Säure-Base-Indikatoren

Phenolphthalein bleibt unter pH 8.3 farblos und färbt sich darüber rosa.

Boyle bemerkte 1680, dass Säuren die Farbe bestimmter Pflanzenfarbstoffe verändern. Seitdem nutzen Chemiker diesen Effekt, um den pH-Wert ohne Messgerät abzuschätzen. Ein Säure-Base-Indikator ist ein Farbstoff, dessen Farbe von der Oxoniumionenkonzentration abhängt. Indikatoren sind selbst schwache Säuren oder Basen. Ihre beiden Formen mit und ohne zusätzliches Proton haben unterschiedliche Farben.

Wie ein Farbstoff den pH-Wert anzeigt

Wir schreiben den Indikator als HIn. In Wasser steht er mit seiner korrespondierenden Base im Gleichgewicht: HIn + H₂O ⇌ H₃O⁺ + In⁻. Bei Methylorange ist HIn rot und In⁻ gelb. Die Säurekonstante beträgt Ka = 4.0 × 10⁻⁴. Gibt man Säure hinzu, verschiebt das zusätzliche H₃O⁺ das Gleichgewicht nach links, und die rote Form überwiegt. Gibt man eine Base hinzu, die H₃O⁺ entfernt, verschiebt es sich nach rechts zur gelben Form. Die sichtbare Farbe hängt vom Verhältnis von In⁻ zu HIn ab.

Die Henderson-Hasselbalch-Gleichung verknüpft dieses Verhältnis mit dem pH-Wert: pH = pKa + log([In⁻]/[HIn]). Bei pH = pKa sind beide Formen gleich häufig. Man sieht eine Mischfarbe, bei Methylorange also Orange. Das Auge erkennt eine Änderung erst, wenn eine Form deutlich überwiegt. Deshalb erfolgt der sichtbare Farbwechsel in einem Umschlagsbereich von ungefähr pKa ± 1. Für Methylorange mit pKa = −log(4.0 × 10⁻⁴) = 3.40 reicht er etwa von pH 3.1 (rot) bis 4.4 (gelb).

Vier häufige Indikatoren

Jeder Indikator ist nur nahe seinem eigenen Umschlagsbereich brauchbar. Methylorange ist unter etwa 3.1 rot und über 4.4 gelb. Es kann daher eine schwache Säure mit pH 5 nicht von einer starken Base mit pH 13 unterscheiden: Beide erscheinen gelb. Lackmus wechselt über den ungewöhnlich breiten Bereich von etwa pH 5 bis 8 von Rot nach Blau. Damit eignet es sich für einen schnellen Säure-Base-Test nahe 7. Bromthymolblau geht zwischen etwa 6.0 und 7.6 von Gelb über Grün nahe dem Neutralpunkt zu Blau über. Phenolphthalein ist unter pH 8.3 farblos und wird bis etwa 10 rosa bis kräftig magenta. Veröffentlichte Bereiche unterscheiden sich je nach Quelle um einige Zehntel, weil der Übergang allmählich erfolgt und Menschen Farben unterschiedlich wahrnehmen.

Mehrere Indikatoren zusammen grenzen den Wert ein. Angenommen, eine unbekannte Lösung färbt Methylorange gelb und Bromthymolblau grün, während Phenolphthalein farblos bleibt. Gelbes Methylorange bedeutet pH über 4.4, grünes Bromthymolblau einen Wert zwischen 6.0 und 7.6 und farbloses Phenolphthalein einen Wert unter 8.3. Zusammen begrenzen sie den pH-Wert auf 6.0 bis 7.6. Universalindikator und pH-Papier gehen noch weiter: Sie mischen mehrere Farbstoffe, sodass sich die Farbe über einen breiten pH-Bereich schrittweise ändert.

Dieselbe Überlegung bestimmt die Indikatorwahl bei einer Titration. Dabei werden Säure und Base so lange gemischt, bis sie einander genau neutralisieren. Der Indikator sollte dort umschlagen, wo der pH-Wert am Endpunkt sprunghaft steigt, nicht schon im flachen Anstieg davor. Titriert man eine schwache Säure mit einer starken Base, liegt der Äquivalenzpunkt über pH 7 (bei 0.100 M Essigsäure bei 8.72). Phenolphthalein eignet sich dafür, Methylorange nicht. Die letzte Einheit dieses Kurses zeigt die vollständigen Kurven.