בין מגוון החומרים האורגניים ישנן תרכובות מיוחדות המתאפיינות בשינויי צבע בסביבות שונות. לפני הופעת מדי pH אלקטרוניים מודרניים, האינדיקטורים היו "כלים" חיוניים לקביעת מדדי החומצה-בסיס של הסביבה, וממשיכים לשמש במעבדה כחומרי עזר בכימיה אנליטית, וגם בהיעדר הציוד הדרוש.
למה מיועדים אינדיקטורים?
בתחילה, התכונה של תרכובות אלו לשנות את צבען במדיות שונות הייתה בשימוש נרחב כדי לקבוע חזותית את תכונות החומצה-בסיס של חומרים בתמיסה, מה שעזר לקבוע לא רק את אופי המדיום, אלא גם לצייר מסקנה לגבי תוצרי התגובה המתקבלים. פתרונות אינדיקטור ממשיכים לשמש בפרקטיקה במעבדה כדי לקבוע את ריכוז החומרים על ידי טיטרציה ולאפשר לך ללמוד כיצד להשתמש בשיטות מאולתרות בשל חוסרמדי pH מודרניים.
יש כמה עשרות חומרים כאלה, שכל אחד מהם רגיש לאזור די צר: בדרך כלל הוא אינו עולה על 3 נקודות בסולם האינפורמטיביות. הודות למגוון כזה של כרומופורים ופעילותם הנמוכה בינם לבין עצמם, מדענים הצליחו ליצור אינדיקטורים אוניברסליים שנמצאים בשימוש נרחב בתנאי מעבדה וייצור.
מחווי ה-pH בשימוש הכי טוב
ראוי לציין שבנוסף לתכונת הזיהוי, לתרכובות אלו יכולת צביעה טובה, המאפשרת להשתמש בהן לצביעת בדים בתעשיית הטקסטיל. מבין המספר הגדול של מדדי צבע בכימיה, המפורסמים והמשומשים ביותר הם מתיל כתום (מתיל כתום) ופנולפטלין. רוב הכרומופורים האחרים משמשים כיום מעורבים זה בזה, או עבור סינתזות ותגובות ספציפיות.
מתיל כתום
צבעים רבים נקראים על שם צבעי היסוד שלהם בסביבה ניטרלית, מה שנכון גם לכרומופור זה. מתיל כתום הוא צבע אזו בעל קיבוץ - N=N - בהרכבו, האחראי על המעבר של צבע המחוון לאדום בסביבה חומצית, ולצהוב בבסיסי. תרכובות אזו עצמן אינן בסיסים חזקים, עם זאת, נוכחותן של קבוצות תורמי אלקטרונים (‒ OH, ‒ NH2, ‒ NH (CH3), ‒ N (CH 3)2 ואחרים) מגביר את הבסיסיות של אחד מאטומי החנקן,שהופך להיות מסוגל לחבר פרוטוני מימן על פי עקרון התורם-המקבל. לכן, כאשר משנים את הריכוזים של יונים H+ בתמיסה, ניתן להבחין בשינוי בצבע של מחוון חומצה-בסיס.
עוד על הכנת מתיל כתום
קבל מתיל כתום על ידי תגובה עם דיאזוטיזציה של חומצה סולפנילית C6H4(SO3H)NH2 ואחריו שילוב עם דימתילאנילין C6H5N(CH3)2. חומצה סולפנילית מומסת בתמיסת נתרן אלקלית על ידי הוספת נתרן ניטריט NaNO 2, ולאחר מכן מקורר עם קרח כדי לבצע את הסינתזה בטמפרטורות קרובות ככל האפשר ל-0°C ומוסיפים חומצה הידרוכלורית HCl. לאחר מכן, מכינים תמיסה נפרדת של dimethylaniline ב-HCl, אשר יוצקים לתוך התמיסה הראשונה כאשר מקורר, קבלת צבע. הוא עובר אלקליזציה נוספת, ומתמיסה נושרים גבישים כתומים כהים, אשר לאחר מספר שעות מסוננים ומייבשים באמבט מים.
פנולפתלין
הכרומופור הזה קיבל את שמו מהוספת השמות של שני הריאגנטים המעורבים בסינתזה שלו. צבע המחוון בולט בשינוי צבעו במדיום אלקליין עם רכישת גוון פטל (אדום-סגול, פטל-אדום), שהופך חסר צבע כאשר התמיסה מפותלת בצורה בסיסית. פנולפתלין יכול ללבוש מספר צורות בהתאם ל-pH של הסביבה, ובסביבות חומציות חזקות יש לו צבע כתום.
כרומופור זה מיוצר על ידי עיבוי של פנול ואנהידריד פתאלי בנוכחות אבץ כלוריד ZnCl2 או חומצה גופרתית מרוכזת H2 SO 4. במצב מוצק, מולקולות פנולפתאלין הן גבישים חסרי צבע.
בעבר, פנולפטלין שימש באופן פעיל ביצירת חומרים משלשלים, אך בהדרגה הצטמצם השימוש בו באופן משמעותי עקב התכונות המצטברות שנקבעו.
Litmus
אינדיקטור זה היה אחד מהריאגנטים הראשונים בשימוש במדיה מוצקה. לקמוס הוא תערובת מורכבת של תרכובות טבעיות המתקבלת מסוגים מסוימים של חזזיות. הוא משמש לא רק כחומר צביעה, אלא גם כאמצעי לקביעת ה-pH של המדיום. זהו אחד האינדיקטורים הראשונים שהתחילו לשמש את האדם בתרגול כימי: הוא משמש בצורה של תמיסות מימיות או רצועות של נייר סינון ספוגות בו. לקמוס במצב מוצק הוא אבקה כהה עם ריח קל של אמוניה. כאשר הוא מומס במים טהורים, צבע המחוון הופך לסגול, וכאשר מחומצן, הוא הופך לאדום. במדיום אלקליין, הלקמוס הופך לכחול, מה שמאפשר להשתמש בו כאינדיקטור אוניברסלי לקביעה כללית של מחוון הבינוני.
לא ניתן לקבוע במדויק את המנגנון והטבע של התגובה המתרחשת כאשר ה-pH משתנה במבנים של רכיבי לקמוס, שכן היא יכולה לכלול עד 15 תרכובות שונות, חלקןהם עשויים להיות מרכיבים פעילים בלתי ניתנים להפרדה, מה שמקשה על מחקריהם האישיים של תכונות כימיות ופיזיקליות.
נייר חיווי אוניברסלי
עם התפתחות המדע והופעת ניירות אינדיקטורים, הקמת אינדיקטורים סביבתיים הפכה לפשוטה הרבה יותר, שכן כעת לא היה צורך להחזיק ריאגנטים נוזליים מוכנים עבור כל מחקר שטח, שמדענים ומדענים משפטיים עדיין להשתמש בהצלחה. לכן, הפתרונות הוחלפו בניירות אינדיקטור אוניברסליים, אשר, בשל קשת הפעולה הרחבה שלהם, ביטלו כמעט לחלוטין את הצורך בשימוש בכל מדדי חומצה-בסיס אחרים.
הרכב הרצועות המוספגות עשוי להשתנות מיצרן ליצרן, לכן רשימה משוערת של מרכיבים עשויה להיות כדלקמן:
- phenolphthalein (0-3, 0 ו-8, 2-11);
- (די)מתיל צהוב (2, 9–4, 0);
- מתיל כתום (3, 1–4, 4);
- מתיל אדום (4, 2–6, 2);
- ברומוטימול כחול (6, 0–7, 8);
- α‒naphtholphthalein (7, 3–8, 7);
- thymol blue (8, 0–9, 6);
- cresolphthalein (8, 2–9, 8).
האריזה מכילה בהכרח תקני סולם צבעים המאפשרים לקבוע את ה-pH של המדיום מ-0 עד 12 (כ-14) בדיוק של מספר שלם אחד.
בין היתר ניתן להשתמש בתרכובות אלו יחד בתמיסות מימיות ומים-אלכוהול, מה שהופך את השימוש בתערובות כאלה לנוח מאוד. עם זאת, חלק מהחומרים הללו עשויים להיות מסיסים בצורה גרועה במים, ולכן זה הכרחיבחר ממס אורגני אוניברסלי.
בשל תכונותיהם, מדדי חומצה-בסיס מצאו את יישומם בתחומי מדע רבים, והמגוון שלהם איפשר ליצור תערובות אוניברסליות הרגישות למגוון רחב של מדדי pH.
