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T3- NATURWISSENSCHAFTENVon der Säure-Base- bis zur Redox-TitrationExperimente für den Chemieunterricht mit digitalen MedienFrank Liebner (Hrsg.)

T3- NATURWISSENSCHAFTENVon der Säure-Base- bis zur Redox-TitrationExperimente für den Chemieunterricht mit digitalen MedienFrank Liebner (Hrsg.)Redaktion:Jürgen KauschkaAutoren:Maria Amling, Marc Brode, Eva Friedrich, Melanie Kraus; Ulrich Leckelt,Frank Liebner, Evelin Mietschke, Cordula Rahn, Thomas Reiske, Markus Schwar z14

VorwortDie Nutzung graphikfähiger Taschenrechner mit und ohne CAS (im Folgenden mit TRbezeichnet) im mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterricht hat sich in denvergangenen Jahren stark verbreitet.War der Einsatz dieser Medien lange Zeit vorrangig auf den Mathematikunterrichtbeschränkt, zeigen sich immer mehr Einsatzmöglichkeiten der Handheldtechnologie in denFächern Biologie, Chemie und Physik.Dadurch, dass Sensoren direkt an verschiedene Taschenrechner oder Computerangeschlossen werden können, eröffnen sich weitere, neue Wege für einen modernen,interessanten und praxisnahen mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterricht.Messwerterfassung genau dort einzusetzen, wo herkömmliche Methoden versagen, bietetden Lernenden die Möglichkeit Lerninhalte besser zu verstehen und unterstützt dieLehrenden bei der Vermittlung dieser.Bevor Sie starten, liebe Leserinnen und Leser, möchten Ihnen die Autoren einige Hinweisezum Umgang mit dem vorliegenden Material geben.TMAlle Beiträge wurden mit dem TI-Nspire CX/CAS oder der Software und entsprechendenSensoren erarbeitet. Auf eine ausführliche Beschreibung des Handlings wurde in der Regelverzichtet. Sie finden entsprechende Materialien unter: www.wiki.zum.de/TI-Nspire/Glossar undwww.ti-unterrichtsmaterialien.netDas erste Kapitel „Einführung in die Säure-Base-Titration“ beinhaltet wesentliche Grundlagendes Analyseverfahrens „Titration“ wie z. B. die Leitfähigkeitstitration von Salz- und Ethansäure mit Natronlauge.Dabei geht es hauptsächlich darum, Grundkenntnisse zu erarbeiten oder zu festigen. In denFolgebeiträgen werden verschiedene Anwendungsmöglichkeiten von Titrationen angeboten.Die einzelnen Experimentierbeschreibungen enthalten: Kopiervorlagen, die für die Hand der Schülerinnen und Schüler gedacht sind, Lehrermaterialien mit didaktisch-methodischen Hinweisen und ausführlichenLösungen, gegebenenfalls weitere Hinweise zum jeweiligen Titrationsverfahren.In den Kopiervorlagen finden Sie Aufgabenstellungen, die mit “ * “ gekennzeichnet sind.Diese unterscheiden sich von den anderen Aufgaben durch einen erhöhten Schwierigkeitsgrad und können z. B. als Zusatzmaterial eingesetzt werden.Wichtige Hinweise für die Nutzer des vorliegenden MaterialsBei der Erarbeitung der Experimente wurden die aktuell gültigen Sicherheitsbestimmungenim Umgang mit Chemikalien zu Grunde gelegt. Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dassder betreuende Fachlehrer die Verantwortung für den sachgerechten Umgang mitChemikalien, die Einhaltung von Sicherheitsbestimmungen und das fachgerechte Entsorgender Chemikalien trägt.Alle Anleitungen wurden sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen die Herausgeber undAutoren für die Richtigkeit von Aufgaben, deren Lösungen, Hinweisen und Ratschlägensowie für eventuelle Druckfehler keine Haftung.

Einführung in das quantitative AnalyseverfahrenDie visuelle Bestimmung des Endpunktes einer Titration ist subjektiven Einflüssen unterworfen. Im Verlauf der Titration verändern sich aber auch physikalische Parameter in derLösung, z. B. die Leitfähigkeit, das elektrische Potential oder die Lichtabsorption bei einerbestimmten Wellenlänge.Wenn man mit einem geeigneten Sensor die entsprechende Messgröße während der Titration verfolgt, kann bei der Endpunktbestimmung der subjektive Faktor weitgehend vermieden werden. Elektrische Messgrößen wie Leitfähigkeit oder Potenziale lassen sich dabei ameinfachsten erfassen und verarbeiten. Daher beruhen viele instrumentelle Analysenmethoden auf dieser Grundlage.Bei der Konduktometrie nutzt man die Tatsache, dass die verschiedenen Ionenunterschiedliche Leitfähigkeiten besitzen. Da bei der Titration eine Ionenart durch eineandere ersetzt wird, ändert sich im Verlauf der Titration die Leitfähigkeit mehr oder wenigerstark.Die Potentiometrie nutzt die Konzentrationsabhängigkeit des elektrochemischen Potenzialseiner Ionensorte gemäß der NERNST-Gleichung aus. Das Potenzial einer Messelektrode, diediese Ionensorte anzeigt, wird gegenüber einer Referenzelektrode gemessen.Bei Redoxreaktionen, z. B. der Titration von Eisen(II)- mit Permanganat-Ionen, wird einPlatindraht als Universal-Messelektrode genutzt.Mittels Potentiometrie können aber auch andere Reaktionen wie Fällungs- oder Komplexbildungsreaktionen verfolgt werden.Ein grundsätzliches Problem der Potenziometrie ist, dass das elektrochemische Potenzialeiner Ionenart an der Elektrode durch „Fremd-Ionen“ in der Lösung beeinflusst werden kann.Es wäre daher wünschenswert, Elektroden zu haben, die nur auf eine Ionensorte ansprechen.Die Glaselektrode ist ein Beispiel für eine solche ionenselektive Elektrode, weil das Potenzialan der Glasmembran nur von der Konzentration der Wasserstoff-Ionen abhängt.Das Potenzial einer mit Silberchlorid bedeckten Silber-Elektrode hängt über das Fällungsgleichgewicht von der Konzentration an Chlorid-Ionen ab. Da auch Bromid- oder Iodid-Ionenschwerlösliche Silbersalze bilden, beeinflussen Sie das Elektrodenpotenzial.Die potenziometrische Bestimmung des Chlorid-Ionengehaltes durch Fällungstitration mitSilbernitratlösung ist somit nur möglich, wenn die Chlorid-Ionenkonzentration viel höher alsdie der störenden Ionen ist, was z. B. bei Trinkwasser der Fall ist.

Inhaltsverzeichnis1Einführung in die Säure-Base-Titrationen11.1Titration von Salzsäure/Essigsäure mit Natriumhydroxidlösung unterVerwendung eines Leitfähigkeitssensors Das Prinzip der Leitfähigkeitstitration Bestimmung des Äquivalenzpunktes bei einer konduktometrischenTitration2Titration von Salzsäure/Essigsäure mit Natriumhydroxidlösung unterVerwendung eines pH-Sensors Funktionsweise einer pH-Elektrode Bestimmung des Äquivalenzpunktes bei pH-Wert-Titrationen61.2459111.3Titration von Natriumhydroxidlösung mit Salzsäure unter Verwendungeines Temperatursensors (Thermometrische Titration)131.4Titration von Oxalsäurelösung mit Natriumhydroxidlösung unterVerwendung eines pH-Sensors151.5Zusammenfassung verschiedener Titrationen - Schülerarbeitsblatt172Anwendungen von Säure-Base-Titrationen2.1Bestimmung des Massenanteils an Natriumhydroxid mittels pH-Wertoder Leitfähigkeitstitration182.2Ermittlung des Massenanteils von Essigsäure im Haushaltsessig212.3Bestimmung der Masse an Ascorbinsäure in einem Vitamin-C-Präparatmittels pH-Wert-Titration242.4Bestimmung der Stoffmengenkonzentration einer Natriumacetatlösungunter Verwendung eines Leitfähigkeitssensors282.5Bestimmung des Säuregehaltes in Coca-Cola mittels pH-Wert-Titration Anleitung zur Nutzung eines Tropfenzählers32373Spezielle Titrationen3.1Titration eines Säuregemisches unter Verwendung eines Leitfähigkeitssensors393.2Bestimmung der Calcium-Ionenkonzentration in einer ProbeLeitungswasser mittels Leitfähigkeitstitration423.3Bestimmung der Masse an Ascorbinsäure in verschiedenen Fruchtsäftendurch Redoxtitration Prinzip der Redoxtitration mittels Redoxelektrode Bestimmung des Titrationsfaktors einer Kaliumpermanganatlösung4748493.4Bestimmung der Masse an Magnesiumsulfat durch Leitfähigkeitstitration533.5Bestimmung der Chlorid-Ionenkonzentration in Leitungswasser mittelsLeitfähigkeitstitration573.6Titration der Aminosäure Glycin unter Nutzung eines pH-Sensors603.7Titration von Pufferlösungen mittels pH-Sensor64

1 Einführung in die Säure-Base-TitrationSäure-Base-Titration mittels pH-, Leitfähigkeitsund TemperatursensorEinführungTitrationen spielen in vielen Bereichen der analytischen Chemie eine große Rolle. Siekommen z. B. bei der Bestimmung des Säuregehaltes von verschiedenen Lebensmitteln,bei der Ermittlung der Wasserhärte oder bei Konzentrationsbestimmungen mittelsRedoxtitration zum Einsatz.Im ersten Teil des nachfolgenden Materials werden die Grundlagen der verschiedenenTitrationen am Beispiel von Säure-Base-Titrationen erarbeitet. Erfahrungen haben gezeigt,dass die Schülerinnen und Schüler die Auswertung der Leitfähigkeits- und Thermometrischen Titration ohne größere Probleme bewältigen. Die Interpretation der Graphen beipH-Wert-Titrationen fällt den Lernenden oft schwer.Für die pH-Wert- und Leitfähigkeitstitration finden Sie jeweils eine Anleitung zur Ermittlungdes Äquivalenzpunktes mittels mathematischer Modelle.LernvoraussetzungenSchülerinnen und Schüler beherrschen die Säure-Base-Theorie nach BRÖNSTED. haben Kenntnisse über starke und schwache Säuren. beherrschen die Titration als maßanalytischesVerfahren. kennen die Begriffe: Neutral-, Äquivalenz- undHalbäquivalenzpunkt. besitzen Kenntnisse über Puffersysteme.Empfehlungen zum EinsatzDer erste Teil des vorliegenden Materials (Varianten derSäure-Base-Titration) bietet viele verschiedene Möglichkeiten zum Einsatz im Unterricht.Da alle Experimentieranleitungen unabhängig voneinandereinsetzbar sind, können die Titrationen als Einzelexperimente durchgeführt werden.Bei einem Stationenlernen ist zu bedenken, dass dieTitrationen oft sehr zeitaufwändig sind. Hier bietet es sichan, Schülerteams verschiedenen Stationen (maximal 2)zuzuteilen. Die Ergebnisse können anschließend in einerkurzen Präsentation der gesamten Klasse oder demgesamten Kurs zur Verfügung gestellt werden.In der Auswertung sollten die einzelnen Titrationenmiteinander verglichen werden. Dazu eignet sich dasArbeitsblatt am Ende dieses Beitrages.Im Anschluss an die Einführung zur Säure-BaseTitrationen werden verschiedene praxisrelevante Einsatzmöglichkeiten dargestellt.Die vorgeschlagenen Versuche sind so aufbereitet, dasssie alle als Einzelexperimente genutzt werden können.-1-3 2014 T Deutschland

1.1 Titration von Salzsäure/Essigsäure mit Natriumhydroxidlösung unter Verwendung eines LeitfähigkeitssensorsTitration von Salzsäure/Essigsäure mit Natriumhydroxidlösung unterVerwendung eines LeitfähigkeitssensorsTitrieren Sie Salzsäure oder/und Essigsäure mit Natronlauge unter Verwendung 5 mLBereiten Sie den Rechner (Ereignisse mit Eintrag) und denLeitfähigkeitssensor (Messbereich: 0 – 20000 µS·cm–1) zurDatenaufnahme vor.Legen Sie 100 ml einer Säure (c 0,1 mol.l–1) in einemBecherglas vor.Titrieren Sie unter Rühren mit mindestens 15 mlNatriumhydroxidlösung (c 1 mol.l–1), wobei die ZugabeIntervalle zwischen 0,5 und 1 ml liegen sollten.Messen Sie nach jeder Zugabe von Natriumhydroxidlösungdie Leitfähigkeit.Achten Sie darauf, dass als Ereignis immer dasGesamtvolumen an zugegebener Natriumhydroxidlösungeingegeben werden muss.Natriumhydroxidlösungc 1 e c 0,1 mol.l-1Durchführung einer zweiten TitrationNachdem Sie die Messwerte der ersten Titration gespeichert haben kann die Titration mit deranderen Säure in der bereits beschriebenen Art und Weise durchgeführt werden.AuswertungFertigen Sie ein Protokoll unter Einbeziehung nachfolgender Aufgaben an.1Entwickeln Sie für die bei der jeweils durchgeführten Titration ablaufende Reaktion dieGleichung in Ionenschreibweise.2Skizzieren Sie die Veränderung der Leitfähigkeit in Abhängigkeit vom Volumenzugegebener Natriumhydroxidlösung in ein Koordinatensystem.3Interpretieren Sie die aufgenommene(n) Titrationskurve(n).Kurvenverlauf. Gehen Sie dabei auch auf den Äquivalenzpunkt ein.ErklärenSieden4* Ermitteln Sie den Äquivalenzpunkt unter Verwendung Ihres Rechners.Hinweis:Ionenäquivalenzleitfähigkeit bei unendlicher Verdünnung λ in S·cm2·mol–1H3O Cl–OH–Na CH3COO–350761995041KAMP, H. & SCHREPPER, R., Chemische Formeln und Daten, Ernst Klett Schulbuchverlag3 2014 T Deutschland-2-

1.1 Titration von Salzsäure/Essigsäure mit Natriumhydroxidlösung unter Verwendung eines LeitfähigkeitssensorsTitration von Salzsäure/Essigsäure mit Natriumhydroxidlösung unterVerwendung eines lien– Becherglas (V 200 ml, hohe Form)– Salzsäure und/oder Essigsäure der jeweiligenStoffmengenkonzentration c 0,1 mol.l–1;100 ml jeder Säure pro Versuchsdurchführung– Natriumhydroxidlösung der Stoffmengenkonzentration c 1 mol.l–1;ca. 20 ml pro Versuchsdurchführung– Magnetrührer oder Glasrührstab– Bürette (V 50 ml)– Maßkolben (V 100 ml)– LeitfähigkeitssensorEinstellungen zur Datenaufnahme / Erfassungsmodus– Ereignis mit Eintrag– Messbereich:(Name: Volumen; Einheit: ml)0 – 20000 µS·cm–1LösungenLeitfähigkeitstitration von 100 ml Salzsäure der–1Stoffmengenkonzentration c 0,1 mol·l mitNatriumhydroxidlösung der Stoffmengen–1konzentration c 1 mol·l(starke Säure, starke Base)Leitfähigkeitstitration von 100 ml Essigsäure der–1Stoffmengenkonzentration c 0,1 mol·l mitNatriumhydroxidlösung der Stoffmengen–1konzentration c 1 mol·l(schwache Säure, starke Base)ReaktionsgleichungReaktionsgleichung- -Cl H3O Na OH- Cl Na 2 H2OInterpretation:----3-Zuerst sinkt die Leitfähigkeit der Lösung, daHydronium- mit Hydroxid-Ionen neutralisiertwerden und somit die Stoffmengenkonzentrtion der Hydronium-Ionen abnimmt.Am Tiefpunktpunkt ist die Neutralisationsreaktion beendet.Nach dem Tiefpunktpunkt steigt dieLeitfähigkeit aufgrund der weiter zugegebenenNatriumhydroxidlösung wieder an.Der Tiefpunktpunkt entspricht demÄquivalenzpunkt.Da die Ionenäquivalenzleitfähigkeit derkontinuierlich zugegebenen Natrium-Ionenwesentlich kleiner als die der neutralisiertenHydronium-Ionen ist, sinkt die Leitfähigkeit derLösung zu Beginn der Titration.CH3-COO- H3O Na OH-CH3-COO- Na 2 H2OInterpretation:- Essigsäure ist eine schwache Säure unddissoziiert unvollständig.- Obwohl Hydronium- mit Hydroxid-Ionenneutralisiert werden, steigt die Leitfähigkeitder Lösung am Beginn der Titration langsaman.Der Anstieg ist auf die durch Neueinstellungdes Protolysegleichgewichts nachgebildetenHydronium- und Acetat-Ionen zurückzuführen. Die Natrium-Ionenkonzentrationnimmt ebenfalls durch die fortlaufendzugegebene Natriumhydroxidlösung zu.- Im Verlauf der Titration steigt die Leitfähigkeitder Lösung stärker an, da die Neutralisationsreaktion beendet ist und weiterhinNatriumhydroxidlösung zugegeben wird.- Der Äquivalenzpunkt entspricht dem Schnittpunkt der beiden linearen Kurvenabschnitte.3 2014 T Deutschland

Das Prinzip der LeitfähigkeitstitrationDie Leitfähigkeitstitration (konduktometrische Titration) ist eine Analysenmethode, die zumEinsatz kommen kann, wenn z. B. kein geeigneter Indikator zur Verfügung steht.Voraussetzung ist, dass sich die elektrische Leitfähigkeit der Lösung durch ablaufendeReaktionen (z.B. Neutralisations- oder Fällungsreaktionen) deutlich ändert.Der reziproke Wert des Ohmschen Widerstands (R) einerLösung wird auch als Leitwert (G) bezeichnet und vonvielen Messgeräten direkt angezeigt. Er hängt von der Artund Anzahl der in der Lösung enthaltenen Ionen sowievon der Temperatur des Lösungsmittels ab. Die Einheit istSiemens.Uin ΩI11G in 1 S (Siemens)RΩIn verdünnten Lösungen wird die Wanderung vonKationen und Anionen als unabhängig voneinanderangenommen.Aus der Wanderungsgeschwindigkeit der Ionen wird derenIonenäquivalentleitfähigkeit (λ ; λ–) bestimmt. Diese ist inverdünnten Lösungen unabhängig von der Konzentrationund in Tabellenbüchern zu finden.Ionenäquivalentleitfähigkeit beiunendlicher Verdünnung in:R cm 2S cm 2 Ω molmolDie Gesamtleitfähigkeit (λ) oder auch Äquivalentleitfähigkeit einer verdünnten Lösung setztsich aus den Ionenäquivalentleitfähigkeiten der in ihr vorhandenen Ionen zusammen.Der gemessene Leitwert (G) hängt also von der elektrischen Leitfähigkeit (k) der Lösung und außerdem vomQuerschnitt (A) der zur Messung verwendeten Elektrodenund ihrem Abstand (l) ab. Bei den handelsüblichenLeitfähigkeitssensoren sind der Elektrodenquerschnitt undder Abstand fest, so dass der gemessene Leitwert direktproportional zur elektrischen Leitfähigkeit ist.AG k lAbstandlElektrodenZur Kalibrierung von Messzellen werden Kaliumchloridlösungen unterschiedlicher Konzentration verwendet.Um eine Polarisierung der Elektroden und mögliche Reaktionen an den Elektroden zuverhindern, erfolgt die Leitfähigkeitsmessung mittels Wechselstrom bei hohen Frequenzen.Bei Leitfähigkeitsmessungen, die ausschließlich zur Bestimmung des Äquivalenzpunktesbei Titrationen genutzt werden, kann eine Kalibrierung der Messsonde entfallen.In verdünnten Lösungen besteht ein linearer Zusammenhang zwischen Leitwert undKonzentration. Bei der graphischen Darstellung ergeben sich Geraden. Der Schnittpunktdieser Geraden stellt den Äquivalenzpunkt dar.3 2014 T Deutschland-4-

Bestimmung des Äquivalenzpunktes bei einer konduktometrischen TitrationAus Gründen der Übersicht ist es günstig,nur jeweils eine Titrationskurve zubearbeiten. Dazu kann beispielsweise einneues Fenster geöffnet werden, um dieDaten nochmals darzustellen.„Data&Statistics“nach Betätigung der Taste tab öffnetsich an der x- oder y- Achse desKoordinatensystems ein Menu;Auswahl der Datenreihe; Bestätigungmit enterverschiebbare Gerade einfügenmenu 4:Analysieren2:Verschiebbare Gerade einfügenDiese Gerade ist jetzt so zuverschieben, dass möglichst alle Punkteeines Graphenastes auf ihr liegen.Die Funktionsgleichung wird alsVariable gespeichert.Eine zweite Gerade ist analog soanzupassen, dass die anderen Punktedes Graphen möglichst genau auf ihrliegen.GeradenApplikation „Calculator“ öffnen. Für dievorher eingefügten Geraden werden dieunter den Variablen hinterlegten Termeaufgerufen und gleichgesetzt. DurchLösen dieser Gleichung mittels solveBefehl wird die Schnittstelle der beidenGeraden berechnet.menu 3:Algebra 1:Löse varVariablen auswählenDa die Funktionsgleichungen derGeraden zur Verfügung stehen, kannder zur Schnittstelle zugehörige y-Wertberechnet werden.Gleichungen-5-3 2014 T Deutschland

1.2 Titration von Salzsäure/Essigsäure mit Natriumhydroxidlösung unter Verwendung eines pH-SensorsTitration von Salzsäure/Essigsäure mit Natriumhydroxidlösung unterVerwendung eines pH-SensorsTitrieren Sie Salzsäure oder/und Essigsäure mit Natriumhydroxidlösung unter Verwendungeiner pH-Elektrode.Versuchsdurchführung25 mLBereiten Sie den Rechner (Ereignisse mit Eintrag) zurDatenaufnahme vor.Legen Sie 100 ml einer Säure (c 0,1 mol.l–1) in einemBecherglas vor.Titrieren Sie unter Rühren mit mindestens 15 ml Natriumhydroxidlösung (c 1 mol.l–1), wobei die Zugabe-Intervallezwischen 0,5 und 1 ml liegen sollten.Nach jeder Zugabe von Natriumhydroxidlösung ist der pHWert zu messen.Achten Sie darauf, dass als Ereignis immer das Gesamtvolumen an zugegebener Natriumhydroxidlösung eingegeben werden muss.Natriumhydroxidlösungc 1 mol.l-1GlasrührstabpH-SensorSalzsäure c 0,1 mol.l-1Durchführung einer zweiten TitrationNachdem Sie die Messwerte der ersten Titration gespeichert haben, kann die Titration mit deranderen Säure in beschriebener Art und Weise durchgeführt werden.AuswertungFertigen Sie ein Protokoll unter Einbeziehung nachfolgender Aufgaben an.1Entwickeln Sie für die bei der jeweils durchgeführten Titration ablaufende Reaktion dieGleichung in Ionenschreibweise.2Skizzieren Sie die Veränderung des pH-Wertes in Abhängigkeit vom Volumenzugegebener Natriumhydroxidlösung in ein Koordinatensystem.Interpretieren Sie den Kurvenverlauf.3Vergleichen Sie die aufgenommenen Titrationskurven anhand von drei charakteristischenUnterscheidungsmerkmalen.4* Zur Endpunktbestimmung der Maßanalyse soll ein Indikator eingesetzt werden. WählenSie für die jeweilige Titration einen geeigneten aus. Erläutern Sie Ihre Entscheidung unterEinbeziehung einer einpH- Umschlagbereich4,4 bis 6,26,8 bis 8,08,3 bis 10,0Farberot / gelbrot / gelbfarblos / rot5* Ermitteln Sie unter Verwendung Ihres Rechners den Äquivalenzpunkt.3 2014 T Deutschland-6-

1.2 Titration von Salzsäure/Essigsäure mit Natriumhydroxidlösung unter Verwendung eines pH-SensorsTitration von Salzsäure/Essigsäure mit Natriumhydroxidlösung unterVerwendung eines ––– Salzsäure und Essigsäure der jeweiligenStoffmengenkonzentration c 0,1 mol.l–1;100 ml jeder Säure pro Versuchsdurchführung– Natriumhydroxidlösung der Stoffmengenkonzentration c 1 mol.l–1;ca. 20 ml pro VersuchsdurchführungBecherglas (V 200 ml, hohe Form)Magnetrührer oder GlasrührstabPipettenBürette (V 50 ml)Maßkolben (V 100 ml)– pH-SensorEinstellungen zur Datenaufnahme / Erfassungsmodus– Ereignis mit Eintrag(Name: Volumen; Einheit: ml)LösungenpH-Wert-Titration von 100 ml Salzsäure der–1Stoffmengenkonzentration c 0,1 mol·l mitNatriumhydroxidlösung der Stoffmengen–1konzentration c 1 mol·l(starke Säure, starke Base)pH-Wert-Titration von 100 ml Essigsäure der–1Stoffmengenkonzentration c 0,1 mol·l mitNatriumhydroxidlösung der Stoffmengen–1konzentration c 1 mol·l(schwache Säure, starke Base)ReaktionsgleichungReaktionsgleichung- -Cl H3O Na OH- Cl Na 2 H2OInterpretation:- Am Beginn der Titration steigt der pH-Wertlangsam.- Im Verlauf des Experimentes gibt es einenpH-Wertsprung. Nach diesem steigt derpH-Wert wieder langsam an.- Neutral- und Äquivalenzpunkt liegen im pHWertsprung bei pH 7.CH3-COO- H3O Na OH-Interpretation:- Nach einem langsamen Anstieg des pHWertes zu Beginn des Experimentes folgt einpH-Wertsprung, nach dem der pH-Wertwiederum langsam ansteigt.- Der Graph besitzt zwei Wendepunkte. Dererste heißt Halbäquivalenzpunkt und es gilt:–c(HAc) c(Ac ). c(A ) pH pK S lg c(HA) pH pk S lg(1) --7-CH3-COO- Na 2 H2OpH pk SDer zweite Wendepunkt ist der Äquivalenzpunkt. Dieser liegt bei pH 8 und fällt nichtmit dem Neutralpunkt zusammen.3 2014 T Deutschland

1.2 Titration von Salzsäure/Essigsäure mit Natriumhydroxidlösung unter Verwendung eines pH-Sensors3Vergleich der Titrationskurven:z. B.- Am Beginn der Titration gilt trotz gleicher Anfangskonzentration:pH(Salzsäure) pH(Essigsäure).- Die Titrationskurve von Essigsäure mit Natriumhydroxidlösung besitzt im Gegensatzzur anderen zwei Wendepunkte.- Bei der Titration von Essigsäure liegt der Äquivalenzpunkt bei pH 8. Neutral- undÄquivalenzpunkt fallen im Gegensatz zur Titration von Salzsäure nicht zusammen.4Titration der Salzsäure- Neutralrot- Äquivalenz- und Neutralpunkt stimmen übereinTitration der Essigsäure- Phenolphthalein- Neutralpunkt und Äquivalenzpunkt stimmen nicht überein- Protolyse der Acetat-Ionen bestimmt den pH-Wert am ÄquivalenzpunktCH3–COOH OH–CH3–COO– H2O- pH-Wert am Äquivalenzpunkt ist größer als 73 2014 T Deutschland-8-

Funktionsweise einer pH-ElektrodeDie Auswertung einer Neutralisationstitration mittels pH-Wertmessung bezeichnet man alspotentiometrische Titration.Die Messmethode beruht auf der Veränderung eines Potenzials in Abhängigkeit derWasserstoff-Ionenkonzentration. Die Messung des Potenzials erfolgt durch eineGlaselektrode.Am Äquivalenzpunkt kommt es zu einer sprunghaften Potenzialänderung.Mit diesem Verfahren können z. B. Maßanalysen durchgeführt werden, für die es keinengeeigneten Indikator gibt bzw. bei denen farbige Lösungen untersucht werden.Bestimmte Glassorten bilden an der Oberfläche ein Potenzial aus, das über einen großenpH-Wertbereich annähernd mittels der NERNST-Gleichung beschrieben werden kann.Die Glasmembran der Elektrode besteht aus einem speziellen Silikatglas. An derGlasoberfläche, in der so genannten Gelschicht, werden Natrium-Ionen aus dem Glasherausgelöst, wobei –SiOH – Gruppen entstehen. Dies kann durch nachfolgende, vereinfachte Gleichung beschrieben werden:–SiONa H2O–SiOH Na OH–Da die Kieselsäure eine schwache Säure ist, dissoziieren die –SiOH – Gruppen an derOberfläche des Glases, wodurch Wasserstoff-Ionen in Lösung gehen. SiOH H2O–SiO– H3O Die Lage dieses Dissoziationsgleichgewichts ist von der Konzentration der Hydronium-Ionenin der angrenzenden Lösung abhängig. Je nachdem wie sich das Gleichgewicht einstellt,entsteht an der Glasoberfläche eine negative Aufladung gegenüber der Lösung und eskommt zur Ausbildung eines elektrochemischen Potenzials.Da sich im Innenraum der Glaselektrode einePufferlösung befindet, entsteht ein konstantesPotenzial. Das Potenzial auf der Außenseite derMembran hängt von der Hydronium-Ionenkonzentration der zu untersuchenden Lösung ab.Die Potenzialdifferenz zwischen der Innen- orid-(Ag/AgCl)-Arbeitselektrode innenund andererseits von der in der pH-Elektrodebefindlichen Silber/Silberchlorid-Bezugselektrode demMessgerät zugeführt. Die Bezugselektrode ist überdas Diaphragma mit der zu untersuchenden Probeleitend verbunden. Bei Messungen ist daher darauf zuachten, dass das Diaphragma in die Messlösungeintaucht.Bei den sich einstellenden Potenzialen handelt essich nicht um Redox- sondern um Membranpotenziale, die aber auch mittels der NERNSTGleichung beschrieben werden können.Messgerät"Arbeitselektrode"Ag/AgClein mit ez.B. Ag/AgClDiaphragmaPufferlösung mitKaliumchloridGlasmembranschematischer Aufbau einer pH-ElektrodeE R T c(H /außen) ln F c(H /innen) E 0,059 V (pH(innen) pH(außen))NERNST-Gleichung-9-3 2014 T Deutschland

Da die Vorgänge an der Außenseite der Glasmembran von der „Freibeweglichkeit“ derHydronium-Ionen in der wässrigen Lösung abhängig sind, wird eigentlich die Aktivität derHydronium-Ionen und nicht deren Konzentration gemessen. Dies kann zu geringfügigenFehlern bei konzentrierten Lösungen führen. Außerdem ist unbedingt zu beachten, dass dassich einstellende Potenzial von der Temperatur abhängig ist. Dies bedeutet, dass dieBestimmung des pH-Wertes temperaturabhängig ist. pH-Elektroden mit eingebautenTemperaturfühlern gleichen diesen Messfehler automatisch aus.Für die Messung des pH-Wertes ist ein weiterer Effekt zu beachten. Theoretisch ändert sichdie gemessene Spannung um 59 mV je pH-Einheit. Praktisch ist dies aus verschiedenenUrsachen nicht der Fall.Daher werden Glaselektroden vorher mit zwei Pufferlösungen bekannten pH-Werteskalibriert. Bei der Titration ist eine Kalibrierung nicht unbedingt nötig, da nicht der genaue pHWert, sondern der pH-Wertsprung ermittelt wird.3 2014 T Deutschland- 10 -

Bestimmung des Äquivalenzpunktes bei pH-Wert-TitrationenFür die Ermittlung des Äquivalenzpunktes mittels Rechners ist es günstig, viele Daten zurVerfügung zu haben. Bei den nachfolgenden Beispielen wurden die Zugabeintervalle vonNatriumhydroxidlösung V 0,5 ml gewählt.Titration von Salzsäure mit NatriumhydroxidlösungDie Daten werden aus der Applikation„DataQuest“ in t“Cursor auf die erste Zeile, erste Spaltesetzen var 3:Verknüpfen mit;Auswahl der DatenreiheWiederholung des Vorganges für diezweite Datenreihe (pH-Wert)In der Applikation „List&Spreadsheet“ berechnet man jeweils die Änderungsrate alsDifferenzenquotienten aus der pH-Wertänderung und der Größe des Intervalls derzugegebenen Maßlösung.Das Extrema von den so berechneten Werten liegt beim Äquivalenzpunkt der Titration.„Lists&Spreadsheet“Spalte benennen (abl)Cursor auf die zweite Zeile, dritte Spaltesetzen; Formel eingebenKopieren der eingegebenen Formelctrl menu 2:Kopieren enterSpalte markierenctrl menu 3:Einfügen enter„Data&Statistics“nach Betätigung der Taste tab öffnetsich an der x- oder y-Achse desKoordinatensystems ein Menu; Auswahlder Datenreihe; Bestätigung mit enterHinzufügen einer y-Variablenmenu 2:Plot-Eigenschaften8:Y-Variable hinzufügen- 11 -3 2014 T Deutschland

„Data&Statistics“Ermittlung des Volumens anzugesetzter Natriumhydroxidlösung, andem die Änderungsraten ein Maximumbesitzen:Cursor auf den entsprechenden Punktrücken10 9.18Titration von Essigsäure mit NatriumhydroxidlösungDie oben beschriebene Vorgehensweise wird auch bei der Titration von Essigsäure mitNatriumhydroxidlösung zugrunde gelegt.Es ist möglich, die zwei Wendepunkte (Halbäquivalenz- und Äquivalenzpunkt) derTitrationskurve zu ermitteln.Der Äquivalenzpunkt entspricht wieder demMaximum der Änderungsraten.10 8.42Für die Ermittlung des Halbäquivalenzpunktes ist die graphische Darstellungaufgrund ihrer Auflösung nicht geeignet. Inder Applikation „Lists&Spreadsheet“ kannjedoch das Minimum der Änderungsratenrecht gut ermittelt werden.3 2014 T Deutschland- 12 -

1.3 Titration von Natriumhydroxidlösung mit Salzsäure unter Verwendung eines TemperatursensorsTitration von Natriumhydroxidlösung mit Salzsäure unter Verwendung einesTemperatursensors (Thermometrische Titration)Titrieren Sie Salzsäure mit Natriumhydroxidlösung unter Verwendung eines Temperatursensors.VersuchsdurchführungHinweise:25 mLBereiten Sie den Rechner (Ereignisse mit Eintrag) zur Datenaufnahme vor.Geben Sie 20 ml Natriumhydroxidlösung (c 1 mol.l–1) in einKalorimetergefäß. Bestimmen Sie die Temperatur derLösung.Versetzen Sie vorsichtig und unter Rühren die Natriumhydroxidlösung 7-mal mit je 5 ml Salzsäure (c 1 mol.l–1).Messen Sie nach jeder Säurezugabe die Temperatur.Achten Sie darauf, dass als Ereignis immer das Gesamtvolumen an zugegebener Salzsäure eingegeben werdenmuss.Salzsäure c 1 dlösungc 1 mol.l-1- Die gegebenen Lösungen müssen diegleiche Temperatur besitzen.- Um genaue Messwerte zu erhalten, ist einzügiges Arbeiten notwendig.AuswertungFertigen Sie ein Protokoll unter Einbeziehung nachfolgender Aufgaben an.1Stellen Sie die Temperaturänderung bei der durchgeführten Titration in Abhängigkeit desVolumens zugegebener Säurelösung graphisch dar.2Interpretieren Sie den Kurvenverlauf mit Hilfe der zu Grunde liegenden Neutralisationsreaktion.Geben Sie den Äquivalenzpunkt für die durchgeführte Titration an.3* Vergleichen Sie das Verfahren der thermometrischen Säure-Base-Titration mit der SäureBase-Titration mittels Indikator.Gehen Sie auf Vor- und Nachteile der Verfahren ein.- 13 -3

Experimente für den Chemieunterricht mit digitalen Medien Von der Säure-Base- bis zur Redox-Titration Frank Liebner (Hrsg.) Frank Liebner (Hrsg.) . Autoren für die Richtigkeit von Aufgaben, deren Lösungen, Hinweisen und Ratschlägen . Mittels Potentiometrie können aber auch andere Reaktionen wie Fällungs- oder Komplexbil-