Projektunterricht zum Thema Mischindikator - Hochschule Darmstadt

Untersuchung eines Universalindikators
Thema eines Projektunterrichtes
T. Diesterweg, N. Nkrumah, W. Proske, J. Röder und V. Wiskamp
Impressum: Prof. Dr. V. Wiskamp, FH Darmstadt, Fb. CuB, Hochschulstr. 2, D-64289 Darmstadt
Sowohl im Schulunterricht, als auch im Chemiepraktikum an der Hochschule spielt die
orientierende Messung des pH-Wertes eine wichtige Rolle und wird meistens mit
Universalindikator-Teststreifen oder -lösungen durchgeführt.
Im folgenden wird vorgeschlagen, wie das Thema „pH-Messung mit Mischindikatoren“ z.B.
an Projekttagen von Schülern der Mittelstufe bzw. von Studenten im analytischen Praktikum
bearbeitet werden kann.
1 Theoretische Grundlagen
Ein pH-Indikator ist eine organische Säure, die - in Abhängigkeit vom pH-Wert - dissoziiert,
gemäß: HInd → H + + Ind − , wobei freie Säure und Säurerest unterschiedliche Farben
aufweisen.
Farbe kommt zustande, wenn ein Teil des weißen Lichtes von einer Verbindung absorbiert
wird. Ein Stoff erscheint farbig in der zum absorbierten Licht komplementären Farbe.
Absorbiert ein Reinstoff oder eine Stoffmischung mehrere Frequenzen des weißen Lichtes, so
resultiert eine Mischfarbe (Prinzip der additiven Farbmischung) [1].
Bekannte Beispiele für pH-Indikatoren sind der Azofarbstoff Methylrot und die
Triphenylmethanfarbstoffe Phenolphthalein, Thymolblau und Bromthymolblau (Abb. 1). Eine
Mischung der vier Verbindungen eignet sich als Universalindikator und wurde erstmals von
McCrumb beschrieben [2].

2
(CH 3 ) 2 N N N CO 2 H
Methylrot
HO
C
O
C
O
HO
C
O
SO 2
HO
Br
C
O
SO 2
OH
OH
OH
Br
Phenolphthalein Thymolblau Bromthymolblau
Abb. 1: Indikatorfarbstoffe
2 Benötigte Geräte und Chemikalien
Reagenzgläser und Ständer, Tropffläschchen, Pasteurpipetten mit Gummihütchen, Spatel,
kleine Bechergläser, Waage und Analysenwaage, UV-Vis-Spektralfotometer, Glasküvetten.
Methylrot, Phenolphthalein, Thymolblau, Bromthymolblau, 0.1%ige ethanolische Lösungen
(F, brennbar) der vier Stoffe. McCrumb-Indikator (20 mg Methylrot, 20 mg Phenolphthalein,
40 mg Thymolblau und 40 mg Bromthymolblau in 100 mL Ethanol), Puffer-Lösungen (auf 1
Liter auffüllen) pH 2 (6.43 g Zitronensäuremonohydrat, 3.58 g NaCl, 8.2 mL 1-molare HCl),
pH 3 (8.47 g Zitronensäuremonohydrat, 3.49 g NaCl, 20.6 g 1-molare NaOH), pH 4 (11.76 g
Zitronensäuremonohydrat, 2.57 g NaCl, 68.0 mL 1-molare NaOH), pH 5 (20.26 g
Zitonensäuremonohydrat, 196.4 mL 1-molare NaOH), pH 6 (12.53 g
Zitronensäuremonohydrat, 159.6 mL 1-molare NaOH), pH 7 (3.52 g KH 2 PO 4 , 7.26 g
Na 2 HPO 4 ⋅2H 2 O), pH 8 (4.77 g Na 2 B 4 O 7 ⋅10H 2 O, 20.5 mL 1-molare HCl), pH 9 (4.77 g
Na 2 B 4 O 7 ⋅10H 2 O, 4.6 mL 1-molare HCl), pH 10 (4.77 g Na 2 B 4 O 7 ⋅10H 2 O, 18.3 mL 1-molare
NaOH), pH 11 (3.84 g Glycin, 2.99 g NaCl, 48.9 mL 1-molare NaOH), pH 12 (3.42 g Glycin,
2.67 g NaCl, 54.5 mL 1-molare NaOH), pH 13 (0.375 g Glycin, 0.222 g NaCl. 95 mL 1-
molare NaOH), dest Wasser.
3 Durchführung
(vgl. [3] und s. Anmerkung)
11 Reagenzgläser werden in einen Ständer gestellt, der Reihe nach mit „pH 2 ... 13“
beschriftet und mit 10 mL der entsprechenden Pufferlösungen gefüllt. Dann werden je 10
Tropfen Methylrotlösung zugegeben. Die Farben werden notiert.
Analog werden die Farben von Phenolphthalein, Thymolblau und Bromthymolblau bei den
verschiedenen pH-Werten betrachtet.

3
Anschließend untersuchen die Schüler die Farben von Indikatormischungen, indem sie zu den
Pufferlösungen gleiche oder verschiedene Mengen von 2-4 Indikatoren geben. Ziel ist es, eine
Farbskala zu erzielen, bei der möglichst deutliche Farbunterschiede bei einzelnen pH-Werten
vorliegen.
Zum Vergleich wird der McCrumb-Mischindikator untersucht.
Abschließend sollen die Schüler die selbst hergestellten Mischindikatorproben auf deren
Eignung (deutliche Farbunterschiede bei Lösungen mit pH-Werten 4 - 10) testen. Dazu
untersuchen sie neben verschiedenen Gewässern und Getränken auch Lösungen, die laut
Rahmenrichtlinien im Chemieunterricht der Klassen 7 - 12 (13) auf sauren, neutralen oder
basischen Charakter zu untersuchen sind, z.B. Natriumacetat-, Ammoniumchlorid-,
Aluminiumchlorid- oder Phenollösungen.
Die Studenten nehmen die Absorptionsspektren (350-750 nm) der reinen Indikatorlösungen
und des Mischindikators bei allen pH-Werten auf und interpretieren sie. Dabei überlegen sie
sich, wie die Farbe der Proben aufgrund der Lichtabsorptionen zustande kommen (es ist
ratsam, einen Farbkreis zur Hilfe zu nehmen), und versuchen herauszufinden, welche
Absoptionen der Indikatormischung auf welche Absorptionen seiner Bestandteile
zurückzuführen sind.
4 Ergebnisse
Die Farbbeobachtungen (Vergleiche mit einem Farbenführer [4]) sind in Tabelle 1
zusammengestellt.
Die Spektreninterpretation wird hier nur an zwei Beispielen geführt (Abb. 2):
• Bei pH 12 ist der McCrumb-Indikator violett. Sein Absorptionsspektrum weist zwei starke,
nur wenig getrennte Maxima bei 556 und 600 und ein deutlich schwächeres Maximum bei
385 nm auf. Das erste Maximum ist eindeutig auf die Lichtabsorption des
Phenolphthaleins zurückzuführen. Das zweite Maximum resultiert aus der Überlagerung
der Absorptionsmaxima von Thymolblau bei 596 nm und von Bromthymolblau bei 615
nm. Das bei kleineren Wellenlängen liegende, dritte Maximum kommt schließlich
dadurch zustande, daß alle Einzelkomponenten des McCrumb-Indikators in dem Bereich
schwach absorbieren, und zwar Methylrot bei 429 nm, Phenolphthalein bei 374 nm,
Thymolblau bei 377 nm und Bromthymolblau bei 394 nm.
• Bei pH 8 absorbiert der Mischindikator mit gleicher Intensität violettes und oranges Licht
mit Maxima bei 410 und 612 nm, so dass sich der Gesamtfarbeindruck Grün ergibt. Die
Orangelichtabsorption ist auf das Bromthymolblau zurückzuführen, das bei pH 8 blau
(Komplementärfärbe zu Orange) erscheint. Für die Violettlichtabsorption ist das Methylrot
verantwortlich, das bei dem pH-Wert gelb gefärbt ist. Phenolphthalein liefert bei pH 8
keinen Farbbeitrag, und Thymolblau aufgrund seines blassen Grünweiß auch nur einen
minimalen.

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Tab. 1: Farben der Indikatoren bei unterschiedlichen pH-Werten
pH Methyrot Phenolpthalein Thymolblau Bromthymolblau Mischindikator
2 rötlichlila farblos rosaweiß gelb rot
3 rötlichlila farblos gelbweiß gelb rot
4 rötlichlila farblos gelbweiß gelb rot
5 hellrötlichlila farblos gelbweiß gelb orangerot
6 orange farblos gelbweiß gelb orange
7 gelb farblos gelbweiß opalgrün dunkelgrüngelb
8 gelb farblos grünweiß kobaltblau dunkelgrün
9 gelb rosa blauweiß kobaltblau dunkelgrünblau
10 gelb rot hellgraublau kobaltblau violettblau
11 gelb rot hellgraublau kobaltblau violettblau
12 gelb rot hellgraublau kobaltblau violettblau
13 gelb rot hellgraublau kobaltblau schwarzgraublau
hier: Abb. 2
Abb. 2: Absorptionsspektren der Indikatoren bei pH 12 (links) und pH 8 (rechts); y-Achse: Absorption,
x-Achse: Wellenlänge λ (350-750 nm)
Anmerkung
Selbstverständlich können auch andere Universalindikatoren untersucht werden (vgl. [5]), z.B.:
• Universalindikator nach Bolt: 100 mg Methylrot, 100 mg Phenolphthalein, 100 mg Thymolphthalein, 100
mg Bromthymolblau und 100 mg Naphtholphtalin in 500 mL Ethanol lösen.
• Universalindikator nach Bogen: 200 mg Methylrot, 100 mg Phenolphthalein, 300 mg Dimethylgelb, 500 mg
Thymolblau und 400 mg Bromthymolblau in 500 mL Ethanol lösen und mit NaOH titrieren, bis eine gelbe
Farbe resultiert.
• Universalindikator nach Kolthoff: 25 mg Methylrot, 100 mg Phenolphthalein, 75 mg Dimethylgelb, 100 mg
Thymolphthalein und 100 mg Bromthymolblau in 400 mL Ethanol lösen.
• Universalindikator nach Urk: 80 mg Methylrot, 100 mg Methylorange, 500 mg Phenolphthalein, 70 mg
Tropaolin 00, 500 mg Naphtholphthalein, 400 mg Bromthymolblau, 400 mg Cresolphthalein und 150 mg
Alizaringelb R in 100 mL Ethanol lösen.
Für Studenten ist es besonders interessant, handelsübliche Mischindikatoren, deren Zusammensetzungen vom
Hersteller nicht angegeben sind, zu untersuchen und ggf. nachzustellen. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen
zusätzlich zu den spektroskopischen auch dünnschichtchromatographische Untersuchungen (vgl. [6])
durchgeführt werden. Anhand der Spektren vermutete Substanzen können durch Aufstocken identifiziert
werden. Dazu wird der zu untersuchenden Probe die vermutete Komponente zugesetzt, worauf eine (oder
mehrere) Absorptionsbande(n) intensiver werden muss (müssen).
Literatur
[1] G. Wittke, Farbstoffchemie. 2. Auflage, Diesterweg Salle Sauerländer, Frankfurt 1984
[2] F. R. McCrumb, Use of Wide-Range Indicators for Determination of pH. Industrial and Engeneering
Chemistry 3, Heft 3 (1931), S. 233-235
[3] H. Boeck, Über einen neuen Indikator für den Unterricht. Chem. Sch. 17, Heft 1 (1970), S. 44-46
[4] Michel-Farbenführer. 36. Auflage, Schwaneberger, München 1992
[5] L. S. Foster, I. J. Gruntfest, Demonstration Experiments Using Universal Indicators. J. Chem. Educ. 14
(1937), S. 274-276
[6] V. Wiskamp, W. Proske, Umweltbewusstes Experimentieren im Chemieunterricht. VCH, Weinheim 1996, S.
35-36

5
Anschrift des Verfassers:
Prof. Dr. Volker Wiskamp, FH Darmstadt, FB CuB, Hochschulstraße 2 64289 Darmstadt
pH 12 pH 8
McCrumb-
Mischindikator

6
Methylrot
Phenolphthalein
Thymolblau
Bromthymolblau
400 500 600 700 nm 400 500 600 700 nm
Herstellung von Indikatorgemischen zur pH-Wertbestimmung
Ziel: Herstellen von „Universalindikatoren“ aus Einzelindikatoren, die auf Grund
verschiedener Umschlagsbereiche eine ziemlich genaue pH-Wertbestimmung
ermöglichen.
Durchführung: 1. Herstellung eines Dreikomponenten-Indikatorgemisches
- Stellen Sie ein Gemisch aus drei Indikatorlösungen, die mit

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verschiedenen Farben bei unterschiedlichen pH-Werten umschlagen
( z. B. Methylrot, Bromkresolgrün, Phenolphthalein) im Verhältnis
1 : 1 : 1 (also 1 ml : 1 ml : 1 ml) her.
- Kennzeichnen Sie die Probe (Reagenzglas mit Klebeetikett )
- Geben Sie 5 -10 Tropfen der pH-spezifischen Pufferlösungen auf eine
Tüpfelplatte ( mit 12 Vertiefungen)
- Tropfen Sie jeweils 1-2 Tropfen des Indikatorgemisches in die pHverschiedenen
Pufferlösungen
- Notieren Sie die Farben bei den einzelnen pH-Werten.
- Variieren Sie das Indikatorverhältnis und/bzw. nehmen Sie andere
Indikatoren. Immer exakt protokollieren!
Einige Indikatoren, ihre Abkürzungen und Umschlagsbereiche
1. Kresolrot KR rosarot 0,2....1,8 gelb
2. m-Kresolpurpur KP rot 1,2....2,8 gelb
3. Thymolblau (1.) TB rot 1,2....2,8 gelb
4. Methylorange MO rot 3,1....4,4 gelborange
5. Bromkresolgrün BKG gelb 3,8....5,4 blau
6. Methylrot MR rot 4,4....6,2 gelborange
7. Bromkresolpurpur BKP gelb 5,2....6,8 purpur
8. Bromthymolblau BTB gelb 6,0....7,6 blau
9. Thymolblau (2.) TB gelb 8,0....9,6 blau
10. Phenolphthalein PP farblos 8,2....9,8 rotviolett
11. Thymolphthalein TP farblos 9,3....10,5 blau