مقدمه:

 

این بار ما با آزمایش های ساده  شیمی شروع به معرفی اسید و باز می كنیم. خواهیم دید كه چگونه اسید‌یته‌ی مواد اندازه‌گیری می‌شود؛ با تعدادی ازمعرف‌های اسید و باز آشنا می‌شویم؛ كاغذ PH‌سنج می‌سازیم؛ تیتراسیون سركه را انجام می‌دهیم؛ تعدادی ازمعرف‌ها (اندیكاتورها)‌ی طبیعی را می‌شناسیم و جدول رنگی آنها را تعیین می‌كنیم. در بیشتر موارد ما از مواد خانگی و در مواردی از ابزار و موادی كه برای همین آرمایش‌ها خریداری كردیم استفاده می‌كنیم.

آزمایش‌هایی كه شرح خواهیم داد نه تنها برای اجرا در مدرسه مناسب است بلكه در خانه برای علاقمندان هم انجام‌پذیر است. سختی این آزمایش‌ها مورد به مورد متفاوت است و به ‌عهده‌ی معلم یا اولیاست كه متناسب با سطح درسی دانش‌آموز خود آزمایش‌های مناسب وی را انتخاب كنند.

امیدواریم شما معلمان عزیز با راهنمایی‌های خود ما را در بهبود این مطالب یاری نمایید.واكنش شیمیایی

 

اولین آزمایش و مشاهده برای معرفی مفهوم واكنش شیمیایی ارائه می‌شود كه می‌توان آن را در مقطع ابتدایی انجام داد. این آزمایش كمك می‌كند بچه‌ها بفهمند چگونه اسید و باز بر هم اثر می‌كنند.

 

درنصف لیوان آب چند قاشق چای‌خوری جوش‌شیرین بریزید و آن را خوب هم بزنید تا محلول یكنواختی حاصل شود. در همان لیوان یك قاشق غذا‌خوری سركه بریزید. همان طور كه مشاهده می‌كنید مقدار فراوانی كف ایجاد می‌شود(شكل 2). چه اتفاقی اقتاده است؟

یك واكنش شیمیایی بین سركه (یك اسید) و جوش‌شیرین (یك باز) رخ داده است. این دو ماده با هم واكنش داده و تولید نمك، آب و دی اكسید كربن می‌كنند. این گاز حباب‌های كوچكی كه می‌بینید را ایجاد می كند. دركل، مواد اسیدی و بازی با هم واكنش می‌دهند و نمك و سایر مواد مثل آب و دی اكسید كربن تولید می‌شود. اگر می‌خواهید  واكنش با سرعت بیشتری انجام شود از آب گرم (نه جوش) استفاده كنید.

نمكی كه در این واكنش  تولید می شود استات سدیم است :

       

اسیدها، بازها و PH

 

در جهان میلیون‌ها ماده‌ی شیمیایی وجود دارد. بعضی از آنها دارای خاصیت اسیدی و بعضی دیگر دارای خاصیت بازی هستند. اسیدها موادی هستند كه در تركیب با آب یون هیدروژن (+H) آزاد می كنند. بازها موادی هستند كه در تركیب با آب یون هیدروكسید (-OH) آزاد می كنند (آزاد شدن یون دراین گونه واكنش ها تفكیك نامیده می‌شود). یون هیدروكسید آزاد با یون هیدروژن مولكول آب تولید می كند:  H+ + OH- = H2O .

در این حالت بازها  تراكم  یون هیدروژن را در محلول كاهش می دهند. محلولی كه غنی از یون‌های هیدروژن است را اسیدی و محلولی كه مقدار كمی یون هیدروژن دارد را بازی می نامند. بعضی از اسیدها بصورت جزئی تفكیك می‌شوند و به آنها اسید ضعیف می گویند؛ بعضی دیگر تفكیك كامل دارند و اسید قوی نامیده می‌شوند. بازها هم به همین ترتیب می‌توانند ضعیف یا قوی باشند.

اسیدها و بازهای رقیق كه كمتر اشباع هستند فعالیت كمتری در واكنش ها دارند. میزان اسیدی و بازی بودن مواد بوسیله‌ی واحدهای  PH اندازه گیری می‌شود. شاخص مورد استفاده محدوده‌ای بین 0 تا 14 دارد. موادی كه PH پائین‌تر از 7 دارند اسید‌، آنهایی كه  PH مساوی 7 دارند خنثی و آنهایی كه PH بالاتر از 7 دارند را باز می‌نامند. موادی كه PH خیلی پایین دارند اسید قوی و آنهایی كه PH خیلی بالا دارند باز قوی هستند. اسیدها و بازهای غلیظ بسیار خورنده و خطرناك هستند.

(مطالب ذیل مخصوص دانش آموزان دوره‌ی دبیرستان است.)

PH سنجشی برای میزان تراكم یا غلظت یون هیدروژن در محلول است. از آنجا كه تعداد رقم‌های این كمیت بسیار زیاد خواهد شد، آن را با لگاریتم در مبنای ده نشان می‌دهند و چون این تراكم همواره از 1 كوچك‌تر است لگاریتم همیشه علامت منفی می‌گیرد و برای جلوگیری از نوشتن علامت منفی، قرار داد شده كه همواره آن را با علامت مثبت بنویسند (یك علامت منفی به آن اضافه شده). بنابراین PH ،لگاریتم غلظت یون هیدروژن است و آن را این‌گونه نشان می دهند:              [+PH=-log[H    

 بنابراین هرگاه PH عدد كمتری داشته باشد، غلظت یون هیدروژن بیشتر است.

 

آب مقطر PH =7 دارد. پس چطور ممكن است كه  آب مقطر یون هیدروزن آزاد داشته باشد؟ این پدیده به علت تفكیك جزئی برخی از مولكول‌های آب در اثر آشفتگی گرمایی است (H2O- ↔ H+ + OH). این یون‌ها بلافاصله به هم می‌پیوندند و مولكول‌های دیگر تفكیك می‌شوند. به این ترتیب یك تعادل دائمی در غلظت مولكول‌های تفكیك شده وجود دارد.

 

 اندازه‌گیری PH

 

موادی وجود دارد كه قابلیت تغییر رنگ دربرخورد با محیط‌های اسیدی و بازی دارند. این مواد اصطلاحا «PH indicator» ، یا معرف PH  نامیده می شوند. برای مثال «فنول فتالئین» و «بروموتیمول بلو» استفاده می‌شود. معمولا برای اندازه‌گیری PH از كاغذهای مخصوص آغشته به معرف استفاده می كنند. این كاغذ‌ها وقتی كه در محلول‌های اسیدی یا بازی فرو برده می‌شوند، بلافاصله دچار تغییر رنگ می‌شوند. در این مورد كاغذ لیتموس (یا ترنسل) برای همه شناخته شده است. (شكل 3). امروزه اندازه‌گیری PH بوسیله‌ی ابزارهای الكترونیكی مثل‌ «PH متر» امكان‌پذیر شده است (شكل 4).

 

كاغذ لیتموس

لیتموس ماده‌ای است كه از گلسنگ‌های خاصی بدست می‌آید.لیتموس قابلیت این را دارد كه در مقابل مواد اسیدی به رنگ قرمز و در مقابل مواد بازی به رنگ آبی در آید. در بسته‌بندی كاغذ لیتموس یك مقیاس رنگی وجود دارد كه رنگ كاغذ در PH مورد نظر را نشان می‌دهد(شكل3).

 

استفاده از كاغذ لیتموس:

استفاده از كاغذ لیتموس بسیار ساده است. ابتدا گوشه‌ی انتها‌ی كاغذ را در مایعی كه می‌خواهید آزمایش كنید فرو ببرید و به سرعت خارج كنید. PH مایع با مقایسه رنگ كاغذ با جدول رنگی یا مقیاس در اختیارتان مشخص می‌شود.

 

PHمتر وسیله‌ای الكترونیكی است كه بخش حبابی شكل آن حساس به غلظت یون هیدروژن موجود در محلول مورد آزمایش است. سیگنالی كه بوسیله‌ی حباب ایجاد می‌شود تقویت شده و به نمایشگر فرستاده می‌شود. قبل از استفاده از PHمتر باید آن را ست (استاندارد) كرد. برای این كار الكترود آن را در محلول بافربا  PH معلوم قرار می‌دهیم. اگر PH دقیق رانشان ندهد دستگاه را روی PH اسمی بافر، به كمك دكمه‌های روی نمایشگر تنظیم می‌كنیم (شكل 4).

در آزمایشی كه شرح دادیم PH محلول اشباع جوش شیرین، سركه و محلول حاصل از تركیب این دو را  به كمك كاغذ لیتموس اندازه بگیرید. اگر PHمتر در اختیار دارید آزمایش را با آن تكرار كنید.

 

عصاره‌ی كلم قرمز یك معرف!

همان‌طور كه دیدیم اسید و باز قابلیت تغییر رنگ مواد مشخصی را دارند. این مسئله در مورد عصاره‌ی كلم قرمز هم صادق است. این مایع دارای رنگ آبی مایل به بنفش است، ولی در مقابل مواد اسیدی به رنگ قرمز و در مقابل مواد بازی به رنگ سبز و حتی زرد  در می‌آید. بگذارید ببینیم چطور می‌توان از عصاره‌ی كلم برای اندازه گیری PH مواد مختلف استفاده كرد.

كلم قرمز را می‌توانید در فصل زمستان و بهار به راحتی پیدا كنید. آن را به قطعات كوچك برش بزنید (شكل 6). و در ظرفی بریزید. مقداری آب بر روی آن بریزید تا اندازه‌ای كه سطح كلم‌ها را بپوشاند. حدود نیم ساعت آن را بجوشانید و بگذارید سرد شود. عصاره كلم را در ظرف كوچك‌تری بریزید(شكل8). كلم‌ها هم قابل مصرف هستند و می‌توانید در غذا مصرف كنید.

از عصاره‌ی كلم قرمز به عنوان معرف در فاز مایع استفاده كنید.

چند قطره از مایع را روی یك سطح سفید بریزید و تغییر رنگ آن را هنگامی كه با سركه و جوش شیرین تركیب می‌شود ببینید. می‌توانید مشاهده كنید كه این مایع در مقابل سركه یا آب لیمو، قرمز و در مقابل جوش شیرین به رنگ سبز در می‌آید.(شكل9).

یك سانتیمتر عصاره را در لیوان شفافی بریزید. لیوان را تا نصفه از آب پر كنید. حالا مقداری سركه در آن بریزید و تغییر رنگ آن را مشاهده كنید. آزمایش را دوباره تكرار كنید و این بار به جای سركه از جوش شیرین استفاده كنید.

 

 

 

آماده‌سازی كاغذ PH با عصاره ی كلم قرمز

مقداری كاغذ صافی سفید (porous) ببرید و آنها را در عصاره غوطه‌ور كنید تا كاملا عصاره به خورد كاغذ برود(شكل 10). بعد از نیم ساعت كاغذها را خارج كنید و كنار بگذارید تا خشك شود(شكل 11). بعد آنها را بصورت نوارهای كوچك ببرید. می‌توانید آنها را ماه‌ها نگه دارید. اگر می‌خواهید عصاره كلم را نگه دارید آن را در یخچال بگذارید چون بعد از مدتی فاسد خواهد شد.

 

وسایل لازم:

1. PHمتر «اگر موجود است»

2.كاغذ لیتموس (یا ترنسل)

3.كاغذ كلم قرمز

4.بشریا ضرف شیشه‌ای دیگر «20 عددـ»

5.میله‌ی همزن شیشه ای یا پلاستیكی

 

 

در انتهای اندازه‌گیری مقادیری كه با PHمتر و كاغذ لیتموس بدست آوردید را با هم مقایسه كنید.

رنگی كه كاغذ كلم قرمز نشان می‌دهد را مشاهده كنید.

2 ماده‌ی بیشتر اسیدی را در جدول علامت‌گذاری كنید.

2 ماده‌ی بیشتر بازی  را در  جدول علامت‌گذاری كنید.

 

مشاهدات:

سركه،كوكا كولا و لیمو مواد اسیدی هستند.

جوش شیرین، محلول آمونیاك مواد بازی هستند.

آب مقطر PH خنثی دارد.

 

 

جدول رنگی  كلم قرمز

 

حالا ببینیم چطور می‌توان جدول رنگی كلم قرمز را تنظیم كرد.

محلول‌هایی با تمام درجات PH درست كنید. با دروبین دیجیتال از تمام كاغذ‌های كلمی كه در محلول‌ها قرار دادید بعد ازاینكه آنها را خارج كردید و خشك شدند، عكس بگیرید. بوسیله‌ی نرم افزار Edit عكس مثل فتوشاپ تعیین رنگ‌هایی كه بدست آوردید بسیار ساده می‌شود. برای ادامه‌ی این آزمایش لازم است كه یك PHمتر تهیه كنید.

 

مواد و وسایلی كه برای تنظیم جدول رنگی كاغذ كلم قرمز مورد نیاز است

1. آب شیر

2. لیمو ترش

3. سركه‌ی سفید

4. محلول آمونیاك 20%

5. جوش شیرین

6. PHمتر

7. محلول بافر‌(PH=7) برای ست كردن PHمتر

8. كاغذ لیتموس

9. كاغذ كلم قرمز

10. بشر یا ظرف شیشه ای 20 عدد

11. میله‌ی همزن شیشه‌ای یا پلاستیكی

12. دوربین دیجیتال با اسكنر

13. كامپیوتر با نرم‌افزارهای Photoshop یا Excel

 

به وسیله‌ی بافر دارای PH=7 ؛ PHمتر را ست كنید.

یك محلول رقیق با PH=2 درست كنید. برای این منظور از لیموترش استفاده كنید. (سركه به اندازه‌ی كافی اسیدی نیست). آن را با آب رقیق كنید تا مقدار PH مورد نظر بدست آید. PHمتر را از بشر خارج كنید و با آب شیر بشویید. یك نوار از كاغذ كلم ببرید و در محلول قرار دهید. آن را خارج كنید و بعد از یك دقیقه از آن عكس بگیرید. بر خلاف كاغذ لیتموس ،كاغذ كلم مدتی طول می‌كشد تا رنگ بگیرد.

یك محلول رقیق با 3= PH درست كنید. برای این كار می‌توانید از همان لیمو‌ترش یا سركه‌ی سفید استفاده كنید. آن قدر آب اضافه كنید تا PH مورد نظر حاصل شود. pHمتر را با آب بشویید. یك نوار كاغذ كلم در محلول PH=3 قرار دهید و آن را خارج كنید و بعد از یك دقیقه از آن عكس بگیرید. این كار را با محلول PH=4,5,6,7 ادامه دهید. برای PH=7 می‌توانید از بافر یا آب شیر استفاده كنید. برای PH=8,9,10,11 از محلول آمونیاك استفاده كنید و ازنوارهای كاغذ كلم عكس بگیرید. هنگام استفاده از آمونیاك در هوای باز یا اتاق هوا گیر كار كنید. محلول‌های با PH كمتر از 2 و بیشتر از 11 درست نكنید چون خطرناك است.

PH محلول‌ها را با PHمتر اندازه بگیرید و هر بار الكترود آن را با آب شیر بشویید. هرازگاهی PHمتر را بوسیله‌ی محلول بافر ست كنید تا آزمایشتان دچار خطا نشود. عكس‌ها را در شرایط نوری یكسان بگیرید تا دمای نور روی رنگ عكس‌ها تاثیر نگذارد.

روش دیگر برای ثبت رنگ كاغذها استفاده از اسكنر (scanner) است. در این مورد فراموش نكنید كه شیشه‌ی آن را قبل از گذاشتن كاغذ‌ها پاك كنید. با استفاده از ابزار قطره‌چكان در نرم افزار‌ Photoshop، رنگ كاغذ‌ها را مشخص كنید. و مطابق با شكل جدول رنگی خود را تنظیم كنید. ممكن است رنگ‌هایی كه بدست می‌آورید كمی با رنگ‌های ما متفاوت باشد.

با گذشت زمان رنگ كاغذ ها كم رنگ می‌شود یا تغییر رنگ می‌دهند پس درجات رنگی كه در رایانه ثبت می كنید بسیار مورد استفاده خواهند بود.

محلول‌هایی كه با PH‌های مختلف درست كردید را با كاغذ لیتموس هم آزمایش كنید و نتیجه را با جدول رنگی روی جعبه مقایسه كنید. اگر اختلاف رنگی وجود دارد به خاطر قدیمی بودن كاغذ‌هاست.

شما می‌توانید كاغذ PH را با مواد گیاهی دیگر نیز بسازید. در تابستان از شاه‌توت هم استفاده كنید. و جدول رنگی برای آن درست كنید.

                                                                                    

منبع سایت: roshd.ir                                                                                                                                               تهیه از: مهدی عرفانیان