Versuch 30: Farbwechsel durch Trockeneis - Einleitung

Trockeneis ist die feste Form des Kohlenstoffdioxids. In und mit Wasser bildet sich aus der Reaktion des Kohlenstoffdioxids die Kohlensäure. Um Säuren in Wasser nachzuweisen verwendet man Stoffe, die sich im Zusammenspiel mit einer Säure ändern. Dieser Nachweis über typische Reaktionen von Stoffen mit anderen Stoffen ist ein fester Grundstein der chemischen Analyse.

Stoffe, die anzeigen (lat. indicare) das ein anderer Stoff typisch mit ihnen reagiert hat nennt man Indikatoren. Im Fall der Säuren und Basen werden Säure/Base-Indikatoren benötigt, die die typischen Bestandteile dieser Stoffgruppen nachweisen: Protonen und Hydroxidionen. Säure/Base-Indikatoren sind selbst schwache (meist organische) Säuren (oder Basen, was wir aber für den Moment vernachlässigen wollen). In Wasser geben diese Säuren Protonen an das Wasser ab. Da es sich um schwache Säuren handelt geben sie ihre Protonen aber nur teilweise und in einem Gleichgewicht mit dem Wasser ab.

Ein konjugierendes (zusammenspielendes) Π-Bindungssystem in der organischen Struktur der Indikatoren sorgt für die typische Farbe des Farbstoffs. So schwierig der Satz auch klingt; es sind immer komplexe zusammenspielende Strukturen, die Farben entstehen lassen, indem sie Lichtenergie einer bestimmten Wellenlänge aufnehmen und einer anderen Wellenlänge abgeben, doch das sind andere Versuche und andere Themen. Durch die Protonenabgabe unserer schwachen Indikatorsäure in Wasser verändert sich deren konjugierendes System und damit auch die Farbe des Indikators. Ist die Lösung arm an Protonen werden viele Protonen des Indikators an das Wasser abgegeben und er nimmt eine typische Farbe an.

Die Zugabe von Protonen sorgt dann für eine Protonierung des Indikators der dadurch Veränderungen seines Bindungssystems erfährt, was uns durch eine andere typische Farbe deutlich wird. Zwischen diesen beiden Extremzuständen (keine Protonen / viele Protonen) können die beiden Formen und Farben des Indikators zu einer oder mehreren Mischfarben führen. Ein Beispiel ist der Farbstoff Bromthymolblau. In protonierter Form ist der Indikator gelb und in deprotonierter Form blau. Die Mischung beider Farben ergibt grün.

Sicherheitssymbole

Als Schülerversuch geeignet. Schutzbrille tragen! In den Ausguss geben.

Chemikalien

  • Trockeneis
  • Bromthymolblau
  • Lackmuslösung
  • Universalindikator
  • Seife

Materialien

  • 5 Bechergläser
  • Tiegelzange

Durchführung

Man füllt 5 Bechergläser und gibt Indikatoren, wie auf dem Foto zu sehen, hinzu. Die Indikatorlösungen sollten mit Lauge leicht alkalisch eingestellt werden.

Nacheinander werden Trockeneisstücke in die Gläser gegeben. Warmes Wasser erhöht den Dampfeffekt

Entsorgung

%

Ergebnisse

Die Lösungen fangen an zu brodeln, weißer Nebel steigt auf und die Indikatoren ändern ihre Farbe. Das -78°C kalte, feste Trockeneis verdampft im viel wärmeren Wasser.

Trockeneis hat die Eigenschaft gleich in den gasförmigen Aggregatszustand überzugehen. In Wasser lösen sich große Mengen an Kohlenstoffdioxid. Bei entsprechender Sättigung reagiert ein kleiner Teil davon in folgender Weise:

H2O + CO2 → H2CO3

Die Oxoniumionen sorgen für einen Farbumschlag bei den Indikatoren. Da vorhergehend etwas Lauge in die Lösungen gegeben wurde muss der Genauigkeit halber gesagt werden, dass diese zuerst durch die Kohlensäure neutralisiert wird, wobei sich in geringem Maße Carbonate und Hydrogencarbonate bilden. Die Seifenlösung im ersten Becherglas wird durch das aufsteigende Kohlenstoffdioxid aufgeschäumt.

Der weiße Nebel über den Gläsern entsteht durch das Abkühlen der Luftfeuchtigkeit, also Wasserbestandteilen über den Bechergläsern. Bei warmem Wasser ist der Anteil entsprechend höher und so auch der Nebel. pH Indikatoren sind schwache organische Säuren bei denen die protonierte Form eine andere Farbe hat als die Form ohne Proton.

Für die verwendeten pH Indikatoren gelten folgende Farbumschläge: Lackmus (rot/blau), Methylrot (rot/gelb), Methylorange (rot/orange), Phenolphthalein(farblos/pink), Bromthymolblau (gelb/blau), Thymolphthalein (farblos/blau).

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Hinweise

Trockeneis ist ca. -78°C kalt. Es darf auf keinen Fall mit der Hand angefasst werden. Bei Experimenten mit großen Mengen an Trockeneis muss für entsprechende Belüftung des Raumes gesorgt werden.

Versuchsvideo

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Versuchsbild

Bild zu Versuch: Farbwechsel durch Trockeneis

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NEU

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