Versuch 6.14 ph-abhängigkeit eines Indikators am Beispiel Thymolblau

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1 Versuch 6.14 ph-abhängigkeit eines Indikators am Beispiel Thymolblau Einleitung Lösungen mit verschiedenen ph-werten von stark sauer bis stark basisch werden mit gleich viel Thymolblau-Lösung versetzt. Durch photospektrometrische Analysen werden die pk I -Werte bestimmt. Ist der ph-wert gleich gross wie der pk I -Wert (der negative dekadische Logarithmus der Säuredissoziationskonstante), so liegen gleich viele protonierte wie deprotonierte Indikatormoleküle vor. Es ist also eine Mischfarbe zu erkennen. Etwa eine ph-einheit ober- und unterhalb dieses Wertes ist nur die reine Farbe erkennbar, da das menschliche Auge zehnfachen Überschuss der einen Farbe kaum mehr von der reinen Farbe unterscheiden kann. Bei ph gleich pk I gilt: Dieser Zusammenhang können wir jedoch nicht anwenden, da uns verschiedenen Extinktionskoeffizienten nicht bekannt sind und wir sie auch nicht bestimmt haben. Die Deprotonierung von Thymolblau erfolgt in zwei Schritten: Material und Methoden - Thymolblau (C 27 H 30 O 5 S), 0.05% in Alkohol und Wasser - Schwefelsäure (H 2 SO 4 ), 98% (ätzend) - Natriumsulfat (Na 2 SO 4 ) - Ammoniak (NH 3 ), 25% (gesundheitsschädlich und ätzend) - Ammoniumchlorid (NH 4 Cl), (giftig) - ph-meter - Zweistrahlphotospektrometer 1

2 Versuchsdurchführung Herstellung einer 0.1 M Na 2 SO 4 -Lösung Es wurden g Na 2 SO 4 eingewogen und in einem 250 ml Messkolben in Wasser gelöst. Herstellung einer 0.1 M NH 4 Cl-Lösung g NH 4 Cl wurden eingewogen und in einem 250 ml Messkolben mit Wasser gelöst. Herstellung einer ph-reihe von 0.4 bis 2.6 Es wurden je 5 ml Natriumsulfat-Lösung in 12 Reagenzgläser pipettiert. Diese Lösung dient als Puffer, damit die gewünschten ph-werte einfacher eingestellt werden können. Die ph-werte wurden mit Hilfe von verschiedenen Konzentrationen H 2 SO 4 (das Verdünnen von konzentrierter Schwefelsäure setzte viel Wärme frei) erreicht, wobei der ph-wert laufend mittels ph-meter gemessen wurde. Es wurden drei bis fünfzehn Tropfen zugegeben. Mit einer Mikropipette wurden 0 ml Thymolblau-Lösung zugegeben. Die Lösungen nahmen Farben von rosa bis orange-gelb an. Die Spektren der Lösungen wurden mit dem Zweistrahlphotospektrometer gemessen. Herstellung einer ph-reihe von 7.4 bis 1 Je 5 ml Ammoniumchlorid-Lösung wurden in acht Reagenzgläser pipettiert. Die Lösung wird als Puffer benötigt, damit die gewünschten ph-werte besser eingestellt werden können. Die ph-werte wurden mit verschieden verdünnten Ammoniak-Lösungen, welche stechend rochen, eingestellt, wobei die ph-werte laufend kontrolliert wurden. Es wurden jeweils Tropfen hinzugegeben. Mit einer Mikropipette wurden 5 ml Thymolblau-Lösung hinzugegeben. Die Farben der Lösungen bewegten sich von gelb über grün zu blau. Die Spektren der Lösungen wurden mit dem Zweistrahlphotospektrometer gemessen. Resultate und Diskussion Thymolblau muss mindestens eine zweiprotonige Säure sein, sonst könnten nicht drei verschiedene Farben auftreten, die keine Mischfarben sind (rot, blau, gelb). Deshalb müssen mindestens zwei isosbestische Punkte und zwei Äquivalenzpunkte existieren. 2

3 Auswertung IP (sauer) 486 nm IP (basisch) 495 nm ph = 0.41 ph = 0.60 ph = 0.80 ph = 1.01 ph = 1.19 ph = 1.37 ph = 1.58 ph = 1.80 ph = 2.01 ph = 2.20 ph = 2.41 ph = 2.58 ph = 7.39 ph = 7.80 ph = 8.20 ph = 8.60 ph = 9.00 ph = 9.44 ph = 9.79 ph = 10 Anhand der sspektren sind die zwei erwarteten isosbestischen Punkte ersichtlich. Einer für die Farbänderung von rosa nach gelb und einer von gelb zu blau. Wie zu erkennen ist, liegen die Punkte sehr nahe beieinander. Der isosbestische Punkt von den basischen Lösungen liegt bei 495 nm, jener der sauren Lösungen bei 486 nm. Isosbestischer Punkt Isosbestischer Punkt ph = 0.41 ph = 0.60 ph = 0.80 ph = 1.01 ph = 1.19 ph = 1.37 ph = 1.80 ph = ph = 7.39 ph = 7.80 ph = 8.20 ph = 9.00 ph = 9.44 ph = 9.79 Abbildung 1 IP in saurem Milieu Abbildung 2: IP in basischem Milieu Auffällig ist, dass einige Kurven eindeutig nicht durch diese Punkte gehen. Dies ist auf unterschiedliche Indikatorkonzentrationen zurückzuführen, was auf verschiedenen Fehlern beruht. Die Volumina der zu vergleichenden Lösungen waren nicht immer gleich gross, wegen der unterschiedlichen Tropfenmenge, die zugegeben wurde. Diese sollte wirklich konstant sein, notfalls kann mit destilliertem ergänzt werden. Mit dem verwendeten ph-meter konnte, jedenfalls bei der Base, keine Veränderung des ph-werts gemessen werden bei der Zugabe einiger Tropfen Wassers, die Änderung des ph-wertes ist unterhalb der Messgrenze, oder anders ausgedrückt, die Zugabe von Wasser bewirkt eine Änderung innerhalb der ohnehin vorhandenen Fehlergrenzen. 3

4 Andererseits ist die zugefügte Indikatormenge auch nicht völlig konstant, da bei der sauren Reihe die verwendete Pipette etwas tropfte. Diese Abweichungen sollten jedoch nicht besonders gross sein. Die Werte der Lösung mit ph 8.6 liegen viel zu hoch. Dies könnte auf ein Problem bei der Löslichkeit des Thymolblau zurückzuführen sein: Thymolblau ist in Wasser nur schlecht löslich, in Alkohol jedoch gut. Verdunstet der Alkohol mit der Zeit, so fällt Thymolblau aus, je nach dem ist dies von Auge sichtbar. Bei uns war dies nicht der Fall. Es kann aber auch zu nicht sichtbaren Mikrokristallen kommen, die mit der Mikropipette aufgesaugt werden können. In der basischen oder sauren Lösung ist das Thymolblau wieder so gut löslich, dass sich der Mikrokristall auflösen kann und so die Indikatorkonzentration stark verändert. Die Mischfarbe aus rosa und gelb wurde von Auge bei ph 1.0 festgestellt, was einem pk I -Wert um 1.0 entspricht. Die Säuredissoziationskonstante wäre dann ca Die Mischfarbe grün wurde bei ph 8.6 erreicht, was auf einen pk I Wert um 8.6 schliessen lässt. Dieser Wert ist natürlich sehr approximativ, da nur alle 0.4 ph-einheiten eine Lösung hergestellt und ausgewertet wurde. Die Säuredissoziationskonstante wäre dann etwa Die ganzen ph-werte sind ziemlich unzuverlässig: Erstens wurden die Lösungen an einen Tag hergestellt und erst am nächsten Tag ausgewertet. Die Reagenzgläser wurden nur notdürftig mit schlecht schliessenden Deckeln verschlossen, so dass es ungewiss ist, ob die Konzentrationen die richtigen Werte behielten, denn sowohl Wasser, als auch Schwefelsäure und Ammoniak sind möglicherweise verdunstet. Zweitens ist die Kalibrierung der ph-meter eine Fehlerquelle, denn ob die Pufferlösungen den genau angegebenen ph-wert haben, ist ungewiss, da sie oft verwendet werden und dadurch verunreinigt werden können. Man sollte deshalb für den ganzen Versuch den gleichen ph-meter verwenden und diesen stets mit den gleichen Pufferlösungen kalibrieren, so dass immerhin keine Verzerrungseffekte entstehen sollten, beides taten wir jedoch nicht, da wir in zwei Gruppen arbeiteten. Jedenfalls wichen die am nächsten Tag gemessenen ph-werte relativ stark von den vorher gemessenen Werte ab und zwar in eine nicht vorhergesehenen Richtung: Die basischen Lösungen waren am nächsten Tag noch basischer, was nicht auf das Verdunsten von Ammoniak oder Wasser zurückgeführt werden kann, weshalb wir ein Nacheinstellen als wenig sinnvoll erachteten und unterliessen Zu hohe Werte (auch aus den Vollspektren ersichtlich) ph-wert Abbildung 4 aller Lösungen bei einer Wellenlänge zwischen den zwei Isosbestischen Punkten 4

5 Die Grafik der Messpunkte bei der Wellenlänge zwischen den beiden isosbestischen Punkten ist nicht so aufschlussreich wie erhofft, was auf die obigen Ungenauigkeiten zurückzuführen ist. Zwei weitere Fehler spielen hier jedoch noch eine Rolle, welche bei der Bestimmung der isosbestischen Punkte nicht zum Tragen kamen: Erstens wurden bei der sauren Reihe 200 µl Indikator hinzugegeben während bei der basischen Reihe 250 µl verwendet wurden! Das kommt von mangelder Absprache zwischen den beiden Gruppen!!! Zweitens war das Volumen grösser bei der basischen Reihe, als bei der sauren, da mehr Tropfen hinzugegeben wurden, so dass es zwischen den vergleichbaren sauren und basischen Werten (es gab saure und basische gelbe Lösungen) eine Differenz gibt. Dies hätte zu einer höheren geführt, als zu erwarten gewesen wäre. Da jedoch die der gelben Lösungen niedriger sind, als jene der basischen, ist es klar dass der Effekt der weniger grossen zugefügten Indikatormenge wesentlich grösser ist. Dies ist sehr einleuchtend. Es ist ersichtlich, dass einige swerte, im Vergleich zu den anderen der gleichen Reihe, viel zu hoch sind. Dies wurde schon bei der Analyse der gesamten sspektren erwähnt. Der Funktionsgraf der in Abhängigkeit vom ph ist vergleichbar mit einer Titrationskurve des Indikators. Die Äquivalenzpunkte entsprechen den isosbestischen Punkten. Wäre die Indikatorkonzentration konstant, so würde die Kurve etwas anders aussehen: Die Werte zu den Lösungen, die violett sind, lägen höher als jene der gelben, die ihrerseits höher liegen als die der blauen Lösungen. Dies kann aus den Kurvenverläufen einfach erschlossen werden, da der gewählte Punkt zwischen den isosbestischen Punkten liegt. Da die Abstufungen bei der sauren Messreihe kleiner sind, als bei der basischen, sollte der tiefer liegende pk I Wert genauer bestimmt werden können, allerdings ist es in unserem Fall eher verwischt und die wegfallenden Punkte erschweren die Intrerpretation, er muss aber zwischen 1 und 2 liegen. Bei der basischen Reihe sind die zwei Niveaus ersichtlich, leider ist der Wert der Lösung, die von Auge als Mischfarbe erkennbar war, durch eine viel zu hohe Indikatorkonzentration nicht brauchbar. Aber die Differenz zwischen dem Wert von ph 8.2 und 9.0 ist deutlich sichtbar. Der zweite pk I muss also dazwischen liegen. 5

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