Chemik z XVII wieku nie miał pehametru, a mimo to potrafił odróżnić kwas od zasady jednym ruchem ręki — wystarczył mu pasek papieru nasączony barwnikiem z rośliny. Ty możesz zrobić dokładnie to samo, ale lepiej: z kurkumy i czerwonej kapusty przygotujesz dwustrefowe paski wskaźnikowe, a z octu, sody i soku z cytryny zbudujesz własną skalę barw, dzięki której odczytasz pH z dokładnością do jednej, dwóch jednostek. To pełny mini-projekt laboratoryjny, który wymaga cierpliwości, porządnych notatek i odrobiny precyzji.

Co nam będzie potrzebne?

  • pół główki czerwonej kapusty
  • 2 łyżeczki mielonej kurkumy
  • 50 ml spirytusu spożywczego lub wódki (do ekstrakcji kurkuminy)
  • białe filtry do kawy, bibuła filtracyjna lub gruby papier akwarelowy bez wybielaczy optycznych
  • garnek, sitko, dwa płaskie talerze lub kuwety
  • nożyczki i linijka
  • substancje wzorcowe: sok z cytryny, ocet spirytusowy 10%, woda destylowana (np. z kosmetyki samochodowej lub do żelazka), soda oczyszczona, soda kalcynowana (proszek do zmiękczania wody / „soda do prania")
  • 7–8 małych słoiczków lub kieliszków, flamaster do opisywania
  • szczelny słoik z ciemnego szkła lub puszka do przechowywania pasków
  • rękawiczki i okulary ochronne

Jak wykonać doświadczenie?

Krok 1: Ekstrakcja barwnika z kapusty. Pokrój kapustę w cienkie paski, zalej w garnku około 500 ml wody i gotuj 10 minut, aż woda zrobi się intensywnie fioletowa. Odcedź i pozostaw do ostygnięcia. Im bardziej stężony wywar, tym wyraźniejsze kolory na papierze — jeśli roztwór jest blady, odparuj go na małym ogniu do połowy objętości. Więcej o samym wywarze przeczytasz w artykule o wskaźniku pH z czerwonej kapusty .

Krok 2: Ekstrakcja kurkuminy. Wsyp kurkumę do spirytusu, wymieszaj i odstaw na 15 minut, mieszając co jakiś czas. Kurkumina słabo rozpuszcza się w wodzie, ale bardzo dobrze w alkoholu, dlatego ten ekstrakt będzie znacznie czystszy i intensywniejszy niż wodna zawiesina używana w doświadczeniu z kurkumą i sodą . Przesącz przez filtr do kawy, aby pozbyć się drobin przyprawy.

Krok 3: Nasączanie i suszenie. Potnij papier na paski o szerokości 1 cm i długości 8 cm. Każdy pasek zanurz jednym końcem w ekstrakcie kurkumy, a drugim — po wyschnięciu pierwszej strefy — w wywarze z kapusty, zostawiając między nimi centymetr białego papieru. Susz paski płasko, w ciemnym miejscu i bez dostępu oparów octu czy amoniaku z kuchni, bo nawet one mogą zmienić barwę wskaźnika. Gotowa strefa kurkumowa powinna być jasnożółta, a kapuściana — niebiesko-fioletowa lub lekko szara.

Krok 4: Przygotowanie roztworów wzorcowych. Opisz słoiczki i przygotuj w nich: sok z cytryny (pH ok. 2), ocet 10% (ok. 2,5), ocet rozcieńczony dziesięciokrotnie wodą destylowaną (ok. 3), czystą wodę destylowaną (bliską 7, choć zwykle lekko kwaśną przez rozpuszczony CO₂), roztwór łyżeczki sody oczyszczonej w szklance wody (ok. 8,3) oraz roztwór łyżeczki sody kalcynowanej w szklance wody (ok. 11). Soda kalcynowana jest drażniąca — pracuj w rękawiczkach i okularach.

Krok 5: Kalibracja. Dotknij każdym roztworem świeżego paska za pomocą wykałaczki, nanosząc kroplę na obie strefy. Od razu sfotografuj wszystkie paski obok siebie na białym tle, przy świetle dziennym, i opisz je wartościami pH. W ten sposób powstaje Twoja własna skala barw — dokładnie taka, jaką producenci drukują na opakowaniach papierków uniwersalnych. Teraz możesz testować nieznane próbki: mydło, płyn do naczyń, wodę z kranu, kefir czy herbatę z cytryną.

Wyjaśnienie naukowe

Prawdziwy lakmus nie pochodzi ani z kurkumy, ani z kapusty, lecz z porostów — głównie z rodzaju Roccella i Lecanora. Przez stulecia wytwarzano go w Holandii, fermentując zmielone porosty z amoniakiem i potażem, a następnie nasączając tym barwnikiem papier. Lakmus jest czerwony w roztworach o pH poniżej ok. 4,5 i niebieski powyżej ok. 8,3. Systematyczne użycie roślinnych barwników jako wskaźników opisał Robert Boyle w 1664 roku: zauważył, że syrop z fiołków czerwienieje od kwasów i zielenieje od zasad. Samo pojęcie pH wprowadził dopiero w 1909 roku duński chemik Søren Sørensen, pracujący w laboratorium browaru Carlsberg.

Wszystkie wskaźniki działają na tej samej zasadzie. Cząsteczka barwnika jest słabym kwasem lub słabą zasadą, która w zależności od stężenia jonów wodorowych przyjmuje lub oddaje proton. Każda z tych form ma inny układ sprzężonych wiązań podwójnych, a więc pochłania inną część widma światła. Kurkumina zmienia barwę z żółtej na czerwonobrunatną w wąskim zakresie pH ok. 7,4–8,6, dlatego dobrze odróżnia zasady od wszystkiego innego, ale nic nie mówi o mocy kwasów. Antocyjany z kapusty mają kilka grup zdolnych do oddawania protonów i przechodzą przez wiele form: czerwoną w silnie kwaśnym środowisku, fioletową przy pH 5–6, niebieską w okolicach 7–8, zieloną przy 9–11 i żółtą w silnie zasadowym, gdy cząsteczka zaczyna się rozpadać.

Właśnie dlatego dwustrefowy pasek daje więcej informacji niż każdy wskaźnik z osobna — przemysłowe papierki uniwersalne to w gruncie rzeczy mieszanina kilku barwników o różnych zakresach zmiany. Ciekawa obserwacja czeka przy rozcieńczonym occie: choć zmniejszyłeś stężenie kwasu dziesięciokrotnie, pH wzrosło tylko o około pół jednostki, a nie o jedną. Kwas octowy jest kwasem słabym — w roztworze dysocjuje tylko jego niewielka część, a rozcieńczenie przesuwa tę równowagę tak, że dysocjuje go więcej. Z mocnym kwasem solnym ten sam zabieg podniósłby pH o pełną jednostkę. Ta sama chemia decyduje o tym, jak dojrzewa domowy ocet jabłkowy i dlaczego jego kwasowość mierzy się miareczkowaniem, a nie samym pH.

Papierki wskaźnikowe mają do dziś wiele zastosowań: w akwarystyce, w ogrodnictwie do badania odczynu gleby, w kontroli wody basenowej i w laboratoriach szkolnych. Kurkuma ma zaś szczególne miejsce w historii chemii analitycznej — papier kurkumowy był klasycznym odczynnikiem do wykrywania związków boru, z którymi po zakwaszeniu i wysuszeniu tworzy czerwony kompleks zwany rozocyjaniną.

Warianty

Skala z kolejnych rozcieńczeń. Przygotuj szereg roztworów sody kalcynowanej, za każdym razem rozcieńczając poprzedni dziesięciokrotnie wodą destylowaną (1 część roztworu + 9 części wody). Sprawdź, przy którym rozcieńczeniu strefa kurkumowa przestaje czerwienieć, a kapuściana przechodzi z zieleni w niebieski. Porównaj to z podobnym szeregiem dla octu i zastanów się, dlaczego zasada „słabnie" szybciej niż kwas.

Trwałość papierków. Zrób dwie identyczne partie pasków: jedną przechowuj w ciemnym, szczelnym słoiku, drugą na parapecie w słońcu. Co tydzień testuj obie tym samym roztworem sody i porównuj zdjęcia. Kurkumina i antocyjany rozkładają się pod wpływem światła ultrafioletowego i tlenu, więc różnica po miesiącu bywa uderzająca — to praktyczna lekcja, dlaczego odczynniki przechowuje się w brązowym szkle.

Kontrola domowego mydła. Jeśli robisz domowe mydło glicerynowe , przetestuj je paskiem kilka dni po odlaniu i po kilku tygodniach. Gotowe mydło ma zwykle pH 9–10, czyli strefa kapuściana powinna być zielona. Jeśli staje się żółta, a kurkumowa intensywnie czerwona, w mydle zostało za dużo wolnego wodorotlenku i wymaga ono dłuższego dojrzewania.

Często zadawane pytania

Dlaczego nazywamy je papierkami lakmusowymi, skoro nie ma w nich lakmusu? Nazwa „papierek lakmusowy" przyjęła się w języku potocznym na każdy pasek zmieniający barwę pod wpływem kwasów i zasad, podobnie jak „test lakmusowy" oznacza dziś dowolną prostą próbę. Ściśle rzecz biorąc, nasze papierki to papierki wskaźnikowe z barwnikami roślinnymi. Prawdziwy lakmus z porostów można kupić w sklepach z odczynnikami chemicznymi i warto porównać go z domowymi paskami na tych samych roztworach wzorcowych.

Jak dokładny jest taki pomiar? Przy starannej kalibracji i dobrym świetle domowe paski pozwalają odczytać pH z dokładnością do około 1–1,5 jednostki. Najwięcej błędów wprowadza ocena kolorów na oko oraz różnice w stężeniu barwnika między paskami z różnych partii. Dlatego zawsze kalibruj ten sam komplet pasków, którego później używasz, a do poważnych pomiarów, np. wody w akwarium z wymagającymi rybami, sięgaj po pehametr elektroniczny.

Czy mogę badać papierkami kolorowe płyny, np. sok z buraków lub kawę? Można, ale wynik trzeba interpretować ostrożnie. Barwnik z samej próbki zabarwia papier i nakłada się na kolor wskaźnika, przez co fioletowy sok może wyglądać jak „kwaśny" odczyt. Pomaga rozcieńczenie próbki wodą destylowaną oraz porównanie z kawałkiem czystej bibuły nasączonej tym samym płynem — wtedy widać, który kolor pochodzi od próbki, a który od zmiany pH.