เมทิลเรดและเมทิลีนบลู: อินดิเคเตอร์ทาชิโระทำงานอย่างไร

อินดิเคเตอร์ผสมทาชิโระประกอบด้วยเมทิลเรดและเมทิลีนบลู เพื่อให้อ่านผลการไทเทรตกรด–เบสได้ง่ายขึ้น เมทิลเรดทำหน้าที่ตอบสนองต่อ pH ส่วนเมทิลีนบลูปรับความต่างของสีที่มองเห็น การเปลี่ยนจากสีเขียวเป็นสีม่วงในส่วนผสมนี้ไม่ควรถูกตีความว่าสีย้อมสีน้ำเงินกำลังถูกรีดิวซ์เป็นรูปไม่มีสีตามปฏิกิริยาที่คุ้นเคย

สูตรผสมมีความสำคัญ ชื่อบนขวดบอกได้ว่าเป็นอินดิเคเตอร์กลุ่มใด แต่ห้องปฏิบัติการยังต้องทราบองค์ประกอบ การเปลี่ยนสีที่มีเอกสารระบุไว้ และวิธีวิเคราะห์ที่กำหนดว่าเมื่อใดควรหยุดเติมสารไทเทรต

สีย้อมแต่ละชนิดมีบทบาทอย่างไร

เมทิลเรดเป็นอินดิเคเตอร์กรด–เบส รูปที่รับโปรตอนและรูปที่เสียโปรตอนมีการดูดกลืนแสงในช่วงที่มองเห็นแตกต่างกัน ดังนั้นสัดส่วนของทั้งสองรูปที่เปลี่ยนไปจึงทำให้สีเปลี่ยนเมื่อ pH เปลี่ยน ตัวอย่างเช่น Sigma-Aldrich ระบุการเปลี่ยนจากสีชมพูเป็นสีเหลืองในช่วง pH 4.2–6.2 สำหรับรีเอเจนต์เมทิลเรดของบริษัท

การเติมองค์ประกอบสีน้ำเงินเปลี่ยนสีที่ตารับรู้ โดยด้านที่มีโทนแดงจะดูเป็นสีม่วงมากขึ้น ส่วนด้านที่มีโทนเหลืองเมื่อผสมกับสีน้ำเงินจะดูเป็นสีเขียว กระบวนการนี้มักเรียกว่า การปรับสีพื้นของอินดิเคเตอร์ สิ่งสำคัญคือการแยกบทบาทระหว่างองค์ประกอบที่ตอบสนองต่อความเป็นกรดกับองค์ประกอบที่ปรับลักษณะสีที่มองเห็น การผสมสีย้อมไม่ได้ทำให้เมทิลีนบลูกลายเป็นเครื่องวัด pH ที่ใช้ได้กับทุกสภาวะ

เปรียบเทียบทั้งสามกรณีนี้ก่อนตีความสี:

แถวสุดท้ายอธิบายการทดลองอีกแบบหนึ่ง ในการสาธิตขวดสีน้ำเงินของ Oxford กลูโคสในสภาวะด่างจะรีดิวซ์เมทิลีนบลูให้เป็นรูปไม่มีสี และออกซิเจนที่เติมเข้าไปจะทำให้สีน้ำเงินกลับคืนมา สภาวะเหล่านี้อธิบายวัฏจักรรีดอกซ์ ไม่ใช่การอ่านผลกรด–เบสตามวัตถุประสงค์ของทาชิโระ ความแตกต่างในภาพรวมนี้อธิบายไว้ในเรื่องเคมีรีดอกซ์ของเมทิลีนบลู

สูตรผสมที่มีเอกสารระบุไว้และทิศทางการเปลี่ยนสี

เอกสารข้อมูลทางเทคนิคของ ITW Reagents สำหรับผลิตภัณฑ์ 282430 ฉบับที่ 5 ลงวันที่ตุลาคม 2018 ระบุเมทิลเรด 100 mg และเมทิลีนบลู 50 mg พร้อมน้ำ 10.4 mL และเอทานอลไร้น้ำในปริมาณที่เพียงพอให้ได้ปริมาตรรวม 100 mL เอกสารระบุว่าผลิตภัณฑ์ใช้สำหรับการไทเทรตแอมโมเนีย และระบุสีแดงอมม่วงที่ pH 4.4 กับสีเขียวที่ pH 5.8

จึงแสดงแผนภาพเฉพาะสำหรับสูตรผสมนี้ได้ดังนี้:

pH 4.4, สีแดงอมม่วง → pH เพิ่มขึ้น → pH 5.8, สีเขียว

pH 5.8, สีเขียว → pH ลดลง → pH 4.4, สีแดงอมม่วง

ลูกศรอธิบายทิศทางการเปลี่ยนผ่านช่วงของอินดิเคเตอร์ ไม่ได้กำหนดให้ปลายด้านใดด้านหนึ่งของช่วงเป็นจุดหยุดสำหรับการวิเคราะห์ทุกแบบ เอกสารนี้ไม่ได้กำหนดจุดยุติสีเทาไว้อย่างแน่นอน จึงไม่สามารถนำข้อกำหนดนี้ไปใช้ระบุค่า pH ของจุดสีเทาที่ใช้ได้กับทุกกรณี

สังเกตด้วยว่าสีเขียวที่ pH 5.8 ยังอยู่ในภาวะกรดภายใต้สภาวะสารละลายในน้ำทั่วไป การเรียกสีง่าย ๆ ว่า “กรด” และ “ด่าง” อาจทำให้ประเด็นนี้ไม่ชัดเจน ด้านสีเขียวเป็นด้านที่มี pH สูงกว่าในช่วงเปลี่ยนสี ไม่ใช่หลักฐานว่าตัวอย่างมี pH สูงกว่า 7

การไทเทรตแอมโมเนียวัดอะไรจริง ๆ

อินดิเคเตอร์ส่งสัญญาณว่าเมื่อใดควรอ่านค่าบิวเรตต์ ปริมาณสารที่วิเคราะห์คำนวณจากปริมาณสารไทเทรตที่ใช้ซึ่งวัดได้ ความเข้มข้นของสารไทเทรตที่ผ่านการหาค่ามาตรฐาน และปริมาณสัมพันธ์ของปฏิกิริยา สีเขียวที่เข้มขึ้นเพียงอย่างเดียวไม่ได้บอกว่ามีแอมโมเนียมากขึ้นเท่าใด

ตัวอย่างวิธีที่เป็นรูปธรรมคือ วิธี EPA 350.2 ฉบับเก่าที่ NEMI นำมาเผยแพร่ ซึ่งกลั่นแอมโมเนียลงในกรดบอริก แล้วหาปริมาณด้วยการไทเทรตโดยใช้กรดซัลฟิวริกที่ผ่านการหาค่ามาตรฐาน อินดิเคเตอร์ผสมในวิธีนี้ใช้สารละลายตั้งต้นเมทิลเรด 0.2% สองส่วนโดยปริมาตร กับสารละลายตั้งต้นเมทิลีนบลู 0.2% หนึ่งส่วนโดยปริมาตร โดยทั้งสองชนิดอยู่ในเอทานอล 95% วิธีนี้กำหนดให้ผู้วิเคราะห์เทียบสีที่จุดยุติกับสารละลายแบลงก์ที่มีน้ำและกรดบอริกในปริมาตรที่สอดคล้องกัน

สูตรนี้กับสูตรผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ข้างต้นมีอัตราส่วนมวลของสีย้อมเท่ากัน แต่มีความเข้มข้นและองค์ประกอบของตัวทำละลายต่างกัน ดังนั้นอัตราส่วนที่ตรงกันจึงยังไม่ใช่หลักฐานเพียงพอว่าผลิตภัณฑ์สองขวดใช้แทนกันได้ นอกจากนี้ วิธีดังกล่าวใช้กับไนโตรเจนในรูปแอมโมเนีย และระบุชัดเจนว่าไม่ครอบคลุมไนโตรเจนเคลดาห์ลทั้งหมด การใช้อินดิเคเตอร์ชนิดเดียวกันไม่ได้ทำให้การหาปริมาณไนโตรเจนสองแบบกลายเป็นการวิเคราะห์แบบเดียวกัน

ใช้เอกสารนั้นเพื่อทำความเข้าใจขั้นตอนการวิเคราะห์ที่ระบุไว้ แทนที่จะสันนิษฐานว่าฉบับเก่านั้นเป็นข้อกำหนดสำหรับการรายงานผลในปัจจุบัน วิธีที่ห้องปฏิบัติการนำมาใช้ต้องระบุฉบับที่ใช้บังคับและการควบคุมคุณภาพของวิธีนั้น

จุดยุติและจุดสมมูลแตกต่างกัน

IUPAC นิยามการไทเทรตและจุดยุติ โดยอิงการตรวจพบว่าปฏิกิริยาเสร็จสมบูรณ์ ส่วนจุดสมมูลตรงกับภาวะสมมูลทางเคมีอย่างพอดี สัญญาณที่มองเห็นจะมีประโยชน์เมื่อเกิดใกล้จุดนั้นมากพอสำหรับวัตถุประสงค์ของวิธีวิเคราะห์

สมมติว่าผู้วิเคราะห์สองคนไทเทรตตัวอย่างที่เหมือนกัน คนหนึ่งหยุดเมื่อสารละลายมีสีตรงกับแบลงก์ที่กำหนด อีกคนเติมต่อจนเห็นสีม่วงอิ่มตัวที่สุด ผู้วิเคราะห์คนที่สองเลือกจุดยุติที่ต่างออกไป และอาจใช้สารไทเทรตเกินปริมาณ การเห็นตรงกันเรื่องชื่อของสีสุดท้ายไม่ได้รับประกันว่าปริมาณที่วัดได้จะตรงกัน

ด้วยเหตุนี้ เอกสารอ้างอิงสำหรับการฝึกอบรมจึงควรระบุสิ่งที่ใช้เทียบสี สภาวะการสังเกต และเกณฑ์การคงอยู่ของสีที่วิธีกำหนด ภาพบนหน้าจออาจอธิบายทิศทางการเปลี่ยนสีได้ แต่สิ่งที่ใช้เทียบสีในห้องปฏิบัติการเป็นตัวกำหนดการตัดสินใจในการปฏิบัติงาน

การตรวจสอบในทางปฏิบัติก่อนเปลี่ยนหรือแก้ปัญหาอินดิเคเตอร์

ใช้แบบตรวจสอบนี้เมื่อสีดูผิดปกติ หรือเมื่อมีการเสนอให้ใช้ผลิตภัณฑ์ขวดอื่นทดแทน:

หากแบลงก์ไม่ผ่านเกณฑ์หรือเกิดการเปลี่ยนสีที่อธิบายไม่ได้ ให้ถือเป็นเหตุที่ต้องตรวจสอบรีเอเจนต์และวิธีวิเคราะห์ก่อนรายงานผล การเติมสีย้อมเพิ่มจนตัวอย่างดูมีสีตามที่คุ้นเคยเป็นการเปลี่ยนสภาวะการสังเกต และอาจบดบังปัญหาเดิม

หากต้องการเลือกบทบาทที่เหมาะสมของสีย้อมในการวิเคราะห์แบบอื่น ให้เริ่มจากเมทิลีนบลูในการทดสอบเชิงวิเคราะห์ สำหรับการไทเทรตด้วยทาชิโระ ควรบันทึกสูตรผสมของสีย้อม จุดยุติที่สังเกตด้วยตา และการคำนวณผลวิเคราะห์ไว้ร่วมกัน