La colorimetría es la forma más barata de medir una cantidad química: se añade un reactivo que cambia de color según la cantidad deseada y luego se compara el resultado con un conjunto de referencias de valor conocido. No requiere energía, ni calibración, ni material de vidrio más allá de un tubo, razón por la cual sigue siendo el método estándar para analizar piscinas y peceras, para estudios de campo en 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 de 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 desde el rojo, pasando por el amarillo y el verde, hasta el azul en un rango de aproximadamente pH 3 a pH 10, y ese color puede usarse como un sustituto para una medición de [H3O+] que de otro modo requeriría 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, agregará cinco gotas de indicador universal a cada una y así producirá una escala de colores de pH 3 a pH 7. Luego, tratará una muestra de agua de lago de la misma manera, comparará su color con el de su escala para obtener su pH, extenderá 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 la respuesta colorimétrica.
Metas educativas
Comprender el pH como una escala logarítmica
- Definición de pH = −log[H⁺]3O+] y realizar conversiones en ambas direcciones entre el pH y la concentración de hidronio.
- Una muestra a pH 5 es mil veces más ácida que una a pH 8 porque la escala de pH es logarítmica (base 10), lo que significa que cada unidad representa un cambio de diez veces en la concentración de iones de hidrógeno; por lo tanto, una diferencia de tres unidades equivale a $10 \times 10 \times 10$, es decir, mil veces. Una diferencia de medio pH no es pequeña porque representa un cambio de aproximadamente 3.16 veces en la acidez, ya que la escala no es lineal.
Construcción y uso de una escala de referencia colorimétrica
- Prepara una serie de tubos de referencia bajo condiciones idénticas —mismo volumen, mismo número de gotas, mismo tubo— y explica por qué cada una de estas condiciones debe mantenerse constante.
- Determine el pH de una muestra desconocida comparándola con la serie, y dé la respuesta con un rango en lugar de como una cifra única.
- Reconoce cuando una muestra sale de la escala y extiende la escala en lugar de adivinar.
Manejo del indicador y del material de vidrio
- Mida 25 mL en una probeta graduada y vierta un número contado de gotas de un gotero.
- Mezcle un tubo de ensayo sin pérdida y enjuague y seque el electrodo entre tubos para que una solución no contamine la siguiente.
Contrastar un método con otro
- Compare el resultado colorimétrico de cada tubo con la lectura del potenciómetro y tabule la diferencia.
- Explica qué miden los dos métodos y por qué el electrodo es el más confiable de los dos.
Juzgando los límites de un método visual
- Indique la resolución más fina que puede admitir una escala en incrementos de una unidad de pH y cómo se mejoraría.
- Identifique las condiciones bajo las cuales el propio indicador cambia el pH de la muestra que está midiendo.
Protocolo
Parte 1: Prepare una escala colorimétrica utilizando el indicador de pH disponible
- Usando la probeta graduada, mida 25 mL de solución de pH 3 y luego viértalos en el tubo de ensayo 1.
- Repita 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 colocando un tapón y mezclando suavemente de derecha a izquierda.
- Utilizando la probeta graduada, mida 25 mL de la muestra de agua del lago y luego viértala en el tubo de ensayo 6.
- Usando el gotero, agregue 5 gotas de indicador de pH al tubo de ensayo 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
- Determine el pH del agua del río comparando el color de la muestra en el tubo de ensayo 6 con la escala colorimétrica del cartel que está en el mesón.
Si el pH parece estar por encima de 7, complete la escala colorimétrica utilizando las soluciones de pH 8 y 9 y los tubos de ensayo 7 y 8. Si el pH está por debajo de 7, pase a la Parte 3 para validar el pH de cada solución con el potenciómetro.
- Utilizando la probeta graduada, mida 25 mL de solución de pH 8 y luego vierta en el tubo de ensayo 7.
- Use el gotero para agregar 5 gotas de indicador de pH en el tubo de ensayo 7.
- Utilizando la probeta graduada, mida 25 mL de solución de pH 9 y luego vierta en el tubo de ensayo 8.
- Con el gotero, agregue 5 gotas de indicador de pH en el tubo de ensayo 8.
- Mezcle el contenido de los tubos de ensayo con una varilla de vidrio, o colocando un tapón y mezclando suavemente de derecha a izquierda.
- Compara nuevamente el pH del agua del río usando esta nueva escala (pH 3 a 9).
Parte 3: Validar el pH de cada solución con el medidor de pH
- Inserte el electrodo del pH-metro en el tubo de ensayo que contiene el agua del río (tubo de ensayo 6) y en los demás tubos de ensayo para validar el pH de cada solución.
- Anote el valor que se muestra en la pantalla digital del medidor de pH.
No olvides: entre las mediciones, enjuaga el electrodo con agua destilada y sécalo con una toalla de papel.
Resultados esperados
No hay una sola respuesta correcta para este laboratorio. El pH de la muestra de agua del lago se extrae de nuevo cada vez que se reinicia la actividad y se sitúa entre 3 y 9, por lo que lo que se califica no es el número que el alumno reporta, sino el procedimiento, el rango que menciona en torno a él y la concordancia entre su lectura colorimétrica y el medidor de pH. La serie de referencia en sí, por otro lado, está completamente determinada: ocho tubos de pH conocido deben dar 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 verde amarillento |
| 5 | 7 | 1 × 10−7 | Verde |
| 6 | la muestra | por definir | Lo que dé la muestra; comparado con los demás |
| 7 | 8 | 1 × 10−8 | Verdiazul |
| 8 | 9 | 1 × 10−9 | Azul |
Lo que dice la escala de pH. Debido a que el pH = −log[H3O+], un pH de 5 corresponde a [H3O+] = 10−5 mol/L y un pH de 8 a 10−8 mol/L: la muestra ácida contiene mil veces más hidronio que la alcalina. Vale la pena aclarar esto antes de que comience la comparación de colores, porque un estudiante que interpreta la muestra como “alrededor de 6 o 7” ha mencionado un rango de diez veces en la concentración de hidronio. En el agua dulce también importa biológicamente: la mayoría de los huevos de peces mueren por debajo de un pH de aproximadamente 5.5, y un lago con un pH de 4 es prácticamente estéril.
Por qué un indicador universal cambia de color gradualmente. Un solo indicador es un ácido débil cuyas dos formas tienen diferentes colores: 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 ambas; un pH por debajo, la proporción es de 1 : 10 y predomina el color ácido; un pH por encima, es de 10 : 1 y predomina el color básico. Por lo tanto, un solo colorante tiene una transición útil de solo unos dos pH, razón por la cual un indicador “universal” es una mezcla de cuatro o cinco colorantes con pKa valores separados por aproximadamente dos unidades. El arcoíris continuo en el gráfico es la suma de esas transiciones superpuestas, no el comportamiento de ninguna molécula individual.
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 le agregue. Cinco gotas equivalen aproximadamente a 0,25 mL, o cerca de 1 % de una porción de 25 mL —lo suficientemente poco como para no alterar un patrón tamponado, pero no necesariamente lo suficiente para una agua natural mal tamponada, que es precisamente lo que puede ser una muestra de lago—. Agregar un número diferente de gotas a distintos tubos también cambia la intensidad del color, lo que alteraría la comparación incluso si el pH no cambiara. Este es el único punto del procedimiento en el que se basa toda la determinación, y vale la pena destacarlo.
Lo que añade el medidor de pH. El electrodo de vidrio responde a la actividad del hidronio a través de 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. De ello 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 honestidad con mayor precisión que aproximadamente 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 verificación real en lugar de una repetición, y el resultado esperado es una concordancia dentro 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 tareas por rango de calificaciones
Grado 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.
- Dé el pH del agua del lago como un rango, como “entre 6 y 7”, en lugar de como un solo número.
- Lea el medidor de pH de cada tubo y diga si la escala de color coincidió con este.
- Nombra tres lugares cotidianos donde se mide el pH con una comparación de color.
Undécimo grado
Enfoque la escala logarítmica y la comparación cuantitativa de ambos métodos.
Actividades:
- Convierte cada pH estándar de la serie a una concentración de hidronio usando [H3O+] = 10−pH, y tabula las dos columnas lado a lado.
- 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.
- Calcule qué fracción de cada tubo es solución indicadora y argumente si eso es lo suficientemente pequeño como para ignorarlo.
12.º grado / Nivel universitario
Enfoque la base física de ambos instrumentos, el análisis de errores y la crítica del método.
Actividades:
- Derivar 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.
- Demuestre por qué la adición de un indicador de ácido débil a un agua natural mal amortiguada puede desplazar su pH, y calcule un límite superior para dicho desplazamiento para una concentración de indicador establecida y una muestra sin amortiguar.
- Propón cómo se diseñaría un estudio de un lago real —número de puntos de muestreo, hora del día, profundidad, corrección de temperatura— y explica por qué una sola muestra no te dice casi nada sobre un lago.
Elementos esenciales para el laboratorio
Instrumentos
- Tubos de ensayo (8) en gradilla, con tapones
- Probeta graduada (25 mL)
- Goteros
- Varilla de vidrio
- Vasos de precipitados (50 mL y 250 mL)
- medidor de pH con electrodo
- Tabla de pH colorimétrica (póster, pH 0 a 14)
- Toalla de papel
Productos
- Soluciones estándar de pH (pH 3 a pH 9)
- Muestra de agua de lago (pH aleatorizado entre 3 y 9)
- Solución de indicador universal de pH