Phenolphthalein – Funktion eines Indikators

Phenolphthalein – Funktion eines Indikators Übung

• Erkläre die Funktionsweise eines Indikators.

  Tipps

  Indikatoren werden häufig bei Säure-Base-Reaktionen eingesetzt.

  Unterschiedliche Wellenlängen ergeben unterschiedliche Farben.

  Lösung

  Der pH-Wert ist das Maß der Konzentration der Oxoniumionen (Hydroniumionen) im Wasser. Je weniger davon also in der Lösung vorhanden sind, desto saurer ist die Lösung. Um festzustellen, wie sauer eine Lösung ist, gibt es Indikatoren.

  Sie machen den pH-Wert mit Hilfe ihrer jeweiligen charakteristischen Farbe sichtbar. So ist Phenolphthalein im Sauren und Neutralen farblos, im Basischen jedoch wird es pink.

  Die Farbänderung ist mit Hilfe des Indikatormoleküls zu erklären. Moleküle sind farbig, wenn sie konjugierte Doppelbindungen enthalten. Dies sind Doppel- und Einfachbindungen im Wechsel. Dadurch können sich die $\pi$-Elektronen über das gesamte Molekül verteilen. Je höher die Ausdehnung des $\pi$-Elektronensystems über das Molekül ist, desto geringer ist die Anregungsenergie. $\pi$-Elektronen werden durch das sichtbare Licht angeregt und auf ein höheres Energieniveau angehoben. Dabei wird Licht einer bestimmten Wellenlänge absorbiert. Das Molekül erscheint dann in der Komplementärfarbe. Indikatoren können Protonen aufnehmen, aber auch abgeben, wodurch sich auch die Molekülgestalt verändert. Dadurch wird auch das $\pi$-Elektronensystem verändert und damit auch die absorbierten Wellenlängen.

• Ermittle die Farben von Phenolphthalein.

  Tipps

  In einer basischen Lösung liegt der Indikator Phenolphthalein deprotoniert vor.

  Im Basischen absorbiert der Indikator Phenolphthalein Licht mit der Wellenlänge 550 nm. Dies entspricht grünem Licht.

  Lösung

  In einer sauren oder neutralen Lösung liegt der Indikator Phenolphthalein protoniert vor. Das heißt, das Molekül hat Protonen aufgenommen. Dadurch ist das Molekül nicht planar, also „glatt“. Die Bildung des Rings ändert die Elektronenverteilung so, dass die $\pi$-Elektronen sich nicht mehr über das ganze Molekül verteilen können. Deshalb ist keine Anregung mit sichtbarem Licht mehr möglich. Phenolphthalein erscheint daher in saurer oder neutraler Umgebung farblos.

  Wird die Lösung basischer, öffnet sich der Ring und das Molekül liegt deprotoniert vor. Durch die Öffnung des Rings liegt das Molekül nun planar vor und absorbiert Licht mit der Wellenlänge 550 nm. Dies entspricht grünem Licht. Doch Achtung, die Farbe, die du siehst, entspricht der Komplementärfarbe des absorbierten Lichts. Phenolphthalein ist im Basischen also pink.

  Wird die Lösung noch basischer, liegt der pH-Wert also über 13, wird die Doppelbindung am zentralen Kohlenstoffatom aufgespalten und das Molekül ist nun nicht mehr planar. Somit ist keine Anregung mit sichtbarem Licht mehr möglich und Phenolphthalein wird wieder farblos.

• Entscheide, welcher pH-Bereich zu welchem Indikatormolekül gehört.

  Tipps

  Abgebildet sind Phenolphthalein und Bromthymolblau bei unterschiedlichen pH-Werten.

  In einer sauren Lösung existieren mehr Oxonium-Ionen.

  Nutze die Tabelle, um Informationen über Bromthymolblau und Phenolphthalein zu bekommen.

  Lösung

  Phenolphthalein liegt im Sauren, aber auch im Neutralen protoniert vor. Neutral ist eine Lösung mit pH = 7. Der gebildete Ring verhindert, dass die $\pi$-Elektronen sich über das gesamte Molekül verbreiten können. Daher wird die Absorption des sichtbaren Lichts unmöglich und das Molekül erscheint farblos. Genau wie Phenolphthalein liegt Bromthymolblau in saurer Lösung protoniert vor. Sauer ist alles, was unter dem pH-Wert 7 liegt. Alles darüber ist basisch. Im Basischen liegen mehr Hydroxid-Ionen als Hydronium-Ionen vor. Daher wird das Molekül deprotoniert. Anhand der Tabelle kannst du entnehmen, dass Bromthymolblau im Sauren gelb ist und im Basischen blau.

• Bestimme Farbe und pH-Bereich des Rotkohlindikators.

  Tipps

  Überlege dir, wie der Rotkohl aussieht, wenn du ihn im Laden kaufst. Welchen pH-Wert besitzt er dort?

  Lösung

  Die Anthocyane im Rotkohl reagieren stark auf die Konzentration an Oxoniumionen in der Lösung. Diese Änderungen in der Struktur bewirken auch eine Änderung der Farbe. Deshalb lässt sich Rotkohlsaft sehr gut zur Bestimmung von pH-Werten verwenden. Sein Farbspektrum reicht dabei von rot (sehr sauer) über violett und blau (neutral bis leicht basisch), bis hin zu grün und gelb im stark basischen Milieu.

  Welche Form des Moleküls nun im sauren und welche im basischen Milieu vorliegt, erkennst du anhand der Protonierung des Moleküls. Je basischer die Lösung wird, also je mehr Hydroxidionen in der Lösung vorliegen, desto mehr wird das Molekül deprotoniert. Du kannst also an den Hydroxygruppen des Moleküls abschätzen, welchen pH-Wert die Lösung besitzt.

• Erkläre den Unterschied zwischen Rotkohl und Blaukraut.

  Tipps

  Überlege, wie bei dir zu Hause Rotkohl/Blaukraut gekocht wird und welche Farbe es dann hat.

  Rotkohl ist ein natürlicher Indikator.

  Lösung

  Rotkohl und Blaukraut sind nicht zwei verschiedene, sondern ein und dasselbe Gemüse. Der Unterschied liegt bei der Zubereitung. Im Norden Deutschlands bereitet man den Rotkohl oft mit Äpfeln, Essig oder Wein zu. Durch die Säure in diesen Zutaten verfärbt sich der Kohl rötlich. Im Süden Deutschlands mag man es eher süßlich. Daher wird der Kohl oder das Kraut mit Natron oder Zucker zubereitet. Zuckerlösungen sind neutral, Natron ist basisch. Der Kohl behält also seine violette Farbe oder ändert diese bis zum dunkelblauen Ton. Du siehst also, auch mit Hilfe von Lebensmitteln kann man saure und basische Lösungen erkennen. Vielleicht fallen dir noch andere Indikator-Lebensmittel ein?

• Gib an, welche Indikatoren für diese Titration am besten geeignet wären.

  Tipps

  Der richtige Indikator hängt vom Äquivalenzpunkt der Titration ab.

  Der Äquivalenzpunkt zeichnet sich durch eine große pH-Änderung bei Zugabe geringer Mengen der Base aus.

  Lösung

  Zuerst solltest du den Äquivalenzpunkt dieser Titration abschätzen. Er befindet sich am Wendepunkt der Kurve. Hier siehst eine große pH-Veränderung bei Zugabe geringer Mengen an Base. Nun ist es ein recht langgestreckter Teil der Titrationskurve. Entsprechend versuchst du ungefähr die Mitte (den Wendepunkt der Kurve) davon zu treffen. Der Äquivalenzpunkt liegt bei dieser Titration in etwa bei pH=9.

  Wichtig bei der Auswahl des geeigneten Indikators ist der jeweilige Umschlagsbereich. Dir nützt ein Indikator, der bei einem pH-Wert von 1,2 - 2,8 umschlägt. Dies ist für diese Titration sehr wenig, da er nicht den pH-Wert anzeigt, den wir hier sichtbar machen möchten.

  Entsprechend suchst du dir den passenden Indikator aus der Liste aus. Phenolphthalein hat eine Umschlagbereich von 8,2 - 10,0. Der Indikator zeigt uns also den Äquivalenzpunkt dieser Titration am besten an. Aber auch Cresolrot und Bromthymolblau haben einen geeigneten Umschlagsbereich nahe dem Äquivalenzpunkt der Titration.