Alltägliche Säure-Base-Indikatoren

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 stärker alkalischen Milieu wird er grün und bei pH > 10 sogar gelb). Je nach Zubereitungsart nimmt Rotkohlgemüse eine mehr rote Färbung an (etwa durch Zugabe von Apfelstücken oder etwas Essig), oder eine violette bis blaue Färbung (Zubereitung mit basisch reagierendem Haushalts-Natron), was der ebenfalls geläufige Name Blaukraut zum Ausdruck bringt.

Teetrinker kennen die Abhängigkeit der Teefarbe vom Säuregehalt: Wird dem Schwarztee Zitronensaft zugegeben, dann wechselt die Farbe von dunkelbraun auf hellrötlichbraun. Auch dieser Farbumschlag ist auf Farbstoffe im Tee zurückzuführen, die wie Indikatoren wirken.

Funktionsweise

Die Moleküle der Säure-Base-Indikatoren sind selbst schwache Säuren (oder Basen), das heißt, sie können Protonen abgeben oder aufnehmen. Das Molekül der Indikatorsäure wird vereinfacht als HInd bezeichnet. Nach Abgabe eines Protons bleibt Ind⁻, die so genannte korrespondierende Indikatorbase, zurück.

Das Protolyse-Gleichgewicht für die Abgabe beziehungsweise Aufnahme eines Protons bei einer wässrigen Indikator-Lösung ist das folgende:

${\displaystyle \mathrm {HInd_{(aq)}+H_{2}O_{(l)}\leftrightharpoons Ind_{(aq)}^{-}+H_{3}O_{(aq)}^{+}} }$

Das Indikator-Molekül kann also ein Proton abgeben aber auch wieder aufnehmen. Bei einer hohen Konzentration an H₃O⁺-Ionen (also in einer sauren Lösung), findet verstärkt die Reaktion nach links statt, wodurch die Konzentration von HInd (Indikatorsäure) größer ist als die Konzentration Ind⁻. Bei einer sehr geringen Konzentration an H₃O⁺-Ionen (also in einer alkalischen Lösung) findet verstärkt die Reaktion nach rechts statt, wodurch die Konzentration von Ind⁻ größer 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 ${\displaystyle K_{s}}$:

${\displaystyle K_{s}={c(\mathrm {Ind} ^{-})\cdot c(\mathrm {H_{3}O} ^{+}) \over c(\mathrm {HInd} )}}$

Wie üblich wird die konstante Konzentration des Wassers in die Konstante mit einbezogen. Zu beachten ist, dass die Konzentration des H₃O⁺ in einer anderen Größenordnung liegt als die des Indikators. Wenn nun diese Konzentration stark erhöht oder erniedrigt wird – je nachdem, ob die Lösung sauer oder basisch wird – muss sich das Gleichgewicht neu einstellen, denn K_s ist konstant. Deshalb muss sich die Konzentration von Ind⁻ stark verändern, 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 Ind⁻. Als Folge der Protonierung bzw. Deprotonierung des Indikators ändert sich dessen Mesomeriestabilisierung. In saurer Lösung überwiegt die Konzentration von HInd, so dass die Lösung die Farbe der protonierten Form annimmt. Erhöht man den pH-Wert, so steigt die Konzentration von Ind⁻, während die Konzentration von HInd abnimmt, bis erstere schließlich überwiegt und die Lösung die Farbe von Ind⁻ annimmt (siehe z. B. Phenolphthalein). Die unterschiedliche Farbe von protonierten und nichtprotonierten Farbstoffmolekülen bezeichnet man als Halochromie.

Der Umschlagspunkt des Indikators ist dadurch charakterisiert, dass ${\displaystyle c(HInd)=c(Ind^{-})}$. An diesem Punkt gilt also auch, da die beiden Terme sich in der oben genannte Gleichung des Massenwirkungsgesetzes dann wegkürzen, ${\displaystyle K_{s}=c(H_{3}O^{+})}$ und ${\displaystyle pK_{s}=pH}$. Der pH-Wert der Lösung am Umschlagspunkt entspricht also theoretisch der ${\displaystyle pK_{s}}$-Konstante des Indikators. Der für das menschliche Auge wahrnehmbare Umschlagspunkt weicht davon oft ab, da das menschliche Auge den Farbwechsel erst ab einem Konzentrationsverhältnis von 9:1 erkennen kann. Der pH-Bereich, der als Mischfarbe zu erkennen ist, wird Umschlagsintervall genannt.