Indikator (Chemie)

Grundidee und Einsatz

Indikatoren sind in der Chemie Stoffe oder Geräte, die einen chemischen Zustand oder den Verlauf einer Reaktion anzeigen. Meist geschieht das durch eine bestimmte Farbe oder durch einen Farbwechsel. So kann man erkennen, ob ein bestimmter Zustand erreicht oder verlassen wurde. Besonders häufig werden Indikatoren bei Titrationen verwendet, also bei Verfahren, bei denen eine Reaktion durch genau dosierte Zugabe eines Stoffes verfolgt wird.

Wichtige Indikatortypen richten sich danach, welche Eigenschaft angezeigt wird: pH-Indikatoren dienen bei Säure-Base-Titrationen und zur Bestimmung des pH-Wertes, Redox-Indikatoren bei Redox-Titrationen, Komplexindikatoren bei der Komplexometrie und Thermoindikatoren zur Anzeige eines Temperaturbereichs. Daneben gibt es unter anderem Feuchtigkeitsindikatoren, Fluoreszenzindikatoren, solvatochrome Indikatoren und spannungsabhängige Indikatoren.

pH-Indikatoren und Beispiele

pH-Indikatoren zeigen an, ob eine Lösung sauer, neutral oder alkalisch ist. Sie besitzen je nach pH-Wert unterschiedliche Farben. Häufig verwendete Beispiele sind Lackmus, Bromthymolblau und Phenolphthalein. Phenolphthalein zeigt nur bei Zugabe einer alkalischen Lösung einen Farbwechsel.

Für genauere pH-Bestimmungen gibt es Universalindikatoren. Sie werden meist als Papierstreifen verwendet: Man benetzt den Streifen mit der zu prüfenden Lösung und vergleicht seine Farbe anschließend mit einer Farbskala. Indikatoren unterscheiden sich sowohl in ihren Farben in sauren, neutralen oder alkalischen Lösungen als auch im pH-Bereich, in dem der Farbwechsel stattfindet. Dieser Bereich heißt Umschlagsbereich und liegt bei pK_a ± 1.

Auch Alltagsstoffe können als Säure-Base-Indikatoren wirken. Rotkohlsaft enthält den Farbstoff Cyanidin. Er kann Farben von rot = sauer bis blau = alkalisch annehmen; in noch stärker alkalischem Milieu wird er grün und bei pH > 10 sogar gelb. Auch die Farbe von Schwarztee hängt vom Säuregehalt ab: Gibt man Zitronensaft hinzu, wechselt sie von dunkelbraun zu hellrötlichbraun.

Wie Säure-Base-Indikatoren funktionieren

Die Moleküle von Säure-Base-Indikatoren sind selbst schwache Säuren oder Basen. Sie können Protonen abgeben oder aufnehmen. Die Indikatorsäure wird vereinfacht als HInd geschrieben. Gibt sie ein Proton ab, bleibt Ind^- zurück, die korrespondierende Indikatorbase.

Für eine wässrige Indikatorlösung gilt das Protolyse-Gleichgewicht: HInd_(aq) + H2O_(l) ⇌ Ind^-(aq) + H3O^+(aq). In saurer Lösung ist die Konzentration an H3O^+-Ionen hoch; das Gleichgewicht liegt stärker links, und HInd überwiegt. In alkalischer Lösung ist die H3O^+-Konzentration sehr gering; das Gleichgewicht liegt stärker rechts, und Ind^- überwiegt.

Mit dem Massenwirkungsgesetz gilt bei konstantem K_s: K_s = c(Ind^-) · c(H3O^+) / c(HInd). Da K_s konstant ist, muss sich bei einer starken Erhöhung oder Erniedrigung der H3O^+-Konzentration das Gleichgewicht neu einstellen. Dadurch ändern sich die Konzentrationen von HInd und Ind^- stark, weshalb der Indikatorumschlag meist sehr schnell erfolgt.

Der sichtbare Farbwechsel beruht darauf, dass HInd und Ind^- unterschiedliche Farben besitzen. Ursache ist die veränderte Mesomeriestabilisierung durch Protonierung oder Deprotonierung. Diese unterschiedliche Farbe protonierter und nichtprotonierter Farbstoffmoleküle heißt Halochromie. Am theoretischen Umschlagspunkt gilt c(HInd) = c(Ind^-), damit K_s = c(H3O^+) und pK_s = pH. Das menschliche Auge erkennt den Farbwechsel aber oft erst bei einem Konzentrationsverhältnis von 9:1; der als Mischfarbe erkennbare Bereich heißt Umschlagsintervall.

Messfehler bei Titrationen

Bei einer Titration wird durch eine genau bekannte Zugabe einer Säure oder Lauge, des Titrationsmittels, der pH-Wert eines Puffersystems verändert, bis die zu bestimmende Base oder Säure, der Titrand, vollständig neutralisiert ist. Ein pH-Indikator ist jedoch selbst ebenfalls ein Puffersystem. Er verbraucht Hydroxidionen oder Oxoniumionen aus dem Titrationsmittel und kann dadurch die Messung beeinflussen.

Die Konzentration von Indikatoren in der Titrationslösung liegt meist in der Größenordnung von 10^-4 mol/l. Bei wesentlich konzentrierteren Titranden ist dieser Einfluss kaum wichtig. In der Analytik natürlichen Wassers kann er aber bedeutend sein, weil die Pufferkonzentration der Wasserinhaltsstoffe je nach Wasserhärte bei der gleichen bis etwa 10-fach höheren Konzentration liegt.

Ein weiterer Fehler kann entstehen, weil Indikatorfarbstoffe häufig als alkoholische Lösung zugegeben werden. Schon diese Zugabe kann die Eigenschaften des gesamten Puffersystems verändern.

Weitere chemische Indikatoren

Redox-Indikatoren dienen vor allem dazu, den Endpunkt bei Redox-Titrationen, auch Oxidimetrie genannt, zu bestimmen. Genannte Beispiele sind Methylenblau, Neutralrot, Ferroin, Dichlorphenolindophenol (DCPIP) und Resazurin.

Komplex-Indikatoren oder Metallindikatoren werden bei der maßanalytischen Bestimmung von Metallionen eingesetzt, zum Beispiel bei der komplexometrischen Titration. Eine typische Anwendung ist die Wasserhärtebestimmung. Beispiele sind Murexid, Tiron, Thorin, Eriochromschwarz T, Xylenolorange, Calcein, Aequorin und Indo-1.

Solvatochrome Indikatoren ändern ihre Farbe abhängig vom umgebenden Lösungsmittel; genannt werden Brookers Merocyanin und Reichardt-Farbstoff. Spannungsabhängige Farbstoffe ändern ihre Farbe abhängig von der elektrischen Spannung; Beispiele sind Merocyanin 540, DiBAC4, ANNINE-6, DI-4-ANEPPS und RH237.

Mischindikatoren sind Gemische verschiedener Indikatoren. Dadurch wird der Umschlagbereich erweitert oder es entstehen mehrere Umschlagsbereiche. Ein gebräuchliches Beispiel ist Tashiro. Kontrastindikatoren bestehen meist aus einem Indikator und einem Farbstoff, der seine Farbe beibehält. Dadurch wird der Kontrast des Umschlagbereichs verstärkt; ein Beispiel ist Eriochromschwarz T in Mischung mit Methylorange.

Temperatur, Feuchte und Fluoreszenz

Thermoindikatoren, auch Thermochrome genannt, zeigen Temperaturbereiche an. Sie werden dort eingesetzt, wo eine Temperatur nicht einfach mit einem Thermometer gemessen werden kann. Beispielsweise kann ein Schmelztiegel mit Thermokreide markiert werden; eine Verfärbung zeigt dann an, dass in der Flamme eine gewünschte Temperatur erreicht ist. Auch eine ausreichende Abkühlung kann durch Thermochrome angezeigt werden. Thermoindikatoren als Aufkleber beruhen auf Flüssigkristallen. Es gibt reversibel und irreversibel reagierende Varianten; irreversible Varianten eignen sich besonders, um an im Betrieb unsichtbaren Stellen das Überschreiten bestimmter Temperaturwerte zu registrieren.

Feuchtigkeitsindikatoren zeigen durch Farbwechsel an, wenn bestimmte Luftfeuchtigkeitswerte überschritten werden. Die Reaktion beruht auf Wasseraufnahme, deshalb spielt auch die Dauer der Einwirkung eine Rolle. Am bekanntesten ist mit Kobaltchlorid versetztes Silicagel, sogenanntes Blaugel. Es ist trocken blau und verfärbt sich bei Feuchtigkeitseinfluss violett beziehungsweise pink. Wegen der Giftigkeit des Kobaltsalzes gibt es auch kobaltfreie Alternativen wie Orangegel.

Fluoreszenzindikatoren sind Stoffe, die ihre Fluoreszenz am Äquivalenzpunkt einer Titration ändern. Als Fluoreszenzindikatoren werden außerdem Leuchtstoffe bezeichnet, die der stationären Phase von Platten für die Dünnschichtchromatographie beigemischt werden. Sie ermöglichen es, farblose Substanzen unter einer UV-Lampe durch Fluoreszenzlöschung zu erkennen.