شناساگر اسید و باز چیست؟ | به زبان ساده

تعریف شناساگر اسید و باز

نحوه عملکرد شناساگر اسید و باز

فیلم آموزش خاصیت بازی و اسیدی آب و اندازه‌گیری pH در فرادرس

کلیک کنید

موادی همچون فنول فتالئین که از آن‌ها می‌توان برای تعیین pH محلول‌ها استفاده کرد موسوم به شناساگر اسید و باز یا معرف اسید و باز هستند.

$$\underbrace{{HIn}_{(aq)}}_{{red}}+{H2O}_{(l)}⇌{H3O+}_{(aq)}+\underbrace{{In-}_{(aq)}}_{{yellow}}$$

$$K_{a}={\dfrac{[H3O+][In- ]}{[HIn]}}=4.0×10^{−4}$$

$$\frac{[In ^-]}{HIn} = \frac{[K_a]}{[H_3O^+]}$$

$$\begin{equation} \begin{array}{c} \frac{\left[\mathrm{H}_{3} \mathrm{O}^{+}\right]}{K_{\mathrm{a}}}=\frac{[\mathrm{HIn}]}{\left[\mathrm{In}^{-}\right]} \ \log \left(\frac{\left[\mathrm{H}_{3} \mathrm{O}^{+}\right]}{K_{\mathrm{a}}}\right)=\log \left(\frac{[\mathrm{HIn}]}{\left[\mathrm{In}^{-}\right]}\right) \ \log \left(\left[\mathrm{H}_{3} \mathrm{O}^{+}\right]\right)-log \left(K_{\mathrm{a}}\right)=-log \left(\frac{\left[\mathrm{In}^{-}\right]}{[\mathrm{HIn}]}\right) \ -mathrm{pH}+mathrm{p} K_{\mathrm{a}}=-log \left(\frac{\left[\mathrm{In}^{-}\right]}{[\mathrm{HIn}]}\right) \ \mathrm{pH}=\mathrm{p} K_{\mathrm{a}}+log \left(\frac{\left[\mathrm{In}^{-}\right]}{[\mathrm{HIn}]}\right) \text { or } \mathrm{pH}=\mathrm{p} K_{\mathrm{a}}+log \left(\frac{[\mathrm{base}]}{[\mathrm{acid}]}\right) \end{array} \end{equation}$$

زمانیکه مقدار عددی $$[H_3O^ +]$$ برابر با $$K_a$$ باشد، نسبت $$[In^-]$$ به $$[HIn]$$ برابر با ۱ خواهد بود یعنی ۵۰ درصد $$[HIn]$$ و ۵۰ درصد $$[In^-]$$ داریم و نیمی قرمز و نیمی زرد خواهیم داشت و به همین دلیل، محلول نیز به رنگ نارنجی دیده می‌شود. زمانی که غلظت یون هیدرونیوم به مقدار $$8 \times 10^{-4}$$ مولار (pH = 3/1) می‌رسد، رنگ محلول به قرمز تغییر می‌کند. از این به بعد، هر قدر غلظت یون هیدرونیوم افزایش پیدا کند، تغییر رنگی نخواهیم داشت.

زمانی که غلظت یون هیدرونیوم به مقدار $$4 \times 10^{-5}$$ مولار (pH = 4/4) برسد،‌ غلظت رنگ زرد در معرف، بیشتر خواهد بود و کاهش یون هیدرونیوم بیش از این مقدار (افزایش pH)، تغییر رنگی را به همراه ندارد. بنابراین محدوده پی‌اچ بین ۳/۱ تا ۴/۴ را به عنوان بازه تغییر رنگ متیل اورانژ در نظر می‌گیرند.

مواد مختلف دیگری را بسته به نوع آزمایش هدف می‌توان به عنوان شناساگر اسید و باز مورد استفاده قرار دارد. به طور مثال، آب کلم قرمز شامل مخلوطی از مواد رنگی است که pH پایین رنگ قرمز تیره و در pH متوسط به رنگ آبی کم‌رنگ و در pH بالا به رنگ زرد دیده می‌شود.

شناساگر چه خصوصیاتی باید داشته باشد

در همه موارد، یک شناساگر اسید و باز خوب باید شامل خواص زیر باشد:

• تغییر رنگ باید به خوبی تشخیص داده شود.
• تغییر رنگ باید سریع باشد.
• مولکول‌های معرف نباید با ماده تحت تیتراسیون واکنش دهند.
• برای کاهش خطا، مقدار دامنه pK شناساگر باید در بازه ۱ واحدی از مقدار pH مورد انتظار نقطه تعادل (هم‌ارزی) قرار داشته باشد.

معرف‌هایی سنتزی ساخته شده‌اند که تمامی شرایط بالا را شامل ‌می‌شوند و به کمک آن‌ها می‌توان دامنه کاملی از pH را پوشش داد. در تصویر زیر، برخی از شناساگرهای معروف اسید و باز به همراه تغییر رنگ در محدوده pH آورده شده‌اند. علاوه بر این، برخی از معرف‌ها همچون تیمول بلو (تیمول آبی)، اسیدهایی چند پروتونه هستند که رنگ آن‌ دو بار در دو محدوده مختلف تغییر می‌کند.

نحوه انتخاب صحیح شناساگر تیتراسیون اسید باز

نکته مهم در خصوص شناساگر اسید و باز این است که این مواد در مقدار مشخصی از pH، تغییر رنگ ناگهانی ندارند. زمانی که $$[HIn]$$ کاهش و $$[In^-]$$ افزایش پیدا می‌کند، رنگ محلول به آرامی از رنگ مشخصه $$HIn$$ به رنگ $$In^-$$ تغییر پیدا می‌کند.

فیلم آموزش شیمی ۳ پایه دوازدهم در فرادرس

کلیک کنید

خطوط افقی، محدوده pH را برای تغییر رنگ هریک در برابر نمودارِ تقریبا عمودی تیتراسیون HCl نشان می‌دهد. زمانی که حجمی برابر از سدیم هیدروکسید (حدود ۵۰ میلی‌لیتر) اضافه می‌شود، هر دو شناساگر اسید و باز تغییر رنگ می‌دهند.

در مقابل، تیتراسیون استیک اسید بسته به نوع استفاده از معرف (فنول فتالئین یا متیل قرمز) رفتار متفاوتی را نشان می‌دهد. با وجود اینکه دامنه pH برای تغییر رنگ فنول فتالئین، قدری بیشتر از نقطه تعادل تیتراسیون اسید قوی است، از خطای ایجاد شده به دلیل شیب نمودار تیتراسیون در این نقطه می‌توان صرف نظر کرد.

همانند تیتراسیون HCl، زمانیکه ۵۰ میلی‌لیتر از سدیم هیدروکسید به محلول استیک اسید اضافه شود هم رنگ معرف به صورتی تبدیل می‌شود. اما در محدوده pH برابر با ۵، متیل قرمز از قرمز به زرد تغییر رنگ می‌دهد که این تغییر رنگ، نقطه تعادل تیتراسیون نیست بلکه «نقطه میانی» (Midpont) آن به شمار می‌آید. نمودار به خوبی نشان می‌دهد که اضافه کردن حدود ۲۵ تا ۳۰ میلی‌لیتر سدیم هیدروکسید سبب تغییر رنگ متیل قرمز و بروز خطایی بسیار زیاد در محاسبه نقطه تعادل (هم‌ارزی) می‌شود.

به دلیل شیب نمودار تیتراسیون اسید قوی در اطراف نقطه تعادل، هر کدام از شناساگرهای مورد استفاده، در این نقطه به سرعت تغییر رنگ می‌دهند. در مقابل، pK معرف (مقدار ۵) برای متیل قرمز، بسیار به مقدار pka استیک اسید (4/76) نزدیک است و نقطه میانی تغییر رنگ برای متیل قرمز، به جای قرارگیری در نقطه تعادل، در نزدیکی نقطه میانی تیتراسیون قرار می‌گیرد. به طور کلی، برای تیتراسیون‌ اسید قوی با باز قوی و برعکس، هر نوع معرف با pK بین ۴ تا ۱۰ مناسب خواهد بود.

شناساگرهای طبیعی

شناساگر اسید و باز را می‌توان در روش‌های مختلفی از جمله اندازه‌گیری pH خاک، شامپو، آب‌میوه‌ها و ... بکار برد. علاوه بر این، شناساگرهای طبیعی را نیز می‌توان به همین منظور مورد استفاده قرار داد که در ادامه به برخی از این شناساگرهای طبیعی اشاره می‌کنیم.

فیلم آموزش معرف‌ ها در شیمی در فرادرس

کلیک کنید

بخش‌های مختلفی از گیاهان دارای مواد شیمیایی از خانواده ترکیبات رنگی «آنتوسیانین» (Anthocyanin) هستند. این مواد در محلو‌های اسیدی به رنگ آبی و در محلول‌های بازی به رنگ آبی دیده می‌شوند. آنتوسیانین را می‌توان به کمک آب یا سایر حلال‌ها از گیاهان استخراج کرد. کلم قرمز، گل شمعدانی، شقایق و بسیاری از گل‌ها و میوه‌های دیگر را می‌توان از جمله شناساگرهای طبیعی دانست.

از جمله دیگر شناساگرهای طبیعی باید به لیتموس اشاره کرد که در گذشته و حتی امروز نیز به عنوان شناساگر اسید و باز مورد استفاده قرار می‌گیرد. رنگ لیتموس در محلول‌های اسیدی به رنگ قرمز و در محلول‌های بازی به رنگ آبی است.

شناساگر اسید و باز طبیعی دیگری که باید به آن اشاره کنیم، زردچوبه است. این ادویه در محیط‌های اسیدی به رنگ زرد و در محیط‌های بازی، رنگ قرمز قهوه‌ای دارد. در جدول زیر، رنگ برخی از شناساگرهای طبیعی در محیط اسیدی و بازی آورده شده است.

معرفی فیلم آموزش علوم تجربی پایه هشتم - بخش شیمی

آن‌چه که در این آموزش مطرح شد، آشنایی با انواع معرف‌ها و شناساگر اسید و باز در شیمی بود که از جمله مباحث مربوط به علوم پایه هشتم به شمار می‌آید و به دلیل اهمیت یادگیری آن، «فرادرس» اقدام به انتشار فیلم آموزش علوم تجربی پایه هشتم - بخش شیمی در قالب آموزشی ۵ ساعته کرده که توضیحات مربوط به دروس آن در ادامه آمده است.