Säure-Base-Titration (Grundlagen)

Säure-Base-Titration (Grundlagen) Übung

• Definiere die Begriffe rund um Titration.

  Tipps

  Lösung

  Säure-Base Titration ist ein maßanalytisches, quantitatives Verfahren zur Bestimmung der Konzentrationen von Säuren oder Basen in einer Lösung. Man unterscheidet zwischen Alkalimetrie, in welcher die Konzentration einer Säure mithilfe einer Base bestimmt wird, und Acidimetrie, bei welcher analog die Konzentrationsbestimmung einer Base mithilfe einer Säure stattfindet.

  Die Bestimmung eines bekannten Stoffes mit unbekannter Konzentration erfolgt durch Titration mit einer geeigneten Maßlösung. Dies ist eine Lösung mit exakt bestimmter Konzentration.

  Im Verlauf der Titration erfolgt eine Neutralisation, weil die ${H_3O}^+$ und $OH^-$-Ionen zu $H_2O$ reagieren. Der Endpunkt der Titration ist der Äquivalenzpunkt, der durch geeignete Indikatoren angezeigt wird, welche bei einer Änderung des pH-Wertes der Lösung einen Farbumschlag zeigen.

• Bestimme folgende Punkte aus der Titrationskurve.

  Tipps

  Entstehen bei der Titration saure oder basische Salze, so liegt der Endpunkt nicht mehr genau bei pH = 7.

  Bei der Titration starker Säuren und Basen gibt es einen sehr scharfen pH-Sprung.

  Lösung

  Der Startpunkt d ist nur abhängig von der Probenlösung. Da ein pH-Wert von 2,5 vorliegt (saurer Bereich), muss es sich in der Vorlage um eine Säure handeln. Erst am Kurvenverlauf wird dann deutlich, ob es sich um eine starke oder schwache Säure handelt.

  Durch tropfenweise Zugabe von Base erhöht sich der pH-Wert langsam. Schlussendlich ergibt sich ein Kurvenverlauf mit zwei Wendepunkten (Sattelpunkten). Der erste Wendepunkt c legt genau den Punkt fest, an dem der pH-Wert dem $pK_S$-Wert der Säure entspricht. Der zweite Wendepunkt liegt im pH-Sprung, an dem der Farbumschlag des Indikators erfolgt.

  Bei der Neutralisation zwischen einer schwachen Säure, wie z.B. Essigsäure, mit einer starken Base (z.B. NaOH) bilden sich ein basisches Salz und Wasser: $NaOH + CH_3COOH \rightarrow CH_3COONa + H_2O$.

  Dieses basische Acetat steht mit dem Wasser in einem Protolyse-Gleichgewicht: $CH_3COONa + H_2O \rightarrow CH_3COOH + OH^- + Na^+$

  Der Endpunkt der Titration liegt also nicht beim Neutralpunkt b, sondern beim im Basischen verschobenen Äquivalenzpunkt.

  • Der Endpunkt a (Äquivalenzpunkt) liegt nur bei der Titration von starker Säure mit starker Base genau am Neutralpunkt.

• Berechne den Gehalt einer Natronlauge-Lösung.

  Tipps

  Die Stoffmenge ist das Produkt aus Volumen und Konzentration: $n = c \cdot V$

  Der Gehalt berechnet sich über das Produkt aus Stoffmenge und molarer Masse.

  Lösung

  Bei der Titration von HCl mit NaOH bilden sich NaCl und Wasser. Aus den Verbrauch an Natronlauge und einer genau bestimmten Konzentration dieser Maßlösung lässt sich der Gehalt an HCl feststellen:

  • $c(NaOH) \cdot V(NaOH) = n(NaOH)$
  • $n(NaOH) = 0,01 \frac {mol} {l} \cdot 10 \cdot 10^{-3} l = 0,0001~ mol$

  Am Äquivalenzpunkt, d.h. dem Punkt, an dem die Konzentration an Säure und Base gleich groß ist, gilt: $n(HCl) \equiv n(NaOH)$.

  • $n(HCl) = \frac {m(HCl)} {M(HCl)}$
  • $\to m(HCl) = n(HCl) \cdot M(HCl)$
  • $m(HCl) = 0,0001~mol \cdot 36,5 \frac {g} {mol} \equiv 3,65~mg$

  Damit betrug der Gehalt an Chlorwasserstoff in der zu untersuchenden Lösung 3,65 mg.

• Bestimme die Titrationskurve für die Maßanalyse von Oxalsäure mit Natronlauge.

  Tipps

  $pK_s(HOOC-COOH) = 1,25$

  Lösung

  Oxalsäure ist eine starke, zweiprotonige Säure. Bei der Titration gegen Natronlauge müssen damit zwei Äquivalenzpunkte auftauchen. Der erste stammt sozusagen aus der Titration der einen Säuregruppe und der zweite aus der Titration bis zum Natrium-oxalat:

  • 1.) $HOOC-COOH + NaOH \rightarrow HOOC-COONa + H_2O$
  • 2.) $HOOC-COONa + NaOH \rightarrow NaOOC-COONa + H_2O$

  Damit liegen während der Titration ständig die starke Oxalsäure und eine schwache Säure als Oxalat-Ion nebeneinander vor. Diese lassen sich getrennt bestimmen, weil die pH-Sprünge weit genug auseinander liegen.

  Die anderen Bilder sind der Titration einer starken Säure mit starker Base (Auswahl 1), Titration einer schwachen Säure mit einer starken Base (Auswahl 2) und der Titration von einer dreiprotonigen Säure z.B. Phosphorsäure (Auswahl 4) zuzuordnen.

• Nenne einen geeigneten Indikator für die Titration von Essigsäure mit Natronlauge.

  Tipps

  Findet die Neutralisationsreaktion zwischen einer starken Säure und einer schwachen Base statt, so ist die wässrige Lösung des entstandenen Salzes sauer.

  z.B.

  • $NH_3 + {H_3O}^+ + Cl^- \rightarrow NH_4Cl + H_2O$
  • $NH_4Cl + H_2O \rightarrow NH_3 + {H_3O}^+ + Cl^-$

  Lösung

  Eine schwache Säure (z.B. Essigsäure, Ameisensäure) und eine starke Base bilden in einer Neutralisationsreaktion ein basisches Salz und Wasser:

  • $CH_3COOH + NaOH \rightarrow CH_3COONa + H_2O$

  Die wässrige Lösung des Salzes reagiert basisch:

  • $CH_3COONa + H_2O \rightarrow CH_3COOH + Na^+ + OH^-$

  Deswegen liegt der Äquivalenzpunkt bei dieser Titration im basischen Bereich verschoben. Ein geeigneter Indikator ist das Phenolphthalein. Dieser hat seinen Umschlagpunkt im basischen Bereich, welcher eine rosa-rote Färbung zeigt.

• Erkläre, warum Rotkohl-Saft bei Zugabe von Säure die Farbe ändert.

  Tipps

  Ammoniak ist eine schwächere Base als Natronlauge.

  Der Äquivalenzpunkt lässt sich aus dem „pH-aktiven“ Salz, was bei der Neutralisation entsteht, ableiten.

  Lösung

  Die Anthocyane im Rotkohl sind die Farbstoffe, die den Rotkohlsaft zu einer Indikatorlösung machen. Bei hoher Protonenkonzentration ist der pH-Wert niedrig (pH < 7), d.h. die Lösung ist sauer. Im Gegenteil dazu ist bei einer niedrigen Protonenkonzentration der pH-Wert sehr groß und die Lösung ist basisch (pH > 7).

  Die schwache Ameisensäure verursacht im Rotkohlsaft eine violette Färbung und bildet mit Kalilauge in einer Neutralisationsreaktion das basisch reagierende Kaliumformiat und Wasser:

  • $HCOOK + H_2= \rightarrow HCOOH + K^+ + OH^-$

  Deswegen liegt der Umschlagpunkt der Titration eher im basischen Bereich bei blau-grün.

  Ammoniak hingegen zeigt im Rotkohlsaft eine grün-gelbe Farbe. Wird dieser mit Salzsäure titriert, so entsteht bei der Neutralisation das saure Ammoniumchlorid.

  • $NH_4Cl + H_2O \rightarrow NH_3 + {H_3O}^+ + Cl^-$

  Damit liegt der Äquivalenzpunkt im sauren Bereich und zwar ebenfalls bei violett.