Litmuspapier

Lackmuspapier ist das bekannteste Mitglied der chemischen Indikatoren. Wie die meisten pH-Papiere ändert Lackmus seine Farbe, wenn er einer sauren oder basischen Lösung ausgesetzt wird. Die einfache pH-Skala reicht von 0-14, wobei 0 die sauerste, 7 die neutralste und 14 die basischste oder alkalischeste ist. Lackmuspapier wird häufig im erziehungswissenschaftlichen Unterricht verwendet. Aufgrund seiner großen Anerkennung ist es auch in unserer Gesellschaft zu einer kulturellen Referenz geworden. Es ist üblich, den Begriff Lackmustest zu verwenden, wenn man sich auf einen Test bezieht, bei dem ein einzelner Faktor das Ergebnis bestimmt.

Hintergrund

Lackmuspapier bietet einem Beobachter die Möglichkeit, den pH-Wert einer Probe zu beurteilen. Der pH-Wert ist ein Weg, um die relative saure oder basische Natur einer Substanz basierend auf ihrer Wasserstoffionenkonzentration zu charakterisieren. Ein Ion ist ein Atom, das eine elektrische Ladung trägt und daher mit seiner Umgebung reagiert. Ein saurer Stoff setzt in Wasser Wasserstoffionen (H+) frei. Säuren sind als Protonendonatoren bekannt, weil das H+-Ion ein zusätzliches positiv geladenes Proton hat, das versucht, sich durch Kombination mit einem negativ geladenen Ion zu stabilisieren. Eine basische Substanz setzt in Wasser ein Hydroxid-Ion (OH-) frei. Basen werden Protonenakzeptoren genannt, weil das Hydroxidion ein Proton akzeptiert, um sich selbst zu stabilisieren. Interessanterweise ist das Ergebnis, wenn Säuren und Basen kombiniert werden, ein neutrales Salz. Beispielsweise führt eine starke Säure wie Salzsäure in Kombination mit Natriumhydroxid (einer starken Base) zu einer Neutralisationsreaktion mit den Nebenprodukten Natriumchlorid (Kochsalz) und Wasser.

Der pH-Wert ist ein wichtiger biologischer Indikator, da die meisten Lebewesen einen sehr kleinen pH-Bereich haben, in dem sie überleben können. Zum Beispiel ist das Säure-Basen-Verhältnis im menschlichen Körper ein empfindliches Gleichgewicht. Selbst eine geringfügige Änderung des pH-Werts des Blutes in beide Richtungen kann zum Tod führen. Pflanzen sind auch anfällig für winzige pH-Änderungen im Boden. Deshalb wird ein für Pflanzen zu saurer Boden mit Calciumcarbonat-Dünger, einer Base, neutralisiert.

Die einfache pH-Skala reicht von 0-14, wobei 7 neutral ist. Zahlen unter 7 gelten als sauer und Zahlen über 7 als basisch. Je kleiner die Zahl, desto saurer ist die Lösung. Dies bedeutet, dass eine Substanz mit einem pH-Wert von 1 eine größere Fähigkeit besitzt, ein Proton an ein anderes Molekül oder Ion abzugeben als eine Substanz mit einem pH-Wert von 4. Zum Beispiel ist Schwefelsäure sehr effektiv bei der Übertragung eines Hydroxidions, während Essigsäure (Essig) ist es nicht. Daher wird Schwefelsäure als starke Säure und Essigsäure als schwache Säure angesehen. Ebenso gibt es starke und schwache Basen. Eine starke Base wie Kaliumhydroxid nimmt mit ihren häufigeren Hydroxidionen leichter Protonen auf als eine schwache Base wie Ammoniak. Je größer die Zahl, desto stärker die Basis.

Lackmuspapier zeigt zwar effektiv an, ob eine Substanz sauer oder basisch ist, kann aber keinen exakten numerischen pH-Wert angeben. Dazu werden Universalindikatoren oder pH-Meter verwendet. Universalindikatoren bestehen aus einer Vielzahl von Materialien, von denen jedes bei unterschiedlichen pH-Werten unterschiedliche Farben ändert, wodurch der Beobachter genauer bestimmen kann, wo die jeweilige Lösung auf der pH-Skala liegt. Universalindikatoren können auf Papier imprägniert und zu pH-Papier verarbeitet oder in flüssiger Form verwendet werden. Jedem Universalindikator liegt eine Referenzfarbkarte bei, die eine bestimmte Farbe mit einem pH-Bereich korreliert. Im Allgemeinen sind die meisten universellen Indikatoren auf zwei Werte auf der pH-Skala genau. Ein grünes Ergebnis könnte beispielsweise einen pH-Wert von 8-9 anzeigen. Damit können universelle Indikatoren den pH-Wert einer Probe innerhalb eines bestimmten Bereichs quantitativ bestimmen.

pH-Meter ermöglichen eine noch genauere Quantifizierung, indem sie mithilfe von Strom einen numerischen pH-Wert bestimmen. Eine Sonde wird in die Testprobe eingeführt und ein elektrischer Strom fließt durch die Sonde. Da Elektrizität aus negativ geladenen Elektronen besteht, ist die Stromstärke, die durch das Messgerät fließt, direkt proportional zur Wasserstoffionenkonzentration. Je mehr H+-Ionen in der Lösung enthalten sind, desto mehr Strom fließt durch das Messgerät. Diese Zahl wird dann in einen numerischen pH-Wert umgerechnet, der vom Beobachter abgelesen werden kann.

Verlauf

Der Begriff Lackmus kommt von einem altnordischen Wort und bedeutet "färben oder färben". Dies ist passend, da die Flechten, aus denen Lackmus hergestellt wird, seit Hunderten von Jahren auch zum Färben von Stoffen verwendet werden. Über die Anfänge von Lackmus gibt es nur sehr wenige Informationen. Es gibt einige Daten, die darauf hindeuten, dass Lackmuspapier von J.L. Gay-Lussac, einem französischen Chemiker, Anfang des 19. Jahrhunderts entwickelt wurde. Gay-Lussac ist am besten für sein Gesetz der Kombination von Volumen bekannt, das besagt, dass jedes Mal, wenn Gase bei konstanter Temperatur und konstantem Druck gebildet werden oder miteinander reagieren, ihre Volumina in kleinen ganzzahligen Verhältnissen stehen. Mit anderen Worten, wenn sich Gase verbinden, tun sie dies immer auf die gleiche Weise, vorausgesetzt, dass Temperatur und Druck gleich bleiben.

Rohstoffe

Die wichtigsten Rohstoffe für die Herstellung von Lackmuspapier sind Holzzellulose, Flechten und Zusatzstoffe. Lackmuspapier besteht, wie der Name schon sagt, hauptsächlich aus Papier. Das zur Herstellung von Lackmuspapier verwendete Papier muss frei von Verunreinigungen sein, die den pH-Wert des gemessenen Systems verändern könnten. Wie das meiste Papier wird auch Lackmuspapier aus Holzzellstoff hergestellt. Das Holz wird vor der Papierherstellung mit Lösungsmitteln behandelt, um Harz und Lignin aus dem Holz zu entfernen. Eines der am häufigsten verwendeten Lösungsmittel in den Vereinigten Staaten ist ein Sulfat – entweder Natriumsulfat oder Magnesiumsulfat.

Die Fähigkeit von Lackmuspapier, die Farbe zu ändern, wenn es einer Säure oder Base ausgesetzt wird, ist das Ergebnis von Lackmuspapier, das mit Flechten infundiert wird. In der Pflanzenwelt sind Flechten insofern einzigartig, als sie tatsächlich zwei verschiedene Organismen sind, ein Pilz und eine Alge, die als eins leben. Botaniker klassifizieren Flechten als Pilze, weil sie für die sexuelle Fortpflanzung verantwortlich sind. Jede Flechte hat jedoch ihren eigenen Namen. Ungefähr 15.000 verschiedene Arten von Flechten wurden identifiziert. Flechten wachsen auf Felsen, Bäumen und Mauern, im Boden und sogar unter Wasser in praktisch allen Klimazonen. Flechten werden häufig als Maßstab für die Umweltqualität verwendet, da sie empfindlich auf verschiedene Schadstoffe reagieren. Zur Herstellung von Lackmus werden verschiedene Flechtenarten verwendet, darunter Rocella tinctoria, im Mittelmeerraum beheimatet, und Lecanora tartarea, eine häufige Flechte in den Niederlanden. Tatsächlich sind die Niederlande einer der größten Hersteller von Lackmuspapierprodukten.

Design

Die meisten Lackmuspapiere und andere Arten von pH-Indikatoren werden über wissenschaftliche Versorgungsunternehmen verkauft. Lackmuspapier ist sowohl in roten als auch in blauen Varianten erhältlich. Die natürliche Farbe für Lackmuspapier ist blau. Beim Eintauchen in eine saure Lösung färbt sich das blaue Papier rot. Rotes Lackmuspapier wird bei der Herstellung zuerst mit einer Säure vermischt. Dadurch erscheint das Papier rot. In Gegenwart einer Unterlage kehrt das Papier zu seiner natürlichen blauen Farbe zurück.

Der Herstellungsprozess

Die Herstellung von Lackmuspapier hat viele Gemeinsamkeiten mit der Papierherstellung. Dabei wird der Zellstoff zu Papier verarbeitet, das Papier mit der Flechtenlösung angereichert, getrocknet und verpackt.

Umwandlung von Zellstoff

• 1 In diesem ersten Schritt wird Holz zerkleinert und mit einem Lösungsmittel und Wasser unter Dampfdruck vermischt. Die resultierende Masse wird als Zellstoff bezeichnet. Der Zellstoff wird auf einem Drahtgewebeband ausgebreitet und über Rollen geführt. Dies schafft Die pH-Skala. eine dünne Schicht, die getrocknet und zu brauchbarem Papier verarbeitet werden kann. Eine Holzkiste unter dem Band fängt ablaufendes Wasser auf. Da dieses Wasser verwertbare Ballaststoffe enthält, wird es wieder mit dem Zellstoff vermischt.
• 2 Um den Trocknungsprozess zu beschleunigen, werden Luftsaugpumpen unter dem Band verwendet. Während sich das Papier entlang des Bandes bewegt, läuft es unter einem Sieb- oder Drahtzylinder, der als Dandy-Rolle bezeichnet wird, hindurch. Der Zweck der Dandy-Rolle besteht darin, dem Papier ein Gewebe oder Wasserzeichen zu verleihen, das die Papiersorte und den Hersteller identifiziert. Das Papier setzt seinen Weg über das Förderband fort, wo es zwischen zwei filzbeschichteten Walzen (Couchwalzen) gepresst wird, die die Fasern durch Auspressen von zusätzlichem Wasser zwingen, sich zu binden.
• 3 Von diesen Gutschwalzen wird das Papier durch zwei Sätze glatter Metallpresswalzen geschoben, wodurch das Papier eine glatte Oberfläche erhält. Das Papier wird vollständig getrocknet, indem es erhitzten Walzen ausgesetzt, mit rotierenden Messern geschnitten und auf Rollen aufgewickelt wird.

Flechteninfusion

• 4 Um den pH-Wert des Papiers zu aktivieren, wird es dann mit einer wässrigen Lösung, die hauptsächlich aus Flechten besteht, infundiert. Dies geschieht, indem das Papier durch ein Bad der Lösung geführt wird. Es absorbiert die Lösung und wird dann geleitet, um es zu gären und zu trocknen.
• 5 Die Flechten werden in Gegenwart von Kaliumcarbonat und Ammoniak fermentiert. Nach der Gärung hat die Masse eine blaue Farbe und wird dann mit Kreide vermischt. Blaues Lackmuspapier wird durch Imprägnieren von weißem Papier in einem Aufguss der oben genannten Lackmusmischung hergestellt. Anschließend wird das Papier vorsichtig an der Luft getrocknet. Roter Lackmus wird auf ähnliche Weise hergestellt, jedoch wird ein kleiner Prozentsatz von Schwefel- oder Salzsäure hinzugefügt, um ihn rot zu färben.

Verpackung

• 6 Nachdem das Papier vorbereitet wurde, wird es einer Endverpackungsstation zugeführt. Lackmuspapier wird normalerweise in vorgeschnittenen Streifen verkauft. Die Hersteller legen die Streifen in wiederverschließbare Plastikfläschchen. Es ist wichtig, dass die Verpackung die Streifen vor Feuchtigkeit schützt, da jede Flüssigkeit, die mit dem Lackmuspapier in Kontakt kommt, zu einer Farbveränderung des Indikators führen kann. Es ist möglich, wenn auch nicht so üblich, Lackmuspapier in Rollen zu kaufen, die vom Benutzer geschnitten werden können. Die Hersteller liefern auch eine schriftliche Anleitung mit jeder Packung Lackmuspapier, damit der Benutzer weiß, wie man das Produkt richtig verwendet. Bei universellen Indikatorpapieren oder Lösungen reichen schriftliche Anweisungen nicht aus. Eine Farbreferenzkarte wird ebenfalls mitgeliefert, damit der Benutzer das Testergebnis mit der Referenzkarte abgleichen kann, um den pH-Wert zu bestimmen.

Die Zukunft

Lackmuspapier wird aufgrund seiner günstigen Kosten und seiner einfachen Handhabung sicherlich weiterhin in großem Umfang im Bildungsbereich verwendet werden. Einige Flechtenarten sterben jedoch aus. Daher ist es möglich, dass Hersteller von Lackmuspapier in Zukunft auf synthetische Materialien umsteigen. Dies wird bereits von Herstellern anderer Arten von pH-Papieren durchgeführt. Da Lackmus keine quantitativen Ergebnisse liefern kann, kann es auch andere pH-Papiere und pH-Meter nicht ersetzen. Tatsächlich geht der Trend dahin, pH-Indikatoren noch genauer und weniger subjektiv zu machen. Ein solcher Trend besteht darin, faseroptische Sonden in pH-Metern zu verwenden, um sie noch empfindlicher zu machen.