Un indicatore acido-base è un colorante che assume un colore in ambiente acido e un altro in ambiente alcalino. I kit per il controllo delle piscine, i kit per il terreno, i kit per gli acquari e la carta universale in ogni laboratorio scolastico funzionano tutti in questo modo, così come il punto finale di una titolazione. Ciò che rende un indicatore utile è anche ciò che lo limita: un singolo colorante risponde a una sola domanda — il pH è al di sopra o al di di sotto del mio intervallo di viraggio? — quindi una singola pozzetta non potrà mai fornire un valore di pH, ma solo una disuguaglianza. Tuttavia, se si accostano diversi coloranti con intervalli differenti, le disuguaglianze si restringono l'una verso l'altra da entrambi i lati.
Ogni colorante si comporta in questo modo perché il colorante stesso è un acido debole. La sua forma protonata HIn e la sua forma deprotonata In− assorbono la luce in modo diverso e i due sono in equilibrio: HIn + H2U ⇌ In− + H3O+. Riorganizzando l'espressione di equilibrio si ottiene pH = pKIn + log([In−]/[HIn]), per cui il rapporto tra le due forme colorate è determinato esclusivamente dal pH. L'occhio smette di distinguere una miscela dalla forma pura a un rapporto di circa uno a dieci, motivo per cui ogni indicatore cambia in un intervallo di circa due unità di pH, incentrato sul proprio pKIn, e mostra un unico colore piatto su entrambi i lati di quella fascia.
In questo laboratorio, riempirete due piastre a sei pozzetti come una griglia tre per quattro: tre soluzioni sconosciute versate lungo le colonne A, B e C, e quattro indicatori – metilarancio, rosso metile, blu di bromotimol e fenolftaleina – disposti lungo le righe da 1 a 4. Dodici pozzetti danno dodici colori. Catturerete la piastra con il tablet, confronterete ogni pozzetto con la tabella di riferimento graduata affissa sul banco per quell'indicatore, scriverete la diseguaglianza che ogni colore implica e combinerete le quattro diseguaglianze in ogni colonna per delimitare il pH di quell'ignoto. Uno dei tre intervalli risulterà essere unilaterale, il che è un risultato di per sé.
Obiettivi Educativi
Lavorare con una micropiastra
- Caricare sistematicamente una piastra a dodici pozzetti, una soluzione per colonna e un indicatore per riga, in modo che ogni pozzetto abbia un'identità nota prima che compaia qualsiasi colore.
- Usa un contagocce separato per ciascun liquido e rilascia un numero contato di gocce, e spiega cosa farebbe la contaminazione incrociata tra i pozzetti al risultato.
Come funziona un indicatore
- Un indicatore è un acido debole le cui forme protonata e deprotonata differiscono nel colore, e il suo intervallo di transizione è legato al suo pK.In.
- Un intervallo di viraggio è ampio circa due unità di pH perché la percezione umana e lo strumento di misura del colore rilevano la transizione tra la forma acida e quella basica di un indicatore (che si verificano approssimativamente quando il rapporto tra le loro concentrazioni varia da 1:10 a 10:1) all'interno di questo intervallo logaritmico basato sulla costante di dissociazione acida ($pK_a$). Al di fuori del suo specifico intervallo di viraggio, l'indicatore si trova interamente in una sola delle sue due forme (completamente protonata o completamente deprotonata); poiché ulteriori variazioni di pH non modificano ulteriormente il rapporto tra le concentrazioni delle due forme colorate, l'indicatore non fornisce alcuna informazione visiva o quantitativa sulla variazione del pH.
Leggere un colore come una disuguaglianza
- Converti il colore di un pozzetto osservato in un'affermazione sul pH: un limite superiore, un limite inferiore o un intervallo quando il colorante si trova a metà della transizione.
- Confronta un colore parzialmente virato con la tabella comparativa graduata per stimare un pH con approssimazione a circa un decimo di unità, e spiega perché tale stima è disponibile solo per uno dei dodici pozzetti di ciascuna colonna.
Combinare i risultati di diversi test
- Interseca quattro disuguaglianze per ottenere l'intervallo più stretto che la piastra supporta per ciascuna incognita.
- Riconoscere quando un insieme di test non riesce a delimitare un risultato da un lato e indicare quale ulteriore indicatore sarebbe necessario per chiudere l'intervallo.
Registrazione e rendicontazione
- Inquadra la targa con il tablet e usa l'immagine salvata come record principale invece di affidarti alla memoria.
- Segnala ogni sconosciuto come una parentesi con la sua prova di supporto, non come un numero isolato.
Protocollo
Ci sono due piastre per pozzi sul tavolo, etichettate da A a C e da 1 a 4.
- Mettere 5 gocce della soluzione sconosciuta 1 in ciascuna delle provette della colonna A.
- Metti 5 gocce di soluzione sconosciuta 2 in ogni pozzetto della colonna B.
- Aggiungere 5 gocce di soluzione sconosciuta 3 in ciascuna micropoista della colonna C.
- Aggiungere 2 gocce di metilarancio in ogni pozzetto della fila 1.
- Aggiungere 2 gocce di metil rosso in ciascuna well della riga 2.
- Aggiungere 2 gocce di blu di bromotimolo in ogni pozzetto della riga 3.
- Aggiungere 2 gocce di fenolftaleina in ogni pozzetto della fila 4.
- Utilizzando il tablet, acquisisci un'immagine delle piastre di coltura facendo clic sul pulsante (Salva immagine).
- I colori di ciascuno dei pozzetti sono mostrati nell'immagine acquisita che puoi trovare nella sezione “Immagine” dei risultati.
I risultati si trovano nella tabella dei risultati.
Risultati Previsti
I quattro indicatori sono scelti in modo che i loro intervalli di transizione coprano la scala del pH da circa 3 a circa 10 con solo piccoli intervalli. Gli intervalli sottostanti sono quelli stampati sulle tabelle di riferimento graduate presenti sul banco, e i colori dei pozzetti sono quelli prodotti dalla simulazione.
| Indicatore | Fila | Intervallo di transizione (tabella di riscontro) | Forma acida | Forma base | okIn |
|---|---|---|---|---|---|
| Arancio di metile | 1 | da 3,2 a 4,4 | rosso | giallo | ≈ 3,7 |
| Rosso metile | 2 | da 4,4 a 6,2 | rosso | giallo | ≈ 5,1 |
| Blu di bromotimolo | 3 | da 6,0 a 7,5 | giallo | blu | ≈ 7,1 |
| Fenolftaleina | 4 | da 8,3 a 10,0 | incolore | da rosa a magenta | ≈ 9,4 |
Il piatto. I dodici pozzi e ciò che ogni colore implica sono esposti di seguito. Le ultime due righe forniscono l'intersezione delle quattro disuguaglianze in ciascuna colonna e l'identità della soluzione.
La piastra come catturata dal tablet alla fine della corsa. Le colonne A, B e C sono le tre soluzioni sconosciute; le righe da 1 a 4 sono metilarancio, rosso metile, blu di bromotimolo e fenolftaleina.
| Riga / indicatore | Colonna A (sconosciuto 1) | Colonna B (sconosciuto 2) | Colonna C (sconosciuto 3) |
|---|---|---|---|
| 1 — metilarancio | giallo → pH > 4,4 | rosso → pH < 3,2 | giallo → pH > 4,4 |
| 2 — rosso metile | giallo → pH > 6,2 | rosso → pH < 4,4 | giallo → pH > 6,2 |
| 3 — blu di bromotimolo | verde → 6,0 < pH < 7,5 | giallo → pH < 6,0 | blu → pH > 7,5 |
| 4 — fenolftaleina | incolore → pH < 8,3 | incolore → pH < 8,3 | rosa → 8,3 < pH < 10,0 |
| Staffa dalla piastra | da 6,2 a 7,5 e ≈ 7,0 abbinando il verde | pH < 3,2 — nessun limite inferiore | da 8,3 a 10,0 e ≈ 9,0 facendo corrispondere il rosa |
| Identità | H2O, pH 7,00 | HCl 1,0 × 10meno tre mol/L, pH 3,00 | NaOH 1,0 × 10−5 mol/L, pH 9,00 |
Verifica delle tre identità. Ogni valore di pH pubblicato deriva dalla concentrazione indicata in una riga. L'acqua pura si autoionizza in misura pari a Kw = [H3O+][OH−] = 1,0 × 10−14 a 25 °C, quindi [H3O+] = √Kw = 1,0 × 10−7 mol/L e pH = 7,00. L'acido cloridrico si ionizza completamente, quindi la sostanza sconosciuta 2 ha [H3O+] = 1,0 × 10meno tre mol/L e pH = −log(1,0 × 10meno tre) = 3,00. L'idrossido di sodio si dissocia completamente, quindi la sostanza sconosciuta 3 presenta [OH−] = 1,0 × 10−5 mol/L, pOH = 5,00 e pH = 14,00 − 5,00 = 9,00. Tutti e tre i valori rientrano negli intervalli indicati dalla piastra, e i campioni sconosciuti 1 e 3 sono stati determinati con una precisione di pochi decimi.
Riepilogo del compito per intervallo di voti
Classe 9-10
Concentrazione: il caricamento accurato della piastra, la descrizione precisa del colore e l'idea che il colore sia un'indicazione del pH piuttosto che un valore del pH stesso.
Attività: caricare i dodici pozzetti nell’ordine indicato e tenere una scheda scritta che indichi quale soluzione e quale indicatore si trovano in ciascuno; indicare il colore presente in ciascun pozzetto e copiare l’immagine salvata nel quaderno; per ciascun pozzetto, leggere dalla tabella sul banco se il pH è superiore o inferiore all’intervallo dell’indicatore; identificare l’unico pozzetto sulla piastra che non presenta nessuno dei due colori dell’indicatore e spiegare cosa ciò significhi; classificare le tre soluzioni sconosciute dalla più acida alla più alcalina.
Undicesimo anno
Concentrazione: trasformando dodici osservazioni in tre intervalli.
Attività: scrivi la disuguaglianza implicata da ciascuno dei dodici pozzetti; interseca le quattro disuguaglianze in ogni colonna e indica l'intervallo risultante; stima il pH delle incognite 1 e 3 a un decimo di unità confrontando i pozzetti verdi e rosa con le tabelle graduate; spiega perché l'incognita 2 ha solo un limite superiore e nomina un indicatore che ne fornirebbe uno inferiore; converti ciascun pH stimato in una concentrazione di ioni idronio e verificala rispetto alla concentrazione dichiarata della soluzione.
12ª classe / Livello universitario
Concentrazione: l'equilibrio dell'indicatore e i limiti di un metodo colorimetrico.
Attività: ricavare pH = pKIn + log([In−]/[HIn]) dalla costante acida dell'indicatore e dimostrare che un rapporto da 1:10 a 10:1 copre due unità di pH; stimare il pKIn per ciascuno dei quattro coloranti dal punto medio del suo intervallo tracciato e confrontare con i valori pubblicati; calcolare la frazione di blu di bromotimol nella sua forma basica nel pozzetto A3 dato pH 7,0; stimare quanto le 2 gocce di indicatore potrebbero spostare il pH delle 5 gocce di acqua non tamponata nella colonna A e commentare se la colonna A possa essere considerata affidabile come misurazione; proporre un set di indicatori che delimiti qualsiasi pH da 1 a 13 entro un'unità, e calcolare quanti coloranti ciò richiede.
Materiale essenziale di laboratorio
Strumenti
- Piastre per pozzetti (2, sei pozzetti ciascuna; colonne etichettate da A a C, righe etichettate da 1 a 4)
- Contagocce (7: uno per ciascuna soluzione sconosciuta e uno per l'indicatore)
- Tablet (per l'acquisizione e la visualizzazione dell'immagine della targa)
- Grafici di riferimento graduati per i quattro indicatori (sul banco)
Prodotti
- Metilarancio (indicatore, viraggio da 3,2 a 4,4)
- Rosso metile (indicatore, viraggio da 4,4 a 6,2)
- Blu di bromotimolo (indicatore, viraggio da 6,0 a 7,5)
- Fenolftaleina (indicatore, viraggio da 8,3 a 10,0)
- Soluzioni sconosciute 1, 2 e 3