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Como funciona o indicador de pH a base de repolho roxo?


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          Durante as aulas de química no ensino médio, uma das demonstrações experimentais das aulas teóricas mais visadas são os indicadores de pH, os quais são substâncias que mudam de coloração quando adicionadas a uma solução ácida ou quando adicionadas a uma solução básica (alcalina). Se o meio é ácido, o indicador fica de uma cor. Se é alcalino, fica de outra cor. As cores também irão variar dependendo do grau de acidez ou de alcalinidade.

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          A força na escala de pH é determinada pela concentração de cátions hidrogênio (H+) em uma solução aquosa, onde uma alta concentração de H+ indica um baixo pH (mais ácido) e uma baixa concentração de H+ indica um alto pH (mais alcalino) (1). A escala tradicional de pH varia de 1 a 14, onde de 1 a 6 é classificada como ácido, 7 como neutro (nem ácido nem básico) e de 8 a 14 é classificado como básico/alcalino. Esses valores, claro, podem ultrapassar os extremos quando lidamos com soluções muito concentradas de ácidos fortes (como sulfúrico e clorídrico) ou de bases fortes (como hidróxido de sódio), ou quando lidamos com super-ácidos e super-bases, como o ácido fluorossulfúrico (FSO3H).

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(1) Vale lembrar que temos mais de uma teoria quando lidamos com ácidos e bases. A mais simples delas (Teoria de Arrhenius, 1887) consegue explicar bem o comportamento de ácidos e bases clássicos em solução aquosa. Segundo essa teoria, ácido é toda substância que em água produz íons H+ e base é aquela que produz ânions hidroxilas (OH-). A neutralização seria a reação entre essas duas espécies iônicas, produzindo água:


Porém, é importante ressaltar que outras teorias mais robustas e abrangentes foram eventualmente sendo estabelecidas, ampliando o conceito de ácido e de base e as soluções ou estados considerados (meio não-aquoso, estado sólido, etc.). A Teoria de Lewis (Teoria Eletrônica), por exemplo, considera que um ácido (A) é toda espécie química capaz de receber um par de elétrons (:) e que a base (B) é aquela capaz de doar um par de elétrons. Esse modelo é extremamente importante na Orgânica, especialmente para explicar o comportamento de catalisadores e dos reagentes nucleófilos e eletrófilos nas reações.


Para um melhor esclarecimento do assunto, leitura recomendada: Teorias ácido-base do século XX
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          Bem, há muito tempo o comportamento ácido-base é conhecido, e os termos 'ácido' e 'sal' datam da Antiguidade, 'álcali' da Idade Média e 'base' do século XVIII. Já no século XVII os indicadores de pH começaram a ser estudados, incluindo o corante vermelho do pau-brasil. Esses indicadores começaram, então, a serem utilizados em titulações a partir do século XVIII. Nesse sentido, substâncias presentes em vegetais como repolho roxo, beterraba, algumas frutas e flores, têm sido empregadas de longa data como indicadores ácido-base, e representam uma forma simples e caseira para experiências do tipo em casa ou no ambiente escolar do ensino fundamental.

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          Muitas das cores vistas em flores e folhas de plantas - especialmente o azul, violeta e o vermelho - são devidas a pigmentos conhecidos como antocianinas, da classe dos famosos flavonoides. Essas substâncias apresentam a propriedade de mudar de cor na presença de ácidos ou bases. Em especial, o repolho roxo talvez seja o mais conhecido vegetal rico em antocianinas usado para a produção de indicadores de pH. Inclusive é bastante utilizado, além de ferramenta de ensino, nos tão celebrados chás de revelação (festa onde um casal fica sabendo o sexo do bebê). No chá de revelação, usa-se de forma frequente o extrato de repolho roxo para tornar uma solução incolor - dentro de um recipiente transparente qualquer - rosa (menina) ou azul (menino).


          O repolho roxo (variedade da espécie Brassica oleracea) é rico em um número de substâncias bioativas, incluindo várias antocianinas com a estrutura base da cianidina-3-diglicosídeo-5-glicosídeo (variam nos resíduos glicosídeos). A estrutura da cianina no repolho roxo, em soluções neutras, é de uma cor roxa, em soluções ácidas temos uma cor avermelhada e em soluções mais básicas a cor se torna esverdeada até um amarelado (nesse último caso, em soluções com alto pH). Essas variações de cores se devem a mudanças na estrutura molecular da cianina (passando por uma forma catiônica até uma forma aniônica) na presença de mais ou menos H+ na solução aquosa associada. Essas mudanças estruturais interferem no sistema de ressonância da molécula (2) e, consequentemente, nas energias de absorção de fótons no espectro visível.




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(2) Para saber mais, acesse: Partícula na caixa unidimensional: a Quântica explicando a cor da cenoura


          E, como afinal, preparar um bom indicador a partir do repolho roxo? É uma tarefa bem simples e que pode ser obtida de duas maneiras.

1° Método: Liquidificador e Filtração

- Coloque uma folha de repolho roxo em um litro de água no liquidificador, batendo bem até que o suco fique com uma cor uniforme;

- Em seguida, o suco deve ser coado (filtrado).

- Pronto, a solução filtrada é o seu indicador de pH!


2° Método: Extração com água quente e Filtragem

- Ferva por 15 minutos 30g de repolho roxo picado em 150 mL de água destilada (ou água filtrada mesmo).

- Deixe decantar a mistura por 10 minutos e então filtre-a. Pronto, o filtrado é o seu indicador de pH!




          As cianinas são solúveis em água e estarão presentes dissolvidas no filtrado. Idealmente, a água usada deveria ser destilada, mas não faz muita diferença para experimentos caseiros. É preciso alertar também que o uso da solução de repolho roxo como indicador de pH não deve ser adiado muito, porque o tempo de estocagem desse extrato é curto, em virtude da decomposição microbiológica das antocianinas, as quais apresentam em sua estrutura unidades glicosídicas (moléculas de açúcares). Para preservar o extrato por tempo maior (3 semanas ou mais após a preparação), pode-se pingar algumas gotas de formol.

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          Para usar o extrato de repolho roxo, basta você adicionar uma pequena quantidade desse extrato na solução incolor (ou próximo disso) de interesse. Se você preparar, por exemplo, água misturada com bicarbonato de sódio (alcalina), quando você adicionar um pouco de extrato de repolho roxo a mistura resultante terá uma cor verde. Se você utilizar um suco de limão ou água misturada com vinagre branco (ambos ácidos) você obterá uma mistura bem avermelhada, como mostrado na figura abaixo. Para uma solução muito básica, de forma a ver a tonalidade amarelada, você pode usar água sanitária; na concentração com 5% de hipoclorito de sódio (NaClO) o pH da água sanitária é em torno de 11, e em altas concentrações (10-15% de NaClO) o pH fica em torno de 13; mas cuidado ao manipular água sanitária e evite aquelas de altas concentrações, porque são corrosivas em contato com a pele!




          Você também pode usar o extrato de repolho roxo para impregnar tiras de papel de filtro e usar esses como medidores de pH. Basta concentrar a solução obtida (filtrado) aquecendo-a e deixando grande parte da água evaporar. Depois, basta introduzir tiras de papel de filtro (de cozinha mesmo) na solução concentrada e esperar secar (ou usar um secador comum para acelerar o processo). Pronto, as fitas de papel de filtro estarão impregnadas de antocianinas, bastando pingar uma solução/suco de interesse - a qual você pretende determinar se está ácida ou básica - em cima da fita (na parte impregnada) e ver a mudança de cor.


REFERÊNCIAS CIENTÍFICAS
  1. http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1516-89132008000100018
  2. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5613902/
  3. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0963996912005388
  4. http://www.sbq.org.br/ranteriores/23/resumos/0256/index.html
  5. https://projects.ncsu.edu/project/chemistrydemos/AcidBase/Red%20Cabbage%20Indicator.pdf
  6. https://edu.rsc.org/resources/making-a-ph-indicator/422.article
  7. https://www.lume.ufrgs.br/bitstream/handle/10183/14970/000674447.pdf
  8. https://web.stanford.edu/~ajspakow/downloads/outreach/ph-student-9-30-09.pdf