39Protolysegleichgewichte –Konzentrationsbestimmungen B5 Protolysegleichgewicht des Indikators para-Nitrophenol. Die Moleküle HInd absorbieren nur energiereiches Licht aus dem ultravioletten Bereich: Eine stark verdünnte para-Nitrophenol-Lösung erscheint deshalb farblos. Die Molekül-Ionen Ind– absorbieren blaues Licht; die Lösung erscheint in der Komplementärfarbe Gelb. A: Ermitteln Sie mithilfe von B4 den ungefähren pKs-Wert von para-Nitrophenol. Bei Zugabe von Apfelstücken oder Essig zu Rotkohl färbt sich der Kohl intensiver rot. Verwendet man „hartes“ Wasser, färbt sich das Gemüse eher bläulich und erhält die Bezeichnung Blaukraut (B1). Bereits im 17. Jahrhundert beschrieb der englische Naturforscher Robert Boyle (1627–1691) das Farbverhalten verschiedener Pflanzensäfte (u.a. von Kornblume, Rose und Primel) gegenüber unterschiedlichen Stoffen. Er setzte auch den Flechtenfarbstoff Lackmus ein, um Säuren von Laugen zu unterscheiden. Farbstoffe, die mit dem pH-Wert ihre Farbe ändern, nennt man Säure-BaseIndikatoren1. Diese Farbänderungen beruhen auf Strukturänderungen in den Molekülen bzw. Molekül-Ionen2 der Indikatoren, zu denen es infolge von Protonenübergängen kommt (B3, B5). Meistens sind diese Strukturänderungen mit Verschiebungen der Elektronendichte im Molekül verbunden, was sich wiederum auf die Fähigkeit der Teilchen auswirkt, Licht einer bestimmten Wellenlänge („Farbe“) zu absorbieren. Allgemein besteht ein Säure-Base-Indikator, der die Farben A und B annehmen kann, aus einem konjugierten Säure-Base-Paar, der Indikator-Säure HInd und der Indikator-Base Ind–, kurz HInd/Ind–. Zwischen ihnen stellt sich folgendes Protolysegleichgewicht ein: HInd + H2O H3O + + Ind– Indikator-Säure Indikator-Base Farbe A Farbe B Auf dieses Protolysegleichgewicht kann die Puffergleichung (vgl. S. 37) angewandt werden. Danach sind die Konzentrationen der Indikator-Säure und Indikator-Base in einer Lösung gleich, wenn der pH-Wert gleich dem pKs-Wert der Indikator-Säure ist, pH = pKs(HInd). Dann ist lg [c(Ind–)/ c(HInd)] gleich null. Gelangt ein Tropfen Indikator-Lösung in eine saure bzw. alkalische Lösung, verschiebt sich dieses Gleichgewicht nach links bzw. rechts. Um die Farbe B eines Indikators deutlich wahrnehmen zu können, muss die Konzentration der Indikator-Base mindestens das Zehnfache der Konzentration der Indikator-Säure in der Lösung betragen, also c(Ind–)/c(HInd) = 10 : 1. Gemäß der Puffergleichung ist das der Fall bei pH = pKs + 1. Analog wird die Farbe A erst dann gut wahrgenommen, wenn die Beziehung pH = pKs – 1 gilt. Demzufolge hat ein Indikator einen Umschlagsbereich, der sich über 2 pH-Einheiten erstreckt. Aufgaben A1 Berechnen Sie das Konzentrationsverhältnis c(Ind–)/c(HInd) für den Indikator Bromthymolblau (pKs = 6,9) in einer Lösung mit pH = 7,5. A2 Säure-Base-Indikatoren sind Puffersysteme, sie erfüllen aber andere Funktionen als die Puffer von S. 36, 37. a) Vergleichen Sie die Funktionen von Puffer-Lösungen mit denen von Säure-Base-Indikatoren. b) Erklären Sie, warum Indikatoren nur in geringen Konzentrationen, Puffer-Lösungen in höheren Konzentrationen verwendet werden. Säure-Base-Indikatoren 1 von indicare (lat.) = anzeigen; 2 elektrisch geladene Moleküle (Unterschied zu Atom-Ionen) Fachbegriffe konjugiertes Säure-Base-Paar, Indikator-Säure HInd, Indikator-Base Ind–, Umschlagsbereich, Puffergleichung farblos NO2 gelb HC HC C C CH CH O H + H2O NO2 HC HC C C CH CH O + H3O + – HInd Ind– 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14pH Thymolblau Methylorange Lackmus para-Nitrophenol Bromthymolblau Neutralrot Phenolphthalein Thymolphthalein B4 Farbänderungen und Umschlagsbereiche verschiedener Indikatoren. A: Vergleichen Sie die Farbänderungen und Um schlagbereiche der Indikatoren in B4 und der Universalindikator-Lösung. Geben Sie an, welche Mischung von Indikatoren aus B4 im Universalindikator enthalten sein müsste. 3377_01_01_2012_Kap1_018_057 23.09.14 06:25 Seite 39 Nu r z u Pr üf zw ec ke n Ei ge nt um d es C .C . B uc hn er V er la gs