مقدمه
این بار ما با آزمایش های ساده  شیمی شروع به معرفی اسید و باز می کنیم. خواهیم دید که چگونه اسید‌یته‌ی مواد اندازه‌گیری می‌شود؛ با تعدادی ازمعرف‌های اسید و باز آشنا می‌شویم؛ کاغذ PH‌سنج می‌سازیم؛ تیتراسیون سرکه را انجام می‌دهیم؛ تعدادی ازمعرف‌ها (اندیکاتورها)‌ی طبیعی را می‌شناسیم و جدول رنگی آنها را تعیین می‌کنیم. در بیشتر موارد ما از مواد خانگی و در مواردی از ابزار و موادی که برای همین آرمایش‌ها خریداری کردیم استفاده می‌کنیم.
آزمایش‌هایی که شرح خواهیم داد نه تنها برای اجرا در مدرسه مناسب است بلکه در خانه برای علاقمندان هم انجام‌پذیر است. سختی این آزمایش‌ها مورد به مورد متفاوت است و به ‌عهده‌ی معلم یا اولیاست که متناسب با سطح درسی دانش‌آموز خود آزمایش‌های مناسب وی را انتخاب کنند.
امیدواریم شما معلمان عزیز با راهنمایی‌های خود ما را در بهبود این مطالب یاری نمایید.

توجه! نکات ایمنی: هرگز از مواد خطرناک استفاده نکنید. از اسید وبازهای قوی استفاده نکنید. مواد شیمیایی خطرناک را در ظروف غذا(مثل لیوان،بطری و شیشه ها) نریزید چون ممکن است با مواد خوراکی و آشامید‌نی اشتباه گرفته شود. هرگز مواد شیمیایی خطرناک را در اطراف خانه رها نکنید. در محیطی شبیه آزمایشگاه یا زیر زمین یا انبار یا گاراژ کار کنید. در پایان هر آزمایش بشرها را خالی کنید و آنها را بشویید. ظروف حاوی باقیمانده ی مواد شیمیایی که می خواهید دوباره مورد استفاده قرار دهید را در مکان مطمئنی دور از دسترس کودکان قرار دهید. روی ظروف اسم محتویات و خطرناک بودن آنها را بنویسید. در هنگام استفاده از محلول آمونیاک، در محیط باز یا اتاق دارای پنجره‌ی باز و تهویه کار کنید. به محض برداشتن مقدار آمونیاک مورد نیازتان در ظرف را ببندید. بچه ها باید حدودا 2 متر دورتر و در خلاف جریان هوا بایستند و همواره  باید یک بزرگسال در جریان اینگونه آزمایش ها حضور داشته باشد. شما می توانید مواد ولوازم آزمایشگاهی این آزمایش‌ها را از فروشگاه‌های لوازم آزمایشگاهی که اغلب در اطراف دانشگاه‌ها وجود دارد خریداری کنید. مراقب باشید و از آزمایش‌های خود لذت ببرید.

واکنش شیمیایی

اولین آزمایش و مشاهده برای معرفی مفهوم واکنش شیمیایی ارائه می‌شود که می‌توان آن را در مقطع ابتدایی انجام داد. این آزمایش کمک می‌کند بچه‌ها بفهمند چگونه اسید و باز بر هم اثر می‌کنند.

درنصف لیوان آب چند قاشق چای‌خوری جوش‌شیرین بریزید و آن را خوب هم بزنید تا محلول یکنواختی حاصل شود. در همان لیوان یک قاشق غذا‌خوری سرکه بریزید. همان طور که مشاهده می‌کنید مقدار فراوانی کف ایجاد می‌شود(شکل 2). چه اتفاقی اقتاده است؟
یک واکنش شیمیایی بین سرکه (یک اسید) و جوش‌شیرین (یک باز) رخ داده است. این دو ماده با هم واکنش داده و تولید نمک، آب و دی اکسید کربن می‌کنند. این گاز حباب‌های کوچکی که می‌بینید را ایجاد می کند. درکل، مواد اسیدی و بازی با هم واکنش می‌دهند و نمک و سایر مواد مثل آب و دی اکسید کربن تولید می‌شود. اگر می‌خواهید  واکنش با سرعت بیشتری انجام شود از آب گرم (نه جوش) استفاده کنید.
نمکی که در این واکنش  تولید می شود استات سدیم است :

CH3COOH + NaHCO3  = CH3COONa +H2O +CO2
CO2	H2O	CH3COONa	NaHCO3	‍CH3COOH
دی اکسید کربن	آب	استات سدیم	جوش شیرین	اسید استیک

اسیدها، بازها و PH
در جهان میلیون‌ها ماده‌ی شیمیایی وجود دارد. بعضی از آنها دارای خاصیت اسیدی و بعضی دیگر دارای خاصیت بازی هستند. اسیدها موادی هستند که در ترکیب با آب یون هیدروژن (⁺H) آزاد می کنند. بازها موادی هستند که در ترکیب با آب یون هیدروکسید (^-OH) آزاد می کنند (آزاد شدن یون دراین گونه واکنش ها تفکیک نامیده می‌شود). یون هیدروکسید آزاد با یون هیدروژن مولکول آب تولید می کند:  H⁺ + OH^- = H₂O .
در این حالت بازها  تراکم  یون هیدروژن را در محلول کاهش می دهند. محلولی که غنی از یون‌های هیدروژن است را اسیدی و محلولی که مقدار کمی یون هیدروژن دارد را بازی می نامند. بعضی از اسیدها بصورت جزئی تفکیک می‌شوند و به آنها اسید ضعیف می گویند؛ بعضی دیگر تفکیک کامل دارند و اسید قوی نامیده می‌شوند. بازها هم به همین ترتیب می‌توانند ضعیف یا قوی باشند.
اسیدها و بازهای رقیق که کمتر اشباع هستند فعالیت کمتری در واکنش ها دارند. میزان اسیدی و بازی بودن مواد بوسیله‌ی واحدهای  PH اندازه گیری می‌شود. شاخص مورد استفاده محدوده‌ای بین 0 تا 14 دارد. موادی که PH پائین‌تر از 7 دارند اسید‌، آنهایی که  PH مساوی 7 دارند خنثی و آنهایی که PH بالاتر از 7 دارند را باز می‌نامند. موادی که PH خیلی پایین دارند اسید قوی و آنهایی که PH خیلی بالا دارند باز قوی هستند. اسیدها و بازهای غلیظ بسیار خورنده و خطرناک هستند.
(مطالب ذیل مخصوص دانش آموزان دوره‌ی دبیرستان است.)
PH سنجشی برای میزان تراکم یا غلظت یون هیدروژن در محلول است. از آنجا که تعداد رقم‌های این کمیت بسیار زیاد خواهد شد، آن را با لگاریتم در مبنای ده نشان می‌دهند و چون این تراکم همواره از 1 کوچک‌تر است لگاریتم همیشه علامت منفی می‌گیرد و برای جلوگیری از نوشتن علامت منفی، قرار داد شده که همواره آن را با علامت مثبت بنویسند (یک علامت منفی به آن اضافه شده). بنابراین PH ،لگاریتم غلظت یون هیدروژن است و آن را این‌گونه نشان می دهند:              [⁺PH=-log[H     
 بنابراین هرگاه PH عدد کمتری داشته باشد، غلظت یون هیدروژن بیشتر است.

آب مقطر PH =7 دارد. پس چطور ممکن است که  آب مقطر یون هیدروزن آزاد داشته باشد؟ این پدیده به علت تفکیک جزئی برخی از مولکول‌های آب در اثر آشفتگی گرمایی است (H₂O^- ? H⁺ + OH). این یون‌ها بلافاصله به هم می‌پیوندند و مولکول‌های دیگر تفکیک می‌شوند. به این ترتیب یک تعادل دائمی در غلظت مولکول‌های تفکیک شده وجود دارد. 

 اندازه‌گیری PH

موادی وجود دارد که قابلیت تغییر رنگ دربرخورد با محیط‌های اسیدی و بازی دارند. این مواد اصطلاحا «PH indicator» ، یا معرف PH  نامیده می شوند. برای مثال «فنول فتالئین» و «بروموتیمول بلو» استفاده می‌شود. معمولا برای اندازه‌گیری PH از کاغذهای مخصوص آغشته به معرف استفاده می کنند. این کاغذ‌ها وقتی که در محلول‌های اسیدی یا بازی فرو برده می‌شوند، بلافاصله دچار تغییر رنگ می‌شوند. در این مورد کاغذ لیتموس (یا ترنسل) برای همه شناخته شده است. (شکل 3). امروزه اندازه‌گیری PH بوسیله‌ی ابزارهای الکترونیکی مثل‌ «PH متر» امکان‌پذیر شده است (شکل 4).

کاغذ لیتموس
لیتموس ماده‌ای است که از گلسنگ‌های خاصی بدست می‌آید.لیتموس قابلیت این را دارد که در مقابل مواد اسیدی به رنگ قرمز و در مقابل مواد بازی به رنگ آبی در آید. در بسته‌بندی کاغذ لیتموس یک مقیاس رنگی وجود دارد که رنگ کاغذ در PH مورد نظر را نشان می‌دهد(شکل3).

استفاده از کاغذ لیتموس:
استفاده از کاغذ لیتموس بسیار ساده است. ابتدا گوشه‌ی انتها‌ی کاغذ را در مایعی که می‌خواهید آزمایش کنید فرو ببرید و به سرعت خارج کنید. PH مایع با مقایسه رنگ کاغذ با جدول رنگی یا مقیاس در اختیارتان مشخص می‌شود.

PHمتر وسیله‌ای الکترونیکی است که بخش حبابی شکل آن حساس به غلظت یون هیدروژن موجود در محلول مورد آزمایش است. سیگنالی که بوسیله‌ی حباب ایجاد می‌شود تقویت شده و به نمایشگر فرستاده می‌شود. قبل از استفاده از PHمتر باید آن را ست (استاندارد) کرد. برای این کار الکترود آن را در محلول بافربا  PH معلوم قرار می‌دهیم. اگر PH دقیق رانشان ندهد دستگاه را روی PH اسمی بافر، به کمک دکمه‌های روی نمایشگر تنظیم می‌کنیم (شکل 4).
در آزمایشی که شرح دادیم PH محلول اشباع جوش شیرین، سرکه و محلول حاصل از ترکیب این دو را  به کمک کاغذ لیتموس اندازه بگیرید. اگر PHمتر در اختیار دارید آزمایش را با آن تکرار کنید.

عصاره‌ی کلم قرمز یک معرف!
همان‌طور که دیدیم اسید و باز قابلیت تغییر رنگ مواد مشخصی را دارند. این مسئله در مورد عصاره‌ی کلم قرمز هم صادق است. این مایع دارای رنگ آبی مایل به بنفش است، ولی در مقابل مواد اسیدی به رنگ قرمز و در مقابل مواد بازی به رنگ سبز و حتی زرد  در می‌آید. بگذارید ببینیم چطور می‌توان از عصاره‌ی کلم برای اندازه گیری PH مواد مختلف استفاده کرد.
کلم قرمز را می‌توانید در فصل زمستان و بهار به راحتی پیدا کنید. آن را به قطعات کوچک برش بزنید (شکل 6). و در ظرفی بریزید. مقداری آب بر روی آن بریزید تا اندازه‌ای که سطح کلم‌ها را بپوشاند. حدود نیم ساعت آن را بجوشانید و بگذارید سرد شود. عصاره کلم را در ظرف کوچک‌تری بریزید(شکل8). کلم‌ها هم قابل مصرف هستند و می‌توانید در غذا مصرف کنید.
از عصاره‌ی کلم قرمز به عنوان معرف در فاز مایع استفاده کنید.
چند قطره از مایع را روی یک سطح سفید بریزید و تغییر رنگ آن را هنگامی که با سرکه و جوش شیرین ترکیب می‌شود ببینید. می‌توانید مشاهده کنید که این مایع در مقابل سرکه یا آب لیمو، قرمز و در مقابل جوش شیرین به رنگ سبز در می‌آید.(شکل9).
یک سانتیمتر عصاره را در لیوان شفافی بریزید. لیوان را تا نصفه از آب پر کنید. حالا مقداری سرکه در آن بریزید و تغییر رنگ آن را مشاهده کنید. آزمایش را دوباره تکرار کنید و این بار به جای سرکه از جوش شیرین استفاده کنید.

آماده‌سازی کاغذ PH با عصاره ی کلم قرمز
مقداری کاغذ صافی سفید (porous) ببرید و آنها را در عصاره غوطه‌ور کنید تا کاملا عصاره به خورد کاغذ برود(شکل 10). بعد از نیم ساعت کاغذها را خارج کنید و کنار بگذارید تا خشک شود(شکل 11). بعد آنها را بصورت نوارهای کوچک ببرید. می‌توانید آنها را ماه‌ها نگه دارید. اگر می‌خواهید عصاره کلم را نگه دارید آن را در یخچال بگذارید چون بعد از مدتی فاسد خواهد شد.

 

خوب حالا زمان آن رسیده که از کاغذهای PH دست‌سازمان استفاده کنیم:
در این بخش ما به اندازه‌گیری بعضی مواد معمولی خواهیم پرداخت. ما این کار را با کاغذ لیتموس و PHمتر انجام خواهیم داد. از کاغذهای کلم قرمزی که درست کردیم هم استفاده خواهیم کرد. در جدول مقابل مقدار PH کاغذ لیتموس و PHمتر را بنویسید. رنگی که از کاغذ کلم بدست می‌آورید را با مداد رنگی در جدول رنگ‌آمیزی کنید.

جدول 1 - اندازه‌گیری PH بعضی مواد
نام ماده	PH (کاغذ لیتموس)	PH (کاغذ لیتموس)	رنگ کلم قرمز
آب مقطر
آب شهری
آب باران
سودا
سرکه
آب لیمو
کوکا کولا
شیر
جوش شیرین(محلول در آب)
آمونیاک (محلول20% باید 3 بار رقیق شود) در ظرف دربسته نگهداری شود.
آسپرین(محلول یک قرص درml 20  آب مقطر)
شامپو
صابون
پودر شوینده
مواد دیگری که در منزل استفاده می شود و خطرناک نیست. از اسید ها و باز های قوی استفاده نکنید.از سفید کننده استفاده نکنید.

وسایل لازم:

1. PHمتر «اگر موجود است»

2.کاغذ لیتموس (یا ترنسل)

3.کاغذ کلم قرمز

4.بشریا ضرف شیشه‌ای دیگر «20 عددـ»

5.میله‌ی همزن شیشه ای یا پلاستیکی

در انتهای اندازه‌گیری مقادیری که با PHمتر و کاغذ لیتموس بدست آوردید را با هم مقایسه کنید.
رنگی که کاغذ کلم قرمز نشان می‌دهد را مشاهده کنید.
2 ماده‌ی بیشتر اسیدی را در جدول علامت‌گذاری کنید.
2 ماده‌ی بیشتر بازی  را در  جدول علامت‌گذاری کنید.

مشاهدات: سرکه،کوکا کولا و لیمو مواد اسیدی هستند. جوش شیرین، محلول آمونیاک مواد بازی هستند. آب مقطر PH خنثی دارد.

جدول رنگی  کلم قرمز

حالا ببینیم چطور می‌توان جدول رنگی کلم قرمز را تنظیم کرد.
محلول‌هایی با تمام درجات PH درست کنید. با دروبین دیجیتال از تمام کاغذ‌های کلمی که در محلول‌ها قرار دادید بعد ازاینکه آنها را خارج کردید و خشک شدند، عکس بگیرید. بوسیله‌ی نرم افزار Edit عکس مثل فتوشاپ تعیین رنگ‌هایی که بدست آوردید بسیار ساده می‌شود. برای ادامه‌ی این آزمایش لازم است که یک PHمتر تهیه کنید. 

مواد و وسایلی که برای تنظیم جدول رنگی کاغذ کلم قرمز مورد نیاز است

1. آب شیر

2. لیمو ترش

3. سرکه‌ی سفید

4. محلول آمونیاک 20%

5. جوش شیرین

6. PHمتر

7. محلول بافر‌(PH=7) برای ست کردن PHمتر

8. کاغذ لیتموس

9. کاغذ کلم قرمز

10. بشر یا ظرف شیشه ای 20 عدد

11. میله‌ی همزن شیشه‌ای یا پلاستیکی

12. دوربین دیجیتال با اسکنر

13. کامپیوتر با نرم‌افزارهای Photoshop یا Excel

به وسیله‌ی بافر دارای PH=7 ؛ PHمتر را ست کنید.
یک محلول رقیق با PH=2 درست کنید. برای این منظور از لیموترش استفاده کنید. (سرکه به اندازه‌ی کافی اسیدی نیست). آن را با آب رقیق کنید تا مقدار PH مورد نظر بدست آید. PHمتر را از بشر خارج کنید و با آب شیر بشویید. یک نوار از کاغذ کلم ببرید و در محلول قرار دهید. آن را خارج کنید و بعد از یک دقیقه از آن عکس بگیرید. بر خلاف کاغذ لیتموس ،کاغذ کلم مدتی طول می‌کشد تا رنگ بگیرد.
یک محلول رقیق با 3= PH درست کنید. برای این کار می‌توانید از همان لیمو‌ترش یا سرکه‌ی سفید استفاده کنید. آن قدر آب اضافه کنید تا PH مورد نظر حاصل شود. pHمتر را با آب بشویید. یک نوار کاغذ کلم در محلول PH=3 قرار دهید و آن را خارج کنید و بعد از یک دقیقه از آن عکس بگیرید. این کار را با محلول PH=4,5,6,7 ادامه دهید. برای PH=7 می‌توانید از بافر یا آب شیر استفاده کنید. برای PH=8,9,10,11 از محلول آمونیاک استفاده کنید و ازنوارهای کاغذ کلم عکس بگیرید. هنگام استفاده از آمونیاک در هوای باز یا اتاق هوا گیر کار کنید. محلول‌های با PH کمتر از 2 و بیشتر از 11 درست نکنید چون خطرناک است.
PH محلول‌ها را با PHمتر اندازه بگیرید و هر بار الکترود آن را با آب شیر بشویید. هرازگاهی PHمتر را بوسیله‌ی محلول بافر ست کنید تا آزمایشتان دچار خطا نشود. عکس‌ها را در شرایط نوری یکسان بگیرید تا دمای نور روی رنگ عکس‌ها تاثیر نگذارد.
روش دیگر برای ثبت رنگ کاغذها استفاده از اسکنر (scanner) است. در این مورد فراموش نکنید که شیشه‌ی آن را قبل از گذاشتن کاغذ‌ها پاک کنید. با استفاده از ابزار قطره‌چکان در نرم افزار‌ Photoshop، رنگ کاغذ‌ها را مشخص کنید. و مطابق با شکل جدول رنگی خود را تنظیم کنید. ممکن است رنگ‌هایی که بدست می‌آورید کمی با رنگ‌های ما متفاوت باشد.
با گذشت زمان رنگ کاغذ ها کم رنگ می‌شود یا تغییر رنگ می‌دهند پس درجات رنگی که در رایانه ثبت می کنید بسیار مورد استفاده خواهند بود.
محلول‌هایی که با PH‌های مختلف درست کردید را با کاغذ لیتموس هم آزمایش کنید و نتیجه را با جدول رنگی روی جعبه مقایسه کنید. اگر اختلاف رنگی وجود دارد به خاطر قدیمی بودن کاغذ‌هاست.
شما می‌توانید کاغذ PH را با مواد گیاهی دیگر نیز بسازید. در تابستان از شاه‌توت هم استفاده کنید. و جدول رنگی برای آن درست کنید.