Wśród różnorodnych substancji organicznych znajdują się specjalne związki, które charakteryzują się zmianą koloru w różnych środowiskach. Przed pojawieniem się nowoczesnych elektronicznych pehametrów wskaźniki były niezbędnymi „narzędziami” do oznaczania wskaźników kwasowo-zasadowych środowiska i nadal są stosowane w praktyce laboratoryjnej jako substancje pomocnicze w chemii analitycznej, a także w przypadku braku niezbędnego wyposażenia.
Do czego służą wskaźniki?
Początkowo właściwość tych związków do zmiany koloru w różnych mediach była szeroko wykorzystywana do wizualnego określania właściwości kwasowo-zasadowych substancji w roztworze, co pomogło określić nie tylko charakter medium, ale także wyciągnąć wniosek dotyczący powstałych produktów reakcji. Roztwory wskaźnikowe są nadal stosowane w praktyce laboratoryjnej do oznaczania stężenia substancji przez miareczkowanie i pozwalają nauczyć się korzystać z metod improwizowanych w przypadku brakunowoczesne mierniki pH.
Istnieje kilkadziesiąt takich substancji, z których każda jest wrażliwa na dość wąski obszar: zwykle nie przekracza 3 punktów na skali informacyjności. Dzięki takiej różnorodności chromoforów i ich niskiej aktywności między sobą naukowcom udało się stworzyć uniwersalne wskaźniki, które znajdują szerokie zastosowanie w warunkach laboratoryjnych i produkcyjnych.
Najczęściej używane wskaźniki pH
Warto zauważyć, że oprócz właściwości identyfikacyjnych, związki te mają dobrą zdolność barwienia, co pozwala na ich zastosowanie do barwienia tkanin w przemyśle włókienniczym. Spośród dużej liczby wskaźników barwnych w chemii najbardziej znane i stosowane są oranż metylowy (pomarańcz metylowy) i fenoloftaleina. Większość innych chromoforów jest obecnie używanych zmieszanych ze sobą lub do określonych syntez i reakcji.
Pomarańcza metylowa
Wiele barwników nosi nazwy swoich podstawowych kolorów w neutralnym środowisku, co dotyczy również tego chromoforu. Oranż metylowy jest barwnikiem azowym posiadającym w swoim składzie ugrupowanie N=N, które odpowiada za przejście barwy wskaźnika na czerwoną w środowisku kwaśnym, a na żółtą w środowisku zasadowym. Same związki azowe nie są mocnymi zasadami, jednak obecność grup elektronodonorowych (‒ OH, ‒ NH2, ‒ NH (CH3), ‒ N (CH 3)2 i inne) zwiększa zasadowość jednego z atomów azotu,który staje się zdolny do przyłączania protonów wodoru zgodnie z zasadą donora-akceptora. Dlatego przy zmianie stężeń jonów H+ w roztworze można zaobserwować zmianę barwy wskaźnika kwasowo-zasadowego.
Więcej o wytwarzaniu pomarańczy metylowej
Uzyskaj oranż metylowy w reakcji z diazowaniem kwasu sulfanilowego C6H4(SO3H)NH2, a następnie połączenie z dimetyloaniliną C6H5N(CH3)2. Kwas sulfanilowy rozpuszcza się w alkalicznym roztworze sodu przez dodanie azotynu sodu NaNO 2, a następnie ochłodzono lodem w celu przeprowadzenia syntezy w temperaturach jak najbardziej zbliżonych do 0°C i dodano kwas solny HCl. Następnie przygotowuje się oddzielny roztwór dimetyloaniliny w HCl, który po schłodzeniu wlewa się do pierwszego roztworu, otrzymując barwnik. Jest dalej alkalizowany iz roztworu wytrącają się ciemnopomarańczowe kryształy, które po kilku godzinach są odfiltrowywane i suszone w łaźni wodnej.
Fenoloftaleina
Ten chromofor otrzymał swoją nazwę od dodania nazw dwóch odczynników zaangażowanych w jego syntezę. Barwa wskaźnika jest godna uwagi ze względu na zmianę barwy w środowisku alkalicznym wraz z nabyciem odcienia malinowego (czerwono-fioletowego, malinowo-czerwonego), który staje się bezbarwny, gdy roztwór jest silnie zalkalizowany. Fenoloftaleina może przybierać różne formy w zależności od pH środowiska, a w środowiskach silnie kwaśnych ma kolor pomarańczowy.
Ten chromofor jest wytwarzany przez kondensację fenolu i bezwodnika ftalowego w obecności chlorku cynku ZnCl2 lub stężonego kwasu siarkowego H2 SO 4. W stanie stałym cząsteczki fenoloftaleiny są bezbarwnymi kryształami.
Wcześniej fenoloftaleina była aktywnie wykorzystywana do tworzenia środków przeczyszczających, ale stopniowo jej użycie zostało znacznie ograniczone ze względu na ustalone właściwości kumulacyjne.
Likmus
Ten wskaźnik był jednym z pierwszych odczynników stosowanych na podłożach stałych. Litmus to złożona mieszanina naturalnych związków pozyskiwanych z niektórych rodzajów porostów. Stosowany jest nie tylko jako środek barwiący, ale także jako środek do określania pH podłoża. Jest to jeden z pierwszych wskaźników, który zaczął być stosowany przez człowieka w praktyce chemicznej: stosuje się go w postaci roztworów wodnych lub impregnowanych nim pasków bibuły filtracyjnej. Lakmus w stanie stałym to ciemny proszek o lekkim zapachu amoniaku. Po rozpuszczeniu w czystej wodzie kolor wskaźnika staje się fioletowy, a po zakwaszeniu zmienia kolor na czerwony. W środowisku alkalicznym lakmus zmienia kolor na niebieski, co umożliwia wykorzystanie go jako uniwersalnego wskaźnika do ogólnego oznaczania wskaźnika ośrodka.
Nie jest możliwe dokładne ustalenie mechanizmu i charakteru reakcji zachodzącej, gdy pH zmienia się w strukturach lakmusowych składników, ponieważ może ona obejmować do 15 różnych związków, z których niektóremogą być nieodłącznymi składnikami aktywnymi, co komplikuje ich indywidualne badania właściwości chemicznych i fizycznych.
Uniwersalny papier wskaźnikowy
Wraz z rozwojem nauki i pojawieniem się papierków wskaźnikowych, ustanowienie wskaźników środowiskowych stało się znacznie prostsze, ponieważ teraz nie było konieczne posiadanie gotowych odczynników płynnych do jakichkolwiek badań terenowych, które naukowcy i kryminalistyczni nadal z powodzeniem używać. Rozwiązania zostały więc zastąpione uniwersalnymi papierkami wskaźnikowymi, które dzięki szerokiemu spektrum działania prawie całkowicie wyeliminowały potrzebę stosowania jakichkolwiek innych wskaźników kwasowo-zasadowych.
Skład impregnowanych pasków może się różnić w zależności od producenta, dlatego przybliżona lista składników może wyglądać następująco:
- fenoloftaleina (0-3, 0 i 8, 2-11);
- (di)żółć metylowa (2, 9–4, 0);
- pomarańcza metylowa (3, 1–4, 4);
- czerwień metylowa (4, 2–6, 2);
- błękit bromotymolowy (6, 0–7, 8);
- α‒naftoloftaleina (7, 3–8, 7);
- błękit tymolowy (8, 0–9, 6);
- krezoloftaleina (8, 2–9, 8).
Opakowanie koniecznie zawiera wzorce skali kolorów, które pozwalają określić pH podłoża od 0 do 12 (około 14) z dokładnością do jednej liczby całkowitej.
Związki te można między innymi stosować łącznie w roztworach wodnych i wodno-alkoholowych, co sprawia, że stosowanie takich mieszanin jest bardzo wygodne. Jednak niektóre z tych substancji mogą być słabo rozpuszczalne w wodzie, dlatego jest to koniecznewybierz uniwersalny rozpuszczalnik organiczny.
Ze względu na swoje właściwości, wskaźniki kwasowo-zasadowe znalazły zastosowanie w wielu dziedzinach nauki, a ich różnorodność umożliwiła stworzenie uniwersalnych mieszanin, które są wrażliwe na szeroki zakres wskaźników pH.
