¿Por qué se usan indicadores de pH sintéticos en lugar de indicadores naturales?

Question

Los indicadores sintéticos parecen ser exclusivamente utilizados al determinar el pH de una sustancia con un indicador (con la excepción de ese experimento escolar donde se hierve repollo para demostrar indicadores de pH naturales) o en valoraciones ácido-base, etc. sobre los indicadores naturales. ¿Por qué es así cuando un indicador natural se puede preparar fácilmente a partir de métodos accesibles y sostenibles, como hervir repollo?

La intuición sugiere que quizás los indicadores sintéticos son mucho más precisos y confiables, al estar específicamente diseñados para la tarea, ¿es este el caso? ¿O hay otras razones por las cuales los indicadores naturales se utilizan regularmente como una alternativa rentable, respetuosa con el medio ambiente y fácil de preparar a los indicadores de pH sintéticos?

¿Cuáles son las ventajas / desventajas de usar indicadores sintéticos sobre los naturales (o viceversa)?

Answer 1

En las titulaciones ácido-base, se utilizan exclusivamente indicadores sintéticos para obtener determinaciones precisas del punto final, ya que siempre tienen un cambio de color altamente definido en ciertos valores de pH. Por ejemplo, la fenolftaleína ($\mathrm{p}K_\mathrm{a} = 9.7$ a $\pu{25 ^{\circ}C}$) es incolora en soluciones ácidas (precisamente $0 \lt \mathrm{pH} \lt 8.2$), pero se vuelve rosa en condiciones básicas cuando el pH de la solución supera 8.2 (precisamente $8.2 \lt \mathrm{pH} \lt 12.0$), lo que la hace ideal para titulaciones de ácido fuerte-base fuerte (Wikipedia). Por otro lado, el azul de bromotimol ($\mathrm{p}K_\mathrm{a} = 7.1$ a $\pu{25 ^{\circ}C}$) es amarillo en soluciones ácidas (precisamente $0 \lt \mathrm{pH} \lt 6.0$), pero se vuelve azul en condiciones básicas cuando el pH de la solución supera 7.6 ($7.6 \lt \mathrm{pH}$). Sin embargo, muestra un color azul verdoso en una solución neutra (precisamente $6.0 \lt \mathrm{pH} \lt 7.6$; ver la imagen a continuación).

También cambia de color de amarillo a rosa en condiciones altamente ácidas como en el ácido clorhídrico concentrado ($0 \gt \mathrm{pH}$; ver el tubo de ensayo más a la izquierda en la imagen a continuación), por lo que es ideal para usar como un indicador universal (Wikipedia). Estos dos ejemplos te mostrarían claramente, como lo pusiste correctamente, los indicadores sintéticos son mucho más precisos y confiables, ya que están específicamente diseñados para la tarea.

Por supuesto, los indicadores naturales podrían prepararse fácilmente a partir de materiales fácilmente obtenibles, y por lo tanto, podrían usarse regularmente como una alternativa rentable y respetuosa con el medio ambiente a los indicadores de pH sintéticos, pero lamento decir que solo se pueden usar en actividades científicas de secundaria para fascinar a los niños amantes de la ciencia. Dado que esas fuentes naturales contienen varias sustancias que cambian de color (por ejemplo, flavanonas, flavonas, flavonoles y antocianidinas), el cambio de color en los puntos finales no es nítido, quizás debido a la dificultad de determinar el valor de $\mathrm{p}K_\mathrm{a}$ del indicador (o indicadores) relevante. Por ejemplo, aunque el agua de col repollo rojo hervido puede usarse como un indicador universal en proyectos de secundaria y mostrar el punto final de una titulación ácido-base (ver la siguiente figura), no se puede utilizar en un laboratorio analítico diario para hacer cálculos precisos.

Además, otra razón para no usar indicadores naturales es que la mayoría de estos colorantes tienden a descomponerse en valores de pH más altos. El mejor ejemplo es el indicador de color natural más común, las antocianidinas. La estabilidad de las antocianidinas depende del pH. En un pH bajo (condiciones ácidas), están presentes las antocianidinas coloreadas, mientras que en un pH más alto (condiciones básicas) están presentes las formas de chalconas incoloras (ver esquema a continuación) (Wikipedia).

Y, sobre todo, además de lo anterior, los flavonoles incluidas las antocianidinas han sido ampliamente estudiados en el desarrollo de fármacos debido a su amplia variedad de actividades biológicas (Ref.1). Por lo tanto, han sido objetivo de tareas mucho más importantes que su uso como indicadores de pH.

Referencia:

1. M. Rahnasto-Rilla, J. Tyni, M. Huovinen, E. Jarho, T. Kulikowicz, S. Ravichandran, V. A. Bohr, L. Ferrucci, M. Lahtela-Kakkonen, R. Moaddel, “Polifenoles naturales como moduladores de sirtuina 6,” Scientific Reports 2018, 8, 4163 (11 páginas) (DOI:10.1038/s41598-018-22388-5).

Answer 2

El principal problema con los indicadores naturales es su pureza, estabilidad química a largo plazo y vida útil. Tenga en cuenta que algunos indicadores naturales son bastante buenos, por ejemplo, el famoso papel tornasol se obtiene de líquenes. Es una mezcla de varios pigmentos como la col morada. A veces las titulaciones se realizan a temperaturas cálidas, ¿crees que los pigmentos en la col sobreviven al calor en soluciones ácidas y básicas?