Warum färbt sich die Phenolphthaleinlösung rot bei der Ammoniaksynthese?

Hallo liebe Community,

in meinem Chemie Lehrbuch (Chemie Plus Klassen 9/10 Gymnasium) steht:

"Werden Stickstoff und Wasserstoff im Experiment mithilfe eines Cer-Eisen-Katalysators zur Reaktion gebracht, kann eine Rotfärbung der wässrigen Pheonlphthaleinlösung beobachtet werden. Dass ist ein Hinweis darauf, dass Stickstoff und Wasserstoff mithilfe eine Katalysators tatsächlich zu Ammoniak reagieren.

N ₂ + 3 H ₂ --> 2 NH ₃

Die Rotfärbung des Phenolphthaleins beim Einleiten von Ammoniak in Wasser beruht auf der Bildung einer alkalischen Lösung durch Protonenübertragung."

Es wird ja gesagt, dass sich die Phenolphthaleinlösung rot färbt, aber "wo" ist denn die Phenolphthaleinlösung? Es tut mir leid falls das eine dumme Frage ist aber ich weiß nicht woher die kommt, weil die taucht ja nicht in der Gleichung der Ammoniaksynthese auf. Also warum schreiben die da plötzlich über Phenolphthaleinlösung?

Dann wird mir mit dem Buch vermittelt dass sich das Phenolphthalein rot färbt aber warum färbt sich dass den Rot? Ich weiß nur dass sich ein Indikator Rot färbt bei positiven Wasserstoffionen, aber die kommen ja in der Gleichung der Ammoniaksynthese nicht vor. Außer wenn das eine Säure-Base Reaktion wäre, aber meiner Meinung ist das keine Säure-Base Reaktion, weil NH3 ist ja amphoter also Säure und Base und als Säure müsste es ja noch ein positives Wasserstoffion aufnehmen und würde somit zu einem positiven Ammonium Ion werden aber das kommt ja in der Gleichung nicht vor.

Im Buch steht es färbt sich Rot durch Bildung einer alkalischen Lösung durch Protonenübertragung. Aber alkalische Lösungen sind ja auch Laugen und deswegen würde sich ein Indikator da ja Blau färben. Und außerdem steht da ja durch Protonenübertragun und damit wird ja wieder gesagt es ist eine Säure-Base Reaktion, aber dass habe ich ja eigentlich schon ausgeschlossen.

Ich bin echt etwas verwirrt.

Ich hoffe ihr könnt mir helfen

LG Pheonix

Answer 1

[DedeM]

Moin,

also: Das ist in deinem Buch in mehrfacher Hinsicht "unglücklich" ausgedrückt. Gemeint ist (glaube ich): Wenn du auf die beschriebene Art und Weise Wasserstoff und Stickstoff zur Reaktion bringst und danach das gasförmige Reaktionsgemisch (in dem dann unverbrauchter Wasserstoff, unverbrauchter Stickstoff und eben das erhoffte Produkt Ammoniak enthalten sind) - wenn du also dieses Reaktionsgemisch durch Wasser leitest, in dem sich der pH-Farbindikator Phenolphthalein befindet, so verfärbt sich der Indikator im Wasser pink bis magentafarben (und nicht "rot" wie es in deinem Buch heißt). Die zugrundeliegenden Reaktionen wären dann:

N2(g) + 3 H2(g) ---[Katalysator]---> 2 NH3(g)

H2(g) + H2O(l) ---[Phenolphthalein]---> keine Veränderung, weil keine Reaktion
N2(g) + H2O(l) ---[Phenolphthalein]---> keine Veränderung, weil keine Reaktion
NH3(g) + H2O(l) ---[Phenolphthalein]--> pinkfarbene Farbveränderung, weil

NH3(g) + H2O(l) ---> NH4^+(aq) + OH^–(aq)

Hydroxid-Anionen im Wasser entstehen lassen, so dass eine basische Lösung (eine Lauge) entsteht, die den Indikator pink bis magenta verfärben.

Da weder Wasserstoff noch Stickstoff in einer Phenolphthaleinlösung eine Farbveränderung hervorrufen, muss es ein Reaktionsprodukt der beiden Gase sein, das die Pinkfärbung auslöst. Und eben das macht Ammoniak (NH3). Darum kann unter den gegebenen Bedingungen davon ausgegangen werden, dass bei dieser Reaktion tatsächlich Ammoniak gebildet wird.

Ein Wort noch zu der Beschreibung"Rotverfärbung" in deinem Buch. Der pH-Farbindikator Phenolphthalein gehört zu den sogenannten Triphenylmethanfarbstoffen. Er hat eine Struktur, die mal farbig sein kann, mal wieder nicht. Das hängt in diesem Fall von der Konzentration der H^+-Ionen (Protonen) bzw. der OH^–-Ionen (Hydroxidionen) ab.

Bei einer Protonenkonzentration, die einen pH-Wert von <0 ergibt (zum Beispiel pH = –1), ist das Phenolphthaleinmolekül komplett protoniert. Dabei entsteht am zentralen Kohlenstoffatom die sogenannte Carbeinium-Ionenform des Moleküls. Diese färbt eine wässrige Lösung tatsächlich rot, aber eben nur dann, wenn seeehr starke Säuren im Wasser in hoher Konzentration gelöst sind und der pH-Wert unter 0 sinkt. Und das passiert bei der Ammoniaksynthese nun wirklich nicht. Schon deshalb ist die Beschreibung in deinem Buch irreführend.

Bei einer Lösung mit einem pH-Wert zwischen 0 und 8,2 ist Phenolphthalein farblos, weil sich die Struktur am zentralen Kohlenstoffatom von einer trigonal-planaren in eine dreidimensional-tetraedrische verändert, so dass Licht nicht mehr im sichtbaren Bereich des Spektrums elektromagnetischer Wellenlängen absorbiert wird.

In einer Lösung mit einem pH-Wert zwischen 8,2 un 12,0 färbt Phenolphthalein die Lösung pink bis magentafarben (und eben nicht "rot"!), weil hier Hydroxid-Anionen dafür sorgen, dass das zentrale Kohlenstoffatom wieder in eine sp2-hybridisierte trigonal-planare Struktur wechselt, die man als chinoide Form bezeichnet, wobei aus dem Spektrum elektromagnetischer Strahlung wieder Wellenlängen absorbiert werden, die im sichtbaren Bereich liegen.

Wenn die Lösung indes einen pH-Wert über 12,0 erreicht, wird es wieder farblos, weil das Phenolphthaleinmolekül dann vollständig deprotoniert ist und sich an das zentrale Kohlenstoffatom ein Hydroxid-Anion addiert, so dass das C-Atom erneut in eine sp3-hybridisierte tetraedrische Geometrie übergeht.

Wenn du das (noch) nicht verstehst, gräm dich nicht. Vielleicht klärt ihr dieses Phänomen ja im späteren Chemieunterricht bei den Farbmitteln...

Aber festhalten kannst du für Phenolphthalein folgende Farbpalette:

• rot bei pH <0
• farblos bei pH 0 bis 8,1
• pink bis magentafarben bei pH 8,2 bis 12,0
• farblos ab pH >12,0

Ich hoffe, deine Verständnisprobleme (des mäßig brauchbaren Textes in deinem Buch) sind nun verschwunden...

LG von der Waterkant

Comments

[Pheonix1234]

Achso jetzt verstehe ich das, vielen Dank (: Das mit der Färbung und dem PH Wert verstehe ich nur so halb aber das hatten wir noch nicht im Unterricht also wird es auch im nächsten Test nicht abgefragt werden.

Das Buch kann man dann ja wirklich in die Tonne treten, viele Schreibfehler und schlechte Erklärungen.

Answer 2

[willi55]

Phenolphthalein ist ein Basen-Indikator. Er wird färbt sich magenta (Telekom-Farbe), wenn OH- Ionen vorhanden sind. Verwechsle Phenolphthalein also nicht mit Universalindikator.

Ammoniak reagiert mit Wasser: NH3 + H2O --> NH4+ + OH-

Wenn in der Lösung der Indikator Phenolphthalein war, so färbt sich die Lösung von farblos zu "rot" (besser pink oder magenta).

Woher ich das weiß: Studium / Ausbildung – Gelernt ist gelernt