Messung von pH - Werten
Beschreibung Messung von pH - Werten
pH-Werte spielen eine herausragende Rolle in der Chemie, der Biochemie und in der Medizin. Man misst sie mit dem pH-Meter oder mit Indikatoren. Bei letzteren nutzt man den Farbumschlag bei Veränderung des Milieus aus. Es wird eine Formel hergeleitet, in der der pH-Wert als Funktion des Verhältnisses von Indikatorsäure zu Indikatorbase dargestellt ist. Der Umschlagbereich hat eine Toleranz von 1 in beide Richtungen. Das ist genau der Bereich, in dem das Auge noch Unterscheide wahrnehmen kann. Indikatorpapier ist ein mit einem Indikatorengemisch getränktes Spezialpapier für die pH-Bestimmung. Säuren werden rot angezeigt, Basen blau und der neutrale Wert von 7 entspricht gelb bis grün.
Transkript Messung von pH - Werten
Guten Tag und herzlich willkommen. In diesem Video geht es um Messungen von pH-Werten. Der Film gehört zur Reihe "Säuren und Basen". Als Vorkenntnisse solltet ihr ein tieferes Verständnis über Säuren und Basen mitbringen. Ihr solltet wissen, worum es sich beim pH-Wert, pOH-Wert und der Stärke von Säuren und Basen handelt. Ich möchte euch in diesem Video Vorstellungen über beispielhafte pH-Werte vermitteln und ich möchte euch die Möglichkeiten zeigen, diese zu messen. Der Film ist in 4 Abschnitte untergliedert: 1. Bedeutung und Beispiele 2. Möglichkeiten der Messung 3. Indikatoren 4. Indikatorpapier 1. Bedeutung und Beispiele pH-Wert-Messungen haben eine große Bedeutung in vielen Bereichen der Zivilisation, in der Chemie, der Biochemie und auch in der Medizin. Wir wissen, dass die pH-Wert-Skala von 0 bis 14 verläuft. 0,1-molare HCL und Magensaft liegen in etwa bei 1. Essigsäure und Cola bei 2-3. Wein hat einen pH-Wert von etwa 4. Bei Schweiß liegt er zwischen 4 und 7. Kaffee ist mit um die 5 ebenfalls sauer. Reines Wasser hat einen pH-Wert von 7. Für Urin von 5,5 bis schwach basisch 7,5. Milch ist mit 5,3 bis 6,6 schwach sauer. Gallensaft ist wieder Erwarten mit 7,0 bis 7,2 neutral bis ganz, ganz schwach basisch. Auch Blut ist basisch mit etwa 7,4. Der pH-Wert von Pankreassaft liegt bei etwa 7,7.
Damit haben wir das Ende biologischer Systeme erreicht. Noch einige anorganische Werte zum Vergleich: Seifenlauge: 8-10, Magnesiumhydroxidlösung: 9-10, 0,1-molare Ammoniaklösung: etwa 11. Bei 0,1-molarer Natriumhydroxidlösung geht der pH von 13 in den stark basischen Bereich. Wie man sieht, schwanken die pH-Werte von biologischen Systemen von schwach sauer bis schwach basisch. 2. Möglichkeiten der Messung Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten der Messung von pH-Werten. Die erste Möglichkeit ist die elektrochemische Bestimmung mit pH-Metern. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von Stoffen, die den pH-Wert anzeigen. Man nennt sie Indikatoren. In pH-Metern arbeiten Glaselektroden oder ph-abhängige Redoxelektroden. Indikatoren sind organische Stoffe, die in Abhängigkeit vom pH-Wert ihre Farbe ändern. 3. Indikatoren Bei Indikatoren handelt es sich um schwache, organische Säuren oder Basen. Bekanntlich sind solche Verbindungen zur Dissoziation befähigt. Nehmen wir das Beispiel einer Säure. Ein Teilchen HInd einer Indikatorsäure reagiert mit einem Wasserteilchen zu einem Hydroniumion H3O+ und einem Teilchen einer Indikatorbase Int-, einem Indikatoranion. Die Reaktion lässt sich nach dem Massenwirkungsgesetz beschreiben. Die Gleichgewichtskonstante K dieser Reaktion ist die Dissoziationskonstante für die Indikatorsäure. Im nächsten Schritt stellen wir die Gleichung nach der Konzentration der Hydroniumionen um. Dekadisches Logarithmieren und Multiplikation mit 1 ergeben schließlich: pH = pKind -lg[HInd]/[Ind-]. Voraussetzung für eine erfolgreiche pH-Wert-Messung sind unterschiedliche Farben, von Indikatorsäuren und Indikatorbasen. Ihre jeweilige Konzentration hängt von der Konzentration der Hydroniumionen ab, ist also pH-abhängig. Ein Überschuss an Hydroniumionen, das heißt kleine pH-Werte, führt zu einem Überschuss an Indikatorsäure. Die lila Farbe dieser Säure zeigt an: Die Lösung ist sauer. Ein Überschuss an Hydroxidionen führt dazu, dass Hydroniumionen mit diesen reagieren. Es bildet sich Indikatorbase. Der pH-Wert ist größer als 7. Die gelbe Farbe der Indikatorbase zeigt an: Die Lösung ist basisch. Beim Erkennen von pH-Werten gibt es keinen Umschlagpunkt, sondern einen Umschlagbereich. Dieser schwankt in einem Bereich von 1 um den pKind der Indikatorsäure. Die Toleranz ist Ergebnis der Tatsache, dass das menschliche Auge nicht in der Lage ist, beliebig geringe Farbnuancen zu unterscheiden. 4. Indikatorpapier pH-Papier wird hergestellt, indem man ein Spezialpapier mit einem Gemisch von Indikatoren tränkt. Die Indikatoren haben verschiedene Farben und überstreichen verschiedene pH-Bereiche. Durch so ein Indikatorgemisch erhält man einen Universalindikator. Dieser findet im Indikatorpapier Verwendung. Betrachten wir einmal die drei wichtigsten Farbbereiche, wie sie für einen Universalindikator typisch sind. Ist der Indikator rot gefärbt, so bedeutet das, dass die Lösung sauer ist. Ein gelblich-grüner Bereich zeigt an: Hier ist die Lösung neutral. Blaue bis violette Verfärbungen zeigen, dass es sich hier um eine Base handelt. Wir merken uns: Rot ist sauer, Gelb/Grün ist neutral und Violett ist basisch. Ich danke für die Aufmerksamkeit. Alles Gute. Auf Wiedersehen.
Messung von pH - Werten Übung
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Gib die pH-Werte der Körperflüssigkeiten an.
TippsWird Magensaft als Magensäure oder als Magenlauge bezeichnet?
LösungDer Magensaft sorgt für die Zerlegung der Nahrung. Neben Enzymen, die die Nahrung verdauen, wird dies durch einen sehr niedrigen pH-Wert erreicht. Dieser liegt im Bereich von pH 1, die Nahrung wird also regelrecht von der Säure verätzt. Der Pankreassaft reguliert den pH-Wert des Nahrungsbreis nach Eintritt in den Dünndarm. Da der Nahrungsbrei zunächst durch den Magensaft noch sehr sauer ist, ist der Pankreassaft zur Neutralisation relativ basisch. Der pH-Wert liegt bei etwa 8. Blut hat einen sehr starr festgelegten pH-Wert, der durch ein Puffersystem reguliert wird. Beim Menschen liegt der pH-Wert des Blutes bei ziemlich genau 7,4. Blut ist also sehr schwach basisch. Der pH-Wert von Schweiß und Urin ist nicht so starr festgelegt. Beides ist jedoch sauer, der pH-Wert von Schweiß liegt meist bei niedrigeren Werten als der von Urin.
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Bestimme die Farben des Indikatorpapiers bei unterschiedlichen pH-Werten.
TippsDie Farbe Gelb liegt zwischen Rot und Grün.
LösungAuf Indikatorpapier sind Mischungen aus Indikatoren aufgetragen, die alle unterschiedliche Umschlagbereiche haben. So kann man mit einem Blick den ungefähren pH-Wert einer Lösung erkennen, indem man einen Streifen des Papieres hineinhält. Rot zeigt dabei in der Regel einen stark sauren pH-Wert an. Ein neutraler pH-Wert wird durch eine grüne Farbe angezeigt. Dazwischen ist Gelb, schwache bis mittelstark saure Lösungen erscheinen daher gelb bis orange. Je saurer die Lösung ist, desto mehr ins Rote geht die Farbe des Indikatorpapieres. Gelbgrüne Farbe zeigt eine schwach saure Lösung an. Die blaue Farbe steht für einen hohen pH-Wert, also eine basische Lösung. Farbmischungen sind typisch für Zwischenwerte. Blaugrüne Farben stehen für schwach basische pH-Werte, je dunkler die blaue Färbung bis hinein ins tiefe Violett geht, desto höher ist der pH-Wert der Lösung.
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Erschließe, ob es sich um Indikatoren handelt.
TippsDer Umschlagbereich eines Indikators liegt in der Nähe des $pK_S$-Wertes.
LösungpH-Indikatoren lassen Rückschlüsse auf den pH-Wert einer Lösung zu. In einem Bereich der pH-Skala haben sie eine andere Farbe als im übrigen Bereich der Skala. Den Bereich, in dem die Farbe wechselt, nennt man Umschlagbereich des Indikators.
Indikatoren müssen daher zwei Voraussetzungen erfüllen: Sie müssen schwache Säuren oder Basen sein und die protonierte und unprotonierte Form der Verbindung müssen unterschiedliche Farben zeigen. Abhängig vom pH-Wert liegt der Indikator dann hauptsächlich in protonierter oder in unprotonierter Form vor. Dies lässt sich an der Farbe der Lösung erkennen.
Diese Anforderungen treffen auf Phenolphthalein und Methylorange zu. Pikrinsäure zeigt zwar einen Farbwechsel, da es sich um eine starke Säure handelt, ist es jedoch als Indikator unbrauchbar. Der Umschlagbereich liegt zu weit im sauren Bereich der pH-Skala. Phenol hingegen ist zwar eine schwache Säure, zeigt jedoch keinen Farbwechsel.
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Bestimme den Umschlagbereich des Indikators.
TippsWenn der $pH$-Wert dem $pK_S$-Wert entspricht, sind Säure und Säurerestion in gleicher Konzentration vorhanden.
Bei zweiprotonigen Säuren können zwei Umschlagbereiche auftreten.
LösungWenn der $pH$-Wert einer Lösung in etwa dem $pK_S$-Wert des Indikators entspricht, sind die Konzentrationen der beiden unterschiedlich gefärbten Indikator-Formen (Säure und Säurerestion) in etwa gleich groß. Geringe Änderungen des pH-Wertes führen dazu, dass sich das Gleichgewicht der Protolysereaktion des Indikators neu einstellt. Bei einer Verringerung des pH-Wertes nimmt die Konzentration der Säure des Indikators zu, die Lösung zeigt die entsprechende Farbe. Bei einer leichten Erhöhung des pH-Wertes überwiegt die Konzentration des Säurerestions, die Lösung zeigt die Farbe der deprotonierten Form des Indikators. Daher erfolgt der Farbumschlag eines Indikators nicht bei einem festen pH-Wert, sondern in einem pH-Bereich. Dieser wird als Umschlagbereich des Indikators bezeichnet.
Der Umschlagbereich ist dabei je nach Indikator unterschiedlich groß. Im Allgemeinen kann man aber sagen, dass dieser einen pH-Wert vor dem $pK_S$-Wert beginnt und einen pH-Wert dahinter endet.
Indikatoren, die zweiprotonige Säuren sind, haben zwei Umschlagbereiche, wenn sich alle drei unterschiedlichen Formen der Verbindung farblich unterscheiden lassen. Dies ist zum Beispiel bei Thymolblau der Fall. Dieser Indikator ist bei niedrigen pH-Werten violett-rot, bei mittleren pH-Werten gelb und bei hohen pH-Werten blau.
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Nenne die basischen Lösungen.
TippsDie Formel von Magnesiumhydroxid ist $Mg(OH)_2$.
Lösung$HCl$ ist eine starke Säure, die Lösung von $HCl$ ist daher sauer. Reines Wasser hat einen pH-Wert von 7 und ist damit neutral, da keine weiteren Stoffe darin gelöst sind. Wein enthält eine Vielzahl schwacher organischer Säuren wie Weinsäure und Äpfelsäure. Wein ist daher ebenfalls sauer. Der Cola wird neben Zitronensäure als Geschmacksstoff auch Phosphorsäure zugesetzt, daher ist es ein recht saures Getränk.
Wie der Name Seifenlauge bereits verrät, handelt es sich hierbei um eine Lauge, also eine basische Lösung. Auch Lösungen von Magnesiumhydroxid in Wasser sind basisch. Beim Lösen von $Mg(OH)_2$ in Wasser gehen $OH^-$-Ionen in Lösung. -
Bestimme den geeigneten Indikator.
TippsUmschlagbereich = $pK_{Ind} \pm 1$
LösungUm den Neutralpunkt zu bestimmen, ist ein Indikator gesucht, dessen Umschlagbereich bei pH 7 liegt. Die Umschlagbereiche der Indikatoren liegen in der Regel nah um den $pK_{Ind}$-Wert des Indikators. Grob geschätzt liegt er im Bereich $\pm 1$ um den $pK_{Ind}$-Wert. Die Umschlagbereiche von Kongorot und Methylorange liegen deutlich im sauren Bereich, die Indikatoren sind daher ungeeignet. Die Umschlagbereiche von Phenolphthalein und Thymolphthalein befinden sich im schwach basischen Bereich, auch diese Indikatoren liefern daher ein ungenaues Ergebnis bei der Bestimmung des Neutralpunkts der Salzsäure-Titration. Bromthymolblau schlägt genau bei pH 7 um, daher ist es gut geeignet. Der Umschlagbereich von Phenolrot liegt zwischen 6,9 und 8,9, daher eignet sich auch dieser Indikator.
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3 Kommentare
Das folgt aus der Vorstellung über das chemische Gleichgewicht und das Massenwirkungsgesetz.
HInd im Gleichgewicht mit H+ + Ind-
Gebe ich H+ hinzu, dann schiebe ich nach links und erhalte HInd, die Indikatorsäure.
pKind ist das gleiche wie pKs, nur für die Dissoziation der Indikatorsäure HInd. Was +1 hieß, weiß ich nicht mehr. ===> Kontext
Alles Gute
Wasser dissoziiert nur schwach in H+ und OH-. Das bedeutet, dass OH- sofort und gerne und fast augenblicklich mit H+ zu Wasser reagiert.
Ab Minute 4:09: Wieso führt ein Überschuss an Hydroniumionen zu einem Überschuss an Idikatorsäure? Wenn es doch einen Überschuss an Hydroniumionen gibt, dann muss dafür doch ein großer Teil der Indikatorsäure dafür dissoziert sein. WIe kann es da dann zu einem Überschuss an Indikatorsäure kommen? Und was ich auch nicht verstehe ist, warum ein Überschuss an Hydroxidionen dazu führt, dass Hydronium Ionen mit diesen reagieren.Wir haben doch überhauot keine Hydroxidionen. Also ich sehe in der Gleichung keine. UNd was ist dieses pkind= +-1?