مؤشر الرقم الهيدروجيني

مؤشر الرقم الهيدروجيني هو مركب كيميائي متغير اللون مع تغير درجة الحموضة ، يُضاف بكميات صغيرة إلى المحلول لتحديد درجة حموضته ( حموضته أو قاعديته ) بصريًا أو طيفيًا من خلال تغيرات في خصائص الامتصاص و/أو الانبعاث. ^{[ 1 ]} وبالتالي، يُعد مؤشر الرقم الهيدروجيني كاشفًا كيميائيًا لأيونات الهيدرونيوم (H3O ₊ ) ^أو أيونات الهيدروجين (H ⁺ ) وفقًا لنموذج أرهينيوس .

عادةً، يُسبب المؤشر تغيرًا في لون المحلول تبعًا لدرجة الحموضة (pH). كما يُمكن للمؤشرات أن تُظهر تغيرًا في خصائص فيزيائية أخرى؛ فعلى سبيل المثال، تُظهر المؤشرات الشمية تغيرًا في رائحتها . تبلغ قيمة الرقم الهيدروجيني للمحلول المتعادل 7.0 عند 25  درجة مئوية ( في ظروف المختبر القياسية ). تُعتبر المحاليل ذات الرقم الهيدروجيني الأقل من 7.0 حمضية، بينما تُعتبر المحاليل ذات الرقم الهيدروجيني الأعلى من 7.0 قاعدية. نظرًا لأن معظم المركبات العضوية الموجودة في الطبيعة هي إلكتروليتات ضعيفة ، مثل الأحماض الكربوكسيلية والأمينات ، فإن مؤشرات الرقم الهيدروجيني تُستخدم على نطاق واسع في علم الأحياء والكيمياء التحليلية . علاوة على ذلك، تُعد مؤشرات الرقم الهيدروجيني أحد الأنواع الثلاثة الرئيسية لمركبات المؤشرات المستخدمة في التحليل الكيميائي. يُفضل استخدام المؤشرات المعقدة لتحليل الكاتيونات المعدنية كميًا ، ^{[ 2 ] [ 3 ]} بينما تُستخدم الفئة الثالثة من المركبات، وهي مؤشرات الأكسدة والاختزال ، في معايرات الأكسدة والاختزال ( معايرات تتضمن تفاعل أكسدة واختزال واحد أو أكثر كأساس للتحليل الكيميائي).

تُعتبر مؤشرات الرقم الهيدروجيني، في حد ذاتها، أحماضًا أو قواعد ضعيفة. ويمكن صياغة مخطط التفاعل العام لمؤشرات الرقم الهيدروجيني الحمضية في المحاليل المائية على النحو التالي:

HInd _(aq) + H₂ O_(l)⇌H₃ O⁺_(aq)+Ind⁻_(aq)

حيث أن "HInd" هو الشكل الحمضي و "Ind ⁻ " هو القاعدة المرافقة للمؤشر.

وينطبق الأمر نفسه على مؤشرات الرقم الهيدروجيني الأساسية في المحاليل المائية:

IndOH _(aq) + H₂ O_(l)⇌H₂ O_(l)+Ind⁺_(aq)+OH⁻_(aq)

حيث يرمز "IndOH" إلى الشكل الأساسي و "Ind ⁺ " إلى الحمض المرافق للمؤشر.

تحدد نسبة تركيز الحمض/القاعدة المترافقة إلى تركيز المؤشر الحمضي/القاعدي قيمة الرقم الهيدروجيني (أو الهيدروكسيلي) للمحلول، وتربط اللون بقيمة الرقم الهيدروجيني (أو الهيدروكسيلي). بالنسبة لمؤشرات الرقم الهيدروجيني التي تُعد إلكتروليتات ضعيفة، يمكن كتابة معادلة هندرسون-هاسلبالخ على النحو التالي:

_الرقم الهيدروجيني = pKa + log10 [ Ind− ] ^/ [ HInd ]_​

pOH = pKb + _log10 [ Ind + ^] _/ [ IndOH ]

تنص المعادلات، المشتقة من ثابت الحموضة وثابت القاعدية، على أنه عندما يساوي الرقم الهيدروجيني قيمة pKa _أو pKb _للكاشف ، يكون كلا النوعين موجودين بنسبة 1:1. إذا كان الرقم الهيدروجيني أعلى من قيمة pKa أو pKb _، يكون تركيز القاعدة المرافقة أكبر من تركيز الحمض، ويسود اللون المرتبط بالقاعدة المرافقة. أما إذا كان الرقم الهيدروجيني أقل من _قيمة pKa أو pKb _، فيكون _العكس صحيحًا .

عادةً، لا يحدث تغير اللون بشكل فوري عند قيمة pKa _أو pKb ، بل يوجد نطاق pH تتواجد فيه مزيج من الألوان. يختلف هذا النطاق بين المؤشرات، ولكنه كقاعدة عامة يقع بين قيمة pKa _أو pKb زائد أو ناقص واحد. يفترض هذا _أن المحاليل تحتفظ بلونها طالما بقي 10% على الأقل من المادة الأخرى. على سبيل المثال، إذا كان تركيز القاعدة المرافقة أكبر بعشر مرات من تركيز الحمض، فإن نسبتهما هي 10:1، وبالتالي يكون الرقم الهيدروجيني pKa ₊ 1 أو pKb + 1. في المقابل، إذا كان تركيز الحمض أكبر بعشر مرات من تركيز القاعدة، _فإن النسبة هي 1:10 ويكون الرقم الهيدروجيني _pKa - 1 _أو pKb _- 1 .        

للحصول على دقة مثلى، يجب أن يكون الفرق اللوني بين النوعين واضحًا قدر الإمكان، وكلما كان نطاق الرقم الهيدروجيني لتغير اللون أضيق، كان ذلك أفضل. في بعض المؤشرات، مثل الفينول فثالين ، يكون أحد النوعين عديم اللون، بينما في مؤشرات أخرى، مثل الميثيل الأحمر ، يُضفي كلا النوعين لونًا. على الرغم من أن مؤشرات الرقم الهيدروجيني تعمل بكفاءة ضمن نطاق الرقم الهيدروجيني المحدد لها، إلا أنها عادةً ما تتلف عند طرفي مقياس الرقم الهيدروجيني بسبب تفاعلات جانبية غير مرغوب فيها.

تُستخدم مؤشرات الرقم الهيدروجيني (pH) بكثرة في عمليات المعايرة في الكيمياء التحليلية وعلم الأحياء لتحديد مدى التفاعل الكيميائي . ^{[ 1 ]} ونظرًا لأن اختيار اللون (تحديده) أمرٌ شخصي ، فإن مؤشرات الرقم الهيدروجيني عُرضة لقراءات غير دقيقة. وللتطبيقات التي تتطلب قياسًا دقيقًا للرقم الهيدروجيني، يُستخدم عادةً مقياس الرقم الهيدروجيني أو ورق عباد الشمس. في بعض الأحيان، يُستخدم مزيج من مؤشرات مختلفة للحصول على عدة تغيرات لونية سلسة عبر نطاق واسع من قيم الرقم الهيدروجيني. تُستخدم هذه المؤشرات التجارية (مثل المؤشر العالمي وأوراق هيدريون ) عندما تكون المعرفة التقريبية للرقم الهيدروجيني كافية. في عملية المعايرة، يُطلق على الفرق بين نقطة النهاية الحقيقية ونقطة النهاية المُشار إليها اسم خطأ المؤشر. ^{[ 1 ]}

يُبيّن الجدول أدناه بعض مؤشرات الرقم الهيدروجيني الشائعة في المختبرات. تُظهر هذه المؤشرات عادةً ألوانًا وسيطة عند قيم الرقم الهيدروجيني ضمن نطاق الانتقال المذكور. على سبيل المثال، يُظهر الفينول الأحمر لونًا برتقاليًا بين الرقم الهيدروجيني 6.8 و8.4. قد يتغير نطاق الانتقال قليلًا تبعًا لتركيز المؤشر في المحلول ودرجة الحرارة المستخدمة. يوضح الشكل على اليمين المؤشرات ونطاق عملها وتغيرات ألوانها.

قياس دقيق لدرجة الحموضة

يمكن استخدام مؤشر للحصول على قياسات دقيقة للغاية لدرجة الحموضة عن طريق قياس الامتصاص كميًا عند طولين موجيين أو أكثر. ويمكن توضيح المبدأ بافتراض أن المؤشر حمض بسيط، HA، يتفكك إلى أيونات الهيدروجين (H ⁺ ) والأيونات السالبة (A- ⁾ .

HA ⇌ H ⁺ + A ⁻

يجب معرفة قيمة ثابت تفكك الحمض ، pKa _. كما يجب تحديد الامتصاصية المولية ، εHA و εA⁻ _{، للنوعين HA} و A⁻ عند الطولين الموجيين λx و _λy ، من خلال _تجربة سابقة ^_. وبافتراض _تطبيق قانون بير ، ^{فإن الامتصاصية المقاسة} Ax و _Ay عند الطولين الموجيين هما ببساطة مجموع الامتصاصية لكل نوع.

${\displaystyle {\begin{align}A_{x}&=[{\ce {HA}}]\varepsilon _{{\ce {HA}}}^{x}+[{\ce {A-}}]\varepsilon _{{\ce {A-}}}^{x}\\A_{y}&=[{\ce {HA}}]\varepsilon _{{\ce {HA}}}^{y}+[{\ce {A-}}]\varepsilon _ {{\ce {A-}}}^{y}\end{محاذاة}}}$

هاتان معادلتان بدلالة التركيزين [HA] و[A− ^] . بعد حلهما، نحصل على الرقم الهيدروجيني (pH) كما يلي:

${\displaystyle \mathrm {pH} =\mathrm {p} K_{\mathrm {a} }+\log {\frac {[{\ce {A-}}]}{[{\ce {HA}}]}}}$

إذا أُجريت القياسات عند أكثر من طولين موجيين، يُمكن حساب تركيزي [HA] و[A−] باستخدام طريقة ^{المربعات} الصغرى الخطية . في الواقع، يُمكن استخدام الطيف الكامل لهذا الغرض. يوضح الشكل التالي هذه العملية باستخدام مؤشر بروموكريسول الأخضر . الطيف المرصود (الأخضر) هو مجموع طيفي HA (الذهبي) وA− ⁽ الأزرق)، مع مراعاة تركيز كل منهما.

عند استخدام مؤشر واحد، تقتصر هذه الطريقة على القياسات في نطاق الأس الهيدروجيني pKa ± 1 _، ولكن يمكن توسيع هذا النطاق باستخدام مزيج من مؤشرين أو أكثر. ولأن المؤشرات تتميز بأطياف امتصاص قوية، يكون تركيز المؤشر منخفضًا نسبيًا، ويُفترض أن يكون تأثيره على الأس الهيدروجيني ضئيلاً.  

في معايرات الأحماض والقواعد، قد يؤدي استخدام مؤشر حموضة غير مناسب إلى تغير لون المحلول المحتوي على المؤشر قبل أو بعد نقطة التكافؤ الفعلية. ونتيجة لذلك، يمكن استنتاج نقاط تكافؤ مختلفة للمحلول بناءً على مؤشر الحموضة المستخدم. ويعود ذلك إلى أن أدنى تغير في لون المحلول المحتوي على المؤشر يشير إلى الوصول إلى نقطة التكافؤ. لذا، فإن أنسب مؤشر حموضة يتميز بنطاق حموضة فعال، حيث يكون تغير اللون واضحًا، يشمل حموضة نقطة تكافؤ المحلول الذي تتم معايرته. ^{[ 5 ]}

تحتوي العديد من النباتات أو أجزائها على مواد كيميائية من عائلة الأنثوسيانين، وهي مركبات ملونة طبيعيًا. تكون هذه المركبات حمراء في المحاليل الحمضية وزرقاء في المحاليل القاعدية. يمكن استخلاص الأنثوسيانين بالماء أو مذيبات أخرى من مجموعة متنوعة من النباتات وأجزائها الملونة، بما في ذلك الأوراق ( مثل الملفوف الأحمر )؛ والزهور ( مثل إبرة الراعي ، والخشخاش ، وبتلات الورد )؛ والثمار ( مثل التوت الأزرق ، والكشمش الأسود )؛ والسيقان ( مثل الراوند ). يُعد استخلاص الأنثوسيانين من نباتات الزينة المنزلية، وخاصة الملفوف الأحمر ، لتحضير مؤشر حموضة أولي، عرضًا توضيحيًا شائعًا في الكيمياء التمهيدية.

الليتموس ، الذي استخدمه الخيميائيون في العصور الوسطى ولا يزال متوفرًا بكثرة، هو مؤشر طبيعي لدرجة الحموضة مصنوع من مزيج من أنواع الأشنات ، وخاصةً Roccella tinctoria . كلمة "ليتموس " مشتقة حرفيًا من "الطحلب الملون" في اللغة النوردية القديمة (انظر Litr ). يتغير لونه بين الأحمر في المحاليل الحمضية والأزرق في المحاليل القلوية. وقد أصبح مصطلح "اختبار الليتموس" استعارة شائعة الاستخدام لأي اختبار يُزعم أنه يميز بشكل قاطع بين البدائل.

تتغير ألوان أزهار نبات الكوبية الكبيرة الأوراق تبعًا لحموضة التربة. ففي التربة الحمضية، تحدث تفاعلات كيميائية تجعل الألومنيوم متاحًا لهذه النباتات، مما يُحوّل لون الأزهار إلى الأزرق. أما في التربة القلوية، فلا تحدث هذه التفاعلات، وبالتالي لا يمتص النبات الألومنيوم، فتبقى الأزهار وردية اللون.

ومن المؤشرات الطبيعية الأخرى لدرجة الحموضة الكركم . يتحول لونه إلى الأصفر عند تعرضه للأحماض ، وإلى البني المحمر عند وجوده في وجود القلويات .

• 
  نبات الكوبية في التربة الحمضية
• 
  نبات الكوبية في التربة القلوية
• 
  مؤشر الرقم الهيدروجيني لمستخلص الملفوف الأحمر متدرج من محلول حمضي على اليسار إلى محلول قاعدي على اليمين
• 
  قرنبيط بنفسجي منقوع في صودا الخبز (يسار) والخل (يمين). يعمل الأنثوسيانين كمؤشر لدرجة الحموضة.
• 
  يكون لون الكركم المذاب في الماء أصفر في الظروف الحمضية، وبني محمر في الظروف القلوية.

• الكروموفور
• اختبار درجة حموضة البراز
• النيترازين
• سلفارزازين
• مؤشر عالمي

• الوسائط المتعلقة بمؤشرات الرقم الهيدروجيني على ويكيميديا ​​كومنز
• قائمة مؤشرات طويلة ، مؤرشفة في 4 مارس 2022 على موقع Wayback Machine