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Indikatoren (Vertiefungswissen)

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André Otto
Indikatoren (Vertiefungswissen)
lernst du in der 10. Klasse - 11. Klasse

Beschreibung Indikatoren (Vertiefungswissen)

Dieses Video dreht sich um die Indikatoren. Indikatoren sind chemische Verbindungen, die veränderte Bedingungen durch Farbumschlag anzeigen. Es gibt verschiedenen Arten von Indikatoren. Man verwendet sie bei Redoxreaktionen, in der Komplexometrie und bei Säure-Base-Titrationen. In der Schule werden häufig die PH-Indikatoren verwendet. PH-Indikatoren sind selbst schwache Säuren oder Basen, die andere Farben als ihre konjugierten Basen oder Säuren aufweisen. Die Farbänderungen wurden an den Beispielen von Phenolphthalein und Methylorange erläutert.

Transkript Indikatoren (Vertiefungswissen)

Guten Tag und herzlich willkommen. Dieses Video heißt Indikatoren. Es ist vorgesehen für den Grundkurs der Kursphase in den Gymnasien. Der Film ist folgendermaßen gegliedert: 1. Was sind Indikatoren? 2. Wo setzt man Indikatoren ein? 3. pH-Indikatoren 4. Wie funktionieren Phenolphthalein und Methylorange? 5. Zusammenfassung   1.: Was sind Indikatoren ? Wenn eine chemische Verbindung in Lösung kommt, dort eine Änderung einer Eigenschaft erfährt und es zu einer Farbänderung kommt, so spricht man von einem Indikator.   2.: Wo setzt man Indikatoren ein ? Eine Möglichkeit des Einsatzes von Indikatoren ist die Säure-Base-Titration. Solche Indikatoren bezeichnet man als pH-Indikatoren. Eine weitere Möglichkeit der Anwendung besteht bei der Redox-Titration. Wenn Fe^+2 -Ionen zu Fe1+3 -Ionen oxidiert werden, so stellt der Indikator Ferroin diese Veränderung fest. Mit Fe^+2 -Ionen gibt er einen rot gefärbten Komplex. Mit Fe^+3 -Ionen ist der Komplex blau. Man nennt solche Indikatoren Redox-Indikatoren. Und schließlich werden chemische Indikatoren in der Komplexometrie eingesetzt. Man nennt Komplexometrie mitunter auch Chelatometrie. Bei der Komplexometrie werden mehrwertige Ionen, wie zum Beispiel das Calcium Ion, durch mehrere Bindungen fest eingeschlossen. Das Bindungsmuster erinnert an das Zufassen einer Schere, daher Chelatkomplex. Solche Komplexe werden auch mit Schwermetallionen gebildet. Um festzustellen, ob alle Ionen durch den Chelatkomplex erfasst wurden, werden bestimmte Indikatoren eingesetzt. Zwei von ihnen heißen Murexid und Eriochromschwarz T. Derartige Indikatoren werden als Metallindikatoren bezeichnet.   3.: pH-Indikatoren Wie schon erwähnt werden pH-Indikatoren bei der Titration von Säuren und Basen verwendet. Zum einen kann eine Säure mit einer Base titriert werden, oder umgekehrt, eine Base, kann mit einer Säure titriert werden. Im 1. Fall werden zu den Hydroniumionen Hydroxidionen gegeben. Im 2. Fall werden die Hydroxidionen mit Hydroniumionen versetzt. Bei pH-Indikatoren kann es sich um schwache Säuren handeln. Hier: HInd. HInd wird durch Wasser protolysiert. Es bildet sich die korrespondierende Base Ind^-1 (1-fach negativ geladen) und ein Hydroniumion H3O^+. Wenn man auf das chemische Gleichgewicht Hydroniumionen einwirken lässt, ein saures Medium wählt, so wird es in Richtung der Ausgangsstoffe verschoben. Es ist ein Überschuss an undissoziierter Säure HInd vorhanden, der eine Farbe 1 gibt. Mit Hydroxidionen OH^- im basischen Medium reagieren die Hydroniumionen des Gleichgewichts zu Wasser. Das Gleichgewicht wird praktisch nach rechts verschoben, in Richtung der Reaktionsprodukte. Es bildet sich ein Überschuss an korrespondierender Base Ind^-, mit der Farbe 2. Einen ähnlichen Prozess kann man beschreiben, wenn es sich beim pH-Indikator um eine Base handelt. Wir können somit feststellen: pH-Indikatoren sind schwache Säuren oder Basen, die andere Farben als ihre konjugierten Basen oder Säuren haben. Noch eine wichtige Bemerkung: die Begriffe Base und Säure rechts oben beziehen sich auf die Titration, womit titriert wird. Die Begriffe Basen und Säuren hingegen, aus dem Merksatz, beziehen sich auf die pH-Indikatoren. Wir wollen nun zwei wichtige pH-Indikatoren besprechen.   4: Wie funktionieren Phenolphthalein und Methylorange ? Der pH-Indikator Phenolphthalein ist im pH-Bereich von 0 bis etwa 8 farblos. Im pH-Bereich von 8 bis 12 im basischen Bereich ist Phenolphthalein rosafarben oder auch pink, wenn ihr so wollt. Bei Phenolphthalein handelt es sich um eine schwache Säure. Wir schreiben: H2Ind (das steht für Phenolphthalein) + 2H2O stehen im chemischen Gleichgewicht mit 2Ind^- + 2H3O^+. Undissoziiertes Phenolphthalein ist in Lösung farblos. Geben wir eine Säure dazu, H3O^+ (Hydroniumionen), so wird das chemische Gleichgewicht dieser Reaktion nach links verschoben. Es ist hauptsächlich undissoziiertes Phenolphthalein vorhanden. Daher ist die Lösung farblos. Wenn OH^- Ionen hinzugegeben werden, das heißt, wenn ein basisches Medium vorliegt, reagieren diese Hydroxidionen mit den Hydroniumionen. Das chemische Gleichgewicht wird dadurch in Richtung der Reaktionsprodukte verschoben. Das Ion Ind^- liegt hauptsächlich in Lösung vor. Es hat eine pinke Farbe. Betrachten wir nun Methylorange. Methylorange ist ein orangefarbenes Pulver. Bei pH-Werten oberhalb 4 im schwach sauren und im basischen Bereich ist Methylorange in Lösung gelb. Bei pH< (kleiner gleich) 4 im sauren Bereich, wo Hydroniumionen H3O^+ vorliegen, färbt sich die Lösung orange. Bei Methylorange handelt es sich um eine schwache Base. HInd (das ist Methylorange) reagiert mit Wasser (H2O) zu H2Ind^+ +OH^-. Geben wir Hydroxidionen hinzu (OH^-), das heißt, wir arbeiten im basischen Medium, so wird das Reaktionsgemisch in Richtung der Ausgangsstoffe verschoben. Methylorange liegt in undissoziierter Form HInd vor. Es hat eine gelbe Farbe. Geben wir eine Säure dazu und reagiert das Reaktionsgemisch mit Hydroniumionen H3O^+, so reagieren die Hydroxidionen mit diesen Hydroniumionen. Das Reaktionsgemisch wird in Richtung der Reaktionsprodukte verschoben. Es liegt hauptsächlich H2Ind^+ vor. Dieses hat eine orangene Farbe.   5.: Zusammenfassung Ein Indikator ist eine chemische Verbindung, die die Veränderung einer Eigenschaft durch eine Farbänderung anzeigt. Chemische Indikatoren können den Verlauf von Redoxreaktionen anzeigen. Außerdem werden sie bei der Komplexometrie (auch Chelatometrie genannt) eingesetzt. Und schließlich gibt es pH-Indikatoren, die anzeigen ob Hydroniumionen (H3O^+) oder Hydroxidionen (OH^-) vorliegen. Indikatoren reagieren zum Beispiel gemäß H2Ind + 2H20 zu 2Ind^- + 2H3O^+. Hier verhält sich der Indikator wie eine schwache Säure. Ein Beispiel für so einen Indikator ist Phenolphthalein. Bei Zugabe von Hydroxidionen bildet sich eine pinke Färbung. Das geschieht, weil das Gleichgewicht nach rechts verschoben wird. Die Ind- Ionen sind pinkfarben. Als 2. besteht die Möglichkeit, dass der pH-Indikator HInd ein Wasserstoffion aufnimmt. HInd + 2H2O stehen im Gleichgewicht mit H2Ind^+ + OH^-. Hier verhält sich der pH-Indikator HInd wie eine schwache Base. Ein Beispiel für so einen pH-Indikator ist Methylorange. Gibt man zu so einer Lösung eine Säure (Hydroniumionen H3O^+), so reagieren diese mit den Hydroxidionen der Lösung. Das Gleichgewicht wird nach rechts verschoben. Es entsteht ein Überschuss an Ionen H2Ind+. Diese liefern eine orange Färbung. Danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute. Auf Wiedersehen.  

6 Kommentare

6 Kommentare
  1. Hallo, ich habe eine Frage. Können Sie bitte die Quellen, die Sie benutzt haben, nennen. Ich schreibe eine Facharbeit über die Titration.

    Von Ahmed Suleiman75, vor mehr als einem Jahr
  2. Völlig richtig. Zwar gefällt mir der Begriff "Ungleichgewicht" nicht besonders. Aber du kannst ihn ruhig benutzen.
    Besser: Durch die Neutralisation wird das Gleichgewicht gestört. Für seine Einstellung müssen wieder Ionen H3O+ nachgebildet werden.
    Alles Gute

    Von André Otto, vor mehr als 8 Jahren
  3. Ich hätte da doch noch eine kleine Frage :-)

    Bei dem Fall das OH- Ionen dazugegeben werden und diese mit H3O+ reagieren und dadurch Wasser entsteht.

    Könnte man auch sagen, dass dadurch ein Ungleichgewicht entsteht, da auf der Produktseite immer mehr IND- Ionen gebildet werden, weil die H3O+ Ionen auf der Produktseite mit OH- zu Wasser reagieren und im Anschluss dafür sorgen das noch mehr IND- entsteht?

    Von Maximilian123, vor mehr als 8 Jahren
  4. Na, geht doch!

    Von André Otto, vor mehr als 8 Jahren
  5. Ach!
    Weil die Base IND- mit der hinzugegebenen Menge an H3O+ Ionen zurück reagiert zu H2IND. oder?

    Von Maximilian123, vor mehr als 8 Jahren
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Indikatoren (Vertiefungswissen) Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Indikatoren (Vertiefungswissen) kannst du es wiederholen und üben.
  • Definiere den Begriff Indikator.

    Tipps

    Ein Indikator wirkt nur in Lösungen.

    Der Farbumschlag geschieht durch die Änderung von Eigenschaften, wie z.B. dem pH-Wert.

    Lösung

    Indikatoren sind Farbstoffe, die durch Veränderungen innerhalb der Lösung, in der sie sich befinden, mit einer Farbänderung reagieren.

    Es gibt viele verschiedene Indikatoren, die auf unterschiedliche Änderungen regieren.

    Nicht nur für die Änderung des pH-Wertes einer Lösung, sondern auch für die Temperatur einer Lösung gibt es spezielle Indikatoren.

  • Nenne die Einsatzgebiete von Indikatoren.

    Tipps

    Eine Chromotografie dient der Stoffauftrennung.

    Bei Fällungstitrationen zeigt der erste Niederschlag das Erreichen des Äquivalenzpunktes an.

    Lösung

    Über der Aufgabe siehst du eine Säure-Base-Titration. Während des Verlaufs der Titration verändert sich die Farbe der Lösung. Dies beruht auf dem Farbumschlag eines pH-Indikators.

    Auch bei Redoxreaktionen können Indikatoren eingesetzt werden. Ist die Reaktion vollständig abgelaufen, wird die zugetropfte Maßlösung nicht mehr verbraucht und reagiert mit dem Indikator. Dabei ergibt sich eine Farbänderung.

    Bei der Komplexometrie verhält es sich genauso. Die Chelatliganden, die nach dem Äquivalenzpunkt nicht mehr verbraucht werden, bilden einen farbigen Komplex mit dem Indikator.

    Bei der Konduktometrie benötigt man keinen Indikator. Hier erhält man den Äquivalenzpunkt über die Messung der Leitfähigkeit der Lösung. Die Fällungstitration zeigt den Äquivalenzpunkt durch einen Niederschlag an. Die Säulenchromotografie hat nichts mit Indikatoren zu tun. Hier werden Stoffgemische aufgetrennt durch die unterschiedliche Wechselwirkung mit einer festen Substanz.

  • Beschreibe die Verbindung Methylorange.

    Tipps

    pH > 4 $\longrightarrow$ gelb

    pH < 4 $\longrightarrow$ orange

    $-SO_3H$ ist die Sulfonsäure-Gruppe.

    Lösung

    Methylorange ist ein gern genutzter Säure-Base-Indikator.

    Allerdings ist seine Anwendbarkeit begrenzt, da der Farbumschlag von gelb nach orange abläuft. Dieser ist oft nicht eindeutig genug, um den Äquivalenzpunkt einer Titration genau bestimmen zu können.

    Daher kommen für genaue Bestimmungen Indikatoren zum Einsatz, die einen sehr klaren Umschlag haben, zum Beispiel Phenolphthalein. Er schlägt von farblos nach pink um. Beim Verbleib der pinken Farbe ist also der Äquivalenzpunkt erreicht.

  • Entscheide, welche Farbe Phenolphthalein bei den gegebenen Verbindungen zeigt.

    Tipps

    Überlege zuerst, in welchem pH-Bereich sich Phenolphthalein pink färbt und in welchem Bereich es farblos ist.

    Als nächstes musst du feststellen, ob es sich bei den Verbindungen um eine Säure oder eine Base handelt.

    Säuren tragen Protonen ($H^+$). Basen sind oft Salze mit Hydroxid-Ionen ($OH^-$) als Anion.

    Lösung

    Du siehst hier die protonierte Form des Phenolphthaleins $HInd$. Diese Form liegt im sauren Bereich vor und ist farblos.
    Über der Aufgabe siehst du die deprotonierte Form $Ind^-$. Diese Form liegt im basischen Bereich vor und ist pink.

    $HCl$ (Salzsäure), $H_2SO_4$ (Schwefelsäure) und $HNO_3$ (Salpetersäure) sind Säuren und besitzen daher einen kleinen pH-Wert (saurer Bereich). Der Indikator Phenolphthalein ist daher hier farblos.

    Bei $NaOH$ (Natriumhydroxid), $Mg(OH)_2$ (Magnesiumhydroxid) und $NH_3$ (Ammoniak) handelt es sich um Basen. Sie besitzen eine pH-Wert über 7. Daher zeigt Phenolphthalein eine pinke Färbung.

    Dieser Farbumschlag passiert jedoch erst bei einem pH-Wert von 8,2.

  • Gib an, wie es bei pH-Indikatoren zu einem Farbwechsel kommt.

    Tipps

    $H$ ist das chemische Symbol für Wasserstoff. Gibt ein Wasserstoffatom sein Elektron ab, ist es nur noch ein Proton.

    Lösung

    Ein pH-Indikator ist entweder eine schwache Säure oder eine schwache Base. Sie reagiert in einer Protolysereaktion. Diese siehst du im nebenstehenden Bild.

    Gibt man nun einen Partner dieses Gleichgewichts dazu, läuft die Reaktion in die Richtung ab, in die er verbraucht wird. Kommen also durch Zugabe von Säure Hydronium-Ionen in das Reaktionsgefäß, werden diese verbraucht und es bildet sich mehr $HInd$ und $H_2O$.

    Bei Zugabe einer Base reagieren zuerst die Hydronium-Ionen mit den zugegebenen Hydroxid-Ionen.
    $H_3O^+~+~OH^- \rightarrow~ 2~H_2O$

    Dadurch wird Wasser zugeführt und die Reaktion verläuft in Richtung der Produkte. Es wird also mehr $Ind^-$ gebildet.

  • Entscheide, ob es sich um einen pH-Indikator handelt oder nicht.

    Tipps

    Ein Indikator muss ein Farbstoff sein.

    Ein pH-Indikator besitzt die Form $HInd$ mit einer Farbe und die Form $Ind^-$ mit einer anderen Farbe.

    Lösung

    Damit eine Verbindung als Indikator verwendet werden kann, muss er zuerst einmal farbig sein. Dafür ist ein großes $\pi$-Elektronensystem nötig. Dieses wird durch konjugierte Doppelbindungen erreicht (Einfach- und Doppelbindungen wechseln sich ab). Das trifft auf das Alanin (Bild 2) schon einmal nicht zu. Es scheidet als pH-Indikator somit aus.

    Dieses $\pi$-Elektronensystem muss groß genug sein, damit die Energie des sichtbaren Lichts die Elektronen anregen kann. Das Biphenyl (Bild 6) ist also zu klein und scheidet aus.

    Die restlichen Verbindungen sind allesamt Farbstoffe. Um aber als pH-Indikator zu fungieren, muss die Verbindung Protonen aufnehmen und abgeben können. Allein Indigo (Bild 3) ist dazu nicht in der Lage.

    Somit sind die pH-Indikatoren:

    • Cyanidin (Bild 1)
    • Methylrot (Bild 4)
    • Phenolphthalein (Bild 5)

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