19.01.2011
Sauer macht farbig – alkalisch auch
Wie Farbstoffe bei der Bestimmung des pH-Werts helfen
Sauer oder alkalisch? Beim Lackmustest gibt die Farbe die Antwort: Verfärbt sich das Papier rot, liegt eine Säure vor, wird es blau, befinden wir uns im alkalischen Milieu. Von solcher Wandlungsfähigkeit von Farbstoffen schrieb bereits Goethe in seiner "Farbenlehre": "Die Beweglichkeit der Farbe ist so groß, daß selbst diejenigen Pigmente, welche man glaubt spezifiziert zu haben, sich wieder hin und her wenden lassen. Sie [....] wird durch wechselsweise Anwendung der Säuren und Alkalien am auffallendsten bewirkt." Ganz richtig lag Goethe damit natürlich nicht: Hin und her gewendet werden die Pigmente beim Wechsel von der Säure zur Base natürlich nicht, sondern sie verändern durch Austausch von Protonen ihre Struktur. Doch durchaus richtig hatte Goethe erkannt, dass es Farbstoffe gibt, die sich beim Wechsel vom sauren ins alkalische Milieu reversibel verändern.
Alle Stoffe sind entweder sauer, basisch oder neutral. Das Maß dafür ist der pH-Wert, pH steht für "potentia Hydrogenii" – lateinisch für die "Kraft des Wasserstoffs". Der pH-Wert ist eine dimensionslose Zahl und errechnet sich aus der Konzentration der Wasserstoffionen. Bei neutralen Flüssigkeiten liegt der pH-Wert bei 7, bei sauren ist er kleiner, bei alkalischen größer als 7.
Vom pH-Wert wusste Goethe freilich noch nichts, denn dieser wurde erst im Jahr 1909 definiert. Doch der Klassiker unter den Verfahren zur Bestimmung des pH-Werts, der Lackmustest, war schon dem Dichter und Denker ein Begriff: "Hievon ist diejenige Operation, die wir mit dem Lackmus zu machen pflegen, eine der bekanntesten und auffallendsten", schrieb er in seiner "Farbenlehre".
- Bunt ist die Welt der Säure-Base-Indikatoren: Sie zeigen Veränderungen des pH-Werts durch meist sehr deutliche Farbumschläge an.
Foto: lio, Photocase.com
Heute ist der Lackmustest fast nur noch im sprichwörtlichen Sinne von Bedeutung – der Begriff wird gebraucht, wenn eine richtungsweisende Entscheidung ansteht.
In den Labors werden zur Bestimmung des pH-Werts heute meist elektronische Messgeräte eingesetzt oder aber Universal-Indikatorpapiere. Diese sind mit verschiedenen Farbstoffen ausgestattet, die jeweils auf einen bestimmten pH-Bereich ansprechen. Damit kann insgesamt ein breites Spektrum abgedeckt werden. Zu den Teststreifen wird eine Farbskala mitgeliefert, anhand derer sich durch Vergleich der Farbtöne der pH-Wert ablesen lässt. Angeboten werden außerdem Spezialpapiere, mit denen sich pH-Werte zwar nur in einem enger umrissenen Bereich, dafür aber wesentlich genauer bestimmen lassen.
- Wer Zitronensaft in schwarzen Tee gibt, bemerkt eine Aufhellung, die sich nicht allein mit der Verdünnung des Getränks erklären lässt.
Eine hohe Genauigkeit ist für viele Anwendungen jedoch gar nicht nötig. Oft reicht der einfache Nachweis, dass der pH-Wert unter oder über einem bestimmten Wert liegt. Dies ist beispielsweise bei der Sanierung von Beton der Fall, bei der Phenolphthalein-Lösung eingesetzt wird – ein Indikator, der bei pH-Werten von bis etwa 8,2 farblos ist und sich bei höheren pH-Werten – also im alkalischen Bereich – pink färbt.
Großflächig aufgetragen zeigt die Lösung Alterungsschäden am Beton an. Der Baustoff ist anfangs noch hochalkalisch und carbonatisiert im Laufe der Zeit durch Witterungseinflüsse wie beispielsweise sauren Regen. Unter dem Einfluss von Kohlendioxid wandeln sich dabei die alkalischen Bestandteile des Steines in Calciumcarbonat um. Der pH-Wert verschiebt sich damit in den neutralen Bereich – mit der Folge, dass der eingebaute Bewehrungsstahl nicht mehr durch ein alkalisches Umfeld vor Korrosion geschützt ist. Der Test mit Phenolphtalein bringt es an den Tag: Überall da, wo sich der Beton pink färbt, ist die gewünschte Alkalität noch vorhanden.
Überhaupt ist die farbige Vielfalt der Indikatorlösungen groß: Das Bromthymolblau etwa ist im alkalischen Bereich blau, reagiert auf Säuren jedoch gelb und ist im neutralen Bereich grün. Methylorange schlägt bei einem pH-Wert unterhalb von etwa 4 in Rot um und das Thymolphthalein ist unterhalb eines pH-Werts von etwa 10 farblos, um dann in Blau umzuschlagen.
Der Farbeffekt von Indikatorlösungen lässt sich übrigens auch zuhause am Küchentisch erproben: Wer Zitronensaft in schwarzen Tee gibt, bemerkt eine Aufhellung, die sich nicht allein mit der Verdünnung des Getränks erklären lässt. Vielmehr sinkt durch die Zugabe der Säure der pH-Wert des Tees. Dieser enthält sogenannte Theaflavine, die darauf eine deutlich hellere Farbe annehmen. Bekannt ist auch der Versuch mit Blaukraut: Dieses ist rot, wenn beim Kochen eine Säure wie beispielsweise Essig dazugegeben wird. Im alkalischen Bereich ist das Kraut hingegen blau – ein Phänomen, das Goethe entweder entgangen war oder unwichtig erschien: Obwohl der Dichter gerne Blaukraut aß, wie wir aus einem erhalten gebliebenen Brief an einen Freund wissen, hat er es in seiner Farbenlehre nicht erwähnt. (ng/ud)
