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Chemie für Mediziner: Säuren und Basen

Messung von $pH$ -Werten

Zur Messung des $pH$ -Werts sind verschiedene Methoden entwickelt worden:

Abb.1: 1. Verwendung von Indikatoren oder von Indikatorpapier

Abb.2: 2. Messung pH-abhängiger, elektrochemischer Potentiale mit Hilfe von pH-Metern

Indikatoren sind Farbstoffe, deren Farbe in Lösung vom pH-Wert abhängt (z.B. der bereits vorgestellte Rotkohlextrakt). Ändert sich der $pH$ -Wert, reagieren sie mit einem deutlichen Farbumschlag.Wirkungsweise:

Indikatoren sind organische Säuren oder Basen, wobei ein undissoziiertes Indikatormolekül eine andere Farbe hat als seine konjugierte Base oder Säure.
Indikatoren weisen in Lösung eine intensive Farbe auf. Es wird also nur eine geringe Stoffmenge davon benötigt und der pH-Wert der Probenlösung wird durch die Säure-Base-Eigenschaften des Indikators praktisch nicht beeinflusst.

Gleichgewichtsreaktion eines Indikators (Undissoziierte Säure: HInd; konjugierte Base: Ind^-):

\begin{matrix} H Ind + H_{2} O & ⇌ & H_{3} O^{+} + {Ind}^{-} \end{matrix}

Eine hohe $H_{3} O^{+}$ -Ionen-Konzentration drängt das Gleichgewicht nach links; die Konzentration der HInd-Moleküle überwiegt und deren Farbe wird sichtbar. Umgekehrt lässt sich durch Zugabe von $O H^{-}$ -Ionen das Gleichgewicht nach rechts verschieben; die Farbe der Ind^--Moleküle wird sichtbar.

Auch hier gilt das Massenwirkungsgesetz:

K_{I n d} = \frac{[H_{3} O^{+}] \cdot [I n d^{-}]}{[H I n d]}; [H_{3} O^{+}] = K_{I n d} \cdot \frac{[H I n d]}{[I n d^{-}]}

Durch Logarithmieren erhält man:

pH = p K_{I n d} - log \frac{[H I n d]}{[I n d^{-}]}

Liegt gleich viel HInd wie Ind^- vor, bildet sich eine Mischfarbe. Nach obiger Formel gilt für diesen Zustand $pH$ = ${pK}_{Ind}$ . Der für einen bestimmten Indikator charakteristische $pH$ -Wert wird der Umschlagspunkt des Indikators genannt. Damit die Farben eines Indikators deutlich unterscheidbar sind, muss ungefähr 10 mal soviel HInd wie Ind^- vorliegen oder umgekehrt. Als Faustregel gilt deshalb:

Umschlagsbereich: $pH$ = $p K_{I n d}$ ± 1

Durch die Wahl eines Indikators mit passendem $p K$ -Wert, lässt sich aussagen, ob der $pH$ einer Lösung über oder unter einem bestimmten Wert liegt. Die Indikatormethode hat nicht die Genauigkeit und die Möglichkeiten eines $pH$ -Meters, aber für viele Anwendungen ist sie sehr praktisch.