في هذا المنشور سنتعرف على أدلة معايرات التعادل (كواشف معايرات الأحماض والقواعد). وكذلك مدى تأثير هذه الأدلة في الرقم الهيدروجيني مع بيان أهمية ثابت تفكك الدليل (\(pK_{ind}\)). بالإضافة إلى كيفية اختيار الدليل المناسب لكل نوع باستخدام منحنيات المعايرة لقيم الرقم الهيدروجيني(\(pH\)).
مفهوم معايرات التعادل (معايرة الحمض-القاعدة)
في المحاليل، حسب أرهينيوس فإن الحمض (Acid) عبارة عن أي مادة كيميائية لها القدرة على تحرير أيونات الهيدروجين الموجبة (H+)، مثل حمض الهيدروكلوريك. وأما القاعدة (Base) فهي أي مادة كيميائية يمكنها تحرير أيونات الهيدروكسيل السالبة (OH-)، مثل هيدروكسيد الصوديوم.
معايرات التعادل: هي عمليات كيميائية يتم فيها إضافة محلول معلوم التركيز من الحمض أو القاعدة بواسطة السحاحة إلى محلول مجهول التركيز من القاعدة أو الحمض على التوالي. أي هي عملية تسحيح الحمض ضد القاعدة أو العكس.
يتم إضافة الحمض إلى القاعدة أو القاعدة إلى الحمض ببطء ومراقبة حتى يصل إلى نقطة التكافؤ؛ وهي النقطة التي يتعادل عندها تركيز أيونات الهيدروجين (H+) مع تركيز أيونات الهيدروكسيل (OH-) داخل المحلول.
يتم التعرف على نقطة التكافؤ باستخدام مقياس الرقم الهيدروجيني (pH meter). وذلك من رسم منحنى لقيم الرقم الهيدروجيني ضد قيم التركيز. ويختلف موضع نقطة التكافؤ حسب اختلاف أنواع معايرات التعادل.
يعتبر الرقم الهيدروجيني مقياس دقيق للحصول على نقطة التكافؤ. ولكن يمكن استخدام أدلة معايرات التعادل الأخرى في الحصول على نقطة قريبة من هذه النقطة تسمى نقطة النهاية؛ وهي النقطة التي يتغير عندها لون المحلول. ويحدث ذلك نتيجة لتفاعل أي كمية مضافة من السحاحة بعد التعادل مع الدليل (الكاشف).
أول قطرة بعد نقطة التكافؤ تؤدي إلى تغيير لون المحلول نتيجة لتفاعله مع الكاشف. ونستخدم تغير اللون كدليل على حدوث التعادل. أشهر أدلة معايرات التعادل هي:
- ورقة عباد الشمس
- الميثيل البرتغالي
- الفينولفثالين
اقرأ أيضا: المعايرة: أربعة أنواع رئيسية من المعايرات
أدلة معايرات التعادل [1]
دليل الفينول فثالين
عند إضافة أيونات الهيدروجين إلى محلول يحتوي على الدليل، يتحول موضع التوازن في المعادلة الكيميائية إلى الجانب الأيسر، مما يؤدي إلى تحول الدليل إلى عديم اللون.
أما عند إضافة أيونات الهيدروكسيد وإزالة الهيدروجين من المحلول، فيتحول موضع التوازن إلى الجانب الأيمن، مما يؤدي إلى تحول الدليل إلى اللون الوردي.
يحدث هذا التحول غالبًا عند الرقم الهيدروجيني (pH) 9.3، ولكن مزيج اللون الوردي وعديم اللون يعطي لونًا ورديًا شاحبًا، مما يجعل من الصعب اكتشاف هذا المؤشر بدقة شديدة.
دليل عباد الشمس (Litmus)
عباد الشمس هو جزيء رائع يعمل كحمض ضعيف. يمكن تمثيل هيكله المعقد بـ HLit، حيث يشير الحرف "H" إلى أيون الهيدروجين، الذي يتم إطلاقه بسهولة على شكل بروتون. أما الجزء "Lit" المتبقي فهو جزيء ضعيف في حد ذاته. عندما يذوب عباد الشمس في الماء فإنه يصل إلى حالة التوازن، كما يتضح من المعادلة:
\[\ce{Hlit ⇌ H⁺ (aq) + Lit⁻ (aq)}\]
هذا التوازن يحدد لون عباد الشمس. في شكله النقابي (HLit)، يظهر عباد الشمس باللون الأحمر. ومع ذلك، عندما يتأين ويطلق البروتون (H⁺)، يأخذ أيون Lit⁻ المتبقي لونًا أزرق.
عند إضافة أيونات الهيدروكسيد (زيادة القاعدية) يصبح اللون أزرق.
\[\ce{Hlit ⇌ H⁺ (aq) + $\color{blue}{\ce{Lit⁻ (aq)}}$}\]
وعند إضافة أيونات الهيدروجين (زيادة الحموضة) يميل التفاعل إلى اليسار ويعطي لون أحمر.
\[\ce{$\color{red}{\ce{Hlit}}$ ⇌ H⁺ (aq) + Lit⁻ (aq)}\]
لذلك، يعمل عباد الشمس كمؤشر بسيط وفعال للتمييز بين المحاليل الحمضية والقاعدية. وفي البيئات الحمضية، ينزاح التوازن نحو اليسار، مما يؤدي إلى اللون الأحمر. وعلى العكس من ذلك، في البيئات القاعدية، ينزاح التوازن نحو اليمين، مما ينتج لونًا أزرقًا.
الميثيل البرتقالي
الميثيل البرتقالي مؤشر درجة حموضة متعدد الاستخدامات. في المحاليل القلوية، يكون لونه أصفر زاهيًا. أما عند إضافة قطرة من الحمض، فيتحول إلى اللون الأحمر الغامق. هذه الخاصية تجعله مثاليًا لتحديد نقطة النهاية للمعايرات التي تتضمن أحماض متوسطة القوة.
مدى التّأثير الهيدروجيني للأدلة
أهمية pK_Ind:
لكل مؤشر قيمة مميزة لـ pK_Ind، وهي التّأثير الهيدروجيني الذي يتفكك عنده نصفه إلى شكليه الحمضي والقاعدي. تحدد هذه القيمة مدى التّأثير الهيدروجيني الذي يتغير عنده لون المؤشر بشكل فعّال.
تفكك الدليل:
بشكل عام، يمكن تمثيل الأدلة باسم HInd، حيث "Ind" هي جزيء الدليل و "H" تمثل البروتون المنفصل. معادلة التّفكك هي:
\[\ce{Hind (aq) ⇌ H+ (aq) + Ind- (aq)}\]
ثابت التّفكك الحمضي (K_Ind) وحساب التّأثير الهيدروجيني:
ثابت التّفكك الحمضي (K_Ind) لهذه المعادلة هو:
\[K_{Ind} = \frac{[H^+][Ind^-]}{[Hind]}\]
حساب تركيز [H+]:
\[[H^+] = \frac{K_{Ind} * [Hind]}{[Ind^-]}\]
عند أخذ اللوغاريتم العكسي لكلا الجانبين:
\[pH = pK_{Ind} + log(\frac{[Ind^-]}{[Hind]})\]
وعندما يتساوى تركيز كل من Hind و Ind^- أي \([Hind] = [Ind^-]\) تصبح المعادلة السابقة كالتالي[2]:
\[\require{cancel} pH = pK_{Ind} + log(\frac{\cancel{[Hind]}}{\cancel{[Hind]}}) \\ pH = pK_{Ind} + log(1) \\ pH = pK_{Ind} + 0 \\ \therefore pH = pK_{Ind}\]
لذلك، يعتمد التّأثير الهيدروجيني لمحلول يحتوي على مؤشر على كل من قيمة \(pK_{Ind}\) ونسبة تركيزات الشكلين البروتوني وغير البروتوني للمؤشر.
| المؤشر | \(pK_{Ind}\) | مدى \(pH\) |
|---|---|---|
| ورق عباد الشمس | 6.5 | 5.5 - 8 |
| الميثيل البرتقالي | 3.7 | 3.1 - 4.4 |
| الفينول فثالين | 9.3 | 8.3 - 10.0 |
بشكل عام، يعتبر ورقة عباد الشمس مناسب لاستخدامها في المعمل للتمييز بين الأحماض والقواعد. يمكنك استخدام كميات صغيرة من دليل الفينول فثالين والميثيل البرتقالي لتحقيق لنفس الغرض.
.webp "أدلة معايرات التعادل")
اقرأ أيضا: خطوات المعايرة بالتحليل الحجمي: إعداد الأدوات، إجراء حسابات النتائج
منحنيات المعايرة - اختيار الدليل
توضح منحنيات المعايرة نقطة التكافؤ بين الحمض والقاعدة بشكل دقيق. وتسمح لنا أيضا باختيار الدليل المناسب حسب نوع المعايرة.
منحنى حمض قوي مع قاعدة قوية
يوضح الرسم البياني أن المحلول لا يتغير لونه عند نقطة التكافؤ. ومع ذلك، فإن الفينول فثالين سوف يحول لون المحلول إلى وردي شاحب جدا عند الرقم الهيدروجيني 8.3، وهو قريب جدًا من نقطة التكافؤ. أما الميثيل البرتقالي سوف يحول اللون إلى أصفر زاهي عند الرقم الهيدروجيني 4.4، وهو بعيد جدًا عن نقطة التكافؤ.
منحنى حمض قوي مع قاعدة ضعيفة
في هذا الرسم البياني يتم استخدام مؤشر الميثيل البرتقالي وتغيير لون المنتج النهائي من الأصفر إلى البرتقالي وهو قريب جدًا من نقطة التكافؤ ولكن الفينول فثالين عديم الفائدة تمامًا.
منحنى حمض ضعيف مع قاعدة قوية
يظهر من الشكل أن دليل الفينول فثالين هو الأنسب، وقريب جد من نقطة التكافؤ. ويظهر لون وردي واضح.
منحنى معايرة حمض ضعيف مع قاعدة ضعيفة
لذلك أثناء معايرة الحمض الضعيف ضد القاعدة الضعيفة، يجب الأخذ في الاعتبار بأن تغير اللون يحدث بعيدا عن نقطة التكافؤ. ويجب تصحيح قراءة الحجم بمقدار مناسب.
| نوع المعايرة | وصف | الدليل المناسب |
|---|---|---|
| حمض قوي، قاعدة قوية | تفاعل التعادل بين حمض قوي وقاعدة قوية، وينتج عنه محلول ملحي متعادل. | الفينول فثالين:
|
| حمض ضعيف، قاعدة قوية | تفاعل التعادل بين حمض ضعيف وقاعدة قوية، وينتج عنه محلول ملحي قاعدي قليلاً. | الميثيل البرتقالي:
|
| حمض قوي، قاعدة ضعيفة | تفاعل التعادل بين حمض قوي وقاعدة ضعيفة، وينتج عنه محلول ملحي قليل الحموضة. | أحمر الميثيل:
|
| حمض ضعيف، قاعدة ضعيفة | تفاعل التعادل بين حمض ضعيف وقاعدة ضعيفة، يتطلب مؤشر مناسب مع تغير اللون ضمن نطاق درجة الحموضة. | أزرق البروموثيمول:
|
في الختام، تختلف أدلة معايرات التعادل في مدى تأثيرها من معايرة لأخرى. ويعتمد اختيار الدليل أو الكاشف المناسب على قدرتها تغيير اللون بالقرب من نقطة التكافؤ. وكلما كان ظهور اللون أقرب إلى هذه النقطة كان الدليل أنسب. مثلا في معايرة حمض قوي مع قاعدة قوية كان الفينول فثالين أنسب لأنه كان أقرب إلى النقطة من الميثيل البرتقالي. وعلى العموم، في المعمل يعتبر دليل ورقة عباد الشمس الأنسب والأكثر استخداما.
أسئلة شائعة حول أدلة المعايرة
كيف يتم اختيار الدليل المناسب في المعايرة؟
يعتمد اختيار الدليل المناسب على قدرته على تغيير لون محلول المعايرة عند نقطة التكافؤ أو قريبا جدا منها.
ما المقصود من نقطة التكافؤ؟
هي النقطة التي يتساوى فيها تركيز أيونات الحمض مع تركيز أيونات القاعدة في المحلول.
ما هي منحنيات المعايرة؟
منحنيات المعايرة: يقصد بها الرسم البياني لقيم الرقم الهيدروجيني (pH) مقابل الحجم المضاف من السحاحة، وتستخدم لتحديد نقطة التكافؤ.
ما لون دليل الفينول فثالين في الوسط الحمضي والقاعدي؟
يكون الفينول فثالين عديم اللون في الوسط الحمضي، ويتحول إلى اللون الوردي في الوسط القاعدي.
ما هو الدليل الأنسب لمعايرة حمض ضعيف ضد قاعدة ضعيفة؟
بسبب أن الأدلة عبارة عن أحماض أو قواعد ضعيفة لا يوجد دليل مناسب لهذه المعايرة. لذلك ننصح باستخدام مقياس الرقم الهيدروجيني.