Un indicator acido-bazic este un colorant care are o culoare în mediu acid și alta în mediu alcalin. Seturile de testare pentru piscine, seturile pentru sol, seturile pentru acvarii și hârtia universală din fiecare laborator școlar funcționează toate în acest mod, la fel ca și punctul de echivalență al unei titrări. Ceea ce face ca un indicator să fie util este și ceea ce îl limitează: un singur colorant răspunde la o singură întrebare — pH-ul este deasupra sau dedesubtul intervalului meu de viraj? — așa că o singură eprubetă sau cavitate nu poate oferi niciodată o valoare exactă a pH-ului, ci doar o inegalitate. Totuși, dacă se plasează mai mulți coloranți cu intervale diferite unul lângă celălalt, inegalitățile se restrâng reciproc din ambele părți.
Fiecare colorant se comportă în acest fel deoarece colorantul este el însuși un acid slab. Forma sa protonată HIn și forma sa deprotonată In− absorb lumina diferit, iar cele două se află în echilibru: HIn + H2O ⇌ In− + H3O+. Rearanjarea expresiei echilibrului dă pH = pKÎn + log([În−]/[HIn]), astfel încât raportul dintre cele două forme colorate este determinat exclusiv de pH. Ochiul încetează să mai distingă un amestec de forma pură la un raport de aproximativ unu la zece, motiv pentru care fiecare indicator își schimbă culoarea pe o bandă lată de aproximativ două unități de pH, centrată pe propriul pKÎn, și afișează o singură culoare plată de o parte și de alta a acelei benzi.
În acest laborator, veți umple două plăci cu șase godeuri sub formă de grilă de trei pe patru: trei soluții necunoscute turnate pe coloanele A, B și C și patru indicatori — metil oranj, roșu de metil, albastru de bromotimol și fenolftaleină — plasați de-a lungul rândurilor 1 la 4. Doisprezece godeuri dau douăsprezece culori. Veți captura placa cu tableta, veți compara fiecare godeu cu diagrama de referință gradată afișată pe bancul de lucru pentru acel indicator, veți nota inegalitatea pe care o implică fiecare culoare și veți combina cele patru inegalități din fiecare coloană pentru a încadra pH-ul acelei necunoscute. Una dintre cele trei paranteze se va dovedi a fi unilaterală, ceea ce reprezintă un rezultat în sine.
Obiective educaționale
Lucrul cu o placă cu godeuri
- Încărcați o placă cu douăsprezece godeuri în mod sistematic, câte o soluție per coloană și câte un indicator per rând, astfel încât fiecare godeu să aibă o identitate cunoscută înainte ca vreo culoare să apară.
- Folosiți o pipetă separată pentru fiecare lichid și eliberați un număr numărat de picături și explicați ce ar face contaminarea încrucișată dintre godeuri asupra rezultatului.
Cum funcționează un indicator
- Un indicator este un acid slab ale cărui forme protonată și deprotonată diferă prin culoare, iar intervalul său de viraj este legat de $pK_a$-ul său, acoperind de obicei aproximativ două unități de pH în jurul valorii $pK_a$ a indicatorului.În.
- Explicați de ce intervalul de tranziție are o lățime de aproximativ două unități de pH și de ce un indicator nu oferă nicio informație cu privire la valoarea pH-ului în afara propriului său interval.
Citirea unei culori ca inegalitate
- Conversia culorii observate a unei fântâni într-o declarație privind pH-ul — o limită superioară, o limită inferioară sau un interval atunci când colorantul este surprins în timpul tranziției.
- Potriviți o culoare parțial tranziționată cu diagrama gradată de laborator pentru a estima un pH la aproximativ o zecime de unitate și spuneți de ce acea estimare este disponibilă pentru o singură din cele douăsprezece godeuri din fiecare coloană.
Combinarea dovezilor din mai multe teste
- Intersectați patru inecuații pentru a obține cel mai restrâns interval pe care îl susține placa pentru fiecare necunoscută.
- Recunoaște când un set de teste nu reușește să mărginească un rezultat dintr-o parte și menționează ce indicator suplimentar ar fi necesar pentru a închide intervalul.
Înregistrare și raportare
- Fotografiază placa cu tableta și folosește imaginea salvată ca înregistrare principală, în loc să te bazezi pe memorie.
- Raportați fiecare necunoscută ca o paranteză cu dovezile sale susținătoare, nu ca pe un număr gol.
Protocol
Două plăci cu godeuri sunt pe masă, etichetate de la A la C și de la 1 la 4.
- Pune 5 picături din soluția necunoscută 1 în fiecare godeu din coloana A.
- Pune 5 picături din soluția necunoscută 2 în fiecare godeu din coloana B.
- Pune 5 picături de soluție necunoscută 3 în fiecare godeu din coloana C.
- Adaugă 2 picături de metil orange în fiecare godeu din rândul 1.
- Adăugați 2 picături de roșu de metil în fiecare godeu al rândului 2.
- Adăugați 2 picături de albastru de bromotimol în fiecare godeu al rândului 3.
- Adăugați 2 picături de fenolftaleină în fiecare godeu al rândului 4.
- Cu tableta, capturați o imagine a plăcilor pentru godeuri făcând clic pe butonul (Salvați imaginea).
- Culorile fiecărui puț așternute sunt indicate în imaginea capturată pe care o puteți găsi în secțiunea “Imagine” din rezultate.
Rezultatele se găsesc în tabelul de rezultate.
Rezultate anticipate
Cei patru indicatori sunt aleși astfel încât intervalele lor de viraj să acopere scara pH-ului de la aproximativ 3 la aproximativ 10, cu doar mici discontinuități. Intervalele de mai jos sunt cele imprimate pe diagramele de referință gradate de pe bancul de lucru, iar culorile godeurilor sunt cele produse de simulare.
| Indicator | Rând | Gama de tranziție (diagramă de banc) | Formă acidă | Formă de bază | PKÎn |
|---|---|---|---|---|---|
| Metiloranj | 1 | 3,2 până la 4,4 | roșu | galben | ≈ 3,7 |
| Roșu de metil | 2 | 4,4 până la 6,2 | roșu | galben | ≈ 5,1 |
| Albastru de bromotimol | 3 | 6,0 până la 7,5 | galben | albastru | ≈ 7,1 |
| Fenolftaleină | 4 | 8,3 până la 10,0 | incolor | roz la magenta | ≈ 9,4 |
Farfuria. Cele douăsprezece puțuri și semnificația fiecărei culori sunt prezentate mai jos. Ultimele două rânduri oferă intersecția celor patru inegalități din fiecare coloană și identitatea soluției.
Placa așa cum a fost capturată de tabletă la sfârșitul rulării. Coloanele A, B și C sunt cele trei soluții necunoscute; rândurile 1 până la 4 sunt metiloranj, roșu de metil, albastru de bromotimol și fenolftaleină.
| Rând / indicator | Coloana A (necunoscută 1) | Coloana B (necunoscută 2) | Coloana C (necunoscută 3) |
|---|---|---|---|
| 1 — metiloranj | galben → pH > 4,4 | roșu → pH < 3,2 | galben → pH > 4,4 |
| 2 — roșu de metil | galben → pH > 6,2 | roșu → pH < 4,4 | galben → pH > 6,2 |
| 3 — albastru de bromotimol | verde → 6,0 < pH < 7,5 | galben → pH < 6,0 | albastru → pH > 7,5 |
| 4 — fenolftaleină | incolor → pH < 8,3 | incolor → pH < 8,3 | roz → 8,3 < pH < 10,0 |
| Suportul de pe placă | de la 6,2 la 7,5 și ≈ 7,0 prin potrivirea culorii verzi | pH < 3,2 — fără limită inferioară | de la 8,3 la 10,0 și ≈ 9,0 prin potrivirea rozului |
| Identitate | H2O, pH 7,00 | HCl 1,0 × 10−3 mol/L, pH 3,00 | NaOH 1,0 × 10−5 mol/L, pH 9,00 |
Verificarea celor trei identități. Fiecare pH publicat derivă din concentrația dintr-o singură linie. Apa pură se autoionizează în măsura Kw = [H3O+][OH−] = 1,0 × 10−14 la 25 °C, deci [H3O+] = √Kw = 1,0 × 10−7 mol/L și pH = 7.00. Acidul clorhidric ionizează complet, deci necunoscuta 2 are [H3O+] = 1,0 × 10−3 mol/L și pH = −log(1,0 × 10−3) = 3,00. Hidroxidul de sodiu disociază complet, deci necunoscuta 3 are [OH−] = 1,0 × 10−5 mol/L, pOH = 5.00 și pH = 14.00 − 5.00 = 9.00. Toate trei se încadrează în intervalul indicat de placă, iar necunoscutele 1 și 3 sunt determinate cu o precizie de câteva zecimi.
Rezumatul temei pe intervale de note
Clasele a IX-a și a X-a
Concentrare: încărcarea atentă a plăcii, descrierea precisă a culorii și ideea că o culoare este o dovadă a pH-ului, mai degrabă decât o valoare a pH-ului.
Activități: umpleți cele douăsprezece godeuri în ordinea dată și păstrați o hartă scrisă a soluției și a indicatorului care se află în fiecare; denumiți culoarea din fiecare godeu și copiați imaginea salvată în caiet; pentru fiecare godeu, citiți din diagrama de laborator dacă pH-ul este deasupra sau dedesubtul intervalului indicatorului; identificați singurul godeu de pe placă care nu are niciuna dintre cele două culori ale indicatorului și spuneți ce înseamnă acest lucru; clasificați cele trei substanțe necunoscute de la cel mai acid la cel mai alcalin.
Clasa a XI-a
Concentrare: transformarea a douăsprezece observații în trei paranteze.
Activități: scrieți inegalitatea implicată de fiecare dintre cele douăsprezece godeuri; intersectați cele patru inegalități din fiecare coloană și indicați intervalul rezultat; estimați pH-ul necunoscutelor 1 și 3 la a zecea parte dintr-o unitate prin potrivirea godeurilor verzi și roz cu diagramele gradate; explicați de ce necunoscuta 2 are doar o limită superioară și numiți un indicator care ar oferi una inferioară; convertiți fiecare pH estimat într-o concentrație de hidroniu și verificați-o în raport cu concentrația declarată a soluției.
Clasa a XII-a / Nivel universitar
Concentrare: echilibrul indicatorului și limitele unei metode colorimetrice.
Activități: deduceți pH = pKÎn + log([În−]/[HIn]) din constanta de aciditate a indicatorului și arătați că un raport de la 1:10 la 10:1 acoperă două unități de pH; estimați pKÎn pentru fiecare dintre cei patru coloranți de la punctul de mijloc al intervalului lor reprezentat grafic și comparați cu valorile publicate; calculați fracțiunea de albastru de bromotimol în forma sa bazică din godeul A3, având pH-ul 7,0; estimați cât de mult ar putea deplasa cele 2 picături de indicator pH-ul celor 5 picături de apă netarifată (neproiectată/neamponată) din coloana A și comentați dacă coloana A poate fi considerată de încredere ca măsurătoare; propuneți un set de indicatori care ar încadra orice pH de la 1 la 13 în limita unei unități și calculați câți coloranți necesită acest lucru.
Esențiale de laborator
Instrumente
- Plăci cu godeuri (2, câte șase godeuri fiecare; coloanele etichetate de la A la C, rândurile etichetate de la 1 la 4)
- Pipete (7 — una pentru fiecare soluție necunoscută și una pentru indicator)
- Tabletă (pentru capturarea și vizualizarea imaginii plăcuței)
- Tabele de referință gradate pentru cei patru indicatori (pe bancul de probă)
Produse
- Metil oranj (indicator, tranziție 3,2 la 4,4)
- Roșu de metil (indicator, interval de viraj 4,4 la 6,2)
- Albastru de bromotimol (indicator, interval de viraj 6,0 - 7,5)
- Fenolftaleină (indicator, interval de viraj 8,3 la 10,0)
- Soluțiile necunoscute 1, 2 și 3