4.3 Indikatoren; saurer Regen
 

Gewisse Chemikalien besitzen die spezielle Eigenschaft bei pH-Wert-Änderungen ihre Farbe zu wechseln. Man nennt sie deshalb Indikatoren.
Geringe Mengen eines solchen Indikators reicht aus, um einen Farbwechsel hervorzurufen und so den pH-Wert der Lösung anzuzeigen.

Die meisten Säure-Base-Indikatoren sind schwache Säuren und zeigen in einer protonierten (sauren) Form eine Farbe und in einer deprotonierten (basischen) Form, eine andere Farbe. Wie alle schwachen Säuren dissoziieren sie gemäß ihrem pKs-Wert. Die allgemeine Dissoziationsgleichung eines Indikators HIn sieht so aus:

Wendet man die Henderson-Hasselbalch-Gleichung an ergibt sich:

pH = pKs + log([In-]/[HIn])

Dies zeigt, daß der pKs-Wert des Indikators und der pH-Wert der Lösung das Verhältnis In- zu HIn bestimmen. Da die beiden Pufferkomponenten unterschiedliche Farben haben, bestimmt ihr Verhältnis die Farbe der Lösung.

Ein oft benutzter Indikator ist Phenolphthalein, ein weißer, pulverförmiger organischer Stoff, unlöslich in Wasser, leicht löslich in Alkohol oder Alkalien.

Phenolphthalein ist eine farblose, schwache Säure, die in wässriger Lösung unter Bildung rosa gefärbter Anionen dissoziiert. Unter sauren Bedingungen (niedrige pH-Werte) liegt das Gleichgewicht auf der linken Seite. Die Gleichgewichtskonzentration der gefärbten Anionen ist gering, die Lösung erscheint farblos (Farbe der Indikatorsäure). Unter basischen Bedingungen, ab pH 8,2 -10 verschiebt sich das Gleichgewicht nach rechts, die Konzentration der gefärbten Indikatorbase steigt und die Lösung färbt sich rosa. Man nennt den pH-Bereich, bei dem die Farbe wechselt den Umschlagsbereich.

Der bekannteste Indikator ist Lackmus, ein blauer Farbstoff, den man aus verschiedenen Flechten, gewinnen kann. Der Umschlagsbereich liegt bei pH 4,5 rot, bei 8,3 blau. Man verwendet Lackmus hauptsächlich als wässrige Lösung (Lackmus-Tinktur) una als Lackmus-Papier, bei dem Papierstreifen mit schwach saurer oder alkalischer Lackmus-Tinktur imprägniert sind. Der Hauptbestandteil des Lackmus ist ein Polymer (=Riesenmolekül ).

Hier die wichtigsten Indikatoren und ihre Umschlagsbereiche. Erfahren Sie mehr über die Indikatoren durch Klicken auf den Namen in Abb. 4.30:

Universalindikatoren erhält man durch Mischung von Indikatoren mit unterschiedlichen Umschlagsbereichen. Sie wechseln deshalb bei definierten pH-Werten die Farben.


Saurer Regen

In Organismen und der Umwelt spielen bestimmte pH-Werte eine besondere Rolle:

  • Im Blut der Tiere wird der pH-Wert durch mehrere Puffersysteme konstant gehalten. Dies ist lebenswichtig!
  • Der gesamte Stoffwechsel in den Zellen kann nur bei bestimmten pH-Werten ablaufen.
  • Natürliches Regenwasser hat einen pH-Wert von 5,6. Wird er verändert z. B. durch sauren Regen hat dies dramatische Auswirkungen.


Der unter dem Neutralpunkt liegende pH-Wert kommt vom atmosphärischen CO2, das sich in Wasser löst und die schwache Säure Kohlensäure H2 CO3 bildet.

Dieses Gleichgewicht, das stark auf der Seite der Edukte liegt wird durch die in Verbrennungsgasen enthaltenen Stick- und Schwefeloxide SO2 (g) und SO3 (g) verändert. Diese entstehen bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe, Erdöl und Kohle. Mit dem Wasser der Luft wird z. B. Schweflige Säure H2SO3 und Schwefelsäure H2SO4 gebildet.

Fällt dies als Regen auf die Erde spricht man von saurem Regen.
In vielen Gegenden der industrialisierten Welt haben Wissenschaftler einen pH-Wert des Regens von 3 gemessen! Den Effekt auf Wälder sieht man in Abb. 4.30.
spaceEine Abnahme des pH-Wertes um 3 Einheiten bedeutet, daß der Regen ca. 1000 mal saurer ist als normal. Bäume und andere Pflanzen sterben, Böden versauern, Fischgewässer bleiben ohne Fische.

Auch das Kalkgleichgewicht kommt durcheinander. Gebäude aus Kalkstein oder Sandstein werden zerstört (siehe Abb.4.31).

Einige weitere Wirkungen von saurem Regen:

  • Kalkstein reagiert mit Schwefelsäure zu Gips. Damit verbunden ist eine Kristallvergrößerung. Das Bauwerk bröckelt.
  • Die Blattfarbstoffe bei Pflanzen werden abgebaut. Die Blätter zeigen dabei Verfärbungen wie im Herbst.
  • Die Böden versauern. Böden sind normalerweise gute Puffersubstanzen. Wie alle Puffer haben sie aber nur eine bestimmte Kapazität. Ist diese erschöpft, werden die Böden zersetzt. Sie verlieren damit auch ihre Ionenaustauscherwirkung. Die Säuren stören somit den Stoffwechsel der Wurzeln, die Bäume verhungern.
  • Die Bäume und Pflanzen werden aber auch vergiftet. Denn der Saure Regen löst Aluminium-Ionen aus den Tonmineralien der Böden heraus. Al-Ionen sind in hohen Konzentrationen pflanzentoxisch.
 
Abb. 4.27
Base und Lackmuslösung

 
Abb.4.28
Phenolphthalein


Abb. 4.29
Lackmuspapier

 

Abb. 4.29
Lackmuspulver

 

Abb. 4.30
Indikatoren

 

Abb. 4.31
Titration mit Indikatoren



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Abb. 4.32
Universalindikatorpapier

Abb. 4.33
pH-Skala für Universalindikator

 

Abb.4.34
Waldschäden durch sauren Regen


Abb.4.35
Saurer Regen - Sandstein



Sandsteinfigur im Ruhrgebiet 1908

Sandsteinfigur im Ruhrgebiet 1968

 

Weiterführende Quellen:

Zunge und Geschmackswahrnehmung: http://www.umds.ac.uk/physiology/jim/tasteolf.htm und http://www.zoology.ubc.ca/~auld/bio350/lectures/sensory_taste.html

chemische Experimente: http://www.dartmouth.edu/~chemlab/info/logistics/info.html

Phenolphthalein: http://www.chem.ox.ac.uk/vrchemistry/FilmStudio/phenolphthalein/HTML/page02.htm und http://ac16.uni-paderborn.de/lehrveranstaltungen/_aac/prakt/

Indikatoren: http://www.restena.lu/ddnuc/putzm/indikator.htm

Saurer Regen: http://www.biologie.uni-hamburg.de/b-online/d55/55a.htm und http://dc2.uni-bielefeld.de/dc2/abgas/sauerreg.htm

Atomarchiv: http://www.atomicarchive.com/main.shtml

3D-Molekülarchiv: http://www.nyu.edu/pages/mathmol/library/library.html

Maße: http://home.att.net/~numericana/answer/units.htm