산-염기 지시약은 산성에서는 한 가지 색상을, 알칼리성에서는 다른 색상을 나타내는 염료입니다. 수영장 테스트 키트, 토양 키트, 수족관 키트 및 모든 학교 실험실의 만능 종이 모두 이런 식으로 작동하며, 적정의 종말점도 마찬가지입니다. 지시약을 유용하게 만드는 바로 그 특성이 또한 그 한계이기도 합니다. 단일 염료는 "pH가 내 변색 범위보다 높은가, 낮은가?"라는 단 하나의 질문에만 답할 수 있으므로, 단일 홈(well)으로는 결코 pH 값을 알 수 없고 부등식만 알 수 있을 뿐입니다. 그러나 변색 범위가 다른 여러 염료를 나란히 놓으면, 그 부등식들이 양쪽에서 서로를 좁혀오게 됩니다.
각 염료가 이러한 방식으로 작용하는 이유는 염료 자체가 약산이기 때문입니다. 그것의 양성자화된 형태인 HIn과 탈양성자화된 형태인 In− 빛을 다르게 흡수하며, 두 상태는 평형을 이룹니다: HIn + H2O ⇌ In− + H3O+. 평형 상수를 재배열하면 pH = pK가 된다.인 + log([In−]/[HIn])이므로, 두 색상 형태의 비율은 pH에 의해서만 결정됩니다. 사람의 눈은 약 1대 10의 비율에서는 혼합물과 순수한 형태를 구별하지 못하며, 이것이 모든 지시약이 자신의 pK를 중심으로 약 2 pH 단위의 폭을 가진 범위에서 변색하는 이유입니다.인, 그리고 해당 밴드의 양쪽에 단색을 보여줍니다.
이 실험에서 여러분은 3열 4행의 격자 형태로 두 개의 6구 플레이트를 채우게 됩니다. A, B, C 열에는 세 가지 미지 용액을 붓고, 1부터 4까지의 행에는 메틸 오렌지, 메틸 레드, 브로모티몰 블루, 페놀프탈레인이라는 네 가지 지시약을 떨어뜨립니다. 12개의 홈에서 12가지 색상이 나타납니다. 여러분은 태블릿으로 플레이트를 촬영하고, 각 홈의 색상을 벤치에 게시된 해당 지시약의 단계별 표준 색상표와 대조하고, 각 색상이 의미하는 부등식을 적어 낸 뒤, 각 열의 네 가지 부등식을 조합하여 해당 미지 용액의 pH 범위를 구합니다. 세 가지 범위 중 하나는 한쪽 방향으로만 열려 있는 부등식이 될 것이며, 이는 그 자체로 하나의 결과입니다.
교육 목표
웰 플레이트 다루기
- 색상이 나타나기 전에 모든 웰의 정체를 미리 알 수 있도록, 열마다 하나의 용액을, 행마다 하나의 지시약을 배치하는 방식으로 12웰 그리드에 체계적으로 로드합니다.
- 각 액체마다 별도의 스포이트를 사용하고 방울 수를 세어 떨어뜨리십시오. 그리고 웰 간의 교차 오염이 결과에 미치는 영향을 설명하십시오.
지표가 작동하는 방식
- 지시약을 양성자화된 형태와 탈양성자화된 형태의 색상이 서로 다른 약산으로 설명하고, 그 변색 범위를 pKa와 연관시키세요.인.
- 전환 범위가 약 2 pH 단위 정도인 이유와, 지시약이 자신의 측정 범위 밖의 pH에 대해서는 아무런 정보도 제공하지 않는 이유를 설명하시오.
색상을 부등식으로 읽기
- 관찰된 우물 색상을 pH에 대한 진술—상한값, 하한값, 또는 염색약이 전이 중간에 걸렸을 때의 범위—으로 변환합니다.
- 부분적으로 변색된 색상을 단계별 표준 색상표와 대조하여 pH를 약 10분의 1 단위까지 추정하고, 그러한 추정이 각 열의 12개 홈 중 오직 한 곳에서만 가능한 이유를 설명하시오.
여러 검사의 증거 취합하기
- 4개의 부등식을 교차하여 각 미지수에 대해 판이 지지하는 가장 좁은 브래킷을 얻습니다.
- 일련의 테스트가 한쪽에서 결과를 한정(bounding)하지 못하는 경우를 인식하고, 구간(bracket)을 닫기 위해 어떤 추가 지표가 필요한지 명시하십시오.
기록 및 보고
- 기억에 의존하는 대신 태블릿이 있는 접시를 촬영하고 저장된 이미지를 기본 기록으로 사용하십시오.
- 각 미지수를 단순한 숫자가 아니라, 뒷받침하는 근거와 함께 괄호로 감싸서 보고하십시오.
프로토콜
테이블 위에 A부터 C까지, 그리고 1부터 4까지 번호가 매겨진 두 개의 웰 플레이트가 있습니다.
- 알 수 없는 용액 1을 A 열의 각 우물에 5방울 떨어뜨립니다.
- B 열에 미지 용액 2를 5방울씩 넣으세요.
- 알 수 없는 용액 3을 C열 각 칸에 5방울씩 넣으십시오.
- 각 샘플 웰 1행에 메틸 오렌지 2방울을 넣으세요.
- 2행의 각 웰에 메틸레드 두 방울을 떨어뜨립니다.
- 3번 행의 각 칸에 브로모티몰 블루 용액을 2방울씩 넣으세요.
- 4번 열의 각 격자마다 페놀프탈레인 두 방울을 넣으시오.
- 태블릿을 사용하여 버튼 (이미지 저장)을 클릭하여 웰 플레이트 이미지를 캡처하십시오.
- 각 우물의 색깔은 결과의 “이미지” 섹션에서 찾을 수 있는 캡처된 이미지에 표시되어 있습니다.
결과는 결과 표에서 찾을 수 있습니다.
예상 결과
4개의 지시약은 변색 범위가 약 3에서 약 10까지의 pH 척도를 작은 간격만을 두고 채우도록(타일처럼 잇도록) 선택되었습니다. 아래의 범위는 실험대에 있는 눈금 기준 차트에 인쇄된 것이며, 홈판의 색상은 시뮬레이션에 의해 생성된 것입니다.
| 표지판 | 행 | 전이 범위 (벤치 차트) | 산 형태 | 기본형 | pK인 |
|---|---|---|---|---|---|
| 메틸 오렌지 | 1 | 3.2에서 4.4까지 | 빨간색 | 노란색 | 약 3.7 |
| 메틸 레드 | 2 | 4.4에서 6.2까지 | 빨간색 | 노란색 | 약 5.1 |
| 브로모티몰 블루 | 3 | 6.0에서 7.5 | 노란색 | 파란색 | 약 7.1 |
| 페놀프탈레인 | 4 | 8.3에서 10.0까지 | 무색의 | 분홍색에서 마젠타색으로 | 약 9.4 |
접시. 12개의 우물과 각각의 색상이 의미하는 바는 아래에 제시되어 있습니다. 마지막 두 행은 각 열에 있는 네 부등식의 교집합과 해의 정체(이름)를 나타냅니다.
실험이 끝날 때 태블릿으로 촬영한 플레이트. 열 A, B, C는 세 가지 미지 시료이며, 행 1부터 4까지는 메틸 오렌지, 메틸 레드, 브로모티몰 블루 및 페놀프탈레인입니다.
| 행 / 지표 | 열 A (미상 1) | 열 B (알 수 없음 2) | 열 C (알 수 없음 3) |
|---|---|---|---|
| 1 — 메틸 오렌지 | 노란색 → pH > 4.4 | 빨간색 → pH < 3.2 | 노란색 → pH > 4.4 |
| 2 — 메틸 레드 | 노란색 → pH > 6.2 | 빨간색 → pH < 4.4 | 노란색 → pH > 6.2 |
| 3 — 브로모티몰 블루 | 초록색 → 6.0 < pH < 7.5 | 노란색 → pH < 6.0 | 파란색 → pH > 7.5 |
| 4 — 페놀프탈레인 | 무색 → pH < 8.3 | 무색 → pH < 8.3 | 분홍색 → 8.3 < pH < 10.0 |
| 플레이트에서 브래킷 분리 | 6.2에서 7.5 사이, 그리고 녹색에 맞춰 약 7.0 | pH < 3.2 — 하한 없음 | 8.3에서 10.0 사이, 그리고 분홍색을 맞추면 약 9.0 |
| 정체성 | H2pH 7.00 | HCl 1.0 × 10마이너스 3 mol/L, pH 3.00 | NaOH 1.0 × 10-5 mol/L, pH 9.00 |
세 가지 정체성을 확인하는 중입니다. 출판된 각 pH는 한 줄의 농도에서 비롯됩니다. 순수한 물은 K만큼 자가이온화됩니다.w = [H3O+][OH−] = 1.0 × 10-14 25 °C에서, 따라서 [H3O+] = √Kw = 1.0 × 10−7 mol/L이고 pH = 7.00이다. 염산은 완전히 이온화되므로, 미지 시료 2의 [H3O+] = 1.0 × 10마이너스 3 mol/L 및 pH = −log(1.0 × 10마이너스 3) = 3.00. 수산화 나트륨은 완전히 해리되므로, 미지 시료 3의 [OH−] = 1.0 × 10-5 mol/L, pOH = 5.00이며 pH = 14.00 − 5.00 = 9.00이다. 세 가지 모두 플레이트가 제공하는 범위 내에 속하며, 미지물 1과 3은 수십분의 몇 이내로 고정된다.
학년별 과제 요약
9~10학년
집중 플레이트의 신중한 로딩, 색상의 정확한 설명, 그리고 색상이 pH의 값이 아니라 pH에 대한 증거라는 개념.
활동 주어진 순서대로 12개의 홈판에 시료를 채우고, 어떤 용액과 어떤 지시약이 각각 들어가 있는지 기록한 지도(약도)를 작성하십시오. 각 홈의 색상을 기록하고 저장된 이미지를 공책에 복사하십시오. 각 홈에 대해 벤치 차트를 참고하여 pH가 지시약의 변색 범위보다 높은지 낮은지 읽어내십시오. 플레이트에서 지시약의 두 가지 색상 중 어느 것도 아닌 단 하나의 홈을 찾아 그것이 무엇을 의미하는지 설명하십시오. 세 가지 미지 시료를 가장 산성인 것부터 가장 알칼리성인 것 순서대로 나열하십시오.
11학년
집중 12개의 관측값을 3개의 구간으로 나누기.
활동 12개의 각 우물이 의미하는 부등식을 쓰고, 각 열의 네 부등식을 연립하여 그 결과로 나오는 범위를 구하고, 초록색과 분홍색 우물을 눈금 차트와 비교하여 미지시료 1과 3의 pH를 소수점 첫째 자리까지 추정하고, 미지시료 2가 상한선만 가지는 이유를 설명하고 하한선을 제공할 지시약을 명명하며, 각 추정된 pH를 하이드로늄 농도로 환산하여 용액의 명시된 농도와 비교하시오.
12학년 / 대학교 수준
집중 지시약 평형과 비색법의 한계.
활동 pH = pK 유도하기인 + log([In−지시약의 산 상수로부터 ]/[HIn])를 유도하고 1:10에서 10:1의 비율이 두 개의 pH 단위를 걸친다는 것을 보여라; pK를 추정하라인 기록된 범위의 중점에서 각 네 가지 염료에 대해 계산하고 게시된 값과 비교하십시오. pH 7.0이 주어졌을 때 웰 A3에서 염기성 형태의 브로모티몰 블루 분율을 계산하십시오. 지시약 2방울이 컬럼 A의 완충되지 않은 물 5방울의 pH를 얼마나 변화시킬 수 있는지 추정하고 컬럼 A를 측정값으로 신뢰할 수 있는지 논평하십시오. 1에서 13 사이의 모든 pH를 1 단위 이내로 포괄할 수 있는 지시약 세트를 제안하고, 필요한 염료의 수를 계산하십시오.
실험실 필수품
악기
- 웰 플레이트 (각 6웰짜리 2개; 열은 A부터 C까지, 행은 1부터 4까지 레이블 지정)
- 스포이드 (7개 — 미지의 용액당 하나, 지시약당 하나)
- 태블릿 (플레이트 이미지 캡처 및 보기용)
- (벤치 위의) 네 가지 지표에 대한 단계별 참조 차트
제품
- 메틸 오렌지 (지시약, 변색 범위 pH 3.2~4.4)
- 메틸 레드 (지시약, 변색 범위 4.4~6.2)
- 브로모티몰 블루 (지시약, 변색 범위 pH 6.0~7.5)
- 페놀프탈레인 (지시약, 변색 범위 8.3~10.0)
- 미지 시료 1, 2, 3