Colorimetria este cel mai ieftin mod de a măsura o cantitate chimică: adaugi un reactiv care își schimbă culoarea în funcție de cantitatea dorită, apoi compari rezultatul cu un set de referințe de valoare cunoscută. Nu necesită curent electric, calibrare sau alte ustensile de laborator în afară de un tub, motiv pentru care rămâne metoda standard pentru testarea piscinelor și a acvariilor, pentru studiile de teren ale lacurilor și râurilor și pentru bandeletele reactive folosite în clinici. Limita sa este la fel de evidentă – rezultatul este pe măsură ochiului care îl citește și la fel de precis pe cât este spațierea referințelor.
Cantitatea măsurată aici este pH-ul, definit ca pH = −log[H3O+], astfel încât fiecare unitate întreagă de pH reprezintă o modificare de zece ori a concentrației ionilor de hidroniu. Un indicator universal nu este un singur colorant, ci un amestec de mai mulți acizi slabi, fiecare schimbând culoarea într-o bandă îngustă și diferită de pH. Deoarece constantele lor de disociere acidă sunt eșalonate, amestecul în ansamblu își schimbă culoarea progresiv, de la roșu prin galben și verde până la albastru, pe un interval de la aproximativ pH 3 la pH 10, iar acea culoare poate fi folosită ca substitut pentru o măsurare a [H3O+] care altfel ar necesita un electrod.
În acest laborator veți construi singuri skala de referință, în loc să vi se dea una gata făcută. Veți măsura porții de 25 mL de soluții cu pH cunoscut într-un stativ cu eprubete, veți adăuga cinci picături de indicator universal în fiecare și astfel veți produce o scală de culori de la pH 3 la pH 7. Apoi veți trata o probă de apă de lac în același mod, îi veți potrivi culoarea cu scala voastră pentru a-i obține pH-ul, veți extinde scala la pH 8 și pH 9 dacă proba se dovedește a fi alcalină și, în final, veți verifica fiecare eprubetă cu un pH-metru pentru a vedea cât de aproape a fost rezultatul colorimetric.
Obiective educaționale
Înțelegerea pH-ului ca scală logaritmică
- Definiția pH-ului este pH = −log[H⁺]3O+] și să convertească în ambele direcții între un pH și o concentrație de hidroniu.
- Explicați de ce o probă la pH 5 este de o mie de ori mai acidă decât una la pH 8 și de ce o diferență de o jumătate de unitate de pH nu este o diferență mică.
Construirea și utilizarea unei scări de referință colorimetrice
- Pregătiți o serie de tuburi de referință în condiții identice — același volum, același număr de picături, același tub — și explicați de ce fiecare dintre aceste condiții trebuie menținută constantă.
- Determinați pH-ul unei probe necunoscute comparând-o cu seria și dați răspunsul sub formă de interval, mai degrabă decât ca o singură cifră.
- Recunoaște când eșantionul depășește scala și extinde scala în loc să ghicești.
Manipularea indicatorului și a sticlăriei
- Măsurați 25 mL într-un cilindru gradat și livrați un număr numărat de picături dintr-o pipetă.
- Agitați o eprubetă fără a pierde conținutul și clătiți și uscați electrodul între eprubete, astfel încât o soluție să nu o contamineze pe următoarea.
Verificarea încrucișată a unei metode cu alta
- Comparați rezultatul colorimetric pentru fiecare eprubetă cu citirea de pe pH-metru și centralizați diferența într-un tabel.
- Explicați ce măsoară cele două metode și de ce electrodul este cel mai de încredere dintre cele două.
Evaluarea limitelor unei metode vizuale
- Indicați cea mai fină rezoluție pe care o poate susține o scală în pași de o unitate de pH și cum ar putea fi îmbunătățită.
- Identificați condițiile în care indicatorul însuși schimbă pH-ul probei pe care o măsoară.
Protocol
Partea 1: Pregătiți o scară colorimetrică folosind indicatorul de pH disponibil
- Folosind cilindrul gradat, măsoară 25 ml de soluție pH3 și apoi toarnă în eprubeta 1.
- Repetați pasul a) cu soluțiile cu pH 4, 5, 6 și 7 și eprubetele 2, 3, 4 și 5.
- Folosind pipeta, adaugă 5 picături de indicator de pH în fiecare dintre eprubetele 1 până la 5.
- Amestecați conținutul eprubetelor cu o baghetă de sticlă, sau prin punerea unui dop și amestecarea ușoară de la dreapta la stânga.
- Folosind cilindrul gradat, măsurați 25 ml din proba de apă de lac și apoi turnați în eprubeta 6.
- Folosind pipeta, adăugați 5 picături de indicator de pH în eprubeta 6.
- Amestecați conținutul eprubetei cu o baghetă de sticlă sau prin punerea dopului și amestecarea ușoară de la dreapta la stânga.
Partea 2: Determinarea pH-ului apei de râu folosind scara colorimetrică
- Determinați pH-ul apei de râu comparând culoarea probei din eprubeta 6 cu scala colorimetrică de pe afișul de pe tejghea.
-> Dacă pH-ul pare să fie peste 7, completați scara colorimetrică folosind soluțiile de pH 8 și 9 și eprubetele 7 și 8. Dacă pH-ul este sub 7, treceți la Partea 3 pentru a valida pH-ul fiecărei soluții cu pH-metrul.
- Folosind cilindrul gradat, măsurați 25 ml de soluție cu pH 8 și apoi turnați în eprubeta 7.
- Folosind picurătorul, adaugă 5 picături de indicator de pH în eprubeta 7.
- Folosind cilindrul gradat, măsurați 25 ml de soluție cu pH 9 și apoi turnați în eprubeta 8.
- Folosind pipeta, adăugați 5 picături de indicator de pH în eprubeta 8.
- Amestecați conținutul eprubetelor cu o baghetă de sticlă, sau prin punerea unui dop și amestecarea ușoară de la dreapta la stânga.
- Compară din nou pH-ul apei râului folosind această nouă scară (pH de la 3 la 9).
Partea a 3-a: Validați pH-ul fiecărei soluții cu pH-metrul
- Introduceți electrodul pH-metrului în eprubeta care conține apa de râu (eprubeta 6) și în celelalte eprubete pentru a valida pH-ul fiecărei soluții.
- Înregistrați valoarea afișată pe cadranul digital al pH-metrului.
Nu uitați: între măsurători, clătiți electrodul cu apă distilată și uscați-l cu un prosop de hârtie.
Rezultate anticipate
Nu există un singur răspuns corect pentru acest laborator. pH-ul probei de apă din lac este extras din nou de fiecare dată când activitatea este reluată și se situează undeva între 3 și 9, așa că ceea ce se notează nu este numărul pe care elevul îl raportează, ci procedura, intervalul pe care îl menționează în jur și concordanța dintre citirea lor colorimetrică și pH-metru. Seria de referință însă este pe deplin determinată: opt eprubete cu pH cunoscut trebuie să dea culorile diagramei indicatorului universal, în ordine, fără inversări.
| Tub | pH standard | [H3O+] (mol/L) | Culoarea așteptată de la un indicator universal |
|---|---|---|---|
| 1 | 3 | 1 × 10−3 | Roșu spre roșu-portocaliu |
| 2 | 4 | 1 × 10−4 | Portocaliu |
| 3 | 5 | 1 × 10−5 | Galben-portocaliu |
| 4 | 6 | 1 × 10−6 | Galben spre galben-verzui |
| 5 | 7 | 1 × 10−7 | Verde |
| 6 | proba | de stabilit | Orice ar oferi eșantionul; comparat cu celelalte |
| 7 | 8 | 1 × 10−8 | Albastru-verde |
| 8 | 9 | 1 × 10−9 | Albastru |
Ce spune scala pH-ului. Deoarece pH = −log[H3O+], un pH de 5 corespunde lui [H3O+] = 10−5 mol/L și un pH de la 8 la 10−8 mol/L: proba acidă conține de o mie de ori mai mulți hidronioni decât cea alcalină. Acest lucru merită a fi menționat explicit înainte de începerea potrivirii culorilor, deoarece un elev care citește proba ca fiind “în jur de 6 sau 7” a indicat o gamă de zece ori mai mare a concentrației de hidronioni. În apa dulce, acest lucru contează și din punct de vedere biologic: majoritatea icrelor de pește eșuează sub un pH de aproximativ 5,5, iar un lac cu pH-ul 4 este practic steril.
De ce un indicator universal își schimbă culoarea treptat. Un singur indicator este un acid slab ale cărui două forme au culori diferite: HIn ⇌ H+ + În−, cu Ka = [H+][În−] / [HIn], și prin urmare [In−] / [HIn] = Ka / [H+La pH = pKa cele două forme sunt prezente în cantități egale și culoarea este la jumătatea distanței dintre ele; cu o unitate de pH mai jos, raportul este de 1 : 10 și domină culoarea acidă; cu o unitate mai sus, este de 10 : 1 și domină culoarea de bază. Prin urmare, un singur colorant are o tranziție utilizabilă de numai aproximativ două unități de pH, motiv pentru care un indicator “universal” este un amestec de patru sau cinci coloranți cu pKa valori spațiate la aproximativ două unități distanță. Curcubeul continuu de pe grafic este suma acelor tranziții care se suprapun, nu comportamentul vreunei molecule individuale.
De ce cinci picături și de ce aceleași cinci picături în fiecare eprubetă?. Indicatorul este el însuși un acid slab, așa că eliberează ioni de hidroniu în orice soluție în care este adăugat. Cinci picături reprezintă aproximativ 0,25 mL, sau cam 1 % dintr-o porție de 25 mL — suficient de puțin pentru a nu afecta un etalon tamponat, dar nu neapărat suficient de puțin pentru o apă naturală slab tamponată, ceea ce ar putea fi exact cazul unei probe de lac. Adăugarea unui număr diferit de picături în diferite eprubete modifică și intensitatea culorii, ceea ce ar denatura comparația chiar dacă pH-ul nu s-ar modifica. Acesta este singurul aspect procedural pe care se bazează întreaga determinare și merită subliniat.
Ce adaugă pH-metrul. Electrodul de sticlă răspunde la activitatea ionilor de hidroniu prin relația Nernst, E = E0 − 0,0592 × pH la 25 °C, adică 59,2 mV pentru fiecare unitate de pH, iar aparatul de măsură transformă pur și simplu această tensiune într-un număr. De aici decurg două consecințe. Prima este rezoluția: un aparat de măsură care afișează până la 0,1 pH distinge o modificare de 6 mV, în timp ce o scală de culori în pași de câte o unitate întreagă nu poate fi citită în mod realist cu o precizie mai bună de aproximativ o jumătate de unitate, nici măcar de un ochi atent. A doua este că cele două metode sunt independente, astfel încât Partea a 3-a este o verificare reală, și nu o repetiție, iar rezultatul așteptat este o concordanță de aproximativ ±0,5 pH pe fiecare eprubetă. O neconcordanță sistematică într-o singură direcție pentru toate cele opt eprubete indică calibrarea aparatului de măsură; o neconcordanță doar la probă indică faptul că indicatorul a modificat pH-ul unei ape nebuterate.
Rezumatul temei pe intervale de note
Clasele a IX-a și a X-a
Concentrare: observație, vocabular și tehnică atentă. Studenții construiesc scara și o folosesc, fără a opera cu logaritmi.
Activități:
- Măsurați 25 mL în fiecare eprubetă și numărați exact cinci picături de indicator în fiecare, și explicați de ce ambele numere trebuie să fie aceleași pentru fiecare eprubetă.
- Înregistrați culoarea fiecărui tub de referință și a probei într-un tabel și etichetați capetele scalei ca acid, neutru și alcalin.
- Dați pH-ul apei lacului ca un interval, cum ar fi “între 6 și 7”, mai degrabă decât ca un singur număr.
- Citește pH-metrul pentru fiecare eprubetă și spune dacă scala de culori a corespuns cu acesta.
- Numiți trei locuri de zi cu zi unde pH-ul este măsurat printr-o comparație de culori.
Clasa a XI-a
Concentrare: scara logaritmică și comparația cantitativă a celor două metode.
Activități:
- Convertește fiecare pH standard din serie într-o concentrație de hidroniu folosind [H3O+] = 10−pH, și tabulați cele două coloane una lângă alta.
- Menționați de câte ori mai acid este cel mai acid standard decât cel mai alcalin și verificați răspunsul în raport cu diferența de pH.
- Tazelați citirea colorimetrică și citirea aparatului pentru toate cele opt tuburi și calculați diferența pentru fiecare; specificați dacă dezacordul este aleatoriu sau sistematic.
- Explicați folosind Ka = [H+][În−] / [HIn], de ce un singur indicator își schimbă culoarea pe parcursul a aproximativ două unități de pH.
- Calculați ce fracțiune din fiecare tub reprezintă soluția indicator și argumentați dacă aceasta este suficient de mică pentru a fi ignorată.
Clasa a XII-a / Nivel universitar
Concentrare: baza fizică a ambelor instrumente, analiza erorilor și critica metodei.
Activități:
- Derivați rezoluția electrodului din E = E0 − 0,0592 × pH, precizați modificarea tensiunii corespunzătoare unei variații de 0,1 pH și spuneți ce implică acest lucru în legătură cu impedanța de intrare a aparatului de măsură.
- Arătați de ce adăugarea unui indicator acid slab la o apă naturală slab tamponată îi poate modifica pH-ul și calculați o limită superioară a acestei modificări pentru o concentrație specificată a indicatorului și o probă netamponată.
- Propuneți cum ar trebui concepută o cercetare a unui lac real — numărul de puncte de măsurare, ora din zi, adâncimea, corecția de temperatură — și explicați de ce o singură probă nu vă oferă aproape nicio informație despre un lac.
Esențiale de laborator
Instrumente
- Eprubete (8) în stativ, cu dopuri
- Cilindru gradat (25 mL)
- Picurători
- Baghetă de sticlă
- Pahare Berzelius (50 mL și 250 mL)
- pH-metru cu electrod
- Diagramă colorimetrică a pH-ului (poster, pH 0 la 14)
- Prosop de hârtie
Produse
- Soluții tampon de referință pH (pH 3 până la pH 9)
- Probă de apă din lac (pH randomizat între 3 și 9)
- Soluție indicator de pH universal