Indikatoren

Durch typische Reaktionen einiger Stoffe mit anderen lassen sich Nachweise in der Chemie erbringen. Kohlenstoffdioxid lässt sich durch Calciumhydroxid nachweisen. Säuren und Basen lassen sich sehr gut durch Indikatoren nachweisen und unterscheiden. Indikatoren sind Farbstoffe, die in basischer , sauer oder neutraler wässriger Lösung unterschiedliche Farben zeigen. Sie werden einer Lösung zugegeben oder auf ein Papier gegeben um eine Lösung auf ihren sauren/ alkalische Charakter zu testen. Anhand der entstehenden Farbe lässt sich eine Zuordnung zu Säuren oder Basen machen. Durch Mischung verschiedener Indikatoren zu einem Universalindikator lässt sich der pH Wert einer Lösung recht genau bestimmen.

Säure/Base Indikatoren sind generell schwache organische Säuren. In Wasser geben diese Säuren Protonen ab. Da es sich um schwache Säuren handelt geben sie ihre Protonen nur teilweise und in einem Gleichgewicht mit dem Wasser ab:

HInd + H2O <-> H3O+ + Ind- (Ind = beliebiges Indikatormolekül)

Ein konjugierendes Bindungssystem in der organischen Struktur der Indikatoren sorgt für die typische Farbe des Farbstoffs. Durch die Protonenabgabe in Wasser verändert sich dieses System und damit auch die Farbe des Indikators. Die Indikatorsäure (HInd) hat eine andere Farbe, als die Indikatorbase (Ind-). Am Beispiel der Indikatoren Phenolphthalein und Methylorange wird das deutlich.

[Bild 1]

Phenolphthalein in protonierter (HInd) und unprotonierter Form (Ind-). Die protonierte Form ist farblos und die deprotonierte Form rot.

[Bild 2] [Bild 3]

Methylorange in unprotonierter Form (Ind-) und protonierter Form (HInd), die durch zwei mesomere Strukturen gekennzeichnet ist. Die unprotonierte Form ist gelb, die protonierte Form rot. Methylorange ist ein mehrfarbiger Indikator, Phenolphthalein ein einfarbiger Indikator. Neben diesen beiden Beispielen gibt es unzählige andere Säure/Basen Indikatoren. Selbst im Haushalt findet man Indikatoren. Schwarzer Tee oder Rotkohl sind Säure/Base Indikatoren. Im Norden isst man Rotkohl und im Süden Blaukraut. Beides entspricht dem gleichen Kohl. Der Farbstoff Anthocyan, der in Rotkohl (bzw. Blaukraut) enthalten ist, ist je nach pH Wert blau oder rot gefärbt. Gerade in leicht alkalischen Böden, wie sie im Süden vorkommen bekommt der wachsende Kohl eine besonders blaue Farbe. Durch Zugabe von Essig oder Apfelscheiben macht man bei der Zubereitung aus Blaukraut Rotkohl. Durch Säurezugabe färbt sich der Farbstoff des Kohls rot.

[Bild 4] [Bild 5]

Welche Farbe ein Indikator in wässriger Lösung annimmt hängt vom Gleichgewicht ab, in dem sich der Indikator befindet.

Bei Lösungen, denen Säuren zugegeben wurden liegt das Gleichgewicht auf Grund des Protonenüberschusses in der Lösung auf der Seite der protonierten Indikatorform (HInd).

HInd + H2O <- H3O+ + Ind-

Beispiele:

Phenolphthalein liegt farblos vor

Methylorange liegt rot vor

Bei Lösungen, in denen nur wenige oder keine Oxoniumionen vorliegen liegt das Gleichgewicht auf Grund des Protonenmangels auf der Seite der deprotonierten Indikatorform (Ind-)

HInd + H2O -> H3O+ + Ind-

Beispiele:

Phenolphthalein liegt rot vor

Methylorange liegt gelb vor

[Bild 6]

Im Übergang von der einen Form zur anderen kann es zur Vermischung der verschiedenen Formen kommen. Es entsteht eine Mischfarbe. Zum Beispiel liegt Bromthymolblau in den Farben gelb (sauer), blau (alkalisch) und grün (neutral) vor. Die grüne Farbe ist eine Mischung der unterschiedlich farbigen BTB Moleküle. Für Indikatoren als schwache Säuren lässt sich eine Säurekonstante (pKs Wert) errechnen, die Aussagen über die Stärke der Säure macht. Formuliert man die Formel zur Errechnung der Säurekonstanten um lässt sich die H3O+ Ionenkonzentration und daraus der pH Wert errechnen, bei dem die Mischform auftritt. Die Formel ist auch als Hendersson-Hasselbalch Gleichung bekannt und spielt eine besondere Rolle bei der Berechnung von Puffersystemen. Im Netchemie Lexikon befassen sich entsprechende Artikel mit diesen Themen. Hier lässt sich mit der Gleichung der pH Wert aus dem pKs Wert und der Konzentration des Indikators bestimmen.

[Bild 7]

Da die Konzentrationen von HInd und Ind- bei der Mischform gleich sind liegt der pH Wert des Farbumschlags beim pKs Wert der schwachen Säure. Der logarithmierte Quotient [HInd]/[ Ind-] wird als 1 betrachtet. Lackmuslösung hat einen pKs Wert von 7 und demnach den Umschlagspunkt bei einem pH Wert von 7. Erst bei 10fachem Überschuss an einer Konzentration (HInd oder Ind-) treten die reinen Farbtöne auf. Der Umschlagsbereich eines Indikators liegt also zwischen zwei pH Einheiten.

Hier einige Umschlagbereiche verschiedener Indikatoren:

Indikator Farbumschlag pH Bereich

Methylviolett gelb zu rot 0-1,6

Thymolblau rot zu gelb 1,2-2,8

Methylgelb rot zu gelb 2,5-4,0

Methylorange rot zu orange 3,1-4,4

Bromphenolblau gelb zu blau 3,0-4,6

Kongorot violett zu rot 3,0-5,0

Bromkresolgrün gelb zu blau 3,8-5,4

Methylrot rot zu gelb 4,4-6,2

Bromkresolpurpur gelb zu purpur 5,2-6,8

Bromthymolblau gelb zu blau 6,0-7,6

Phenolrot gelb zu rot 6,8-8,4

Kresolrot gelb zu rot 7,1-8,8

Thymolblau gelb zu blau 8,0-9,6

Phenolphthalein farblos zu rot 8,2-10

Thymolphthalein farblos zu blau 9,0-10,5

Verwendet man nur einen Indikator ergibt sich aus der Tabelle auch die schwäche der einzelnen Indikatoren. Sie zeigen Farbumschläge nur in einem bestimmten pH Bereich an. Eine mit BTB (Bromthymolblau) versetzte Lösung, die sich gelb färbt lässt den Schluss zu, dass es sich um eine saure Lösung handelt. Der pH Wert kann aber von einer leicht sauren bis zu einer sehr starken Säure reichen. Mischindikatoren oder pH-Messgeräte können genauere Angaben über die genauen Ionenkonzentrationen in Wasser machen.

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