સૂચકો (indicators)

સૂચકો (indicators) : કોઈ એક રાસાયણિક પદાર્થ અથવા આયનની હાજરી પોતાના રંગ દ્વારા સૂચવતો પદાર્થ. રાસાયણિક વિશ્લેષણની કદમિતીય (volumetric) પદ્ધતિમાં આવા સૂચકોનો વિશેષ ઉપયોગ થાય છે. સૂચકો અવલોકનકારને એ બાબતનો ખ્યાલ આપે છે કે કોઈ એક –

(i) દ્રાવણ ઍસિડિક છે કે બેઝિક કે તટસ્થ,

(ii) ઉપચયન-અપચયન (oxidation-reduction) પ્રક્રિયા સંપૂર્ણ થઈ છે કે નહિ, અથવા

(iii) અવક્ષેપન-પ્રક્રિયા સંપૂર્ણ થઈ છે કે નહિ.

દ્રાવણમાં રહેલા ધાતુ-આયનો(metal ions)ની હાજરી દર્શાવતા સૂચકો પણ હોય છે. અનુમાપન (titration) માટે સૂચકની પસંદગી એ તટસ્થીકરણ(neutralization)-વક્રની લાક્ષણિકતા પર આધાર રાખે છે. વળી સૂચકો અલ્પ (minute) પ્રમાણમાં વપરાતા હોઈ સૂચકના એક સ્વરૂપનો રંગ તીવ્ર (intense) હોય તે જરૂરી છે.

(i) ઍસિડ-બેઝ અથવા તટસ્થીકરણ અથવા pH-સૂચકો : ઘણા પદાર્થો, કુદરતી અથવા સંશ્લેષિત, એવા હોય છે કે તેમને જે દ્રાવણમાં ઉમેરવામાં આવ્યા હોય તેના pH મૂલ્ય (હાઇડ્રોજન આયનની સાંદ્રતાનું માપ) પ્રમાણે રંગ પ્રદર્શિત કરે છે. આ પૈકી કેટલાક તો ઘણાં વર્ષોથી પાણીની ઍસિડિકતા કે બેઝિકતા (basicity) સૂચવવા માટે વપરાતા આવ્યા છે; દા.ત., લિટમસ પેપર. કેટલાંક ફૂલોમાંનું રંગદ્રવ્ય (colouring matter) પણ સૂચકના ગુણધર્મો દર્શાવે છે. કૉર્ન ફ્લાવર (મકાઈના ખેતરમાં થતો વાદળી ફૂલવાળો છોડ), લાલ ગુલાબ (red rose) અને લાલ ડેલિયા (red dahlia) જેવાં ફૂલોમાં રહેલ એક જ રંગક (dye) ત્રણેય પ્રકારનાં ફૂલોમાંની ઍસિડિકતાને કારણે વાદળી, લાલ એમ ભિન્ન ભિન્ન રંગ દર્શાવે છે. ઍસિડ-બેઝ સૂચકોનો ઉપયોગ બે રીતે થાય છે : દ્રાવણનું pH મૂલ્ય માપવા અને ઍસિડ-બેઝ અનુમાપનો(titrations)માં અંત્યબિંદુ (end point) નક્કી કરવા. સામાન્ય ઍસિડ-બેઝ અનુમાપનોમાં ફીનોલ્ફથેલીન અને મિથાઇલ ઑરેન્જ જેવા સૂચકો વધુ વપરાય છે.

કોઈ એક આલ્કલીના દ્રાવણનું ઍસિડના માનક (standard) દ્રાવણ વડે અનુમાપન કરવાનો હેતુ રાસાયણિક દૃષ્ટિએ દ્રાવણમાં રહેલ બેઝ અથવા આલ્કલીના જથ્થાને ચોક્કસ રીતે (exactly) તુલ્ય એવો ઍસિડનો જથ્થો નક્કી કરવાનો છે. અનુમાપન દરમિયાન જે બિંદુએ આ પ્રાપ્ત થાય તેને તુલ્યબિંદુ (equivalent point), તત્વપ્રમાણમિતીય બિંદુ (stoichiometric point) અથવા સૈદ્ધાંતિક અંતિમ બિંદુ (theoretical end point) કહે છે. અનુમાપનને પરિણામે ઉદભવતું દ્રાવણ અનુવર્તી ક્ષાર ધરાવે છે. જો ઍસિડ અને બેઝ બંને પ્રબળ વિદ્યુતવિભાજ્યો (strong electrolytes) હોય તો અંતિમ બિંદુ અથવા અંત્યબિંદુએ દ્રાવણ તટસ્થ (neutral) હશે અને તેનું pH મૂલ્ય 7 હશે. જો બે પૈકી એક પ્રબળ અને બીજો નિર્બળ હોય તો તુલ્યબિંદુએ મળતું દ્રાવણ (ક્ષારના જળવિભાજનને કારણે) કાં તો થોડું આલ્કલીય અથવા થોડું ઍસિડિક હશે. આ બિંદુએ દ્રાવણના ચોક્કસ pH મૂલ્યની ગણતરી નિર્બળ ઍસિડ કે નિર્બળ બેઝના આયનીકરણ અચળાંક અને દ્રાવણની સાંદ્રતાની મદદથી ગણી શકાય. આમ ખરેખર અનુમાપનમાં સાચું અંતિમ બિંદુ દ્રાવણની હાઇડ્રોજન-આયન-સાંદ્રતાનું ચોક્કસ મૂલ્ય ધરાવતું હશે. સૂચકની પસંદગી આ pH મૂલ્યની આસપાસમાં જે સૂચક રંગપરિવર્તન દર્શાવે તે પ્રમાણે કરવામાં આવે છે.

ઍસિડ–બેઝ સૂચકની ઉપયોગી પરાસ : ઍસિડ-બેઝ સૂચક એ સામાન્ય રીતે નિર્બળ ઍસિડ કે નિર્બળ બેઝ પ્રકારનો એક મોટો કાર્બનિક અણુ હોય છે. અનુમાપન દરમિયાન અંતિમ બિંદુ (અંત્ય બિંદુ) પાસે સૂચક ધરાવતા દ્રાવણની ઍસિડિકતા (કે બેઝિકતા) ઝડપથી વધે (કે ઘટે) ત્યારે દ્રાવણના રંગમાં ઝડપથી અને તીક્ષ્ણ (sharp) ફેરફાર થાય છે. આવા સૂચકના અવિયોજિત (undissociated) સ્વરૂપનો રંગ તેના સંયુગ્મી (conjugate) બેઝ (અથવા સંયુગ્મી ઍસિડ) સ્વરૂપ કરતાં જુદો હોય છે. ઍસિડ પ્રકારના સૂચક HInની વર્તણૂક નીચેના સમતોલન વડે દર્શાવી શકાય :

 (ઍસિડ-રંગ)                  (બેઝ-રંગ)

અહીં વિયોજનને લીધે થતા આંતરિક સંરચનાકીય ફેરફાર થવાને કારણે રંગમાં ફેરફાર જોવા મળે છે.

બેઝ પ્રકારના સૂચક In માટેનું સમતોલન નીચે પ્રમાણે દર્શાવી શકાય :

ઍસિડ પ્રકારના સૂચકના સમતોલન-અચળાંક માટેનું સમીકરણ નીચે પ્રમાણે રજૂ કરી શકાય :

 

દ્રાવણમાંના સૂચકનો જે રંગ દેખાય છે (અવલોકિત રંગ) તે ઍસિડિક અને બેઝિક સ્વરૂપની સાંદ્રતાના ગુણોત્તર વડે નક્કી થાય છે.

જ્યાં γ એ જે તે ઘટકનો સક્રિયતા ગુણાંક (activity coefficient) છે. સમીકરણ (ii)ને લઘુગણકીય (logarithmic) સ્વરૂપમાં નીચે પ્રમાણે લખી શકાય :

જ્યાં [ ] એ ઘટકની સાંદ્રતા સૂચવે છે. કોઈ એક વિશિષ્ટ આયનિક પ્રબળતા(ionic strength)એ રંગપરિવર્તન-સમતોલન ટૂંકમાં નીચે પ્રમાણે દર્શાવી શકાય :

જ્યાં ને આભાસી (apparent) સૂચક અચળાંક કહે છે.

હાઇડ્રોજન આયનની કોઈ એક સાંદ્રતાએ સૂચકનાં બંને સ્વરૂપો હાજર હોય છે. માનવીની આંખ આ બે પૈકી કોઈ એક સ્વરૂપ પ્રભાવી હોય ત્યારે બે પૈકી એક રંગને પારખવાની મર્યાદિત ક્ષમતા ધરાવે છે. અનુભવ દર્શાવે છે કે દ્રાવણમાં જ્યારે ગુણોત્તર  લગભગ દસ કરતાં વધુ હોય ત્યારે તે ઍસિડ રંગ (HIaનો) અને જ્યારે 0.1 હોય ત્યારે તે બેઝિક રંગ (In¯નો) ધરાવતું જણાય છે.

આમ ઍસિડ રંગ માટે ની અનુવર્તી સીમા નીચે પ્રમાણે થશે :

જ્યારે આલ્કલાઇન રંગ  માટે ની pHઅનુવર્તી સીમા નીચે પ્રમાણે થશે :

આ દર્શાવે છે કે પ્રભાવી ઍસિડ રંગમાંથી પ્રભાવી બેઝિક (કે આલ્કલાઇન) રંગમાં થતું પરિવર્તન એકાએક થતું નથી, પણ તે pHના એક નાના ગાળામાં થાય છે. આને સૂચકનો રંગપરિવર્તન-ગાળો (colour change interval) [અથવા સૂચકની પરાસ (range)] કહે છે, જે સામાન્ય રીતે 2 pH એકમો જેટલો હોય છે.

આ રંગપરિવર્તન-ગાળાનું pH માપક્રમ પરનું સ્થાન વિવિધ સૂચકો માટે જુદું જુદું હોય છે. આથી અનુમાપન માટેના સૂચકની પસંદગી તટસ્થીકરણ-વક્ર પરથી મળતા તુલ્યબિંદુના pH મૂલ્યની નજીકમાં રંગનો સ્પષ્ટ ફેરફાર દર્શાવે તે પ્રમાણે કરવામાં આવે છે.

કેટલાક ઍસિડ-બેઝ સૂચકોની ઉપયોગી પરાસ તથા રંગના ફેરફાર સારણી 1માં દર્શાવ્યાં છે.

સારણી 1 : કેટલાક ઍસિડ-બેઝ સૂચકો

સામાન્ય નામ	સંક્રમણ	pKa	રંગનો ફેરફાર
	પરાસ,		ઍસિડી	આલ્કલાઇન
	pH		દ્રાવણ	દ્રાવણ
થાયમૉલ બ્લૂ	1.2-2.8	1.65	લાલ	પીળો
	8.0-9.6	8.90	પીળો	વાદળી
મિથાઇલ યલો	2.9-4.0	લાલ	પીળો	મિથાઇલ યલો
મિથાઇલ ઑરેન્જ	3.1-4.4	3.46	લાલ	નારંગી
બ્રોમોક્રેસૉલ ગ્રીન	3.8-5.4	4.66	પીળો	વાદળી
મિથાઇલ રેડ	4.2-6.3	5.00	લાલ	પીળો
બ્રોમોક્રેસૉલ પર્પલ	5.26.8	6.12	પીળો	જાંબલી
બ્રોમોક્રેસૉલ બ્લૂ	6.2-7.6	7.10	પીળો	વાદળી
ફીનૉલ રેડ	6.8-8.4	7.81	પીળો	લાલ
ક્રેસોલ પર્પલ	7.6-9.2		પીળો	જાંબલી
ફીનોલ્ફ્થેલીન	8.3-10.0	9.6	રંગવિહીન	લાલ
થાયમોલ્ફ્થેલીન	9.3-10.5	–	રંગવિહીન	વાદળી
એલિઝરિન યલો GG
	10-12	–	રંગવિહીન	પીળો

ઘણી વાર એ જરૂરી બને છે કે pHના નાના અને ચયનીય (selected) ગાળામાં સૂચકના રંગનો તીવ્ર ફેરફાર થાય. pHનો આ ગાળો ટૂંકાવવા માટે જેમનાં  મૂલ્યો નજીક-નજીક હોય તેવા સૂચકોનું યોગ્ય મિશ્રણ વાપરવામાં આવે છે. આવા સૂચકોને મિશ્ર-સૂચકો કહે છે. દા.ત., ન્યૂટ્રલ રેડ અને મિથીલીન બ્લૂનું મિશ્રણ 7 pH મૂલ્યે ઍસિડમાંથી આલ્કલાઇન દ્રાવણમાં ફેરવાય ત્યારે જાંબલી-લાલ(violet-blue)માંથી લીલો રંગ આપે છે.

(ii) ઑક્સિડેશન–રિડક્શન અથવા રેડૉક્સ સૂચકો : ઉપચયન-અપચયન અનુમાપનોમાં વપરાતા સૂચકો રેડૉક્સ સૂચકો તરીકે ઓળખાય છે. ઍસિડ-બેઝ સૂચકની માફક આવા સૂચક પણ અનુમાપનના તુલ્યબિંદુની આસપાસમાં ઉપચયન-વિભવમાં થતો એકાએક ફેરફાર દર્શાવવો જોઈએ. આદર્શ રેડૉક્સ સૂચક એવો હોય કે જેનો ઉપચયન-વિભવ અનુમાપન પામતા દ્રાવણના અને અનુમાપક(titrant)ના વિભવની મધ્યમાં (intermediate) હોય અને તેનો રંગ-ફેરફાર તીક્ષ્ણ અને સહેલાઈથી પારખી શકાય તેવો હોય.

રેડૉક્સ સૂચક એવું સંયોજન છે કે જે ઉપચયિત અને અપચયિત સ્વરૂપે જુદા જુદા રંગ પ્રદર્શિત કરે છે.

In_ox + ne  ⇌  In_red

આ પ્રક્રિયા પ્રતિવર્તી હોવી જોઈએ. કોઈ એક વિદ્યુતવિભવ E એ બે સ્વરૂપોની સાંદ્રતાનો ગુણોત્તર નર્ન્સ્ટના સમીકરણ વડે દર્શાવી શકાય :

અથવા

સક્રિયતા aને બદલે સાંદ્રતા [ ] લેવામાં આવે તો 25° સે. તાપમાને

જ્યાં  એ સૂચકનો માનક (ખરેખર ફૉર્મલ) વિભવ છે.

જો સૂચકનાં બે સ્વરૂપના રંગની તીવ્રતા, તુલનાયોગ્ય (comparable) હોય, તો રંગપરિવર્તન-ગાળાનો વ્યાવહારિક અંદાજ બે સાંદ્રતાના ગુણોત્તરને અનુવર્તી હોય છે. સૂચકના ઉપચયિત સ્વરૂપમાંથી અપચયિત સ્વરૂપમાં થતો ફેરફાર પ્રક્રિયકોની સાંદ્રતાના ગુણોત્તરમાં 100 ગણો ફેરફાર જરૂરી બનાવે છે. એટલે કે રંગનો ફેરફાર જોઈ શકાય તે માટે,

એક નમૂનારૂપ સૂચકના રંગનો સંપૂર્ણ ફેરફાર ઉત્પન્ન કરવા માટે જરૂરી એવો વિભવનો ફેરફાર સમી. (ix)માં ઉપરનાં મૂલ્યો મૂકવાથી મળી શકે, આમ

આ સમીકરણ દર્શાવે છે કે નમૂનારૂપ સામાન્ય સૂચક પારખી શકાય તેવું રંગપરિવર્તન ત્યારે બતાવે છે કે જ્યારે અનુમાપક પ્રણાલીના વિભવને થી વોલ્ટ માં ચલિત કરે. ઘણા સૂચકો માટે n = 2 હોવાથી 0.059 Vનો ફેરફાર પૂરતો ગણી શકાય. જો બે સ્વરૂપોના રંગની તીવ્રતા ઘણી અલગ પડતી હોય તો મધ્યવર્તી રંગ થી થોડો દૂર હશે, પણ આ ક્ષતિ 0.06 વોલ્ટથી વધુ હોવાની શક્યતા ઘણી ઓછી છે.

સારણી 2માં કેટલાક રેડૉક્સ સૂચકોના સંક્રમણ (transition) વિભવો અંગે માહિતી આપી છે.

(iii) અધિશોષણ–સૂચકો (adsorption indicators) : અધિ-શોષણ-સૂચક એ એવું કાર્બનિક સંયોજન છે જે અવક્ષેપન (precipitation) અનુમાપનમાં ઘન પદાર્થની સપાટી ઉપર અધિશોષાય છે. કે. ફાજાન્સે અધિશોષણના અભ્યાસ દરમિયાન અવક્ષેપન પ્રક્રિયાઓમાં ઉપયોગી એવા સૂચક અંગે સૂચન કર્યું હતું. આદર્શ રીતે તેનું અધિશોષણ [કે વિશોષણ (desorption)]એ તુલ્યબિંદુની નજીકમાં થતું જોવા મળે છે. તેમાં રંગનો ફેરફાર જ નહિ પણ દ્રાવણમાંથી ઘનની સપાટી પર રંગની અદલાબદલી થાય છે. અવક્ષેપન અનુમાપનોમાં સૂચકો તરીકે વપરાતા પદાર્થો સામાન્ય રીતે ફ્લુઓરેસીન (fluorescein) કે ઇયોસિન (eosin) જેવા ઍસિડ-રંગકો (તેમના સોડિયમ ક્ષાર રૂપે) અથવા રહોડામીન (rhodamine) શ્રેણી(દા.ત., રહોડામીન 6 G)ના બેઇઝ રંગકો (તેમના ક્લોરાઇડ લવણ રૂપે) હોય છે.

સારણી 2 : કેટલાક રેડૉક્સ સૂચકો

સૂચક	રંગ-પરિવર્તન		ફૉર્મલ વિભવ
	ઉપચયિત રૂપ	અપચયિત રૂપ	(pH = O એ વૉલ્ટ), વૉલ્ટ
નાઇટ્રૉફેરોઇન [5-નાઇટ્રો-1, 10-ફીનાન્થ્રોલીન આયર્ન (II) સલ્ફેટ]	આછો ભૂરો	લાલ	1.25
2, 2´-બાઇપીરિડીલ સલ્ફેટ આયર્ન (II)	ઝાંખો ભૂરો	લાલ	1.02
5, 6-ડાઇમિથાઇલફેરોઇન	આછો ભૂરો	લાલ	0.97
N-ફીનાઇલ એન્થાનિલિક ઍસિડ  લાલ	જાંબુડિયો	રંગવિહીન	0.89
4, 7-ડાઇમિથાઇલફેરોઇન	આછો ભૂરો	લાલ	0.88
ડાઇફિનાઈલ એમાઇન સલ્ફોનિક ઍસિડ	લાલ-જાંબલી	રંગવિહીન	0.85
ડાઇફિનાઈલ એમાઇન	જાંબલી	રંગવિહીન	0.76
સ્ટાર્ચ-I2, KI	વાદળી	રંગવિહીન	0.53

અનુમાપનની શરૂઆતમાં ક્લોરાઇડના દ્રાવણમાં સિલ્વર નાઇટ્રેટ ઉમેરવામાં આવે છે ત્યારે શરૂઆતના તબક્કામાં સિલ્વર ક્લોરાઇડના કલિલ કણો ઉત્પન્ન થાય છે.આ પ્રકારના સૂચકોની કાર્યવિધિનો સિદ્ધાંત કલિલો(colloids)ના ગુણધર્મો પર આધારિત છે; દા.ત., જ્યારે ક્લોરાઇડ આયનોનું સિલ્વર નાઇટ્રેટના દ્રાવણ વડે અનુમાપન કરવામાં આવે છે ત્યારે ફ્લુઓરેસીન સૂચક તરીકે વાપરવામાં આવે છે. જલીય દ્રાવણમાં સૂચકનું હાઇડ્રોનિયમ આયનો અને પીળા-લીલા (yellow-green) રંગના ઋણવીજભારિત ફ્લુઓરેસીનેટ આયનમાં આંશિક વિયોજન થાય છે. આ ઋણાયન તીવ્ર (intense) લાલ રંગનો સિલ્વર ક્ષાર બનાવે છે.

NaCl + AgNO_{3 →}  AgCl + NaNO₃

આ અવક્ષેપ પોતાની સપાટી ઉપર દ્રાવણમાંના ક્લોરાઇડ આયનો(Cl^–)ને અધિશોષે છે (પ્રાથમિક અધિશોષણ) અને ઋણ-વીજભારિત બને છે. આથી ઋણ-વીજભારિત ફ્લુઓરેસીનેટ આયનો અપાકર્ષણને લીધે તેનાથી દૂર રહે છે અને દ્રાવણને પીળો-લીલો રંગ આપે છે. આ પ્રાથમિક અધિશોષિત સ્તર દ્રાવણમાંના વિરુદ્ધ વીજભારવાળા કણોને આકર્ષે છે (દ્વિતીયક અધિશોષણ). પણ અનુમાપન પૂરું થાય એટલે કે તત્વપ્રમાણમિતીય (stoichiometric) અંતિમ બિંદુ (અંત્યબિંદુ) આવે એટલે કલિલી કણો પર ક્લોરાઇડને બદલે સિલ્વર આયનો(Ag⁺)નું પ્રબળ (પ્રાથમિક) અધિશોષણ થાય છે જ્યારે દ્વિતીયક અધિશોષણ નાઇટ્રેટ આયન નું થાય છે, પણ જો અનુમાપન વખતે ફ્લુઓરેસીન જેવો સૂચક વાપરવામાં આવ્યો હોય તો ની સરખામણીમાં ફ્લુઓરેસીનેટ ઋણાયનોનું અધિશોષણ વધુ પ્રબળતાથી થતું હોવાથી ધન-વીજભારિત કણોના આ પ્રતિ-આયન (counter-ion) સ્તરમાં ફ્લુઓરેસીનેટ આયનો આકર્ષાય છે અને તેથી ઘન કણોની આસપાસના દ્રાવણની સપાટીમાં સિલ્વર-ફ્લુઓરેસીનેટનો લાલ રંગ જોવા મળે છે. આવા સૂચકોની મર્યાદા એ છે કે અવક્ષેપન પ્રક્રિયા દરમિયાન કલિલી અવક્ષેપ મળતા હોય તેવા સંજોગોમાં જ અધિશોષણ સૂચકો ઉપયોગી બને છે.

(iv) ધાતુ-આયન સૂચકો – EDTA (ethylene diamine tetra-acetic acid) : અનુમાપનોની સફળતા અંતિમ બિંદુના ચોક્કસ (precise) નિર્ધારણ પર આધારિત છે. આ માટેની સામાન્ય પદ્ધતિ ધાતુ-આયન સૂચકોનો ઉપયોગ કરવાની છે. રેઈલી અને બર્નાડે EDTA અનુમાપનોમાં ધાતુ-આયનો માટે 200 જેટલાં કાર્બનિક સંયોજનોની સૂચકો તરીકે નોંધ કરી છે. સામાન્ય રીતે આ સૂચકો એવા કાર્બનિક રંગકો છે જે ધાતુ-આયનો અને રંગક (dye) માટેની લાક્ષણિક એવી ચોક્કસ pM (pM = – log ધાતુ-આયન સાંદ્રતા) પરાસમાં રંગીન સંકીર્ણો બનાવે છે. આ સંકીર્ણો ઘણી વાર તીવ્ર રંગ ધરાવતા હોય છે અને 10^-6થી 10^-7 M સાંદ્રતાએ પણ આંખો વડે પારખી શકાય તેવા હોય છે.

આવા સૂચકોમાં એરિયોક્રોમ બ્લૅક T, મ્યુરેક્સાઇડ, કાલ્કોન અથવા સોલોક્રોમ ઘેરો વાદળી (solocrome deep blue), કામાગાઇટ (calmagite), કેલ્શિક્રોમ, ફાસ્ટ સલ્ફોન બ્લૅક F, બ્રોમોપાયરોગેલોલ રેડ, ઝાયલીનોલ ઑરેન્જ, થાયમોલ્ફ્થેલીન કોમ્પ્લેક્ઝોન (અથવા થાયમોલ્ફ્થેલીક્ઝોન), મિથાઇલ થાયમોલ બ્લૂ, ઝિંકોન, વેરિયામિન બ્લૂ વગેરેને ગણાવી શકાય.

ઉષા પાલ

અનુ. જ. દા. તલાટી