Ein Säure-Base-Indikator ist ein Farbstoff, der in Säure eine Farbe und in Alkali eine andere annimmt. Testkits für Schwimmbäder, Bodentests, Aquarientests und das Universalpapier in jedem Schulabor funktionieren auf diese Weise, ebenso wie der Endpunkt einer Titration. Was einen Indikator nützlich macht, ist gleichzeitig auch das, was ihn einschränkt: Ein einzelner Farbstoff beantwortet nur eine einzige Frage – liegt der pH-Wert über oder unter meinem Umschlagbereich? –, sodass eine einzelne Vertiefung niemals einen pH-Wert, sondern nur eine Ungleichung liefern kann. Wenn man jedoch mehrere Farbstoffe mit unterschiedlichen Bereichen nebeneinander anordnet, nähern sich die Ungleichungen von beiden Seiten aneinander an.
Jeder Farbstoff verhält sich so, weil der Farbstoff selbst eine schwache Säure ist. Seine protonierte Form HIn und seine deprotonierte Form In− absorbieren Licht unterschiedlich, und die beiden befinden sich im Gleichgewicht: HIn + H2O ⇌ In− + H3O+. Durch Umstellen des Gleichgewichtsausdrucks erhält man pH = pK.In + Log([In−]/[HIn]), sodass das Verhältnis der beiden farbigen Formen allein durch den pH-Wert bestimmt wird. Das menschliche Auge kann eine Mischung ab einem Verhältnis von etwa eins zu zehn nicht mehr von der reinen Form unterscheiden, weshalb jeder Indikator in einem Bereich von etwa zwei pH-Einheiten umschlägt, zentriert um seinen eigenen pKIn, und zeigt auf beiden Seiten dieses Bandes eine einzige, einheitliche Farbe.
In diesem Labor füllen Sie zwei Sechs-Well-Platten als Drei-mal-vier-Raster: drei unbekannte Lösungen, die in die Spalten A, B und C gegossen werden, und vier Indikatoren – Methylorange, Methylrot, Bromthymolblau und Phenolphthalein –, die auf die Reihen 1 bis 4 verteilt werden. Zwölf Wells ergeben zwölf Farben. Sie nehmen die Platte mit dem Tablet auf, gleichen jedes Well mit der am Laborplatz ausgehängten abgestuften Referenztabelle für diesen Indikator ab, notieren die Ungleichung, die jede Farbe impliziert, und kombinieren die vier Ungleichungen in jeder Spalte, um den pH-Wert dieser Unbekannten einzugrenzen. Eines der drei Intervalle wird sich als einseitig erweisen, was für sich genommen bereits ein Ergebnis ist.
Bildungsziele
Arbeiten mit einer Mikrotiterplatte
- Belegen Sie ein 12-Well-Raster systematisch, wobei pro Spalte eine Lösung und pro Zeile ein Indikator verwendet wird, sodass jedes Well eine bekannte Identität hat, bevor sich eine Färbung zeigt.
- Verwenden Sie für jede Flüssigkeit eine eigene Pipette und geben Sie eine gezählte Anzahl von Tropfen hinzu, und erklären Sie, was eine Kreuzkontamination zwischen den Vertiefungen mit dem Ergebnis machen würde.
So funktioniert ein Indikator
- Beschreiben Sie einen Indikator als schwache Säure, deren protonierte und deprotonierte Formen sich in der Farbe unterscheiden, und setzen Sie ihren Übergangsbereich in Beziehung zu ihrem pK-Wert.In.
- Erläutern Sie, warum ein Übergangsbereich etwa zwei pH-Einheiten breit ist und warum ein Indikator außerhalb seines eigenen Bereichs keinerlei Auskunft über den pH-Wert gibt.
Eine Farbe als Ungleichung interpretieren
- Wandeln Sie die beobachtete Farbe im Bohrloch in eine Aussage über den pH-Wert um – eine Obergrenze, eine Untergrenze oder einen Bereich, wenn sich der Farbstoff gerade in der Übergangsphase befindet.
- Vergleichen Sie eine teilweise umgeschlagene Farbe mit der abgestuften Labortabelle, um einen pH-Wert auf etwa ein Zehntel einer Einheit zu schätzen, und erklären Sie, warum diese Schätzung nur für eines der zwölf Wells in jeder Spalte verfügbar ist.
Zusammenfassung der Ergebnisse aus mehreren Tests
- Schneiden Sie vier Ungleichungen, um das engste Klammern-Platten-Unterstützung für jede Unbekannte zu erhalten.
- Erkennen, wenn eine Reihe von Tests ein Ergebnis nicht von einer Seite aus eingrenzen kann, und angeben, welcher weitere Indikator erforderlich wäre, um das Intervall zu schließen.
Aufzeichnung und Berichterstattung
- Fotografieren Sie das Kennzeichen mit dem Tablet und verwenden Sie das gespeicherte Bild als primäre Aufzeichnung, anstatt sich auf Ihr Gedächtnis zu verlassen.
- Melden Sie jede Unbekannte als Klammer mit den dazugehörigen Belegen und nicht als bloße Zahl.
Protokoll
Zwei Platten mit Vertiefungen stehen auf dem Tisch, beschriftet von A bis C und von 1 bis 4.
- Geben Sie 5 Tropfen der unbekannten Lösung 1 in jede Vertiefung der Spalte A.
- Geben Sie 5 Tropfen der unbekannten Lösung 2 in jede Vertiefung von Spalte B.
- Gib 5 Tropfen der unbekannten Lösung 3 in jede Vertiefung der Spalte C.
- Geben Sie 2 Tropfen Methylorange in jede Vertiefung von Reihe 1.
- Geben Sie 2 Tropfen Methylrot in jede Vertiefung der Reihe 2.
- Gib 2 Tropfen Bromthymolblau in jede Vertiefung der Reihe 3.
- Geben Sie 2 Tropfen Phenolphthalein in jede Vertiefung der Reihe 4.
- Mit dem Tablet ein Bild der Mikrotiterplatten machen, indem Sie auf die Schaltfläche (Bild speichern) klicken.
- Die Farben der einzelnen Vertiefungen sind im erfassten Bild dargestellt, das Sie im Abschnitt “Bild” der Ergebnisse finden können.
Die Ergebnisse finden Sie in der Ergebnistabelle.
Erwartete Ergebnisse
Die vier Indikatoren wurden so ausgewählt, dass ihre Übergangsbereiche die pH-Skala von etwa 3 bis etwa 10 mit nur geringen Lücken abdecken. Die unten aufgeführten Bereiche entsprechen denen, die auf den auf dem Labortisch stehenden Referenztabellen angegeben sind, und die Farben der Vertiefungen entsprechen denen, die durch die Simulation erzeugt wurden.
| Indikator | Reihe | Übergangsbereich (Vergleichstabelle) | Säureform | Grundform | pKIn |
|---|---|---|---|---|---|
| Methylorange | 1 | 3,2 bis 4,4 | rot | gelb | ≈ 3,7 |
| Methylrot | 2 | 4,4 bis 6,2 | rot | gelb | ≈ 5,1 |
| Bromthymolblau | 3 | 6,0 bis 7,5 | gelb | blau | ≈ 7,1 |
| Phenolphthalein | 4 | 8,3 bis 10,0 | farblos | rosa zu magenta | ≈ 9,4 |
Der Teller. Die zwölf Felder und die Bedeutung der einzelnen Farben sind im Folgenden aufgeführt. In den letzten beiden Zeilen sind der Schnittpunkt der vier Ungleichungen in jeder Spalte sowie die Identität der Lösung angegeben.
Die Platte, wie sie am Ende des Durchlaufs vom Tablet aufgenommen wurde. Die Spalten A, B und C sind die drei unbekannten Lösungen; die Zeilen 1 bis 4 sind Methylorange, Methylrot, Bromthymolblau und Phenolphthalein.
| Zeile / Indikator | Spalte A (unbekannt 1) | Spalte B (unbekannt 2) | Spalte C (unbekannt 3) |
|---|---|---|---|
| 1 — Methylorange | gelb → pH > 4,4 | rot → pH-Wert < 3,2 | gelb → pH > 4,4 |
| 2-Methylrot | gelb → pH > 6,2 | rot → pH < 4,4 | gelb → pH > 6,2 |
| 3 — Bromthymolblau | grün → 6,0 < pH < 7,5 | gelb → pH < 6,0 | blau → pH-Wert > 7,5 |
| 4 — Phenolphthalein | farblos → pH-Wert < 8,3 | farblos → pH-Wert < 8,3 | rosa → 8,3 < pH < 10,0 |
| Halterung an der Platte | 6,2 bis 7,5 und ≈ 7,0 durch Anpassung des Grüns | pH < 3,2 — keine Untergrenze | 8,3 bis 10,0 und ≈ 9,0 durch Anpassung an das Rosa |
| Identität | H2O, pH-Wert 7,00 | HCl 1,0 × 10−3 mol/L, pH 3,00 | NaOH 1,0 × 10−5 mol/l, pH-Wert 9,00 |
Überprüfung der drei Identitäten. Jeder veröffentlichte pH-Wert ergibt sich aus der Konzentration in einer Zeile. Reines Wasser ionisiert sich selbst in dem Maße Kw = [H3O+][OH−] = 1,0 × 10−14 bei 25 °C, also [H3O+] = √Kw = 1,0 × 10−7 mol/L und pH = 7,00. Salzsäure ionisiert vollständig, daher hat die unbekannte Substanz 2 [H3O+] = 1,0 × 10−3 mol/L und pH = −log(1,0 × 10−3) = 3,00. Natriumhydroxid dissoziiert vollständig, daher enthält die unbekannte Substanz 3 [OH−] = 1,0 × 10−5 mol/l, pOH = 5,00 und pH = 14,00 − 5,00 = 9,00. Alle drei Werte liegen innerhalb der von der Testplatte angegebenen Spanne, und die unbekannten Werte 1 und 3 lassen sich auf wenige Zehntel genau bestimmen.
Zusammenfassung der Aufgaben nach Klassenstufen
9. bis 10. Klasse
Fokus sorgfältiges Beladen der Platte, genaue Beschreibung der Farbe und die Idee, dass eine Farbe ein Beweis für den pH-Wert und nicht ein pH-Wert an sich ist.
Aktivitäten: Fülle die zwölf Vertiefungen in der angegebenen Reihenfolge und halte schriftlich fest, welche Lösung und welcher Indikator sich in jeder Vertiefung befindet; benenne die Farbe in jeder Vertiefung und übertrage das gespeicherte Bild in dein Heft; lies für jede Vertiefung anhand der Tabelle auf dem Labortisch ablesen, ob der pH-Wert über oder unter dem Messbereich des Indikators liegt; die eine Vertiefung auf der Platte identifizieren, die keine der beiden Farben des Indikators aufweist, und erklären, was dies bedeutet; die drei Unbekannten von der sauresten zur alkalischsten ordnen.
11. Klasse
Fokus zwölf Beobachtungen in drei Gruppen unterteilen.
Aktivitäten: Schreiben Sie die Ungleichung auf, die durch jeden der zwölf Brunnen impliziert wird; schneiden Sie die vier Ungleichungen in jeder Spalte und geben Sie das resultierende Intervall an; schätzen Sie den pH-Wert der Unbekannten 1 und 3 auf ein Zehntel einer Einheit, indem Sie die grünen und pinken Brunnen mit den abgestuften Diagrammen abgleichen; erklären Sie, warum Unbekannte 2 nur eine Obergrenze hat, und nennen Sie einen Indikator, der eine Untergrenze liefern würde; wandeln Sie jeden geschätzten pH-Wert in eine Hydroniumkonzentration um und überprüfen Sie diese anhand der angegebenen Konzentration der Lösung.
12. Klasse / College-Niveau
Fokus das Indikatorgleichgewicht und die Grenzen einer kolorometrischen Methode.
Aktivitäten: Leite pH = pK abIn + Log([In−]/[HIn]) aus der Säurekonstanten des Indikators ab und zeigen Sie, dass ein Verhältnis von 1:10 bis 10:1 zwei pH-Einheiten umfasst; schätzen Sie den pK-Wert abIn für jeden der vier Farbstoffe vom Mittelpunkt seines kartierten Bereichs und vergleiche mit veröffentlichten Werten; berechne den Bruchteil von Bromthymolblau in seiner basischen Form in Vertiefung A3 bei pH 7,0; schätze ab, wie stark die 2 Tropfen Indikator den pH-Wert der 5 Tropfen ungepufferten Wassers in Spalte A verschieben könnten, und kommentiere, ob Spalte A als Messung vertraut werden kann; schließe einen Satz von Indikatoren vor, der jeden pH-Wert von 1 bis 13 auf eine Einheit eingrenzen würde, und berechne, wie viele Farbstoffe dafür erforderlich sind.
Labor-Grundausstattung
Instrumente
- Well-Platten (2, je sechs Wells; Spalten mit A bis C beschriftet, Reihen mit 1 bis 4 beschriftet)
- Tropfer (7 – einer pro unbekannte Lösung und einer pro Indikator)
- Tablet (zur Erfassung und Anzeige des Kennzeichenbildes)
- Abgestufte Referenzdiagramme für die vier Indikatoren (auf der Bank)
Produkte
- Methylorange (Indikator, Umschlagbereich 3,2 bis 4,4)
- Methylrot (Indikator, Umschlagbereich 4,4 bis 6,2)
- Bromothymolblau (Indikator, Umschlagbereich 6,0 bis 7,5)
- Phenolphthalein (Indikator, Umschlagbereich 8,3 bis 10,0)
- Unbekannte Lösungen 1, 2 und 3