, compararán cada pocillo con la tabla de referencia graduada publicada en la mesa para ese indicador, anotarán la desigualdad que implica cada color y combinarán las cuatro desigualdades de cada columna para acotar el pH de ese desconocido. Uno de los tres intervalos resultará ser unilateral, lo cual es un resultado en sí mismo.
Objetivos Educativos
Trabajar con una placa de pocillos
- Cargue una cuadrícula de doce pocillos sistemáticamente, una solución por columna y un indicador por fila, de modo que cada pocillo tenga una identidad conocida antes de que aparezca cualquier color.
- Use un cuentagotas separado para cada líquido y suministre un número contado de gotas, y explique qué haría la contaminación cruzada entre pozos al resultado.
Cómo funciona un indicador
- Un indicador es un ácido débil cuyas formas protonada y desprotonada difieren en color, y su intervalo de viraje está relacionado con su pK mediante el cambio de color que ocurre en un rango de pH de aproximadamente $\text{pK}_a \pm 1$.En.
- Un rango de transición tiene aproximadamente dos unidades de pH de ancho porque la relación entre la forma ácida y la forma básica del indicador debe cambiar en un factor de 100 para que el ojo humano perciba el cambio de color (según la ecuación de Henderson-Hasselbalch, esto corresponde a un cambio de $\pm 1$ unidad de pH alrededor del $pK_a$ del indicador). Un indicador no proporciona ninguna información sobre un pH fuera de su propio rango porque, fuera de este, el indicador se encuentra completamente en su forma ácida o completamente en su forma básica, por lo que cualquier cambio adicional en el pH no produce ningún cambio visible en el color.
Leer un color como una desigualdad
- Convertir el color observado de un pocillo en una declaración sobre el pH: un límite superior, un límite inferior o un intervalo cuando el indicador se encuentra en plena transición.
- Compara un color parcialmente transformado con la tabla graduada de la mesa para estimar un pH con una precisión aproximada de una décima de unidad, y explica por qué esa estimación solo está disponible para uno de los doce pocillos de cada columna.
Combinación de evidencia de varias pruebas
- Interseca cuatro desigualdades para obtener el intervalo más estrecho que soporta la placa para cada incógnita.
- Reconocer cuándo un conjunto de pruebas no logra acotar un resultado por un lado, e indicar qué indicador adicional sería necesario para cerrar el intervalo.
Grabación e informes
- Captura la placa con la tableta y utiliza la imagen guardada como registro principal en lugar de confiar en la memoria.
- Reporte cada desconocido como un corchete con su evidencia de respaldo, no como un número simple.
Protocolo
Hay dos placas de pocillos sobre la mesa, etiquetadas de la A a la C y del 1 al 4.
- Pon 5 gotas de la solución desconocida 1 en cada pocillo de la columna A.
- Coloca 5 gotas de la solución desconocida 2 en cada pocillo de la columna B.
- Añade 5 gotas de la solución desconocida 3 en cada pocillo de la columna C.
- Añada 2 gotas de naranja de metilo en cada pocillo de la fila 1.
- Añada 2 gotas de rojo de metilo en cada pocillo de la fila 2.
- Añada 2 gotas de azul de bromotimol en cada pocillo de la fila 3.
- Agregue 2 gotas de fenolftaleína en cada pocillo de la fila 4.
- Usando la tablet, captura una imagen de las placas de pocillos haciendo clic en el botón (Guardar imagen).
- Los colores de cada uno de los pozos se muestran en la imagen capturada que puedes encontrar en la sección “Imagen” de los resultados.
Los resultados se encuentran en la tabla de resultados.
Resultados esperados
Los cuatro indicadores se eligen de modo que sus rangos de transición cubran la escala de pH desde aproximadamente 3 hasta aproximadamente 10 con solo pequeños huecos. Los rangos siguientes son los impresos en las tablas de referencia graduadas que se encuentran en la mesa, y los colores de los pocillos son los producidos por la simulación.
| Indicador | Fila | Rango de transición (tabla comparativa) | Forma ácida | Forma base | pKEn |
|---|---|---|---|---|---|
| Naranja de metilo | 1 | 3.2 a 4.4 | rojo | amarillo | ≈ 3.7 |
| Rojo de metilo | 2 | 4.4 a 6.2 | rojo | amarillo | ≈ 5,1 |
| Azul de bromotimol | 3 | 6.0 a 7.5 | amarillo | azul | ≈ 7,1 |
| Fenolftaleína | 4 | 8.3 a 10.0 | incoloro | rosa a magenta | ≈ 9,4 |
El plato. Los doce pozos y lo que implica cada color se exponen a continuación. Las dos últimas filas indican la intersección de las cuatro desigualdades en cada columna y la identidad de la solución.
La placa tal como fue capturada por la tableta al final de la prueba. Las columnas A, B y C son las tres soluciones desconocidas; las filas 1 a 4 son anaranjado de metilo, rojo de metilo, azul de bromotimol y fenolftaleína.
| Fila / indicador | Columna A (desconocido 1) | Columna B (desconocido 2) | Columna C (desconocido 3) |
|---|---|---|---|
| 1 — anaranjado de metilo | amarillo → pH > 4.4 | rojo → pH < 3,2 | amarillo → pH > 4.4 |
| 2 — rojo de metilo | amarillo → pH > 6.2 | rojo → pH < 4.4 | amarillo → pH > 6.2 |
| 3 — azul de bromotimol | verde → 6.0 < pH < 7.5 | amarillo → pH < 6,0 | azul → pH > 7.5 |
| 4 — fenolftaleína | incoloro → pH < 8,3 | incoloro → pH < 8,3 | rosado → 8,3 < pH < 10,0 |
| Soporte de la placa | 6.2 a 7.5, y ≈ 7.0 combinando con el verde | pH < 3,2 — sin límite inferior | 8.3 a 10.0, y ≈ 9.0 haciendo coincidir el rosa |
| Identidad | H2O, pH 7.00 | HCl 1,0 × 10−3 mol/L, pH 3,00 | NaOH 1,0 × 10−5 mol/L, pH 9,00 |
Verificando las tres identidades. Cada pH publicado se deriva de la concentración en una línea. El agua pura se autoioniza hasta el grado Kw = [H3O+][OH−] = 1,0 × 10−14 a 25 °C, por lo que [H3O+] = √Kw = 1,0 × 10−7 mol/L y pH = 7,00. El ácido clorhídrico se ioniza por completo, por lo que la incógnita 2 tiene [H3O+] = 1,0 × 10−3 mol/L y pH = −log(1.0 × 10−3) = 3,00. El hidróxido de sodio se disocia por completo, por lo que el desconocido 3 tiene [OH−] = 1,0 × 10−5 mol/L, pOH = 5.00 y pH = 14.00 − 5.00 = 9.00. Los tres se encuentran dentro de los corchetes que da la placa, y las incógnitas 1 y 3 están acotadas a unas pocas décimas.
Resumen de la asignación por rango de calificación
Grados 9–10
Enfoque: cuidada carga de la placa, descripción precisa del color y la idea de que un color es evidencia sobre el pH en lugar de un valor de pH.
Actividades cargue los doce pocillos en el orden dado y mantenga un mapa escrito de qué solución y qué indicador hay en cada uno; nombre el color en cada pocillo y copie la imagen guardada en el cuaderno; para cada pocillo, lea en la tabla de banco si el pH está por encima o por debajo del rango del indicador; identifique el único pocillo de la placa que no es ninguno de los dos colores del indicador y diga qué significa eso; ordene las tres incógnitas desde la más ácida hasta la más alcalina.
Undécimo grado
Enfoque: convirtiendo doce observaciones en tres corchetes.
Actividades escribe la desigualdad implícita en cada uno de los doce pozos; intersecta las cuatro desigualdades en cada columna y establece el intervalo resultante; estima el pH de las incógnitas 1 y 3 con una décima de unidad de precisión haciendo coincidir los pozos verdes y rosas con las tablas graduadas; explica por qué la incógnita 2 tiene solo un límite superior y nombra un indicador que daría uno inferior; convierte cada pH estimado en una concentración de hidronio y compárala con la concentración declarada de la solución.
12.º curso / Nivel universitario
Enfoque: el equilibrio del indicador y los límites de un método colorimétrico.
Actividades derivar pH = pKEn + log([In−]/[HIn]) a partir de la constante ácida del indicador y demuestre que una relación de 1:10 a 10:1 abarca dos unidades de pH; estime el pKEn para cada uno de los cuatro colorantes desde el punto medio de su rango trazado y comparar con los valores publicados; calcule la fracción de azul de bromotimol en su forma básica en el pocillo A3 dado un pH de 7.0; estime cuánto podrían desplazar las 2 gotas de indicador el pH de las 5 gotas de agua sin amortiguar en la columna A y comente si se puede confiar en la columna A como medición; proponga un conjunto de indicadores que abarque cualquier pH de 1 a 13 dentro de una unidad, y calcule cuántos colorantes requiere.
Esenciales de laboratorio
Instrumentos
- Placas de pocillos (2, de seis pozos cada una; columnas etiquetadas de A a C, filas etiquetadas de 1 a 4)
- Goteros (7 — uno por cada solución desconocida y uno por cada indicador)
- Tableta (para capturar y ver la imagen de la placa)
- Tablas de referencia graduadas para los cuatro indicadores (en el banco)
Productos
- Naranja de metilo (indicador, viraje de 3,2 a 4,4)
- Rojo de metilo (indicador, viraje de 4,4 a 6,2)
- Azul de bromotimol (indicador, viraje de 6.0 a 7.5)
- Fenolftaleína (indicador, viraje de 8,3 a 10,0)
- Soluciones desconocidas 1, 2 y 3