Wskaźnik kwasowo-zasadowy to barwnik, który ma inny kolor w kwasie, a inny w zasadzie. Zestawy do testowania wody w basenach, gleby, akwariów oraz uniwersalny papier w każdej szkolnej laboratoriach działają w ten sposób, podobnie jak punkt końcowy miareczkowania. To, co czyni wskaźnik użytecznym, jest zarazem tym, co go ogranicza: pojedynczy barwnik odpowiada tylko na jedno pytanie — czy pH jest powyżej, czy poniżej zakresu jego transformacji? — więc pojedyncze wgłębienie nigdy nie poda wartości pH, a jedynie nierówność. Jednakże umieszczenie kilku barwników o różnych zakresach obok siebie sprawia, że nierówności te zamykają się wokół siebie z obu stron.
Każdy barwnik zachowuje się w ten sposób, ponieważ sam w sobie jest słabym kwasem. Jego forma protonowana $HIn$ oraz forma zdeprotonowana $In^-$− pochłaniają światło inaczej, a te dwa związki są w równowadze: HIn + H2O ⇌ In− + H3O+. Przekształcenie wyrażenia na stałą równowagi daje pH = pKW + log([In−]/[HIn]), więc stosunek obu barwnych form jest ustalany wyłącznie przez pH. Oko przestaje odróżniać mieszaninę od czystej formy przy stosunku wynoszącym w przybliżeniu jeden do dziesięciu, dlatego każdy wskaźnik zmienia barwę w przedziale o szerokości około dwóch jednostek pH, którego środkiem jest jego własne pKW, i pokazuje jeden jednolity kolor po obu stronach tego pasa.
W tym laboratorium napełnisz dwie płytki sześciostanicowe jako siatkę trzy na cztery: trzy nieznane roztwory wlane w kolumny A, B i C oraz cztery wskaźniki – oranż metylowy, czerwień metylową, błękit bromotymolowy i fenoloftaleinę – rozłożone w wierszach od 1 do 4. Dwanaście wgłębień daje dwanaście kolorów. Zrobisz zdjęcie płytki tabletem, dopasujesz każde wgłębienie do wywieszonej na ławce wyskalowanej tabeli referencyjnej dla danego wskaźnika, zapiszesz nierówność, którą sugeruje każdy kolor, i połączysz cztery nierówności w każdej kolumnie, aby oszacować pH tej nieznanej substancji. Jeden z trzech przedziałów okaże się jednostronny, co samo w sobie jest wynikiem.
Cele edukacyjne
Praca z płytką wielostudzienkową
- Załaduj systematycznie dwunastodołkową płytkę, po jednym roztworze na kolumnę i jednym wskaźniku na rząd, tak aby każda studzienka miała znaną tożsamość, zanim pojawi się jakikolwiek kolor.
- Użyj osobnego zakraplacza do każdego płynu i podaj odmierzoną liczbę kropel, oraz wyjaśnij, co zanieczyszczenie krzyżowe między studzienkami zrobiłoby z wynikiem.
Jak działa wskaźnik
- Wskaźnik to słaby kwas, którego sprotonowana i deprotonowana forma różnią się barwą, a zakres jego przejścia barwnego jest powiązany z jego stałą dysocjacji $pK_a$ (zazwyczaj mieści się w przedziale $pK_a \pm 1$).W.
- Zakres przejścia wskaźnika jest szeroki na około dwie jednostki pH, ponieważ zmiana koloru wskaźnika kwasowo-zasadowego (który jest słabym kwasem organicznym lub zasadą) opiera się na równowadze chemicznej opisanej równaniem Hendersona-Hasselbalcha. Około 90% formy kwasowej lub zasadowej musi zostać przekształcone w drugą formę, aby ludzkie oko zauważyło widoczną zmianę koloru, co odpowiada stosunkom stężeń obu form od 1:10 do 10:1. Ponieważ logarytm dziesiętny z 10 wynosi 1, a z 1/10 wynosi -1, różnica między pH, przy którym dominuje jedna forma, a pH, przy którym dominuje druga, wynosi zazwyczaj $1 - (-1) = 2$ jednostki pH. Wskaźnik nie daje żadnych informacji o pH poza swoim zakresem przejścia, ponieważ poza tym przedziałem wskaźnik znajduje się całkowicie w swojej formie kwasowej lub zasadowej. Dalsze zmiany pH (wzrost lub spadek kwasowości) nie powodują już żadnej widocznej zmiany stosunku stężeń obu form – jedna z nich stanowi już niemal 100% obecnego wskaźnika, więc kolor pozostaje stały, niezależnie od tego, jak bardzo pH różni się od zakresu działania wskaźnika.
Odczytywanie koloru jako nierówności
- Przekształć zaobserwowany kolor studni w stwierdzenie dotyczące pH — górną granicę, dolną granicę lub przedział, gdy barwnik znajduje się w trakcie przejścia.
- Dopasuj częściowo zmieniony kolor do wzornika laboratoryjnego, aby oszacować pH z dokładnością do około jednej dziesiątej jednostki, i wyjaśnij, dlaczego ten szacunek jest dostępny tylko dla jednej z dwunastu studzienek w każdej kolumnie.
Łączenie dowodów z kilku testów
- Przeciąć cztery nierówności, aby uzyskać najwęższy przedział, jaki płyta wytrzymuje dla każdej niewiadomej.
- Rozpoznać, kiedy zestaw testów nie ogranicza wyniku z jednej strony, i określić, jaki dodatkowy wskaźnik byłby potrzebny do zamknięcia przedziału.
Rejestrowanie i zgłaszanie
- Uwiecznij tablicę z tabletem i użyj zapisanego obrazu jako głównego zapisu zamiast polegać na pamięci.
- Zgłoś każdą niewiadomą jako nawias wraz z dowodem potwierdzającym, a nie jako samą liczbę.
Protokół
Na stole znajdują się dwie płytki z dołkami, oznaczone od A do C i od 1 do 4.
- Umieść 5 kropli nieznanego roztworu 1 w każdym dołku kolumny A.
- Umieść 5 kropli nieznanego roztworu 2 w każdym dołku kolumny B.
- Wpuść 5 kropli nieznanego roztworu 3 do każdego dołka w kolumnie C.
- Dodaj 2 krople oranżu metylowego do każdego dołka w rzędzie 1.
- Dodaj 2 krople czerwieni metylowej do każdego dołka w rzędzie 2.
- Dodaj 2 krople bromotymolowego niebieskiego do każdego dołka w rzędzie 3.
- Dodaj 2 krople fenoloftaleiny do każdego dołka w rzędzie 4.
- Za pomocą tabletu zrób zdjęcie płytek impressão, klikając przycisk (Zapisz obraz).
- Kolory każdego dołeczka są pokazane na zrobionym zdjęciu, które można znaleźć w sekcji “Obraz” wyników.
Wyniki znajdują się w tabeli wyników.
Przewidywane wyniki
Cztery wskaźniki są dobrane tak, aby ich zakresy przejścia pokrywały skalę pH od około 3 do około 10 z niewielkimi przerwami. Poniższe zakresy to te wydrukowane na wyskalowanych wykresach referencyjnych stojących na ławce, a kolory w dołkach to te uzyskiwane w symulacji.
| Wskaźnik | Rząd | Zakres przejścia (wykres stanowiskowy) | Forma kwasowa | Forma podstawowa | PKW |
|---|---|---|---|---|---|
| Oranż metylowy | 1 | od 3,2 do 4,4 | czerwony | żółty | ≈ 3,7 |
| Czerwień metylowa | 2 | od 4,4 do 6,2 | czerwony | żółty | ≈ 5,1 |
| Błękit bromotymolowy | 3 | od 6,0 do 7,5 | żółty | niebieski | ≈ 7,1 |
| Fenoftaleina | 4 | 8,3 do 10,0 | bezbarwny | różowy do magenta | ≈ 9,4 |
Talerz. Dwanaście studni oraz znaczenie poszczególnego koloru przedstawiono poniżej. Dwa ostatnie wiersze podają przecięcie czterech nierówności w każdej kolumnie oraz tożsamość rozwiązania.
Płytka zarejestrowana przez tablet pod koniec pomiaru. Kolumny A, B i C to trzy nieznane roztwory; wiersze od 1 do 4 to oranż metylowy, czerwień metylowa, błękit bromotymolowy i fenoloftaleina.
| Wiersz / wskaźnik | Kolumna A (nieznane 1) | Kolumna B (nieznany 2) | Kolumna C (nieznane 3) |
|---|---|---|---|
| 1 — oranż metylowy | żółty → pH > 4,4 | czerwony → pH < 3,2 | żółty → pH > 4,4 |
| 2 — czerwień metylowa | żółty → pH > 6,2 | czerwony → pH < 4,4 | żółty → pH > 6,2 |
| 3 — błękit bromotymolowy | zielony → 6,0 < pH < 7,5 | żółty → pH < 6.0 | niebieski → pH > 7,5 |
| 4 — fenoloftaleina | bezbarwny → pH < 8,3 | bezbarwny → pH < 8,3 | różowy → 8,3 < pH < 10,0 |
| Wspornik z płyty | od 6,2 do 7,5 oraz ≈ 7,0 poprzez dopasowanie koloru zielonego | pH < 3,2 — brak dolnej granicy | od 8,3 do 10,0 oraz ≈ 9,0 poprzez dopasowanie różowego |
| Tożsamość | H2O, pH 7,00 | HCl 1,0 × 10−3 mol/l, pH 3,00 | NaOH 1,0 × 10−5 mol/l, pH 9,00 |
Sprawdzanie trzech tożsamości. Każda podana wartość pH wynika ze stężenia w jednym wierszu. Czysta woda ulega samojonizacji w stopniu określonym przez Kw = [H3O+][OH−] = 1,0 × 10−14 w temperaturze 25 °C, więc [H3O+] = √Kw = 1,0 × 10−7 mol/l, a pH wynosi 7,00. Kwas solny ulega całkowitej jonizacji, więc nieznana substancja nr 2 zawiera [H3O+] = 1,0 × 10−3 mol/l oraz pH = −log(1,0 × 10−3) = 3,00. Wodorotlenek sodu ulega całkowitemu dysocjacji, więc nieznana substancja nr 3 zawiera [OH−] = 1,0 × 10−5 mol/l, pOH = 5,00, a pH = 14,00 – 5,00 = 9,00. Wszystkie trzy wartości mieszczą się w przedziale podanym na płytce, a próbki nieznane nr 1 i 3 zostały zidentyfikowane z dokładnością do kilku dziesiątych.
Podsumowanie zadania według zakresu ocen
Klasy 9–10
Skupienie: staranne nakładanie preparatu na płytkę, dokładny opis koloru oraz założenie, że kolor stanowi wskazówkę dotyczącą wartości pH, a nie samą wartość pH.
Aktywności: napełnij dwanaście studzienek w podanej kolejności i sporządź pisemny schemat wskazujący, który roztwór i który wskaźnik znajduje się w każdej z nich; określ kolor w każdej studzience i skopiuj zapisany obrazek do zeszytu; dla każdej studzienki sprawdź w tabeli laboratoryjnej, czy wartość pH jest powyżej, czy poniżej zakresu wskaźnika; zidentyfikuj jedną studzienkę na płytce, która nie ma żadnego z dwóch kolorów wskaźnika i wyjaśnij, co to oznacza; uszereguj trzy nieznane próbki od najbardziej kwaśnej do najbardziej zasadowej.
Klasa 11
Skupienie: przekształcenie dwunastu obserwacji w trzy przedziały.
Aktywności: zapisz nierówność wynikającą z każdej z dwunastu studzienek; wyznacz część wspólną czterech nierówności w każdej kolumnie i podaj wynikający z tego przedział; oszacuj pH próbek nieznanych 1 i 3 z dokładnością do jednej dziesiątej jednostki, dopasowując zielone i różowe studzienki do wykresów skalowanych; wyjaśnij, dlaczego próbka nieznana 2 ma tylko górne ograniczenie i podaj wskaźnik, który dałby dolne; przelicz każde oszacowane pH na stężenie jonów hydroniowych i sprawdź je ze zadeklarowanym stężeniem roztworu.
Klasa 12 / Poziom akademicki
Skupienie: równowaga wskaźnikowa i granice metody kolorymetrycznej.
Aktywności: wyprowadź pH = pKW + log([In−]/[HIn]) ze stałej kwasowej wskaźnika i pokaż, że stosunek od 1:10 do 10:1 obejmuje dwie jednostki pH; oszacuj pKW dla każdego z czterech barwników od środka jego wykresowego zakresu i porównaj z opublikowanymi wartościami; oblicz udział frakcji błękitu bromotymolowego w jego formie zasadowej w studzience A3 przy pH 7,0; oszacuj, o ile 2 krople wskaźnika mogłyby zmienić pH 5 kropli niebuforowanej wody w kolumnie A i skomentuj, czy kolumnie A można ufać jako pomiarowi; zaproponuj zestaw wskaźników, który objąłby nawiasem dowolne pH od 1 do 13 z dokładnością do jednej jednostki, i oblicz, ilu barwników to wymaga.
Podstawowe wyposażenie laboratorium
Instrumenty
- Płytki do hodowli (2, po sześć dołków każda; kolumny oznaczone od A do C, rzędy oznaczone od 1 do 4)
- Kroplomierze (7 — po jednym na każdą nieznaną substancję i jeden na wskaźnik)
- Tablet (do rejestrowania i przeglądania obrazu tablicy rejestracyjnej)
- Skale pomiarowe dla czterech wskaźników (na stole)
Produkty
- Oranż metylowy (wskaźnik, zakres przejścia od 3,2 do 4,4)
- Czerwień metylowa (wskaźnik, zakres przejścia od 4,4 do 6,2)
- Błękit bromotymolowy (wskaźnik, zakres przejścia od 6,0 do 7,5)
- Fenoloftaleina (wskaźnik, zakres transformacji od 8,3 do 10,0)
- Nieznane roztwory 1, 2 i 3