Phenolphthalein – Funktion eines Indikators

Phenolphthalein als Indikator in der Chemie

Phenolphthalein ist ein bekannter und weit verbreiteter pH-Indikator in der Chemie. Es handelt sich dabei um einen Triphenylmethinfarbstoff. Mit Phenolphthalein als Indikator kann eine Aussage über den pH-Wert einer Lösung gemacht werden, da sich die Färbung dieses Farbstoffes mit dem pH-Wert der Lösung ändert und damit die Farbe charakteristisch für bestimmte pH-Werte ist.

Definition des pH-Werts

Säuren haben einen niedrigen pH-Wert und sind Protonendonatoren. Sie geben Protonen ab. Basen hingegen haben einen hohen pH-Wert und sind Protonenakzeptoren. Sie nehmen Protonen auf. In wässrigen Lösungen dissoziieren Säuren und bilden positiv geladene Oxoniumionen $\left( \ce{H3O+} \right)$, veraltet Hydroniumionen, sowie negativ geladene Säurerestionen. Basen dissoziieren ebenfalls in wässrigen Lösungen und bilden negativ geladene Hydroxidionen $\left( \ce{OH-} \right)$. Der pH-Wert drückt die Konzentration der Oxoniumionen in einer wässrigen Lösung aus.

Je mehr Oxoniumionen in einer Lösung vorhanden sind, desto niedriger ist der pH-Wert und desto saurer ist die Lösung. Indikatoren können die Konzentration der Oxoniumionen durch eine charakteristische Färbung sichtbar machen. Wie genau die Indikatorfarbe sich mit der Konzentration der Oxoniumionen ändert, hängt vom jeweiligen Indikator ab. In diesen Text befassen wir uns mit der Funktionsweise des Indikators Phenolphtalein.

Indikator – Definition

Mit einem Indikator können wir in der Chemie erkennen, welchen pH-Wert eine Lösung besitzt. Das sehen wir daran, welche Färbung der Indikator in der Lösung annimmt. Bekannte Beispiele für die Verwendung von Indikatoren sind Unitest (Universalindikator), Lackmus oder Phenolphthalein. Mit einem Universalindikator können viele mögliche pH-Werte durch ein breites Spektrum an Farbumschlägen erkennbar gemacht werden. Die folgende Abbildung zeigt solche möglichen Farbumschläge sowie einige Beispiele, bei denen entsprechende pH-Werte auftreten.

Blaukraut oder Rotkohl? – ein Beispiel für Indikatoren

Blaukraut wird auch Rotkohl genannt. Denn je nachdem, ob und wie der Rotkohl zubereitet wird, ändert sich seine Farbe. Verantwortlich für die Farbänderung sind Farbstoffmoleküle im Rotkohl. Wenn du bei der Zubereitung von Rotkohl einen Apfel oder eine Zitrone hinzufügst, die beide Säure enthalten, verfärbt sich der Rotkohl rot. Im neutralen Bereich – also wenn du nichts hinzufügst – bleibt der Rotkohl blau und wird deswegen auch Blaukraut genannt. Ein solcher Farbwechsel ist für Indikatoren typisch. Die folgende Abbildung zeigt das Farbspektrum von Rotkohl als Indikator in Abhängigkeit des pH-Werts.

Phenolphthalein als Beispiel für einen Indikator

Kommen wir nun zu Phenolphthalein. Das ist ein Triphenylmethinfarbstoff und stellt in der Chemie einen sehr bekannten und weit verbreiteten pH-Wert-Indikator dar. Die Funktion von Phenolphthalein ist, wie bei jedem Indikator, ein charakteristischer Farbwechsel in Abhängigkeit der Konzentration der Oxoniumionen in einer Lösung. Phenolphthalein kann somit anzeigen, ob es sich bei einem Stoff um eine Säure oder eine Base handelt. Die Einflussfaktoren auf die Färbung des Phenolphthaleins sind die Oxoniumionenkonzentration einer saueren Lösung und damit auch indirekt die Hydroxidionenkonzentration einer basischen Lösung – denn ist von den einen mehr vorhanden, gibt es gleichzeitig von den anderen weniger.

Die Funktionsweise von Phenolphthalein – einfach erklärt

Phenolphthalein ist eine Indikatorsäure, abgekürzt $\ce{H2}\text{Ind}$. Wird eine Base zugegeben, also Hydroxidionen $\left( \ce{OH-} \right)$, reagiert Phenolphthalein zu einer Indikatorbase, abgekürzt $\text{Ind}$. Die Reaktion von Phenolphthalein unter Zugabe einer Base können wir in einer Reaktionsgleichung dargestellt nachvollziehen:

$\ce{H2\text{Ind} + 2 OH- <=> \text{Ind}^{-} + 2 H2O}$

Der Aufbau von Phenolphthalein als Indikatorsäure in einer sauren (0 ≤ pH ≤ 8) bzw. als Indikatorbase in einer basischen (8 < pH ≤ 13) Lösung ist in der folgenden Abbildung dargestellt.

Bei der Reaktion von der Indikatorsäure (0 ≤ pH ≤ 8) zur Indikatorbase (8 < pH ≤ 13) öffnet sich der Lactonring in der Mitte des Moleküls. So ändert sich die Struktur des Phenolphthaleinmoleküls mit der Änderung des pH-Werts. Im Bereich pH > 13 ändert sich die Molekülstruktur dann erneut.

Änderung der Farbe durch Strukturänderung

Bei genauerer Betrachtung der Struktur fällt auf, dass es sich um konjugierte Doppelbindungen handelt, die ein $\pi$‑Elektronen‑System ausbilden. Das Besondere an $\pi$‑Elektronen ist, dass sie sich in einem Molekül bereits durch Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich in einen höheren Energiezustand anregen lassen.

Die Struktur von Phenolphthalein ist in basischer Lösung (8 < pH ≤ 13) planar, sodass sich die $\pi$‑Elektronen über das gesamte Molekül verteilen können. Sichtbares Licht kann die $\pi$‑Elektronen anregen und damit in einen höheren Energiezustand bringen. Das bewirkt letztendlich, dass wir einen Farbwechsel sehen, denn das Licht bestimmter Wellenlängen wird durch die Anregung absorbiert und fehlt damit im reflektierten Licht, das wir sehen. In sauren Lösungen (pH < 8) ist das Phenolphthaleinmolekül nicht planar, sodass eine Anregung durch Licht im sichtbaren Bereich nicht möglich ist. Es wird also kein Licht absorbiert, deswegen erscheint die Lösung im sauren Milieu farblos. In einem starken basischen Milieu (pH > 13) verändert sich die Struktur von Phenolphthalein erneut, sodass der Farbstoff auch dort wieder farblos erscheint. Das Molekül bzw. die Lösung erscheint farblos, weil das Licht die Elektronen nicht anregen kann und daher kein sichtbares Licht absorbiert wird. Denn auch hier führt die Strukturveränderung zu einem Verlust der Planarität des Moleküls.

Die folgende Tabelle zeigt noch einmal, in welchem pH-Bereich Phenolphthalein welche Färbung zeigt.

Anwendung von Phenolphthalein

Da Phenolphthalein im stark sauren und im stark basischen Bereich farblos erscheint, kann man mit diesem Indikator keine starke Base von einer starken Säure unterscheiden. Phenolphthalein ist jedoch beispielsweise bei der Titration basischer Lösungen gut als Indikator geeignet. In der Forensik nutzt man Phenolphthalein um Blutspuren nachzuweisen und auch im Bauwesen kommt es zum Beispiel bei der Überprüfung der Überarbeitbarkeit von neu verputzten Flächen zum Einsatz.

Ausblick – das lernst du nach Phenolphthalein – Funktion eines Indikators

Bereite dich auf die Säure-Basen-Titration vor, ein Hauptanwendungsfeld von Phenolphthalein. Vertiefe dann dein Wissen mit den Themen Henderson-Hasselbalch-Gleichung und pH-Wert Berechnung.

Neben diesem Text findest du Übungsaufgaben, um dein erlerntes Wissen zu überprüfen. Viel Spaß!

Häufige Fragen zum Thema Phenolphthalein und Indikatoren