Thymolblau im Laborregal
AFB I–IIThymolblau ist ein zweiprotoniger Indikator (\(\ce{H2Ind}\)). Er zeigt zwei Farbumschläge: rot → gelb (pKs₁ = 1,7) und gelb → blau (pKs₂ = 8,9). Eine Schülerin gibt je einige Tropfen Thymolblau zu drei Lösungen: Salzsäure (pH 1,0), Mineralwasser (pH 6,0) und Waschsodalösung (pH 11,0).
- Formulieren Sie die Gleichungen der beiden Protolysestufen.
- Geben Sie die Farbe in den drei Lösungen an und begründen Sie jeweils.
- Berechnen Sie das Verhältnis c(HInd⁻) : c(H₂Ind) bei pH 2,0 und deuten Sie die beobachtete Farbe.
- Erläutern Sie, welcher der beiden Umschläge sich für die Titration von Essigsäure mit Natronlauge eignet.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\ce{H2Ind + H2O <=> H3O+ + HInd-}\) (rot → gelb); \(\ce{HInd- + H2O <=> H3O+ + Ind^2-}\) (gelb → blau).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
pH 1,0: 0,7 unter pKs₁ → überwiegend H₂Ind (5 : 1), rot (mit orangem Stich). pH 6,0: weit zwischen pKs₁ und pKs₂ → HInd⁻, gelb. pH 11,0: 2,1 über pKs₂ → Ind²⁻, blau.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(\lg \frac{c(\ce{HInd-})}{c(\ce{H2Ind})} = 2{,}0 - 1{,}7 = 0{,}3\) → Verhältnis 2 : 1. Beide Formen tragen bei — Mischfarbe Orange.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Der zweite Umschlag (8,0–9,6, pKs₂ = 8,9) liegt nahe pH(ÄP) ≈ 8,7 im Sprung — geeignet, Endpunkt bei Wechsel gelb → grün/blau. Der erste (1,2–2,8) läge weit vor dem ÄP, dort wird er bei dieser Titration gar nicht durchlaufen, weil Essigsäure schon mit pH ≈ 2,9 startet.
pKs eines Indikators mit dem Photometer
AFB II–IIIp-Nitrophenol ist im Sauren farblos, seine Base-Form (p-Nitrophenolat) ist gelb und absorbiert bei 400 nm. In Pufferlösungen mit bekanntem pH-Wert wird bei gleicher Gesamtkonzentration an Indikator die Extinktion E gemessen. E ist proportional zur Konzentration der gelben Form.
| pH | 5,5 | 6,5 | 6,9 | 7,4 | 7,8 | 8,5 | 10,0 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| E | 0,02 | 0,15 | 0,29 | 0,51 | 0,65 | 0,77 | 0,80 |
- Erklären Sie, warum die Extinktion mit steigendem pH-Wert zunimmt und bei hohem pH-Wert einen Grenzwert erreicht.
- Bestimmen Sie den pKs-Wert von p-Nitrophenol grafisch bzw. durch Interpolation.
- Berechnen Sie den pKs-Wert zur Kontrolle aus dem Messwert bei pH 7,8.
- Beurteilen Sie, ob sich p-Nitrophenol als Indikator für die Titration von Salzsäure mit Natronlauge (je 0,1 mol/L) eignet, und diskutieren Sie einen Nachteil gegenüber zweifarbigen Indikatoren.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\ce{HInd + H2O <=> H3O+ + Ind-}\): Mit steigendem pH wird H₃O⁺ weniger, das Gleichgewicht verschiebt sich nach rechts, c(Ind⁻) und damit E steigen. Bei pH 10 liegt praktisch aller Indikator als Ind⁻ vor: E = E_max = 0,80.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
c(HInd) = c(Ind⁻) bei E = ½ E_max = 0,40. Lineare Interpolation zwischen pH 6,9 (0,29) und 7,4 (0,51): pH = 6,9 + 0,5 · 0,11/0,22 = 7,15 → pKs ≈ 7,15.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(\frac{c(\ce{Ind-})}{c(\ce{HInd})} = \frac{0{,}65}{0{,}80 - 0{,}65} = 4{,}3\); \(\lg 4{,}3 = 0{,}64\); pKs = 7,8 − 0,64 = 7,16 — Übereinstimmung mit b).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Umschlag etwa pH 6,2–8,2 liegt mitten im Sprung (pH 4–10) um pH(ÄP) = 7 → geeignet. Nachteil: nur farblos → gelb; der Beginn der Gelbfärbung ist schwer zu erkennen, besonders in trüben oder leicht gefärbten Proben, und man hat keine Mischfarbe als Kontrolle. Ein zweifarbiger Indikator zeigt den Wechsel deutlicher; ggf. Vergleichslösung verwenden.