Elemente und Moleküle, Schulbuch

62 4 ANoRGANISCHe ReAKtIoNStYPeN Volumetrie oder titration Da Protolysereaktionen zu einem sich rasch einstellenden Gleichgewicht führen, sind sie für quantitative Bestimmungen gut geeignet. Die Methode heißt Volumetrie, die praktische Durchführung Titration . Mit Hilfe einer starken Säure bzw. Base bekannter Konzentration – Titer – kann durch exakte Volumsmessung die Konzentration einer Base bzw. Säure bestimmt werden. Der Endpunkt der ablaufenden Reaktion H 3 O + + OH – 2 H 2 O kann mit Hilfe eines Indikators oder pH-Meters erkennbar gemacht werden. Diese Reaktion wird als Neutralisation – Bildung von Wasser – bezeichnet, obwohl durch die Bildung von Anionen aus der Säure und Kationen aus der Base nicht im- mer neutrale Lösungen (pH = 7) entstehen. Arbeitsweise: Titer: NaOH c = 1 mol/Liter 10 mL einer Säure mit unbekannter Konzentration werden im Titrierkolben vorge- legt. Indikator wird zugefügt (man sieht die Farbe der Indikatorsäure). Aus der Bü- rette wird langsam unter ständigem Schwenken des Titrierkolbens NaOH zugefügt. Durch die Zugabe der Natronlauge erfolgt eine ständige Änderung des pH-Wertes, die mit Hilfe eines pH-Meters verfolgt werden kann. Der Reaktionsverlauf und damit der Kurvenverlauf sind abhängig von der Stärke der Säure. (Abb. 62.1 und Abb. 62.2) Beispiel: starke Säure: HCl HCl + NaOH NaCl + H 2 O H 3 O + aq + Cl – aq + Na + aq + OH – aq 2 H 2 O + Na + aq + Cl – aq Es reagieren nur H 3 O + aq und OH – aq . Zu Beginn ändert sich der pH-Wert sehr wenig. Haben 90 % der vorhandenen Säure reagiert (bei einer HCl-Konzentration von 1 mol/L wäre das nach Zugabe von 9 mL NaOH der Fall), so ist noch immer ein Zehntel der ursprünglichen Säure vorhanden und der pH-Wert hat sich nur um eine Einheit geändert. Für einen weiteren pH- Sprung um eine Einheit müssen wiederum 90 % der noch vorhandenen Säure (dh. 99 % der ursprünglich vorhandenen) reagieren. Dafür ist aber nur mehr ein Zehntel der vorherigen Basenmenge (dh. 0,9 mL in unserem Fall) nötig. Der pH-Wert steigt sprunghaft an, wenn gilt: c (H 3 O + ) = c (OH – ). Hier bewirkt ein Tropfen NaOH das An- steigen des pH-Wertes um 4 bis 5 Einheiten. Den stöchiometrischen Endpunkt der Reaktion bezeichnet man als Äquivalenzpunkt. Dieser liegt in unserem Beispiel bei pH = 7, da nur neutral reagierende Stoffe entstanden sind. (Abb. 62.1) Beispiel: schwache Säure: CH 3 COOH = HAc HAc + NaOH NaAc + H 2 O HAc + Na + aq + OH – aq H 2 O + Na + aq + Ac – aq Es reagiert hauptsächlich nicht protolysierte HAc mit OH – aq . Daher entsteht die Base Ac – . Auch diese Titrationskurve zeigt einen pH-Sprung um den Äquivalenzpunkt, der al- lerdings kleiner ist als bei einer starken Säure gleicher Konzentration. Charakteris- tisch für diese Titrationskurve ist ein zweiter Wendepunkt der Kurve, der bei der halben Menge der benötigten Base liegt. Zu diesem Zeitpunkt haben 50 % der Es- sigsäure mit NaOH zu Acetat-Ionen und Wasser reagiert. Es liegt damit ein 1:1-Puffer (Essigsäure/Acetat) vor und der pH-Wert entspricht dem p K A -Wert der Essigsäure. Durch Titration kann daher auch der p K A -Wert von schwachen Säuren bestimmt werden. Der Äquivalenzpunkt liegt im basischen Bereich, da durch die Reaktion ba- sisch reagierende Acetat-Ionen entstehen. (Abb. 62.2) Abb. 62.3: Titrationskurve von starker Säure und schwacher Base Abb. 62.2: Titrationskurve von schwacher Säure und starker Base Abb. 62.1: Titrationskurve von starker Säure und starker Base 7 13 5 11 3 9 1 0,1-M-NaOH 0,1-M-HCl 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 Zugesetzte mL HCl (c = 0,1 mol/L) Zugesetzte mL NaOH (c = 0,1 mol/L) pH-Wert 7 13 5 11 3 9 1 0,1-M-NaOH 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 Zugesetzte mL HAc (c = 0,1 mol/L) Zugesetzte mL NaOH (c = 0,1 mol/L) pH-Wert 0,1-M-HAc p K A (HAc ) 7 13 5 11 3 9 1 0,1-M-NH 4 OH 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 Zugesetzte mL HCl (c = 0,1 mol/L) Zugesetzte mL NH 4 OH (c = 0,1 mol/L) pH-Wert 0,1-M-HCl p K B (NH 3 ) Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv