Przekorne roztwory

Doświadczenie 1

Przygotuj 100 ml (użyj pojemnika z podziałką, może być na mocz) roztworu rozcieńczonego wodą wywaru pozostałego z gotowania czerwonej kapusty – roztwór powinien być intensywnie zabarwiony, ale przejrzysty (da się zobaczyć dno pojemnika). Rozlej po 50 ml do dwóch pojemników na mocz i połóż na parapecie, najlepiej na białej kartce papieru. Do pierwszego pojemnika dodaj strzykawką kilka kropli octu, a do drugiego – kilka kropli roztworu udrożniacza do rur (łyżeczkę granulek ostrożnie rozsyp na talerzyk, usuń wykałaczką szare granulki aktywatora, który przeszkadza w doświadczeniach, a potem rozpuść granulki w 30 ml wody). Zamieszaj i obserwuj kolory.

Wyjaśnienie: Barwa antocyjanów zawartych w czerwonej kapuście zmienia się m.in. pod wpływem zmian kwasowości (pH) roztworu. Już kilka kropli kwasu (octu) lub zasady sodowej (NaOH, aktywny składnik udrożniacza) powoduje widoczną zmianę zabarwienia – z fioletowej na czerwoną (gdy pH obniża się pod wpływem kwasu) lub na zieloną (gdy pH wzrasta). Ale antocyjany mogą też tworzyć kompleksy z jonami metali, np. glinu zawartego w aktywatorze, i przestają działać jak wskaźnik pH. Dlatego aktywator należy usunąć.

Doświadczenie 2

Do trzech pojemników na mocz wlej po 30 ml wywaru z kapusty (przygotowanego jak w doświadczeniu 1). Do pierwszego (A) dodaj płaską łyżeczkę sody oczyszczonej i rozmieszaj do całkowitego rozpuszczenia. Do drugiego (B) – patrząc pod światło (na tle szyby) – dodawaj kroplami (najwygodniej użyć strzykawki o pojemności 2 ml) roztwór NaOH tak, aby barwa roztworu była identyczna z tym w pojemniku A. Do trzeciego pojemnika (C) dodaj cztery razy tyle kropli NaOH, ile do roztworu B. Roztwory uzupełnij wodą do jednakowej objętości. Nową strzykawką dodawaj ocet do każdego z roztworów. Który roztwór pochłonął najwięcej kropli, by zmienić barwę na czerwoną?

Wyjaśnienie: Kwasy mogą zobojętniać zasady – w efekcie pH alkalicznego roztworu się obniża, a barwa antocyjanów zmienia się z zielonej przez niebieską, fioletową (pH obojętne – 7,0) aż do czerwonej, gdy stężenie kwasu będzie wyższe niż zasady. W przypadku roztworów B i C zmiany barwy następują skokowo, łatwo przegapić pośrednie odcienie. Dzieje się tak nawet w przypadku bardziej stężonego roztworu zasady (C), który startuje z wyższego pH. Natomiast roztwór kwaśnego węglanu sodu (NaHCO₃) jest buforem, którego początkowe pH wynosi ok. 8,4 (A). Niewielki dodatek kwasu nieznacznie tylko obniża pH, gdyż jony H⁺ wnoszone przez kwas octowy są wyłapywane przez resztę kwasu wodorowęglanowego HCO_3^-. Powstający kwas węglowy (H₂CO₃) łatwo się rozpada, tworząc wodę i dwutlenek węgla, którego pęcherzyki można zaobserwować w pojemniku. Dlatego trzeba zużyć zaskakująco dużo kwasu, aby uzyskać zmianę pH, zwłaszcza na początku doświadczenia. Bufory są bowiem skuteczne jedynie w określonym zakresie pH. Warto zauważyć, że powstający roztwór octanu sodu także jest buforem, ale skutecznym w o wiele niższym przedziale pH (3,6–5,6).

Doświadczenie 3

W pojemniku na mocz do 40 ml wody dodaj 10 ml odrdzewiacza do stali (dostępny w sklepach z artykułami budowlanymi) i dobrze wymieszaj. Ustaw trzy pojemniki (A, B i C) na mocz wypełnione roztworem antocyjanów (jak w doświadczeniu 1) na tle jasnego okna lub na białej kartce papieru. Do pierwszego pojemnika (A) dodaj strzykawką o pojemności 2 ml 20 kropli odrdzewiacza, a do drugiego – tylko 3. Następnie do A i B dodawaj porcjami po kilka kropli roztworu NaOH (jak w doświadczeniu 1), każdorazowo intensywnie mieszając zawartość plastikowymi słomkami. Gdy barwy obu roztworów będą takie same jak w pojemniku C, zacznij dodawać porcjami po 2 krople NaOH do każdego z roztworów A i B (nie zapominając o ich mieszaniu) i obserwuj zmiany barwy. Który szybciej stanie się zielony?

Wyjaśnienie: Odrdzewiacz do stali to 25-procentowy roztwór kwasu fosforowego (H₃ PO₄), który może reagować z wodorotlenkiem sodu, tworząc sole o buforującym charakterze (NaH₂PO₄ oraz Na₂HPO₄). Proste do przygotowania bufory fosforanowe są jednymi z najczęściej stosowanych w badaniach naukowych i pokazach popularnonaukowych (np. łatwo stworzyć tęczę w probówce lub zestaw kolorowych roztworów). Pozwalają one na bardzo precyzyjną kontrolę pH w zakresie 5,8–8, a konkretne pH można szybko uzyskać, korzystając z tabel lub kalkulatorów on-line, podpowiadających, ile i które sole ze sobą zmieszać. Podobna barwa roztworu antocyjanów sugeruje, że pH roztworów A i B było zbliżone. Dodatek NaOH spowodował powstanie buforu w pojemnikach A i B, jednak w pojemniku A zmiany pH pod wpływem zasady następowały wolniej (co umożliwiało obserwację wszystkich możliwych odcieni i barw antocyjanów) i trzeba było jej zużyć znacznie więcej. Dzieje się tak dlatego, że im wyższe jest stężenie składników buforu, tym więcej mogą one przyjąć lub oddać jonów H⁺ i skuteczniej przeciwstawiać się zmianom pH (rośnie tzw. pojemność buforowa).

dr Paweł Jedynak
Wydział Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii UJ

***

Zestaw przyrządów i materiałów

pojemniki na mocz, strzykawka 2 ml, plastikowe słomki lub łyżeczki, biała kartka papieru, odrdzewiacz do stali (25-procentowy kwas fosforowy), udrożniacz do rur (NaOH), soda oczyszczona, ocet, czerwona kapusta

Niewliczone w cenę: rękawiczki i okulary ochronne

Czas przygotowania: 2 godz.

Koszt: 50 zł

***

Uwaga! NaOH i kwas fosforowy są żrące.

Unikaj ich kontaktu ze skórą i oczami! Używaj rękawiczek i okularów ochronnych! Używając strzykawki, nie dociskaj tłoka do samego końca – wystrzeliwuje resztki cieczy!

***

Wiedza w pigułce

Cząsteczki kwasów i zasad wchodzą w reakcje z wodą, rozpadając się na jony (tzw. dysocjacja). Powoduje to zwiększenie lub obniżenie liczby jonów wodorowych w roztworze, co chemicy wygodnie określają zmianą pH. Im pH niższe, tym więcej jonów H⁺ i kwaśniejszy roztwór. Ale świat zawsze jest bardziej skomplikowany, niż zakładają proste modele. O ile w przypadku silnych kwasów i zasad ich cząsteczki dysocjują niemal w 100% (np. NaOH dysocjuje w roztworze na kation Na⁺ oraz anion OH^-), o tyle istnieje cała gama o wiele słabszych związków, które nie reagują z wodą już tak chętnie i wiele cząsteczek pozostaje niezdysocjowanych. Co oznacza, że słaby kwas (np. węglowy) nie wprowadza do roztworu tylu jonów H⁺, ile w zasadzie mógłby. Sprawa komplikuje się jeszcze bardziej, gdy dodać do niego silnej zasady (np. NaOH) – zachodzi reakcja zobojętnienia i tworzy się sól. Ale roztwory takiej soli wcale nie mają odczynu obojętnego – kation Na⁺ „chce” pozostać w formie zdysocjowanej. Natomiast reszta kwasu wcale nie ma na to „ochoty” i stara się powrócić do formy niezdysocjowanej. Część jego cząsteczek kradnie więc z wody jony H⁺, podnosząc tym samym pH. Dodawszy do takiego roztworu więcej kwasu, zaobserwujemy reakcję buforowania – nieliczne zdysocjowane cząsteczki słabego kwasu „zniechęcą” się do dysocjacji i zaczną „kraść” jony H⁺ dostarczone przez nowy kwas, przechodząc w formę niezdysocjowaną. W efekcie pH nie zmieni się dopóty, dopóki nie zostanie wysycona pula tych słabych kwasów.

Buforami będą też roztwory silnych kwasów (np. HCl) i słabych zasad. A bez buforów nie byłoby życia. Każda komórka to kropla buforu utrzymująca stałe pH (zwykle ok. 7,2), konieczne do zachodzenia jednych reakcji biochemicznych i hamowania innych – np. enzymy trawienne wymagają do pracy bardzo niskiego pH. Buforująco mogą działać reszty aminokwasów i amin organicznych. Bufor węglanowy skutecznie utrzymuje stałe pH naszej krwi w granicach 7,4 i to dlatego, wbrew temu, co przeczytamy w internecie, nie jest potrzebna nam żadna dieta odkwaszająca. Dzięki buforowi we krwi mogą krążyć substancje mające wpływ na pH, np. aminokwasy czy powstający podczas intensywnego wysiłku kwas mlekowy.

Z buforów korzystają także biochemicy – utrzymanie odpowiedniego pH gwarantuje zachowanie aktywności enzymów i utrzymanie normalnej struktury białek, może też chronić przed rozpadem wyizolowane z komórek DNA i RNA. Bufory zapewniają stabilne otoczenie, tak konieczne do wydajnego zachodzenia różnych reakcji chemicznych.

***

Uwaga!

Redakcja nie ponosi odpowiedzialności za ewentualne szkody powstałe wskutek doświadczeń.