16.8: Indikatoren

Bestimmte organische Substanzen verfärben sich in verdünnter Lösung, wenn die Konzentration der Hydroniumionen einen bestimmten Wert erreicht. Zum Beispiel ist Phenolphthalein eine farblose Substanz in jeder wässrigen Lösung mit einer Hydroniumionenkonzentration von mehr als 5,0 × ^10-9 M (pH < 8,3). In basischeren Lösungen, bei denen die Konzentration der Hydroniumionen weniger als 5,0 × 10⁻⁹ M (pH > 8,3) beträgt, ist sie rot oder rosa. Substanzen wie Phenolphthalein, mit denen der pH-Wert einer Lösung bestimmt werden kann, werden als Säure-Base-Indikatoren bezeichnet. Säure-Base-Indikatoren sind entweder schwache organische Säuren oder schwache organische Basen.

Das Gleichgewicht des Säure-Base-Indikators Methylorange, einer schwachen Säure, in einer Lösung kann durch eine Gleichung dargestellt werden, in der wir HIn als einfache Darstellung für das komplexe Methylorangenmolekül verwenden:

Das Anion von Methylorange, In^–, ist gelb und die nichtionisierte Form, HIn, ist rot. Wenn wir einer Lösung von Methylorange Säure hinzufügen, verschiebt die erhöhte Hydroniumionenkonzentration das Gleichgewicht in Richtung der nichtionisierten roten Form, gemäß dem Prinzip von Le Châtelier. Wenn wir die Basis hinzufügen, verschieben wir das Gleichgewicht in Richtung der gelben Form. Dieses Verhalten ist völlig analog zur Wirkung von Puffern.

Die wahrgenommene Farbe einer Indikatorlösung wird durch das Verhältnis der Konzentrationen der beiden Spezies In⁻ und HIn bestimmt. Wenn der größte Teil des Indikators (typischerweise etwa 60-90% oder mehr) als ^In-Wert vorliegt, ist die wahrgenommene Farbe der Lösung gelb. Wenn das meiste als HIn vorliegt, erscheint die Lösungsfarbe rot. Die Henderson-Hasselbalch-Gleichung ist nützlich, um die Beziehung zwischen dem pH-Wert einer Indikatorlösung und ihrer Zusammensetzung (also der wahrgenommenen Farbe) zu verstehen:

In Lösungen mit einem pH-Wert von > pK_a muss der logarithmische Term positiv sein, was auf einen Überschuss der konjugierten Basenform des Indikators (gelbe Lösung) hinweist. Bei einem pH-Wert > pK_a muss der logarithmische Term negativ sein, was auf einen Überschuss der konjugierten Säure (rote Lösung) hinweist. Wenn der pH-Wert der Lösung nahe dem Indikator pK_a liegt, sind nennenswerte Mengen beider Konjugatpartner vorhanden, und die Farbe der Lösung ist die einer Additivkombination von jedem (gelb und rot, ergibt orange). Das Farbwechselintervall (oder pH-Intervall) für einen Säure-Base-Indikator ist definiert als der Bereich der pH-Werte, über den eine Farbänderung beobachtet wird, und für die meisten Indikatoren liegt dieser Bereich bei etwa pK_a ± 1.

Es gibt viele verschiedene Säure-Base-Indikatoren, die einen breiten Bereich von pH-Werten abdecken und verwendet werden können, um den ungefähren pH-Wert einer unbekannten Lösung durch Eliminierungsprozess zu bestimmen. Universalindikatoren und pH-Papier enthalten eine Mischung von Indikatoren und weisen bei unterschiedlichen pH-Werten unterschiedliche Farben auf.

Dieser Text wurde übernommen von Openstax, Chemie 2e, Abschnitt 14.7: Säure-Base-Titrationen.