ENSEÑANZA DE LA FÍSICA Y LA QUÍMICA

INDICADORES  QUÍMICOS ÁCIDO-BASE I

Introducción.

En 1664, Boyle escribió “The Experimental History of Colours”. En ella se inicia el reconocimiento de ácidos [1] y bases a través de los cambios de color de extractos de plantas [2] . A partir de Boyle, el cambio de color del jarabe de violetas, sirvió para indicar la presencia de un ácido; en este momento nacen los indicadores químicos. Sin embargo el primer reconocimiento, no lo fue con motivo de los cambios de color, ya que 8 años antes, Glauber  había definido la “efervescencia del espíritu ácido” como señal inequívoca de su existencia [3] .   En 1671, Duclós llama “turnesol” (litmus), a un indicador extraído de líquenes, que le da un gran resultado [4] . Casi cien años después, James Watt,  el inventor de la máquina de vapor y nominador del caballo de vapor como unidad de potencia, descubre que la lombarda (col roja) es uno de los mejores indicadores.

Indicadores químicos ácido-base.

Un indicador químico es un ácido o base débil cuya forma disociada tiene diferente color que la forma sin disociar [5] , ello es debido a que están formados por sistemas resonantes aromáticos, que pueden modificar la distribución de carga según la forma que adopten. Esta alteración  por el desplazamiento hacia una forma mas o menos disociada, hace que la absorción energética del sistema se modifique y con ello el color.

Se podría establecer un equilibrio de disociación para una forma de indicador ácido HIn:

 HIn      X    In^-        +          H⁺

Color A           Color B

La aplicación de la ley de acción de masas a este equilibrio, nos da que:

, de lo que               .

Si el medio es ácido, y aumenta la concentración de H⁺, deberá disminuir  la relación  [In^-]/[HIn]. Para ello el equilibrio tendrá que desplazarse hacia la izquierda, aumentando la concentración de HIn, y dominando su color. Si el medio es básico, el cociente tendrá que aumentar,  desplazándose el equilibrio hacia la derecha y dominando el color B. Naturalmente como se trata de un equilibrio, coexisten las dos formas, y por ello el color que toma procede de la mezcla de colores y de su proporción. Como los indicadores tienen diferentes constantes de equilibrio, por eso cambian de color en  distintos intervalos de pH, esto suelo ocurrir aproximadamente a pH=pK"1 . Cuando coexisten varios equilibrios entre formas tautómeras, hay varios pK, y por lo tanto más de un cambio de color.

Indicadores químicos ácido-base naturales.

Se deben fundamentalmente a la proporción que contengan de los pigmentos naturales conocidos como antocianinas y antoxantinas. La antocianina es roja en medio ácido, púrpura en medio neutro y azul en medio básico, sin embargo la antoxantina es amarilla en medio básico. La proporción en que se encuentre la mezcla de pigmentos hace que las flores tengan distintos colores y que se puedan modificar según el pH del medio.

Son glucósidos, con estructura parecida, modificándose la posición de determinados grupos hidroxilo, con carácter ácido, que según el medio producen diferentes formas encuadradas en una tautomería ceto-enólica. De su hidrólisis se extraen los pigmentos coloreados, las antocianidinas y antoxantidinas

Así la  forma más genérica de las antocianidinas, y su transformación sería (fig.1):

Fig.1

Fig.2

fig.3

La mayoría de los pétalos de las flores contienen ambos pigmentos, por eso en medio ácido el jarabe de violetas producía color rojo, mientras que en medio básico era verde, combinación del amarillo y del azul, tal como se muestra en la simulación (fig.3). Si domina más la concentración de amarillo, será verde amarillento.

Prácticas de indicadores químicos ácido-base naturales.

1.  Con el extracto de violetas.

Dado que históricamente fue el primer indicador, comenzaremos por él.

Se cortan las hojas de violeta con cuidado y se extrae en una  termobatidora, en caliente con agua hasta 80ºC. (25g de pétalos de violetas/ 50g de agua).El extracto toma color violeta pálido, casi incoloro (según la concentración).

En el primer modelo de prácticas, observaremos a través de química de la gota de extracto de violetas en agua, la coloración que toma un ácido fuerte (H₂SO₄ 6N), un ácido débil (acético 1M),  una base débil (hidróxido amónico 1M) y una base fuerte (NaOH 6N).  De esa forma se dispondrán en la caja Petri 4 gotas  de los compuestos citados, rodeando unas gotas de indicador (fig.4). Posteriormente se pondrán en comunicación las gotas (fig.5), continuando con las figuras 6 y 7.

Fig.4

Fig.5

fig.7

Fig.6

Como se observa a pH ácidos toma color rojizo, mientras que a pH básicos el color es verde amarillento, tal como se decía en los primeros estudios con indicadores naturales.

2.  Con extracto de lombarda.

La lombarda se extrae en una  termobatidora, en frío con alcohol absoluto (50 g de lombarda troceada/ 100ml de etanol absoluto), y en caliente con agua hasta 80ºC. (250g de lombarda/ 500g de agua).El extracto alcohólico toma color rojo pálido, casi incoloro (según la concentración), mientras que el acuoso lo hace violeta.

En el primer modelo de prácticas, observaremos a través de química de la gota de extracto de lombarda en agua, la coloración que toma un ácido fuerte (H₂SO₄ 6N), un ácido débil (acético 1M),  una base débil (hidróxido amónico 1M) y una base fuerte (NaOH 6N).  De esa forma se dispondrán en la caja Petri 4 gotas  de los compuestos citados, rodeando unas gotas de indicador (fig.8). Posteriormente se pondrán en comunicación las gotas (fig.9).

Fig.11

Fig.10

Fig.12

Fig.13

Fig.15

Fig.14

Los cambios de color corresponden a los que toma para los diferentes pH, que se obtienen de la combinación de las gotas de los reactivos respectivos, según la  tabla que se da:

3. Con extractos de  pétalos de ciclamen rojo, similar a los pétalos de rosa roja.

Se extrae con etanol absoluto, en frío, después de trocear los pétalos. Aproximadamente 25 g de pétalos con 50 mL de etanol). Se sigue el procedimiento habitual, obteniéndose la sucesión de figuras que se indica a continuación.

Fig.16

Fig.17

Fig.19

Fig.18

Como se aprecia en la sucesión de fotos (fig 16, 17, 18 y 19), existe una diferencia sustancial frente a la lombarda, y es que en medio fuertemente básico, el color es marrón oscuro, mientras que en medio débilmente básico aparece violeta pálido. La variación de colores con el pH se da en la siguiente tabla

4. Con extracto de fresas en etanol absoluto.

Siguiendo el procedimiento habitual de unir las gotas (fig.17 y 18), se observa que a pH bajos, toma color naranja, pero si es algo es amarillo, con tintes violáceos. Si los pH son intermedios casi no se aprecia cambio de color (fig 19 y 20).

Fig.20

Fig.21

Fig.23

Fig.22

5. Con tornasol (extracto de líquenes de los géneros Rocella, Variolaria y  Lecanora).

Los colores son muy débiles, en medio ácido tiende al rosa, y medio básico al azul grisáceo.

Fig.24

Fig.25

Fig.26

Fig.27

Operando como en casos anteriores, se obtiene la sucesión de figuras 28, 29 y 30

Fig.28

Fig.29

Fig.30