Messung von pH-Werten

Messung von pH-Werten Übung

• Gib die pH-Werte der Körperflüssigkeiten an.

  Tipps

  Wird Magensaft als Magensäure oder als Magenlauge bezeichnet?

  Lösung

  Der 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.

• Bestimme die Farben des Indikatorpapiers bei unterschiedlichen pH-Werten.

  Tipps

  Die Farbe Gelb liegt zwischen Rot und Grün.

  Lösung

  Auf 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.

• Erschließe, ob es sich um Indikatoren handelt.

  Tipps

  Der Umschlagbereich eines Indikators liegt in der Nähe des $pK_S$-Wertes.

  Lösung

  pH-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.

• Bestimme den Umschlagbereich des Indikators.

  Tipps

  Wenn der $pH$-Wert dem $pK_S$-Wert entspricht, sind Säure und Säurerestion in gleicher Konzentration vorhanden.

  Bei zweiprotonigen Säuren können zwei Umschlagbereiche auftreten.

  Lösung

  Wenn 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.

• Nenne die basischen Lösungen.

  Tipps

  Die 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.

  Tipps

  Umschlagbereich = $pK_{Ind} \pm 1$

  Lösung

  Um 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.