Color Change of Universal pH Indicator - Part 6
Изменение окраски универсального индикатора pH - Часть 6

For greater clarity, I conducted the experiment in a tall 1-liter beaker. I poured approximately 700 mL of tap water into the beaker, turned on the magnetic stirrer, and increased the speed. An air vortex formed in the beaker, extending down to the bottom (or rather, to the magnetic stir bar).

I added a few drops of the brown alcoholic solution of the universal indicator directly into the air "funnel" of the vortex. At first, the water surrounding the funnel turned brown. However, as a result of stirring, the entire solution soon became green.

I then began adding 13% hydrochloric acid dropwise. The solution gradually changed color: from green to yellow, from yellow to orange, and then from orange to red-orange. To lower the pH as much as possible, I added 69% nitric acid; the liquid in the beaker turned crimson.

After this, I began adding 25% ammonia solution dropwise. Near the vortex, the solution developed a localized blue coloration, which quickly disappeared upon stirring. The color of the bulk solution gradually changed in reverse order: crimson, red, orange, yellow, green, and blue.

To further increase the pH, I added sodium hydroxide granules to the beaker. The solid dissolved slowly, and the indicator turned violet.

I then lowered the pH again by adding 69% nitric acid in small portions. A gradual color change occurred in reverse order: violet, blue, green, yellow, orange, red, and crimson.

The addition of acid and alkali can be alternated multiple times, causing the indicator to change color in opposite directions. If the acid or alkali is added slowly enough (or if more dilute solutions are used), not only distinct colors but also a range of intermediate shades can be observed.

A veritable rainbow appears in the beaker, accompanied by a tornado-like vortex.

Photos/Video

Изменение окраски универсального индикатора pH - Часть 6

Для большей наглядности провел эксперимент в высоком 1 л стакане. Налил в стакан примерно 700 мл водопроводной воды, включил магнитную мешалку, увеличил обороты. В стакане образовался воздушный торнадо, который достиг дна (точнее - перемешивающего стержня).

Добавил несколько капель коричневого спиртового раствора универсального индикатора - прямо внутрь воздушной "воронки" торнадо. Сначала часть воды, граничащей с воронкой, окрасилась в коричневый цвет. Однако вскоре в результате перемешивания весь раствор в стакане приобрел зеленый цвет.

По капле стал добавлять 13% соляную кислоту. Раствор стал постепенно менять цвет: с зеленого на желтый, с желтого на оранжевый, затем с оранжевого на красно-оранжевый. Чтобы максимально понизить pH воды, добавил 69% азотную кислоту - жидкость в стакане приобрела малиновый цвет.

После этого стал по капле добавлять 25% раствор аммиака. Возле воздушного торнадо раствор локально окрашивался в синий цвет, который быстро исчезал в результате перемешивания. Окраска основного раствора плавно изменялась в обратном порядке: малиновый, красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий.

Для дальнейшего повышения pH, добавил в стакан гранулы гидроксида натрия. Вещество медленно растворилось, индикатор приобрел фиолетовый цвет.

Опять стал понижать pH, добавляя небольшими порциями 69% азотную кислоту. Произошло постепенное изменение цвета в обратном порядке: фиолетовый, синий, зеленый, желтый, оранжевый, красный, малиновый.

Добавление кислоты и щелочи можно чередовать много раз, вызывая противоположное изменение окраски индикатора. Если приливать кислоту или щелочь достаточно медленно (или использовать более разбавленные растворы), можно наблюдать не только разные цвета, но и различные промежуточные оттенки.

В стакане наблюдается настоящая радуга с торнадо!

Download the Video (226 Mb, .avi )

Universal Indicator Paper, Hydrochloric Acid, and Ammonia - Part 7
Универсальная индикаторная бумага, соляная кислота и аммиак - Часть 7

Chemists frequently encounter universal indicator paper. It is used to quickly estimate the pH of a solution, especially when a pH meter is not available. The procedure is very simple: the tip of a paper strip is dipped into the solution being tested and immediately removed. The resulting color is then compared with a reference chart. The accuracy of this method is limited; therefore, in most cases, universal indicator paper is used simply to determine whether a solution is acidic or alkaline.

After use, a strip of indicator paper is usually discarded. Some chemists tear off the wetted portion and reuse the remaining part. This practice is often explained by the need to conserve materials: many scientific institutions in our country do not allocate sufficient funding for reagents and equipment. Even when funds are allocated, they are often misused.

At first glance, the properties of universal indicator paper seem well known: it turns red in an acidic medium and blue in an alkaline one. It might therefore appear unlikely that any interesting experiments could be devised using it. However, the situation is not so simple.

For a long time, I have been considering the following question. Suppose one strip of universal indicator paper is wetted with a volatile acid and another with a volatile base. The first strip will turn red, and the second blue - so far, everything is predictable. Let's leave both strips and allow the solutions to evaporate gradually. What will happen?

It seems logical to assume that the acid and base will evaporate, and both strips will gradually return to their original yellow color. It is also reasonable to expect that intermediate colors may appear during evaporation. The answer appears obvious.

However, chemistry is an experimental science. Mere speculation - like the well-known "quantum parable" involving a radioactive atom, a box, and an unfortunate cat - is not sufficient. Even an apparently obvious assumption must be verified experimentally.

Schrodinger's cat is alive and very angry

I placed two strips of universal indicator paper on an inverted Petri dish so that most of each strip extended beyond the edge. A comparison scale was placed nearby.

I touched the first strip with a pipette containing a 13% hydrochloric acid solution. The end of the strip turned crimson, and the colored zone slowly extended along the paper with the advancing liquid front.

I then brought a pipette containing a 25% ammonia solution toward the second strip. Even before contact, the indicator began to turn green. Upon touching the paper, the indicator turned blue. However, the ammonia solution partially dissolved the organic dyes and washed them out of the paper, producing a pale spot within the blue region. This phenomenon was reminiscent of paper chromatography.

In the case of the acid, no such pale spot was observed - the end of the strip was uniformly colored crimson, forming a clear boundary with the yellow portion that had not been exposed.

On the strip wetted with ammonia, the blue color gradually faded. It then turned green, and eventually brown. The strip did not return to its original color because the ammonia solution had dissolved and removed part of the indicator from the paper.

In contrast, on the first strip, the crimson region not only failed to fade but continued to expand slowly. Although the liquid front had stopped moving, the expansion was caused by the action of hydrochloric acid vapor. A diffuse crimson coloration appeared on the previously yellow portion of the strip. After this, I left the strips unattended for some time, as I did not expect further significant changes.

However, after about 20 minutes, I found that the second strip had also partially turned crimson - the very strip that had previously been wetted with ammonia. The coloration was uneven and diffuse: hydrochloric acid vapor had affected not only the strip to which the acid had been applied but also the adjacent strip. This effect intensified over time.

After 24 hours, the crimson color had noticeably faded but had not disappeared.

I repeated the experiment and obtained similar results.

Incidentally, this time I secured the indicator strips with adhesive tape, so there was no risk of displacing them accidentally with a pipette. This reminded me of physicist colleagues who were assembling a complex optical system requiring precise alignment; to fix the components in place, they used… children's plasticine.

Let us summarize.

Prediction. A strip of universal indicator paper wetted with hydrochloric acid will turn red. As the acid evaporates, the paper will return to its original color. Similarly, a strip wetted with ammonia will turn blue and, after evaporation, return to its original color.

Observations. One strip turned crimson upon contact with hydrochloric acid. The other turned blue upon contact with ammonia; partial dissolution and leaching of the dye were observed. As the ammonia evaporated, the second strip changed color from blue to green and then to brown. The color of the first strip remained unchanged for a long time; moreover, due to hydrochloric acid vapor, both strips developed a diffuse crimson coloration in areas not exposed to the liquid acid. After 24 hours, the crimson color faded but did not disappear.

As can be seen, the results of this simple experiment do not fully agree with the initial prediction.

Photos/Video

Универсальная индикаторная бумага, соляная кислота и аммиак - Часть 7

С универсальной индикаторной бумагой химикам приходится иметь дело часто. Она используется для быстрого измерения рН раствора, особенно, если pH-метр отсутствует. Процедура очень простая: кончик полоски бумаги погружается в исследуемый раствор и сразу же извлекается. Окраску индикатора быстро сравнивают с эталонной цветной шкалой. Точность такого измерения низкая, поэтому в большинстве случаев универсальную индикаторную бумагу используют, чтобы просто определить: кислый раствор или щелочной.

Использованную полоску индикаторной бумаги обычно выбрасывают. Правда, некоторые химики отрывают мокрую часть использованной полоски и повторно используют оставшуюся часть бумаги. Это объясняется экономией: в большинстве научных учреждений нашей страны не выделяют финансирование на покупку реактивов и оборудования. Даже, если деньги выделяются, часто они используются не по назначению.

Казалось бы, свойства универсальной индикаторной бумаги общеизвестны: в кислой среде она становится красной, в щелочной синей, поэтому вряд ли удастся придумать с ней какой-то интересный эксперимент. Однако, не все так просто.

Уже давно у меня возник вопрос. Смочим одну полоску универсальной индикаторной бумаги летучей кислотой, а другую полосу - летучим основанием. Первая полоска окрасится в красный цвет, вторая станет синей. До сих пор все прогнозируемо. Оставим обе полоски, чтобы растворы постепенно испарялись. Что произойдет?

Логично предположить, что кислота и основание будут испаряться, в результате обе полоски постепенно приобретут исходный желтый цвет. Возможно, в процессе испарения будут наблюдаться промежуточные цвета и оттенки. Казалось бы, ответ очевиден.

Однако, химия - наука экспериментальная. Здесь недостаточно одних только размышлений вроде известной "квантовой притчи" про радиоактивный атом, ящик и несчастного котика. Разумеется, наше предположение необходимо проверить экспериментально, каким бы очевидным оно ни казалось.

Schrodinger's cat is alive and very angry

Поместил две полоски универсальной индикаторной бумаги на перевернутую чашку Петри, так чтобы большая часть полосок выступала за пределы чашки. Рядом поместил шкалу сравнения.

К первой полоске прикоснулся пипеткой с 13% раствором соляной кислоты. Конец бумаги окрасился в малиновый цвет. Красная зона медленно расширялась по полоске вместе с фронтом жидкости.

Ко второй полоске приблизил пипетку с 25% раствором аммиака. Еще до контакта пипетки с бумагой, индикатор стал приобретать зеленый цвет. Прикоснулся пипеткой к бумаге - индикатор стал синим. Однако, оказалось, что раствор аммиака растворил органические красители и частично вымыл их из бумаги, поэтому внутри синей зоны образовалось бледное пятно. Данное явление напомнило мне о хроматографии на бумаге.

В случае кислоты бледное пятно отсутствовало - конец полоски был примерно равномерно окрашен в малиновый цвет, образуя четкую границу с желтой частью полоски, на которую не попала кислота.

На полоске бумаги, смоченной раствором аммиака, синий цвет медленно бледнел. Потом синий цвет плавно сменился зеленым, зеленый цвет сменился коричневым. Полоска не вернулась к первоначальному виду, поскольку раствор аммиака растворил и вымыл индикатор из части бумаги.

Зато окрашенная кислотой зона на первой полоске не только не побледнела, но медленно расширялась. Фронт жидкости уже не двигался, но расширение происходило за счет действия паров соляной кислоты. На желтой части бумаги появилась "диффузная" малиновая окраска. После этого я на время оставил полоски без присмотра, поскольку не ожидал, что произойдут существенные изменения.

А примерно через 20 минут обнаружил, что вторая полоска бумаги также частично приобрела малиновый цвет. Именно та полоска, которая ранее была смочена раствором аммиака! Малиновая окраска также была неравномерной и диффузной - пары соляной кислоты окрасили не только полоску бумаги, на которую была нанесена кислота, но и соседнюю полоску. Со временем эта окраска только усиливалась.

Через 24 часа малиновая окраска заметно побледнела, но не исчезла.

Повторил эксперимент - получил аналогичный результат.

Кстати, в этот раз я догадался зафиксировать полоски индикаторной бумаги скотчем - теперь можно было не опасаться, что бумага упадет или сместиться от неосторожного прикосновения пипеткой. Мимо воли вспомнил знакомых физиков, они конструировали сложную оптическую систему, которая требовала точной юстировки. Для фиксации элементов системы они использовали... детский пластилин.

Подведем итоги.

Прогноз. Универсальная индикаторная бумага, смоченная соляной кислотой, окрасится в красный цвет. Кислота постепенно испарится, и бумага приобретет первоначальный вид. Аналогично: полоска индикаторной бумаги, смоченная аммиаком, станет синей, а после испарения аммиака восстановит первоначальный цвет.

Наблюдения. Полоска индикаторной бумаги стала малиновой при контакте с соляной кислотой. Другая полоска стала синей при контакте с аммиаком, причем наблюдалось частичное растворение и вымывание красителя. По мере испарения аммиака, вторая полоска стала зеленой, затем - коричневой. Окраска первой полоски длительное время не ослабевала, более того, за счет паров соляной кислоты обе полоски окрасились в диффузный малиновый цвет в тех местах, которые не контактировали с жидкой кислотой. Через 24 часа малиновый цвет ослабел, но сохранился.

Как видите, результат простого эксперимента не совсем соответствует прогнозу.

Download the Video (31 Mb, .avi )
Download the Video 2 (27 Mb, .avi )

Universal Indicator Paper: Color Change Over Time - Part 7a
Универсальная индикаторная бумага: изменение цвета со временем - Часть 7a

After finishing most of this article, I would like to add a few more details to Part 7.

At the end of the experiment with hydrochloric acid and ammonia solution, both strips of universal indicator paper had turned crimson (see the photo in Part 7). The paper wetted with 13% hydrochloric acid turned crimson immediately. The color faded over time, but even after 24 hours the paper remained crimson.

The strip treated with concentrated ammonia solution initially turned dark blue. However, the ammonia quickly evaporated, causing the blue color to change to green, then to yellow and brown. After that, the paper suddenly turned crimson as it was exposed to hydrochloric acid vapor evaporating from the adjacent strip. Even after 24 hours, the diffuse crimson coloration remained.

After the two parallel experiments, four strips of indicator paper remained (two treated with hydrochloric acid and two with ammonia). I left the strips on the laboratory bench in order to monitor their color changes over time. Of course, during this period I was occupied with other, more important work, so I recorded the color changes of the paper strips irregularly, treating this observation as secondary.

The crimson color turned pink and continued to fade gradually. The paper strips treated with ammonia finally lost their pink hue sometime between the fifth and twelfth days after the beginning of the experiment. I cannot be more precise, since I was focusing primarily on the two strips treated with hydrochloric acid. A faint pink hue remained visible on their surface even on the 37th day. Thus, the coloration caused by hydrochloric acid persisted on the universal indicator paper for more than a month. However, to be honest, if I had not known that the paper had been treated with hydrochloric acid, I might not have noticed the faint pink tint.

Nine days after starting the experiment, I considered wetting a new strip of universal indicator paper with concentrated sulfuric acid for comparison. Unlike hydrochloric acid and ammonia, sulfuric acid does not evaporate at room temperature.

Upon contact with sulfuric acid, the strip of universal indicator paper turned crimson. The crimson color did not fade over time; however, the area of the stain gradually increased because the sulfuric acid absorbed moisture from the air. Thirty days after the sulfuric acid had been applied, the stain remained just as bright, while its area had increased several times.

I could not help recalling the Kyiv Plant of Reagents and Preparations (РИАП), where I worked as a laborer despite already holding a PhD in chemistry. At that time, the plant was barely functioning. Qualified specialists were completely unnecessary there, and the management survived mainly by renting out premises and selling chemical equipment for scrap metal. In one of the workshops, on an old rusty chemical reactor, I accidentally found yellow strips of universal indicator paper with red tips. At some unknown time in the past, a worker or engineer had dipped them into a reaction mixture to test the pH. The solution had evidently been acidic, and the red coloration of the paper had remained all those years.

Photos/Video

Универсальная индикаторная бумага: изменение цвета со временем - Часть 7a

Уже после завершения большей части этой статьи, добавлю несколько деталей к Части 7.

В конце эксперимента с соляной кислотой и раствором аммиака обе полоски универсальной индикаторной бумаги окрасились в малиновый цвет (см. фото в Части 7). Бумага, на которую была нанесена 13% соляная кислота, сразу стала малиновой. Со временем интенсивность окраски ослабевала, но даже через 24 часа бумага осталась малиновой.

Полоска бумаги, на которую был нанесен концентрированный раствора аммиака, первоначально окрасилась в темно-синий цвет. Однако, аммиак быстро испарялся, поэтому синий цвет сменился зеленым, затем желтым с коричневым. После этого бумага неожиданно стала малиновой, поскольку на нее попадали пары соляной кислоты, которая испарялась с соседней полоски. Через 24 часа диффузная малиновая окраска также сохранилась.

После двух параллельных экспериментов остались четыре полоски индикаторной бумаги (две из которых были обработаны раствором соляной кислоты, а две другие обработаны раствором аммиака). Оставил полоски на лабораторном столе, чтобы проследить изменение окраски во времени. Разумеется, в это время я выполнял другие работы - более важные, поэтому фиксировал окраску полосок бумаги нерегулярно, рассматривая эту процедуру как второстепенную.

Малиновая окраска продолжала медленно ослабевать, превратившись в розовую. Полоски бумаги, обработанные аммиаком, окончательно потеряли розовый оттенок между пятым и двенадцатым днем от начала эксперимента. Точнее сказать не могу, поскольку больше следил за двумя полосками бумаги, которые были обработаны соляной кислотой. Легкий розовый оттенок остался заметен на их поверхности даже на 37 день. Таким образом, окраска, вызванная соляной кислотой, сохранилась на универсальной индикаторной бумаге на протяжении более чем одного месяца. Правда, если бы я не знал, что бумага была обработана соляной кислотой, то мог бы не заметить слабый розовый оттенок.

Через 9 дней после начала эксперимента догадался смочить новую полоску универсальной индикаторной бумаги концентрированной серной кислотой и использовать ее для сравнения. Серная кислота не испаряется при комнатной температуре, в отличие от соляной кислоты и аммиака.

Под действием серной кислоты полоска универсальной индикаторной бумаги стала малиновой. Малиновый цвет не ослабевал со временем, зато площадь окрашенного пятна постепенно увеличивалась за счет поглощения влаги из воздуха серной кислотой. Через 30 дней после нанесения серной кислоты пятно осталось таким же ярким, а его площадь возросла в несколько раз.

Мимо воли вспомнил Киевский завод реактивов и препаратов (РИАП), на котором я работал чернорабочим, уже будучи кандидатом химических наук. Завод к тому времени почти не функционировал, квалифицированный специалисты были не нужны, а руководство предприятия зарабатывало тем, что сдавало помещения в аренду и продавало химическое оборудование в металлолом. В одном из цехов на старом ржавом химическом реакторе я случайно нашел желтые полоски универсальной индикаторной бумаги, концы которых были красными. Неизвестно сколько лет назад, рабочий или инженер опустил их в реакционную смесь, чтобы проверить pH. Раствор оказался кислым, а красный цвет бумаги сохранился все это время.

[ Fluorescein and other dyes ]

Indicators - Discussion on the forum
[Submit a Comment / Error Message - Отправить Комментарий / Сообщение об ошибке]