pH-abhängige Spektren und Säure-Base-Gleichgewicht
Bromthymolblau als Modellsystem
Bromthymolblau wird im schulisch relevanten Bereich vereinfacht als Gleichgewicht zweier absorbierender Formen behandelt:
- \(\mathrm{HIn}\): gelbe saure Form,
- \(\mathrm{In^-}\): blaue basische Form.
Im Übergangsbereich liegen beide Formen gleichzeitig vor. Die Lösung erscheint grünlich, weil sich ihre Absorptionsspektren überlagern.
Modell in der App
Die Anteile werden mit einem apparenten Modellwert von
berechnet:
Das Gesamtspektrum ist die gewichtete Summe beider Grenzspektren:
Verwendete Modellmaxima:
- gelbe Form: etwa 433 nm,
- blaue Form: etwa 615,5 nm.
Einführung mit pH 4, 7 und 10
Die Schaltfläche Serie pH 4 / 7 / 10 nimmt drei Spektren nacheinander auf und überlagert sie.
Erwartete Beobachtungen
| pH | überwiegende Form | Farbe | starke Absorption |
|---|---|---|---|
| 4 | \(\mathrm{HIn}\) | gelb | um 433 nm |
| 7 | Mischung | grün | beide Bereiche |
| 10 | \(\mathrm{In^-}\) | blau | um 616 nm |
Isosbestischer Bereich
Wenn sich zwei absorbierende Spezies direkt ineinander umwandeln und ihre Gesamtkonzentration konstant bleibt, können sich die Spektren idealerweise in einem gemeinsamen Punkt schneiden.
Die App markiert einen annähernden isosbestischen Bereich um etwa 503 nm.
Ein gemeinsamer Schnittpunkt ist ein starkes Indiz für ein Zwei-Spezies-System, aber kein alleiniger Beweis. Reale Abweichungen können durch Ionenstärke, Nebenformen, Temperatur oder Messfehler entstehen.
Freie pH-Reihe
Für eine vertiefte Untersuchung kann der pH-Wert zwischen 3 und 11 frei gewählt werden.
Sinnvolle Reihen:
- pH 5, 6, 7, 8, 9,
- engere Schritte um \(pK_a\),
- asymmetrische Reihe zur Untersuchung der Grenzbereiche.
Mögliche Auswertungen
Qualitativ
- Farbe und überwiegende Form zuordnen,
- Maxima vergleichen,
- Spektrenüberlagerung beschreiben,
- Umschlagsbereich abschätzen.
Quantitativ
- \(A(433\,\mathrm{nm})\) gegen pH,
- \(A(616\,\mathrm{nm})\) gegen pH,
- Absorbanzverhältnis gegen pH,
- Speziesanteile mit Henderson-Hasselbalch vergleichen.
Aufgaben in der App
EQ-BTB-01 – Drei pH-Werte, drei Spektren
Geführte Aufnahme und Deutung von pH 4, 7 und 10.
EQ-BTB-02 – Den Umschlagsbereich spektral erkunden
Offene Planung einer eigenen pH-Reihe zwischen etwa pH 5 und 9.
Modellgrenzen
- apparenter \(pK_a\)-Wert,
- idealisiertes Zwei-Spezies-Modell,
- parametrisierte Gauß-Banden,
- keine vollständige Abhängigkeit von Ionenstärke und Lösungsmittel,
- keine Temperaturvariation.
Das Modul zeigt das Prinzip eines pH-abhängigen Spektrums und nicht die vollständige physikalisch-chemische Beschreibung des Indikators.