Un indicateur acido-basique est un colorant qui prend une couleur en milieu acide et une autre en milieu basique. Les kits de test pour piscine, les kits pour le sol, les kits pour aquarium et le papier universel de tous les laboratoires scolaires fonctionnent tous de cette manière, de même que le point de fin de réaction d'un titrage. Ce qui rend un indicateur utile est aussi ce qui le limite : un colorant unique ne répond qu'à une seule question — le pH est-il supérieur ou inférieur à ma zone de virage ? — de sorte qu'un seul godet ne peut jamais donner un pH, mais seulement une inégalité. Cependant, si l'on place plusieurs colorants ayant des plages différentes les uns à côté des autres, les inégalités se referment les unes sur les autres des deux côtés.
Chaque colorant se comporte de cette manière parce qu'il s'agit lui-même d'un acide faible. Sa forme protonée HIn et sa forme déprotonée In− absorbent la lumière différemment, et les deux sont en équilibre : HIn + H2O ⇌ In− + H3O+. En réarrangeant l'expression de l'équilibre, on obtient pH = pKDans + log([In−]/[HIn]), de sorte que le rapport des deux formes colorées est fixé par le seul pH. L'œil cesse de distinguer un mélange de la forme pure à un rapport d'environ un à dix, c'est pourquoi chaque indicateur change sur une plage d'environ deux unités de pH, centrée sur son propre pKDans, et présente une seule couleur unie de chaque côté de cette bande.
Dans ce laboratoire, vous remplirez deux plaques à six puits sous forme de grille de trois par quatre : trois solutions inconnues versées dans les colonnes A, B et C, et quatre indicateurs — le orangé de méthyle, le rouge de méthyle, le bleu de bromothymol et la phénolphtaléine — disposés sur les lignes 1 à 4. Douze puits donnent douze couleurs. Vous capturerez la plaque avec la tablette, comparerez chaque puits au nuancier gradué affiché sur la table pour cet indicateur, noterez l'inégalité qu'implique chaque couleur et combinerez les quatre inégalités de chaque colonne pour encadrer le pH de cet inconnu. L'un des trois encadrements s'avérera unilatéral, ce qui constitue un résultat en soi.
Objectifs Éducatifs
Travailler avec une plaque de puits
- Chargez systématiquement une grille de douze puits, une solution par colonne et un indicateur par rangée, de sorte que chaque puits ait une identité connue avant qu'aucune couleur n'apparaisse.
- Utilisez un compte-gouttes séparé pour chaque liquide et délivrez un nombre de gouttes compté, et expliquez ce que la contamination croisée entre les puits ferait au résultat.
Comment fonctionne un indicateur
- Décrire un indicateur comme un acide faible dont les formes protonée et déprotonée ont des couleurs différentes, et relier sa zone de virage à son pKaDans.
- Une zone de virage s'étend sur environ deux unités de pH parce que la couleur d'un indicateur coloré dépend du rapport entre les concentrations de sa forme acide et de sa forme basique. D'après l'équation d'Henderson-Hasselbalch, ce rapport varie d'environ 0,1 à 10 pour passer d'une couleur à l'autre, ce qui correspond à une variation de deux unités de pH autour du pKa de l'indicateur. En dehors de cette plage, l'une des deux formes est tellement prédominante (plus de 90 %) que l'œil humain ne perçoit plus les changements de concentration de l'autre forme. Par conséquent, un indicateur ne donne aucune information sur un pH situé en dehors de sa zone de virage, car sa couleur reste constante (celle de la forme totalement acide ou totalement basique), quelle que soit la variation supplémentaire du pH.
Lire une couleur comme une inéquation
- Convertir la couleur observée d'un puits en une indication sur le pH — une limite supérieure, une limite inférieure ou une fourchette lorsque le colorant est pris au milieu de sa transition.
- Comparez une couleur partiellement virée au nuancier gradué de la paillasse pour estimer un pH à environ un dixième d'unité près, et expliquez pourquoi cette estimation n'est possible que pour l'un des douze puits de chaque colonne.
Combinaison des données probantes de plusieurs tests
- Croiser quatre inégalités pour obtenir l'intervalle le plus étroit que la plaque supporte pour chaque inconnue.
- Reconnaître lorsqu'un ensemble de tests ne parvient pas à encadrer un résultat d'un côté, et indiquer quel indicateur supplémentaire serait nécessaire pour fermer l'intervalle.
Enregistrement et signalement
- Prenez la plaque en photo avec la tablette et utilisez l'image enregistrée comme enregistrement principal plutôt que de vous fier à votre mémoire.
- Signalez chaque inconnu sous forme de crochet avec sa preuve justificative, et non comme un nombre brut.
Protocole
Deux plaques de puits sont sur la table, étiquetées de A à C et de 1 à 4.
- Mettez 5 gouttes de la solution inconnue 1 dans chaque puits de la colonne A.
- Mettez 5 gouttes de la solution inconnue 2 dans chaque puits de la colonne B.
- Mettez 5 gouttes de la solution inconnue 3 dans chaque puits de la colonne C.
- Ajoutez 2 gouttes de méthylorange dans chaque puits de la rangée 1.
- Ajouter 2 gouttes de rouge de méthyle dans chaque puits de la rangée 2.
- Ajoutez 2 gouttes de bleu de bromothymol dans chaque puits de la rangée 3.
- Ajoutez 2 gouttes de phénolphtaléine dans chaque puits de la rangée 4.
- À l'aide de la tablette, capturez une image des plaques de puits en cliquant sur le bouton (Enregistrer l'image).
- Les couleurs de chacun des puits sont indiquées dans l'image capturée que vous pouvez trouver dans la section “ Image ” des résultats.
Les résultats figurent dans le tableau des résultats.
Résultats attendus
Les quatre indicateurs sont choisis de telle sorte que leurs plages de virage couvrent l'échelle de pH d'environ 3 à environ 10 avec seulement de petits intervalles. Les plages ci-dessous sont celles imprimées sur les nuanciers de référence posés sur la theasse, et les couleurs des alvéoles sont celles produites par la simulation.
| Indicateur | Rang | Plage de transition (tableau d'établi) | Forme acide | Forme de base | PourquoiDans |
|---|---|---|---|---|---|
| Hélicanthine | 1 | 3,2 à 4,4 | rouge | jaune | ≈ 3,7 |
| Rouge de méthyle | 2 | 4,4 à 6,2 | rouge | jaune | ≈ 5,1 |
| Bleu de bromothymol | 3 | de 6,0 à 7,5 | jaune | bleu | ≈ 7,1 |
| Phénolphtaléine | 4 | de 8,3 à 10,0 | incolore | rose à magenta | ≈ 9,4 |
L'assiette. Les douze puits et ce que chaque couleur implique sont présentés ci-dessous. Les deux dernières rangées donnent l'intersection des quatre inégalités dans chaque colonne et l'identité de la solution.
La plaque telle qu'elle a été capturée par la tablette à la fin de la manipulation. Les colonnes A, B et C sont les trois solutions inconnues ; les lignes 1 à 4 sont le hélianthine, le rouge de méthyle, le bleu de bromothymol et la phénolphtaléine.
| Ligne / indicateur | Colonne A (inconnu 1) | Colonne B (inconnu 2) | Colonne C (inconnu 3) |
|---|---|---|---|
| 1 — orange de méthyle | jaune → pH > 4,4 | rouge → pH < 3,2 | jaune → pH > 4,4 |
| 2 — rouge de méthyle | jaune → pH > 6,2 | rouge → pH < 4,4 | jaune → pH > 6,2 |
| 3 — bleu de bromothymol | vert → 6,0 < pH < 7,5 | jaune → pH < 6,0 | bleu → pH > 7,5 |
| 4 — phénolphtaléine | incolore → pH < 8,3 | incolore → pH < 8,3 | rose → 8,3 < pH < 10,0 |
| Support fixé à la plaque | entre 6,2 et 7,5, et ≈ 7,0 en faisant correspondre le vert | pH < 3,2 — pas de limite inférieure | de 8,3 à 10,0, et ≈ 9,0 en faisant correspondre le rose |
| Identité | H2O, pH 7,00 | HCl 1,0 × 10−3 mol/L, pH 3,00 | NaOH 1,0 × 10−5 mol/L, pH 9,00 |
Vérification des trois identités. Chaque valeur de pH publiée découle de la concentration indiquée sur une ligne. L'eau pure s'ionise d'autant que Kw = [H3O+][OH−] = 1,0 × 10−14 à 25 °C, donc [H3O+] = √Kw = 1,0 × 10−7 mol/L et pH = 7,00. L'acide chlorhydrique s'ionise complètement ; par conséquent, la substance inconnue n° 2 contient [H3O+] = 1,0 × 10−3 mol/L et pH = −log(1,0 × 10−3) = 3,00. L'hydroxyde de sodium se dissocie complètement ; par conséquent, la substance inconnue n° 3 contient [OH−] = 1,0 × 10−5 mol/L, pOH = 5,00 et pH = 14,00 − 5,00 = 9,00. Ces trois valeurs se situent toutes dans les limites indiquées par la plaque, et les échantillons inconnus n° 1 et n° 3 sont déterminés avec une précision de quelques dixièmes.
Résumé du devoir par tranche d'âge
Classe de 3e à la 2de
Focalisation chargement minutieux de la plaque, description précise de la couleur, et l'idée qu'une couleur est un indice concernant le pH plutôt qu'une valeur de pH.
Activités : Remplissez les douze puits dans l'ordre indiqué et notez quelle solution et quel indicateur se trouvent dans chacun d'eux ; nommez la couleur observée dans chaque puits et reproduisez l'image enregistrée dans votre cahier ; pour chaque puits, consultez le tableau de laboratoire pour déterminer si le pH est supérieur ou inférieur à la plage de l’indicateur ; identifiez le seul puits de la plaque qui ne présente aucune des deux couleurs de l’indicateur et expliquez ce que cela signifie ; classez les trois échantillons inconnus du plus acide au plus alcalin.
11e année
Focalisation en regroupant douze observations en trois catégories.
Activités : écrivez l'inégalité impliquée par chacun des douze puits ; intersectez les quatre inégalités de chaque colonne et énoncez la tranche (intervalle) résultante ; estimez le pH des inconnues 1 et 3 à un dixième d'unité près en comparant les puits verts et roses aux graphiques gradués ; expliquez pourquoi l'inconnue 2 n'a qu'une borne supérieure et nommez un indicateur qui donnerait une borne inférieure ; convertissez chaque pH estimé en une concentration d'hydronium et vérifiez-la par rapport à la concentration déclarée de la solution.
12e année / Niveau universitaire
Focalisation l'équilibre des indicateurs et les limites d'une méthode colorimétrique.
Activités : dériver pH = pKDans + log([In−]/[HIn]) à partir de la constante d'acidité de l'indicateur et montrez qu'un rapport de 1:10 à 10:1 couvre deux unités de pH ; estimez le pKDans pour chacun des quatre colorants à partir du milieu de leur plage tracée et comparer avec les valeurs publiées ; calculez la fraction de bleu de bromothymol sous sa forme basique dans le puits A3 étant donné un pH de 7,0 ; estimez comment les 2 gouttes d'indicateur pourraient modifier le pH des 5 gouttes d'eau non tamponnée de la colonne A et commentez si l'on peut faire confiance à la colonne A en tant que mesure ; proposez un ensemble d'indicateurs qui encadreraient n'importe quel pH de 1 à 13 à une unité près, et calculez combien de colorants cela nécessite.
Essentiels de laboratoire
Instruments
- Plaques à puits (2, de six puits chacune ; colonnes étiquetées de A à C, lignes étiquetées de 1 à 4)
- Comptes-gouttes (7 — un par solution inconnue et un par indicateur)
- Tablette (pour la capture et le visionnage de l'image de la plaque)
- Tableaux de référence gradués pour les quatre indicateurs (sur le banc)
Produits
- Hélianthine (indicateur, virage de 3,2 à 4,4)
- Rouge de méthyle (indicateur, zone de virage de 4,4 à 6,2)
- Bleu de bromothymol (indicateur, zone de virage de 6,0 à 7,5)
- Phénolphtaléine (indicateur, virage de 8,3 à 10,0)
- Solutions inconnues 1, 2 et 3