Dodając cytrynę do esencji herbacianej, sprawisz, że zblednie lub zmieni swoją barwę na żółtą. Z kolei inny będzie mieć kolor, jeśli dodasz ją do soku z buraka lub naparu z hibiskusa. Jeszcze inny, jeśli użyjesz sody oczyszczonej. W chemii odczyn roztworu określa się za pomocą wskaźników kwasowo‑zasadowych, zwanych także indykatoramiwskaźniki kwasowo‑zasadowe (indykatory)indykatorami. Są to substancje, które pod wpływem przemian odczynu środowiska zmieniają swoją barwę. Ale czy potrafisz powiedzieć, dlaczego tak się dzieje?

Do określenia pH najczęściej używane są indykatoryindykatorindykatory (wskaźniki) pH. Głównie to słabe kwasy lub słabe zasady organiczne, które w wyniku zmiany stężeń jonów ${\text{H}}_3{\text{O}}^{+}$ i ${\text{OH}}^{-}$ zmieniają swoją formę, co w konsekwencji skutkuje zmianą zabarwienia roztworu. Przykładowo, w przypadku wskaźnika pH, będącego słabym kwasem organicznym, może ustalać się następująca równowaga:

Gdzie:

• $\text{HInd}$ – wskaźnik w postaci kwasu;

• ${\text{Ind}}^{-}$ – sprzężona z nim zasada.

Forma $\mathrm{HInd}$ nadaje inną barwę roztworowi niż forma ${\text{Ind}}^{-}$. Stąd, w wyniku zajścia przedstawionej reakcji, zmienia się barwa roztworu.

Wskaźnik uniwersalny jest to mieszanina różnych wskaźników, która zmienia barwę w skali pH od $0$ do $14$. Nasączone wskaźnikiem uniwersalnym papierki nazywane są uniwersalnymi papierkami wskaźnikowymi.

R19zOVgrqfshO

Ilustracja przedstawiająca rolkę z nawiniętym papierkiem wskaźnikowym. Na wierzchu rolki skala pH od jednego do czternastu. Swoisty kolor papierka jest żółty. Od pH równego 14 zaznaczonego po lewej stronie, przy którym papierek barwi się na granatowo, dalej, idąc w prawo, pH równe dwanaście dla koloru niebieskiego. Dla koloru jasnoniebieskiego pH wynoszące dziesięć, dla ciemnozielonego pH równe dziewięć, dalej dla jasnozielonego pH wynoszące osiem. Dla pH równego siedem papierek zachowuje swoistą barwę, to jest żółtą. Następnie dla pH równego sześć barwi się na ciemnożółty kolor, przechodząc coraz bardziej w prawą stronę, dla pH pięć przyjmuje zabarwienie jasnopomarańczowe, dla pH cztery pomarańczowe, dla pH trzy ciemnopomarańczowe, dla pH równego dwa czerwone i wreszcie najbardziej po prawo dla pH wynoszącego jeden barwa ciemnoczerwona.

Fenoloftaleina jest jednym z najczęściej stosowanych wskaźników pH. Powszechnie wiadomo, że w środowisku zasadowym zmienia barwę z bezbarwnej na malinową (różowo‑czerwoną). Jednak fenoloftaleina posiada bogatszą paletę barw.

RkqQTwrr3A0I2

Ilustracja przedstawiająca barwy roztworów wodnych fenoloftaleiny w zależności od pH. Przy odczynie silnie kwasowym i pH poniżej zera barwa roztworu jest pomarańczowa. Przy pH wynoszącym od zera do 8,2 roztwór fenoloftaleiny jest bezbarwny. Przy odczynie zasadowym i pH od 8,2 do 12,0 barwa roztworu jest malinowa (fioletowo‑różowa). Dla silnie zasadowych roztworów przy pH powyżej czternastu roztwór jest bezbarwny.

Przyjmuje intensywne zabarwienie koloru malinowego w roztworach zasadowych w pH od $\mathrm{8,2}$ do $\mathrm{12,0}$. Powyżej tego pH jej malinowe zabarwienie stopniowo zanika. W środowisku kwasowym lub obojętnym jest bezbarwna. W przypadku bardzo niskiego pH (poniżej $0$) przyjmuje pomarańczowe zabarwienie.

Oranż metylowy jest to wskaźnik dla roztworów o odczynie mocno kwasowym.

R44XVpWMMPk9a

Ilustracja przedstawiająca dwie probówki. Pierwsza z roztworem oranżu metylowego przy pH poniżej 3,2. Ma on barwę czerwoną. Druga zawiera roztwór o pH wynoszącym powyżej 4,4, którego barwa jest żółta.

Wskaźnikami pochodzenia naturalnego są np.: sok z czerwonej kapusty, wywar z buraka, borówki, napar z czarnej herbaty czy kwiat kalafioru fioletowego. Nie są one jednak powszechnie używane, ze względu na swoją krótką trwałość.

Ciekawostka

Za zmianę barwy wywaru z czerwonej kapusty odpowiadają antocyjany. Są to związki organiczne o złożonej budowie.

RuXdXuB1M6WU5

Ilustracja przedstawiająca kation flawyliowy – wzór ogólny dla struktury antocyjanidyn. Cząsteczka składa się z dwóch skondensowanych sześcioczłonowych pierścieni aromatycznych. Pierwszy zbudowany z atomów węgla, podstawiony jest grupami ${\text{R}}^5$, ${\text{R}}^6$ i ${\text{R}}^7$. Drugi sześcioczłonowy pierścień, składający się z pięciu atomów węgla i jednego atomu tlenu, ma dwa wspólne atomy węgla z pierwszym pierścieniem, to tak zwane atomy mostkowe, przy jednym z nich znajduje się atom tlenu obdarzony ładunkiem dodatnim. Łączy się on za pomocą wiązania podwójnego z atomem węgla C2 podstawionym pierścieniem fenylowym, który to posiada trzy podstawniki, dwa pozycjach meta, odpowiednio ${\text{R}}^{3\text{'}}$ oraz ${\text{R}}^{5\text{'}}$, a także podstawnik w pozycji orto ${\text{R}}^{4\text{'}}$. Wspomniany pierścień posiadający w swej strukturze atom tlenu, jest również podstawiony w pozycji trzeciej C3 podstawnikiem ${\text{R}}^3$.

W trakcie zmiany pH, w antocyjanach zachodzą złożone reakcje chemiczne. Ze względu na złożoną budowę cząsteczek antocyjanów, wywar z czerwonej kapusty jest wskaźnikiem działającym w szerokim zakresie pH. Jednakże powyżej pewnej wartości zachodzi reakcja, która dezaktywuje wskaźnik i nie pozwala na jego dalsze działanie.

Powyższe wskaźniki nie są dostatecznie precyzyjne, aby określić pH z dużą dokładnością. W celu określenia pH z dużą dokładnością, używa się pH‑metru lub metod analitycznych. Urządzenie, jakim jest pH‑metrpH‑metrpH‑metr, pozwala na precyzyjne określenie pH roztworu. Składa się on z elektrody oraz miernika. W rzeczywistości jest to pomiar tak zwanej siły elektromotorycznej (SEM), na podstawie której określany jest potencjał elektrochemiczny. Metody elektrochemiczne należą do jednych z najbardziej precyzyjnych metod pomiarowych. W trakcie pomiaru układ musi być termostatowanytermostatowanietermostatowany. Oznacza to, że temperatura podczas pomiaru jest stała. Miernik sam przelicza SEM na pH. 

RWdphrbBYxLvb

Zdjęcie przedstawiające zestaw do mierzenia pH znajdujący się na blacie. Elektroda jest umieszczona w zlewce z niebieskim roztworem. Na wyświetlaczu pH‑metru wartość pH równa 7.053.

R16rYI1MyjQcS

Rysunek przedstawiający schemat budowy elektrody. U dołu znajduje szklana membrana w kształcie bańki, która to pokryta jest warstwą żelową uwodnionej krzemionki. Wnętrze bańki wypełnia elektrolit roztwór $\text{HCl}$ o stężeniu 0,1 mol na decymetr sześcienny i o pH równym jeden. We wspomnianym roztworze zanurzona jest elektroda, która umocowana jest na srebrnym drucie. Powyżej bańki znajduje się zwężenie, ponad którym ścianki rozszerzają się i przybiera ona walcowaty kształt, tworząc rurkę, która to mieści się drugiej rurce mającej początek od poszerzenia do góry. Druga rurka wypełniona jest roztworem $\text{KCl}$ w niej zanurzona jest elektroda odniesienia, również na srebrnym drucie, pokryta chlorkiem srebra $\text{AgCl}$. W dolnej części zewnętrznej części elektrody, tej z roztworem $\text{KCl}$, znajduje się diafragma.

Przygotowanie aparatu do pomiaru

Pierwszym krokiem potrzebnym do wykonania pomiaru pH jest kalibracja pH‑metru. Wykonywana jest ona w celu zapewnienia dokładności pomiaru, ponieważ aktywność jonów oksoniowych zależy od temperatury. Większość nowoczesnych pH‑metrów ma dodatkową opcję kompensacji temperatury, dzięki czemu wpływ temperatury jest niwelowany. Aby wykalibrować pH‑metr są nam potrzebne roztwory wzorcowe, które możemy zakupić w sklepie chemicznym lub przygotować w laboratorium roztwory buforowe Britton’a–Robinson’a.

Aby wykonać kalibrację postępuj zgodnie z instrukcją dołączoną do pH‑metru. Zwykle procedura kalibracji przebiega w następujacy sposób:

1. Wyciągnij elektrodę z naczynia z wodnym roztworem chlorku potasu, w którym jest ona zanurzona, a następnie przepłucz ją wodą destylowaną. Pozostałą na szklanej bańce wodę zbierz za pomocą bibuły.

2. Umieść elektrodę w roztworze buforowym, tak, aby w roztworze znalazł się punkt elektrody oznaczony na rysunku jako „diafragma”.

3. Naciśnij przycisk kalibracji i odczekaj do momentu, aż urządzenie poinformuje cię o zakończeniu pomiaru.

W zależności od rodzaju pH‑metru możemy kalibrować go na kilka roztworów buforowych, a im więcej użytych roztworów tym dokładniejsze wyniki pomiarów. Trzeba pamiętać o tym, aby przed każdym pomiarem przepłukać elektrodę wodą destylowaną i dokładnie osuszyć.

W celu prawidłowego działania pH‑metru kalibrację należy wykonać ściśle przestrzegając instrukcji dołączonej przez producenta.

Wykonanie pomiaru

Po wykonaniu kalibracji możesz przystąpić do pomiaru.

Pamiętaj, że każdy pomiar powinien być poprzedzony przemyciem elektrody i osuszeniem zgodnie z instrukcją opisaną w czasie kalibracji. Elektrodę należy oczyścić również po jej ostatnim użyciu, a przed ponownym jej umieszczeniem w roztworze $\text{KCl}$.

Sam pomiar polega również na zanurzeniu elektrody w analizowanym roztworze (pamiętaj o konieczności zanurzenia diafragmy). Niektóre pH‑metry wymagają dodatkowo wciśnięcia odpowiedniego przycisku rozpoczynającego pomiar.