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Indikatoren (lat. indicare, âanzeigenâ) sind allgemein Hilfsmittel, die gewisse Informationen anzeigen sollen. Sie gestatten die Feststellung von ZustĂ€nden und die Verfolgung von AblĂ€ufen, indem sie das Erreichen oder Verlassen bestimmter ZustĂ€nde anzeigen.
In der Chemie versteht man unter einem Indikator einen Stoff oder auch ein GerĂ€t, das zur Ăberwachung einer chemischen Reaktion bzw. eines Zustandes dient. HĂ€ufig wird ein Zustand durch eine bestimmte Farbe, die Ănderung durch eine FarbverĂ€nderung angezeigt. Am hĂ€ufigsten werden Indikatoren bei Titrationen verwendet.
Je nachdem, welche Art von chemischen oder physikalischen ZustÀnden oder Reaktionen man mit einem Indikator verfolgt, unterscheidet man zwischen den folgenden Typen von Indikatoren:
Inhaltsverzeichnis |
Ein dafĂŒr oft verwendetes Beispiel sind die Indikatoren, die den pH-Wert bestimmter Stoffe anhand eines Vergleiches mit einer Farbskala anzeigen. Oft verwendet man hier Lackmus, Bromthymolblau oder Phenolphthalein. Letzteres zeigt nur bei Zugabe einer alkalischen Lösung einen Farbwechsel. Es gibt fĂŒr eine genauere Messung des pH-Wertes auch Universalindikatoren. Diese werden, meist in Form eines Papierstreifens, mit der zu prĂŒfenden Lösung benetzt, anschlieĂend vergleicht man die FĂ€rbung des Papierstreifens mit der Farbskala. Man spricht nun entweder von einer sauren, alkalischen oder neutralen Lösung.
Die folgende Tabelle zeigt die Farben von verschiedenen Indikatoren in AbhÀngigkeit vom pH-Wert an.
Sie unterscheiden sich
Auch Rotkohlsaft kann als pH-Indikator verwendet werden. Der im Rotkohlsaft enthaltene Farbstoff Cyanidin kann dabei Farben von rot = sauer bis blau = alkalisch annehmen (im noch stĂ€rker alkalischen Milieu wird er grĂŒn und bei pH > 10 sogar gelb). Je nach Zubereitungsart nimmt RotkohlgemĂŒse eine mehr rote FĂ€rbung an (etwa durch Zugabe von Ă€pfelsauren ApfelstĂŒcken oder etwas Essig), oder eine violette bis blaue FĂ€rbung (Zubereitung mit basisch reagierendem Haushalts-Natron), was der ebenfalls gelĂ€ufige Name Blaukraut zum Ausdruck bringt.
Teetrinker kennen die AbhĂ€ngigkeit der Teefarbe vom SĂ€uregehalt: Wird dem Schwarztee Zitronensaft zugegeben, dann wechselt die Farbe von dunkelbraun auf hellrötlichbraun. Auch dieser Farbumschlag ist auf Farbstoffe im Tee zurĂŒckzufĂŒhren, die wie Indikatoren wirken.
Die MolekĂŒle der SĂ€ure-Base-Indikatoren sind selbst schwache SĂ€uren (oder Basen), das heiĂt sie können Protonen abgeben oder aufnehmen. Das MolekĂŒl der IndikatorsĂ€ure wird vereinfacht als HInd bezeichnet. Nach Abgabe eines Protons bleibt Indâ, die so genannte korrespondierende Indikatorbase, zurĂŒck.
Das Protolyse-Gleichgewicht fĂŒr die Abgabe beziehungsweise Aufnahme eines Protons bei einer wĂ€ssrigen Indikator-Lösung ist das folgende:
Das Indikator-MolekĂŒl kann also ein Proton abgeben aber auch wieder aufnehmen. Bei einer hohen Konzentration an H3O+-Ionen (Oxonium-Ionen) (also in einer sauren Lösung), findet verstĂ€rkt die Reaktion nach links statt (Verschiebung des Gleichgewichts auf die linke Seite), wodurch die Konzentration von HInd (IndikatorsĂ€ure) gröĂer ist als die Konzentration Indâ (Indikatorbase). Bei einer sehr geringen Konzentration an H3O+-Ionen (also in einer alkalischen Lösung) findet verstĂ€rkt die Reaktion nach rechts statt (Verschiebung des Gleichgewichts auf die rechte Seite), wodurch die Konzentration von Ind- gröĂer ist als die Konzentration HInd.
Dieser Sachverhalt wird besonders deutlich, wenn man das Massenwirkungsgesetz auf die oben genannte allgemeine Gleichung anwendet. Dann gilt mit konstantem <math>K_s</math>:
Wie ĂŒblich wird die konstante Konzentration des Wassers in die Konstante mit einbezogen. Zu beachten ist, dass die Konzentration des H3O+ in einer anderen GröĂenordnung liegt als die des Indikators. Wenn nun diese Konzentration stark erhöht oder erniedrigt wird â je nachdem, ob die Lösung sauer oder basisch wird â muss sich das Gleichgewicht neu einstellen, denn Ks ist konstant. Deshalb muss sich die Konzentration von Ind- stark verĂ€ndern, wodurch gleichzeitig, da HInd aus Ind- entsteht, die Konzentration von HInd sich entsprechend stark in die andere Richtung bewegen muss. Deshalb erfolgt der Indikatorumschlag im Allgemeinen sehr schnell.
Die eigentliche Wirkung des Indikators beruht darauf, dass die Verbindung HInd eine andere Farbe besitzt als Indâ. Als Folge der Protonierung bzw. Deprotonierung des Indikators Ă€ndert sich dessen Mesomeriestabilisierung. In saurer Lösung ĂŒberwiegt die Konzentration von HInd, so dass die Lösung die Farbe der protonierten Form annimmt. Erhöht man den pH-Wert, so steigt die Konzentration von Indâ, wĂ€hrend die Konzentration von HInd abnimmt, bis erstere schlieĂlich ĂŒberwiegt und die Lösung die Farbe von Indâ annimmt (siehe z. B. Phenolphthalein). Die unterschiedliche Farbe von protonierten und nichtprotonierten FarbstoffmolekĂŒlen bezeichnet man als Halochromie.
Der Umschlagspunkt des Indikators ist dadurch charakterisiert, dass <math>c(HInd) = c(Ind^-)</math>. An diesem Punkt gilt also auch, da die beiden Terme sich in der oben genannte Gleichung des Massenwirkungsgesetzes dann wegkĂŒrzen, <math> K_s = c(H_3O^+)</math> und <math> pK_s = pH </math>. Der pH-Wert der Lösung am Umschlagspunkt entspricht also theoretisch der <math>pK_s</math>-Konstante des Indikators. Der praktische Umschlagspunkt liegt immer etwas anders, weil das menschliche Auge aus einem Farbgemisch die reine Farbe erst erkennt, wenn sie in mindestens zehnfachem Ăberschuss vorhanden ist. Dem entspricht in der logarithmischen Darstellung des pH-Werts eine Einheit. FĂŒr die Wahrnehmung der IndikatorsĂ€ure HInd gilt also ein pH-Wert von <math>pK_s-1</math>, fĂŒr die Farbwahrnehmung der Indikatorbase <math>pK_s+1</math>, insgesamt gilt also fĂŒr den Umschlagbereich pH = pKs ± 1.
Stört der Indikator nicht die Titration? Beim Titrieren wird durch die quantitativ genau bekannte Zugabe einer SĂ€ure bzw. einer Lauge (Titrationsmittel) der pH-Wert eines Puffersystems so weit verschoben, dass die zu bestimmende Base bzw. SĂ€ure (Titrand) vollstĂ€ndig neutralisiert ist. Der pH-Indikator stellt aber ebenfalls ein Puffersystem dar, das gleichzeitig Hydroxidionen bzw. Oxoniumionen aus den Titrationsmittel verbraucht. Die Konzentration von Indikatoren in der Titrationslösung liegt meist in der GröĂenordnung von 10-4 mol/l. Bei wesentlich konzentrierteren Titranden spielt der Indikator kaum eine Rolle. In der Analytik natĂŒrlichen Wassers jedoch liegt die Pufferkonzentration der Wasserinhaltsstoffe je nach WasserhĂ€rte bei der gleichen bis etwa 10-fach höheren Konzentration. Deshalb kann der Indikator hier einen bedeutenden Fehler verursachen.
Ein weiteres Problem kann dadurch entstehen, dass der Indikatorfarbstoff meist in Form einer alkoholischen Lösung zugegeben wird. Alleine dadurch kann das ganze Puffersystem seine Eigenschaften verÀndern.
Der einfachste Einsatz von Redox-Indikatoren ist die Bestimmung des Endpunktes bei Redox-Titrationen (Oxidimetrie).
GĂ€ngige Redox-Indikatoren sind:
Mögliche Anwendung ist die maĂanalytische Bestimmung der Konzentration von Metallionen, zum Beispiel die komplexometrische Titration. Eine typische Anwendung ist die WasserhĂ€rtebestimmung.
Bekannte komplexometrische Indikatoren:
Thermoindikatoren werden oft dort eingesetzt, wo die Temperatur nicht einfach mit dem Thermometer gemessen werden kann. Beispielsweise wird ein Schmelztiegel mit Thermokreide markiert und das Erreichen einer gewĂŒnschten Temperatur in der Flamme durch die VerfĂ€rbung der Thermokreide angezeigt. Auch eine hinreichende AbkĂŒhlung kann durch Thermochrome angezeigt werden.
Thermoindikatoren als Aufkleber beruhen auf FlĂŒssigkristallen. Es gibt reversibel und irreversibel reagierende Varianten. Letztere sind insbesondere dafĂŒr geeignet, an bei Betrieb unsichtbaren Stellen das Ăberschreiten bestimmter Temperaturwerte zu registrieren.
Siehe ferner Segerkegel.
Mischindikatoren sind Gemische von verschiedenen Indikatoren, wodurch der Umschlagbereich erweitert wird oder mehrere Umschlagsbereiche erzeugt werden. Zu den Mischindikatoren gehören auch die Kontrastindikatoren. Ein gebrĂ€uchliches Beispiel fĂŒr einen Mischindikator ist Tashiro.
Kontrastindikatoren bestehen meist aus einem Indikator und einem Farbstoff, der seine Farbe beibehĂ€lt. Durch diesen Zusatz wird der Kontrast des Umschlagbereich verstĂ€rkt. Ein gebrĂ€uchliches Beispiel fĂŒr einen Kontrastindikator ist Eriochromschwarz T in Mischung mit Methylorange.
Es wird, auf Papier aufgetragen, feuchteempfindlichen Warensendungen beigegeben oder in hermetisch abgedichteten Baugruppen hinter SchauglÀsern untergebracht.
Aufgrund der Giftigkeit des Kobaltsalzes werden auch kobaltfreie Alternativen angeboten (Orangegel).
Fluoreszenzindikatoren sind Stoffe, die ihre Fluoreszenz am Ăquivalenzpunkt einer Titration Ă€ndern. Ebenfalls als Fluoreszenzindikatoren werden Leuchtstoffe bezeichnet, die der stationĂ€ren Phase (Trennschicht) von Platten fĂŒr die DĂŒnnschichtchromatografie beigemischt werden. Sie ermöglichen es, farblose Substanzen unter einer UV-Lampe infolge Fluoreszenzlöschung zu erkennen[1].
