Acizi, baze și indicatori

Acizii sunt substanțe care, dizolvate în apă, eliberează ioni de hidrogen (mai exact ioni hidroniu, ${\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}$). Exemple: acidul clorhidric $\mathrm{HCl}$, acidul sulfuric ${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4$, acidul azotic $\mathrm{HN}{\mathrm{O}}_3$, acidul acetic $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{COOH}$ din oțet și acidul citric din lămâie. Bazele (hidroxizii) conțin grupări hidroxil $\mathrm{HO}$ legate de un metal și eliberează în apă ioni hidroxid $\mathrm{H}{\mathrm{O}}^{-}$: hidroxidul de sodiu $\mathrm{NaOH}$ (sodă caustică), hidroxidul de calciu $\mathrm{Ca}(\mathrm{OH}{)}_2$ (var stins), hidroxidul de potasiu $\mathrm{KOH}$. Amoniacul $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$ dizolvat în apă are și el caracter bazic.

Cât de acidă sau de bazică este o soluție arată pH-ul, un număr între $0$ și $14$. La $25{}^{\circ }\mathrm{C}$, pH-ul sub $7$ înseamnă soluție acidă (cu cât numărul este mai mic, cu atât soluția este mai acidă), pH-ul $7$ înseamnă soluție neutră (apa distilată), iar pH-ul peste $7$ înseamnă soluție bazică. Sucul gastric are pH între $1$ și $2$, sucul de lămâie aproximativ $2$, oțetul aproximativ $3$, laptele aproximativ $6,5$, sângele $7,4$, soluția de săpun între $9$ și $10$, iar amoniacul de uz casnic aproximativ $11$.

Culoarea unei soluții incolore nu spune dacă este acidă sau bazică, de aceea se folosesc indicatori: substanțe care își schimbă culoarea după mediu. Turnesolul este roșu în acid, violet în mediu neutru și albastru în bază. Fenolftaleina este incoloră în acid și în mediu neutru și devine roz-zmeurie în bază. Metiloranjul este roșu în acid și galben în bază. Hârtia indicator universal are culori diferite pentru fiecare valoare de pH: roșu-portocaliu pentru acizii tari, verde la pH $7$, albastru-violet pentru bazele tari.

Caz în pași. Trei eprubete conțin lichide incolore: soluție de $\mathrm{HCl}$, apă distilată și soluție de $\mathrm{NaOH}$, dar nu știm care este care.

1. Punem câte $2$ mL din fiecare lichid în alte eprubete și adăugăm $2$ picături de fenolftaleină. Una singură devine roz: aceea conține $\mathrm{NaOH}$.
2. Introducem hârtie de turnesol albastră în celelalte două lichide. Hârtia care se înroșește arată acidul clorhidric; hârtia care rămâne albastră arată apa distilată.

Regula de siguranță este strictă: substanțele necunoscute nu se gustă și nu se miros de aproape, iar acizii și bazele concentrate ard pielea, așa că se lucrează cu ochelari și mănuși. La diluarea acidului sulfuric, acidul se toarnă în apă, niciodată invers.

Teoria Brønsted–Lowry. Acidul este o specie care cedează un proton (${\mathrm{H}}^{+}$), iar baza este o specie care primește un proton. În apă, $\mathrm{HCl}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to {\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}+\mathrm{C}{\mathrm{l}}^{-}$ și $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\rightleftharpoons \mathrm{N}{\mathrm{H}}_4^{+}+\mathrm{H}{\mathrm{O}}^{-}$. Astfel se explică de ce amoniacul, deși nu are grupări $\mathrm{HO}$ în formulă, face soluția bazică: molecula $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$ primește un proton de la apă și eliberează ionul $\mathrm{H}{\mathrm{O}}^{-}$. Apa însăși se ionizează în foarte mică măsură: $2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\rightleftharpoons {\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}+\mathrm{H}{\mathrm{O}}^{-}$, iar la $25{}^{\circ }\mathrm{C}$ produsul ionic este $K_w=[{\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}][\mathrm{H}{\mathrm{O}}^{-}]=10^{-14}$. În apa pură cele două concentrații sunt egale cu $10^{-7}$ mol/L.

pH-ul este $pH=-\log [{\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}]$, iar $pOH=-\log [\mathrm{H}{\mathrm{O}}^{-}]$, cu $pH+pOH=14$. Fiecare unitate de pH înseamnă o variație de zece ori a concentrației ionilor hidroniu.

Exemplul 1. Sucul de lămâie are $pH=2$, iar apa de mare $pH=8$. Comparăm cele două soluții:

1. $[{\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}]=10^{-pH}$: $10^{-2}$ mol/L pentru lămâie și $10^{-8}$ mol/L pentru apa de mare.
2. $[\mathrm{H}{\mathrm{O}}^{-}]=10^{-14}/[{\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}]$: $10^{-12}$ mol/L, respectiv $10^{-6}$ mol/L.
3. Raportul $10^{-2}/10^{-8}=10^6$: sucul de lămâie conține de un milion de ori mai mulți ioni hidroniu decât apa de mare.

Intervalele de viraj ale indicatorilor (la $25{}^{\circ }\mathrm{C}$) sunt cele din tabel. În interiorul intervalului culoarea este intermediară (metiloranjul este portocaliu între $3,1$ și $4,4$).

Exemplul 2. O probă incoloră se face galbenă cu metiloranj, rămâne incoloră cu fenolftaleină și se face galbenă cu albastru de bromtimol. Stabilim domeniul pH-ului:

1. Metiloranjul galben înseamnă $pH>4,4$.
2. Fenolftaleina incoloră înseamnă $pH<8,2$.
3. Albastrul de bromtimol galben înseamnă $pH<6,0$.
4. Concluzie: $4,4<pH<6,0$, deci mediul este slab acid. Concentrația ionilor hidroniu este între $10^{-6}$ și $10^{-4,4}\approx 4\cdot 10^{-5}$ mol/L.

De ce își schimbă indicatorul culoarea. Un indicator este el însuși un acid slab sau o bază slabă, iar forma lui acidă și forma lui bazică au culori diferite. La un indicator acid notat $\mathrm{HInd}$, echilibrul $\mathrm{HInd}\rightleftharpoons {\mathrm{H}}^{+}+\mathrm{In}{\mathrm{d}}^{-}$ se deplasează spre forma $\mathrm{HInd}$ când soluția conține mulți ioni hidroniu și spre forma $\mathrm{In}{\mathrm{d}}^{-}$ când soluția conține puțini. Culoarea se schimbă vizibil doar în intervalul de viraj, de aceea indicatorul se alege după zona de pH care trebuie observată: metiloranjul pentru mediul acid, fenolftaleina pentru mediul bazic.

Măsurarea pH-ului. Hârtia indicator universal dă pH-ul cu o precizie de aproximativ o unitate, prin compararea culorii cu o scară. pH-metrul cu electrod de sticlă dă valoarea cu două zecimale, dar numai după calibrarea cu soluții tampon de pH cunoscut (de exemplu $4$, $7$ și $10$). Între probe, electrodul se clătește cu apă distilată, pentru ca soluția anterioară să nu modifice citirea. Valoarea citită depinde și de temperatură, așa că pH-metrul se folosește la temperatura probei.

La admitere, subiectele de tip complement grupat cer evaluarea fiecărei afirmații în parte, apoi alegerea combinației corecte dintre cinci variante.

Exemplu. O soluție apoasă are $pH=2$ la $25{}^{\circ }\mathrm{C}$. Se dau afirmațiile:

1. Concentrația ionilor hidroniu este $[{\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}]=10^{-2}$ mol/L.
2. Concentrația ionilor hidroxid este $[\mathrm{H}{\mathrm{O}}^{-}]=10^{-12}$ mol/L.
3. Metiloranjul este roșu în această soluție.
4. Fenolftaleina este roz în această soluție.

Variante de răspuns:

• A. Numai 1, 2 și 3 sunt corecte.
• B. Numai 1 și 3 sunt corecte.
• C. Numai 2 și 4 sunt corecte.
• D. Numai 4 este corectă.
• E. Toate sunt corecte sau toate sunt false.

Rezolvare, afirmație cu afirmație:

• (1) Adevărată: $[{\mathrm{H}}_3{\mathrm{O}}^{+}]=10^{-pH}=10^{-2}$ mol/L.
• (2) Adevărată: $[\mathrm{H}{\mathrm{O}}^{-}]=10^{-14}/10^{-2}=10^{-12}$ mol/L.
• (3) Adevărată: $pH=2$ este sub $3,1$, deci metiloranjul are culoarea acidă, roșu.
• (4) Falsă: fenolftaleina este incoloră sub $pH=8,2$.

Răspuns corect: A.

Complement simplu. O probă devine roșie cu metiloranj și rămâne incoloră cu fenolftaleină. Ce valori are pH-ul? Metiloranjul roșu impune $pH<3,1$, iar fenolftaleina incoloră impune $pH<8,2$; condiția mai restrictivă este $pH<3,1$, deci proba este puternic acidă și un pH de $2$ se potrivește, dar un pH de $6$ nu.

Alte reguli folosite în subiecte:

• Un indicator arată doar de ce parte a intervalului său se află pH-ul: metiloranjul galben spune numai că $pH>4,4$, nu că soluția este bazică.
• Două soluții de acizi diferiți ($\mathrm{HCl}$ și ${\mathrm{H}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4$) pot avea același pH și aceeași culoare cu indicatorul; culoarea nu identifică substanța.
• Oxizii acizi ai nemetalelor ($\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$, $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2$) dau soluții acide ($\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\rightleftharpoons {\mathrm{H}}_2\mathrm{C}{\mathrm{O}}_3$), iar oxizii metalelor alcaline și alcalino-pământoase dau soluții bazice ($\mathrm{N}{\mathrm{a}}_2\mathrm{O}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to 2NaOH$).
• Soluția unei săruri de acid tare cu bază tare ($\mathrm{NaCl}$) este neutră, a unei săruri de acid slab cu bază tare ($\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{COONa}$) este bazică, iar a unei săruri de acid tare cu bază slabă ($\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4\mathrm{Cl}$) este acidă.
• La titrarea $\mathrm{HCl}$ cu $\mathrm{NaOH}$, prima culoare roz persistentă a fenolftaleinei arată un mic exces de bază.

Greșeli frecvente

• Greșit: Fenolftaleina incoloră dovedește că soluția este acidă.
  Corect: fenolftaleina este incoloră și în mediu neutru, și în mediu acid (sub $pH=8,2$); doar culoarea roz arată o bază.
• Greșit: O soluție cu $pH=2$ este de două ori mai acidă decât una cu $pH=4$.
  Corect: diferența de două unități de pH înseamnă o diferență de $100$ de ori în concentrația ionilor hidroniu.
• Greșit: Amoniacul nu poate fi bază, deoarece formula $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$ nu conține grupa $\mathrm{HO}$.
  Corect: $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$ primește un proton de la apă și formează $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4^{+}$ și $\mathrm{H}{\mathrm{O}}^{-}$, deci soluția este bazică.
• Greșit: $pH=7$ înseamnă soluție bazică.
  Corect: la $25{}^{\circ }\mathrm{C}$, $pH=7$ înseamnă soluție neutră.

Înainte și după