049 – Uso de indicadores de pH

Un indicador ácido-base es un colorante que muestra un color en un medio ácido y otro en uno alcalino. Los kits de prueba 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 titulación. 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 transición?—, por lo que un solo pocillo nunca puede dar un pH, sino solo una desigualdad. Sin embargo, si se colocan varios colorantes con diferentes rangos uno al lado del otro, las desigualdades se cierran entre sí desde ambos lados.

Cada tinte se comporta de esta manera porque el tinte es en sí mismo 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⁺. Reorganizando la expresión de equilibrio se obtiene pH = pK_En + log([In⁻]/[HIn]), por lo que la proporción de las dos formas coloreadas está determinada únicamente por el pH. El ojo humano 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 amplitud, centrada en su propio pK_En, y muestra un solo color plano a cada lado de esa banda.

En este laboratorio, llenará dos placas de seis pozos como 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— colocados a lo largo de las filas 1 a 4. Doce pozos dan doce colores. Capturará la placa con la tableta, hará coincidir cada pozo con la tabla de referencia graduada publicada en la mesa para ese indicador, anotará la desigualdad que implica cada color y combinará las cuatro desigualdades en 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.

Metas educativas

Trabajando con una placa de pocillos

• Cargue una cuadrícula de doce pozos sistemáticamente, una solución por columna y un indicador por fila, de modo que cada pozo tenga una identidad conocida antes de que aparezca cualquier color.
• Use un cuentagotas separado para cada líquido y administre un número contado de gotas, y explique qué causaría la contaminación cruzada entre los pocillos en el resultado.

Cómo funciona un indicador

• Un indicador es un ácido débil cuyas formas protonada y desprotonada tienen diferentes colores, y su intervalo de viraje está relacionado con su pKa._En.
• Un rango de transición tiene una amplitud de aproximadamente dos unidades de pH debido a que la relación entre las formas ácida y básica del indicador debe cambiar en un factor de 100 para que el ojo humano perciba el cambio de color, lo que corresponde a un cambio logarítmico de dos unidades en la escala de pH según la ecuación de Henderson-Hasselbalch. Fuera de este rango, una de las formas (ya sea el ácido o la base conjugada) abruma abrumadoramente a la otra en una proporción superior a 10:1 o inferior a 1:10, por lo que el color permanece constante y no puede reflejar variaciones adicionales en la concentración de iones de hidrógeno.

Leer un color como una desigualdad

• Convertir el color observado de un pozo en una declaración sobre el pH: un límite superior, un límite inferior o un rango cuando el indicador se encuentra en plena transición.
• Compare un color parcialmente virado con la tabla comparativa de banco graduada para estimar un pH con una aproximación de una décima de unidad, y explique por qué esa estimación solo está disponible para uno de los doce pozos en cada columna.

Combinación de evidencia de varias pruebas

• Interseca cuatro desigualdades para obtener el intervalo más estrecho que la placa soporta para cada incógnita.
• Reconocer cuando un conjunto de pruebas no logra acotar un resultado por un lado, e indicar qué indicador adicional se necesitaría para cerrar el intervalo.

Registro e informes

• Captura la placa con la tableta y usa la imagen guardada como registro principal en lugar de confiar en la memoria.
• Reporte cada valor desconocido como un corchete con su evidencia de respaldo, no como un número simple.

Protocolo

Dos placas de pocillos están sobre la mesa, etiquetadas de la A a la C y del 1 al 4.

1. Coloque 5 gotas de la solución desconocida 1 en cada pocillo de la columna A.
2. Coloque 5 gotas de la solución desconocida 2 en cada pocillo de la columna B.
3. Coloque 5 gotas de la solución desconocida 3 en cada pocillo de la columna C.
4. Añade 2 gotas de naranja de metilo en cada pocillo de la fila 1.
5. Añade 2 gotas de rojo de metilo en cada pocillo de la fila 2.
6. Agregue 2 gotas de azul de bromotimol en cada pocillo de la fila 3.
7. Agregue 2 gotas de fenolftaleína en cada pocillo de la fila 4.
8. Usando la tableta, capture una imagen de las placas de pozos haciendo clic en el botón (Guardar imagen).
9. Los colores de cada uno de los pozos se muestran en la imagen capturada que puede 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 espacios. Los rangos a continuación son los impresos en las tablas de referencia graduadas ubicadas en la mesa, y los colores de los pozos son los producidos por la simulación.

El plato. Los doce pozos y lo que implica cada color se detallan a continuación. Las últimas dos filas dan la intersección de las cuatro desigualdades en cada columna y la identidad de la solución.

La placa 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.

Verificando las tres identidades. Cada pH publicado se deriva de la concentración en una línea. El agua pura se autoioniza hasta el punto K_w = [H₃O⁺][OH⁻] = 1,0 × 10⁻¹⁴ a 25 °C, por lo que [H₃O⁺] = √K_w = 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 caen dentro de los corchetes que da la placa, y las incógnitas 1 y 3 están fijadas dentro de unas pocas décimas.

Resumen de tareas por rango de calificaciones

Grado 9-10

Enfoque carga cuidadosa 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: llene los doce pozos en el orden indicado y mantenga un mapa escrito de qué solución y qué indicador hay en cada uno; mencione el color en cada pozo y copie la imagen guardada en el cuaderno; para cada pozo, lea en la tabla de la mesa si el pH está por encima o por debajo del intervalo del indicador; identifique el único pozo en 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 enuncia el intervalo resultante; estima el pH de los incógnitos 1 y 3 hasta una décima de unidad comparando los pozos verdes y rosas con las tablas graduadas; explica por qué el incógnito 2 solo tiene 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 grado / Nivel universitario

Enfoque el equilibrio del indicador y los límites de un método colorimétrico.

Actividades: Derivar pH = pK La ecuación de Henderson-Hasselbalch para un ácido débil y su base conjugada es: $$\text{pH} = \text{p}K_a + \log \left(\frac{[\text{A}^-]}{[\text{HA}]}\right)$$ Para que el $\text{pH}$ sea igual al $\text{p}K_a$ (o $\text{p}K$), el logaritmo de la relación de concentraciones debe ser igual a cero: $$\log \left(\frac{[\text{A}^-]}{[\text{HA}]}\right) = 0$$ Aplicando la función inversa (exponencial en base 10) en ambos lados: $$\frac{[\text{A}^-]}{[\text{HA}]} = 10^0$$ Dado que $10^0 = 1$: $$\frac{[\text{A}^-]}{[\text{HA}]} = 1$$- Esto significa que: $$[\text{A}^-] = [\text{HA}]$$ Por lo tanto, $\text{pH} = \text{p}K$ cuando la concentración del ácido es igual a la concentración de su base conjugada._En + 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 pK_En para cada uno de los cuatro colorantes desde el punto medio de su rango graficado y comparar con los valores publicados; calcule la fracción de azul de bromotimol en su forma básica en el pocillo A3 dado el pH 7.0; estime cuánto podrían las 2 gotas de indicador desplazar 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 una medición; proponga un conjunto de indicadores que abarque cualquier pH de 1 a 13 dentro de una unidad, y calcule cuántos colorantes requiere eso.

Elementos esenciales para el laboratorio

Instrumentos

• Placas de pocillos (2, de seis pocillos cada una; columnas etiquetadas de A a C, filas etiquetadas de 1 a 4)
• Goteros (7 — uno por cada solución desconocida y uno para el indicador)
• Tableta (para capturar y visualizar la imagen de la placa)
• Tablas de referencia graduadas para los cuatro indicadores (en la banca)

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