شناساگر چیست و چگونه عمل می کند؟

شناساگر PH یا اندیکاتور یک ترکیب شیمیایی هالوکرومیک است که به مقدار کمی به یک محلول اضافه شده و با توجه به تغییر رنگ ظاهر شده می توان اسیدی یا قلیایی بودن محلول مورد نظر را تشخیص داد. به طور کلی روش های مختلفی برای تعیین PH یک محلول مجهول وجود دارد که از جمله این روش ها می توان به استفاده از کاغذ تورنسل، دستگاه های PH متر و حتی بررسی ترشی یا تلخی مواد اشاره نمود.

هر یک از این روش ها مکانیسم و شرایط خاص خود را داشته قابل بحث می باشند؛ اما در این مطلب قصد داریم تا به طور مجزا در خصوص شناساگر های هالوکرومیک صبحت کنیم. برای آشنایی با انواع شناساگر ها، مکانیسم عمل و موارد استفاده از آن ها تا انتهای این مطلب با نشریه جهان شیمی فیزیک همراه بمانید.

منظور از شناساگر چیست؟

وقتی از شناساگر صحبت می کنیم مقصودمان محلول های هالوکرومیک هستند. مواد هالوکرومیک به موادی گفته می شود که با تغییر PH محیط اطراف خود تغییر رنگ داده و به این ترتیب ماهیت محلول مجهول مورد نظر ما را مشخص می سازند.

شناساگر اسید و باز در حقیقت اسید یا باز ضعیفی است که بین شکل یونی و مولکولی آن تعادلی برقرار است و با تغییر میزان غلظت +H یا -OH تغییر رنگ می دهد. عاملی که شناساگر های مختلف را از یکدیگر متمایز می سازد، محدوده PH ای است که در آن بازه تغییر رنگ داده و یک ترکیب اسیدی یا بازی را مشخص می سازند. برای هر شناساگر دامنه PH ویژه ای تعریف شده است و یک شیمیست با اطلاع از این دامنه تغییر رنگ می تواند معرف مناسب برای آزمایش خود را انتخاب نماید.

چرا از شناساگر استفاده می کنیم؟

پیش از هر چیز اجازه دهید تا از همین ابتدا به این پرسش اساسی پاسخ دهیم که اصلاً ضرورت و علت استفاده از شناساگر ها و معرف های شیمیایی در آزمایشگاه چیست؟

اسید و باز ترکیباتی اند که در دنیای شیمی نقش بسیار مهمی داشته و به به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند؛ بنابراین شناسایی این ترکیبات که از نظر ظاهری شباهت های زیادی به یکدیگر دارند اقدامی مهم و حساس می باشد. اسید ها و باز ها از نظر ظاهری اغلب اوقات و در حالت خالص به صورت محلول های بی رنگی هستند و از این جهت مشخصه ای برای تشخیص در اختیارمان قرار نمی دهند.

گرچه طعم اسید و باز با یکدیگر متفاوت بوده از تفاوت مزه ترش اسید ها و طعم تلخ باز ها می توان این دو ترکیب را از یک دیگر تمیز داد؛ اما این ترکیبات شیمیایی خاصیت خورندگی بالایی دارند و در بسیاری از موارد باعث سوختگی و از بین رفتن بافت های بدن می گردند. بنابراین عقل حکم می کند برای شناسایی این ترکیبات از کاغذ تورنسل، شناساگر ها یا PH متر استفاده کنیم.

از آن جایی که شناساگر ها با تغییر رنگ محلول به سرعت و به طور واضحی، میزان اسیدیته محلول های مجهول را مشخص می کنند؛ بنابراین استفاده از این معرف ها در آزمایشگاه ها و به ویژه به هنگام انجام تیتراسیون های اسید-باز بسیار رایج می باشد.

مکانیسم عمل شناساگر ها چگونه است؟

همانطور که پیش از این نیز اشاره شد، معرف های شیمیایی به دو فرم یونی و مولکولی وجود دارند که در یک محلول با یکدیگر در تعادل اند. فرم یونی و مولکولی شناساگر ها رنگ های متفاوت و بارزی نسبت به یکدیگر دارند. بنابراین با کم و زیاد شدن یون های هیدروژن و هیدروکسید، این تعادل به سمت فرم یونی یا مولکولی جا به جا می شود و به این ترتیب ما شاهد تغییر رنگ محلول هستیم.

برای مثال تعادل زیر را در نظر بگیرید که HIn یک شناساگر اسیدی در فرم مولکولی بوده که در حالت محلول با فرم یونی خود (–In) در تعادل می باشد. این تعادل از اصل لوشاتلیه پیروی کرده و بنابراین با افزایش غلظت یون هیدرونیوم (+H3O) تعادل در جهت کاهش مقدار اضافه آن پیش رفته و در صورت کاهش این یون نیز تعادل در جهت تولید بیشتر این یون عمل می کند.

بنابراین در صورتی که یک شناساگر اسیدی که در حقیقت یک اسید ضعیف است را به یک محلول اسیدی اضافه کنیم، غلظت یون هیدرونیوم موجود در محیط افزایش یافته و تعادل به سمت چپ بر می گردد. با برگشت تعادل به سمت چپ، فرم مولکولی اسید بیشتر تولید شده و بنابراین محلول به رنگ این مولکول در می آید.

در صورتی که همین شناساگر به یک محلول قلیایی اضافه گردد، یون های هیدروکسید ترکیب قلیایی به یون های هیدرونیوم حمله کرده و با مصرف این یون، مولکول های آب را تشکیل می دهند. به این ترتیب تعادل زیر برای جبران یون های هیدرونیوم مصرف شده و طبق اصل لوشاتلیه به سمت راست باز می گردد. با بازگشت تعادل به سمت راست، فرم یونی –In به میزان بیشتری تولید شده و رنگ محلول تغییر می یابد.

−HIn+H2O⇌H3O⁺ +In

 

آشنایی با مهم ترین شناساگر ها

برخی از شناساگر ها منشأ طبیعی دارند و برخی دیگر ترکیبات آلی پیچیده ای اند که در آزمایشگاه به صورت مصنوعی سنتز می شوند. در ادامه برخی از رایج ترین و مهم ترین شناساگر های اسید و باز را برخواهیم شمرد:

متیل اورانژ یا نارنجی متیل

این ترکیب یکی از مهم ترین و پرکاربرد ترین شناساگر ها بوده و معمولاً در تیتراسیون به همراه اسید و برای شناسایی بازها مورد استفاده قرار می گیرد. این ترکیب در تماس با اسید به رنگ زرد و در کنار ترکیبات قلیایی به رنگ قرمز در می آید. محدوده PH این شناساگر از ۱.۳-۴.۴ گزارش شده است.

فنول فتالئین

فنول فتالئین نیز یکی دیگر از معرف های مشهوری است که اغلب ما با آن آشنایی داریم. این ترکیب آلی که متعلق به خانواده فتالئین هاست در حالت عادی بی رنگ بوده و در محدوده pH 8.5 تا بالاتر از ۹ رنگی بین صورتی تا ارغوانی یا قرمز تیره را از خود به نمایش می گذارد. این شناساگر در تیتراسیون و به جهت تعیین محلول های اسیدی مورد استفاده قرار می گیرد.

آبی تیمول

این معرف قهوه ای رنگ که با نام تیموسولفونفتالئین نیز شناخته شده است، با تغییر PH از ۱.۲ تا ۲.۸ در اولین انتقال به رنگ زرد تبدیل شده و در انتقال دوم خود در PH 8.0 تا ۹.۶ محلول را به رنگ آبی در می آورد.

سبزبروموکرزول

این معرف که با نام اختصاری BCG نیز شناخته شده است در PH های کم به رنگ زرد دیده می شود. این ترکیب همچنین در PH های بین ۳.۸ تا ۵.۴ به رنگ سبز-آبی تبدیل شده و به طور گسترده ای در تیتراسیون های اسید-باز، رشد میکروبیولوژیکی، و الکتروفورز ژل آگارز برای جداسازی DNA به کار می رود.

برخی دیگر از معرف های شیمیایی شناخته شده عبارت اند از:

• آبی متیل
• بنفش متیل
• قرمز متیل
• قرمز کلروفنول
• آبی بروموتیمول
• قرمز فنول
• قرمز خنثی
• ارغوانی کرزول
• تیمول فتالئین
• زرد آلیزارین

شناساگر های طبیعی کدام اند؟

به غیر از مواردی که در قسمت قبل از آن ها نام برده شد، در طبیعت و محیط اطراف ما نیز گیاهان زیادی وجود دارند که با تغییر رنگ ویژه خود در محیط های اسیدی یا قلیایی قادرند ما را در تعیین PH ترکیبات یاری کنند.

از جمله گیاهانی که در PH های مختلف تغییر رنگ می دهند می توان به کلم بنفش، زردچوبه، گل صد تومانی بنفش، گلبرگ های گل اطلسی، پیاز قرمز، انگور قرمز و بنفش، گلبرگ های گل شعمدانی، گیلاس، زغال اخته، توت سیاه، توت فرنگی و یا حتی چغندر اشاره نمود. اغلب این گیاهان و خوراکی ها دارای ماده ای به نام آنتوسیانین هستند که در شرایط اسیدی به رنگ قرمز و در محیط های قلیایی به سمت بنفش و آبی متمایل می شود.