Titration einer mehrprotonigen Säure

Titration einer mehrprotonigen Säure Übung

• Nenne die Geräte und Chemikalien, die du für eine Titration von Schwefelsäure benötigst.

  Tipps

  Bei einer Titration erfolgt eine Neutralisation.

  Womit lässt sich Schwefelsäure neutralisieren und was benötigt man, um diese Reaktion auch optisch zu verfolgen?

  Lösung

  Die Titration ist ein analytisches Verfahren, um die Konzentration einer Substanz bestimmen zu können. Soll die Konzentration von Schwefelsäure bestimmt werden, kann das mit Natronlauge geschehen. Dabei ist Natronlauge die Maßlösung, das heißt ihre Konzentration ist bekannt. Die nun ablaufende Reaktion ist eine Säure-Base-Reaktion, genauer eine Neutralisation, wobei Säure und Base zu Salz und Wasser reagieren.

  $2~NaOH + H_2SO_4 \rightarrow Na_2SO_4 + 2~H_2O$

  Den Reaktionsverlauf kann man mit einem Indikator sichtbar machen. Dieser ändert je nach pH-Wert der Lösung die Farbe. Erfolgt also ein Farbumschlag, ist die Titration beendet.

  Um die Menge der zugegebenen Natronlauge möglichst exakt bestimmen zu können, erfolgt die Zugabe über eine Bürette.

• Formuliere die einzelnen Protolyseschritte der Phosphorsäure.

  Tipps

  Schau dir die Formel der Phosphorsäure an. Wie viele Protonen enthält sie?

  Lösung

  Bei der Protolyse werden die Protonen der Säure an einen Protonenakzeptor (in diesem Fall Natronlauge) abgegeben. Diese Protolyse erfolgt schrittweise. In jeder Protolysestufe stellt sich ein neues Gleichgewicht zwischen den Edukten und den Produkten ein. Dabei ist die Deportonierung in jedem Schritt schwieriger. Während die Phosphorsäure ihr Proton noch recht leicht abgibt, ist es sehr viel schwieriger, das Hydrogenphosphat zu deprotonieren.

  Grundsätzlich bedeutet die Verminderung von einem Proton an der Säure die Erhöhung der negativen Ladung des Anions. Werden also alle drei Protonen der Phosphorsäure entfernt, ist das Anion dreifach negativ geladen.

• Unterscheide die Titrationen von Salpetersäure und Kohlensäure mit Natronlauge.

  Tipps

  Schreibe dir die Formeln von Salpetersäure und Kohlensäure auf und bestimme die Anzahl der Protonen.

  Kohlensäure

  Salpetersäure

  Lösung

  Salpetersäure und Kohlensäure unterscheiden sich in der Anzahl ihrer Protonen. Bei Salpetersäure $HNO_3$ handelt es sich um eine einprotonige Säure. Sie hat also nur eine Protolysestufe und damit auch nur einen Äquivalenzpunkt. Der pH-Wert des entstandenen Natriumnitrats am Äquivalenzpunkt liegt somit im neutralen Bereich.

  Anders bei der Kohlensäure $H_2CO_3$: Sie hat zwei Protonen und damit auch zwei Protolysestufen. Im pH-Wert-Volumen-Diagramm wird das in zwei Äquivalenzpunkten sichtbar. Das entstehende Salz Natriumcarbonat ist basisch und somit liegt auch der zweite ÄP erst im basischen Bereich.

• Formuliere die Deprotonierung von Schwefelwasserstoff.

  Tipps

  Die beteiligten Elemente der Säure findest du schon im Namen.

  Schwefelwasserstoff ist eine zweiprotonige Säure.

  Lösung

  Die Protolyse ist die Abgabe von Protonen an ein Akzeptormolekül. Im ersten Schritt gibt Schwefelwasserstoff $H_2S$ ein Proton ab, wodurch das einwertige Anion Hydrogensulfid $HS^-$ entsteht. Im zweiten Schritt wird auch das zweite Proton der Säure abgegeben, wodurch das zweiwertige Sulfidion $S^{2-}$ entsteht.

• Definiere den Begriff mehrprotonige Säure.

  Tipps

  Säuren sind immer Protonendonatoren.

  Lösung

  Grundsätzlich sind Säuren Protonendonatoren. Auch mehrprotonige Säuren können Protonen abgeben, nur eben nicht nur ein Proton pro Molekül, sondern mehrere. Die Säurestärke hat damit nichts zu tun, sie beschreibt nur das Gleichgewicht zwischen dissoziiertem und nicht dissoziertem Zustand.

  Beim Titrieren von mehrprotonigen Säuren musst du darauf achten, dass der Faktor bestimmt wird.

• Berechne die Masse der Schwefelsäure.

  Tipps

  Am Äquivalenzpunkt ist die Stoffmenge der Oxoniumionen gleich der Stoffmenge der Hydroxidionen. Deine vorgelegte Säure ist allerdings eine zweiprotonige Säure.

  Die molare Masse der Schwefelsäure lässt sich aus den Atommassen bestimmen:

  • S: 32 $\frac{g}{mol}$
  • O: 16 $\frac{g}{mol}$
  • H: 1 $\frac{g}{mol}$

  Lösung

  Eine Titration ist ein analytisches Verfahren, um Konzentrationen oder Massen zu bestimmen. Wenn du eine unbestimmte Menge an Schwefelsäure in einem Gefäß hast, kannst du diese durch Titration mit Natronlauge ermitteln.

  Du liest die verbrauchte Menge an Natronlauge ab, die bis zum Farbumschlag nötig war. In diesem Fall waren es 20 ml. Die Konzentration der Natronlauge ist bekannt. Damit kannst du nun die Stoffmenge an Natronlauge bestimmen, die du verbraucht hast:

  $n = V\cdot c$

  $n = 0,02~l \cdot 0,1 \frac{mol}{l} = 0,002~mol$

  Da Schwefelsäure eine zweiprotonige Säure ist, muss am Äquivalenzpunkt die Stoffmenge der verbrauchten Natronlauge doppelt so groß sein, wie die der Schwefelsäure. Zur Neutralisation von einem Mol Schwefelsäure müssen 2 Mol (also doppelt so viel) Natronlauge eingesetzt werden.

  $H_2SO_4 + 2~NaOH \rightarrow Na_2SO_4 + 2~H_2O$

  Die Stoffmenge der Schwefelsäure beträgt also:

  $n_S = \frac{n_B}{2} = 0,001~mol$

  Nun kannst du mit der molaren Masse der Schwefelsäure die Masse berechnen.

  $M = 2\cdot H + 4\cdot O +1 \cdot S$

  $M = 2\cdot 1 \frac{g}{mol} + 4\cdot 16 \frac{g}{mol} +1 \cdot 32 \frac{g}{mol} = 98 \frac{g}{mol}$

  Damit ist dann:

  $m = n \cdot M = 0,001~mol \cdot 98 \frac{g}{mol}$

  Es sind also 0,098 g oder 98 mg Schwefelsäure im Gefäß gewesen.