Konzentrationsbestimmung durch Titration

In Natur und Technik gibt es viele Säuren bzw. saure Lösungen. In ihrer einfachsten Definition sind sie Stoffe bzw. Lösungen von Stoffen, die sauer schmecken, bestimmte Farbstoffe (Indikatoren) auf bestimmte Weise färben und andere Stoffe wie z.B. Metalle unter Bildung von Wasserstoffgas auflösen. Da sie vielfach verwendet werden, ist es interessant und wichtig, den Gehalt von Säuren zu bestimmen. Grundlage dieser Bestimmung ist die Neutralisationsreaktion nach dem Schema: Säure + Lauge —> Salz + Wasser. Diese Neutralisationsreaktion verläuft sehr rasch. Das „Ende" der Reaktion wird durch den Farbwechsel eines Indikators (Anzeiger) angegeben: der Indikator besitzt in saurer, neutraler und alkalischer Lösung jeweils eine andere Farbe. Deswegen kann man den „Gehalt" von Säuren in Lösungen auch quantitativ bestimmen. Voraussetzung ist jedoch, dass die Stoffmenge der Lauge genau bekannt sein muss. Die Stoffmenge der titrierten Säure wird dann über die Reaktionsgleichung der Neutralisationsreaktion bestimmt. Die Rechnung ist dann besonders einfach, wenn die Gehalte der Lösungen als (Stoffmengen)-Konzentration c in der Einheit mol/L angegeben werden. Zur Übung werden folgende Versuche durchgeführt: Versuch 1: In einen 250-mL-Erlenmeyerkolben werden 10 mL Speiseessig pipettiert und mit ca. 50 mL destilliertem Wasser (aqua dest.) verdünnt. Nach Zufügen einiger Tropfen Indikator-Lösung (Bromthymolblau - BTB) wird mit Natronlauge* der Konzentration c(NaOH) = 1 mol/L bis zum Farbumschlag nach dunkelgrün titriert. Versuch 2: Von frisch gepresstem und filtriertem Zitronensaft werden 10 mL in einen 250-mL-Erlenmeyerkolben pipettiert und mit 10 mL aqua dest. verdünnt. Die Lösung wird mit einigen Tr. BTB versetzt und wie in V1 mit Natronlauge* der Konzentration c(NaOH) = 1 mol/L titriert. Versuch 3: In einen mit 50 mL aqua dest. gefüllten 250-mL-Erlenmeyer-Kolben werden 5 mL Batteriesäure* pipettiert. Wie in V1 wird mit BTB versetzt und mit Natronlauge titriert. Messwerte-Tabelle:
Angabe Versuch 1 Versuch 2 Versuch 3 Volumen der pipettierten Lösung [mL]                Volumen der verbrauchten Maßlösung [mL]       Konzentration der Maßlösung [mol/L]          Konzentration der pipettierten Lösung [mol/L]
Arbeitsaufträge: 1. Trage deine Messwerte (Zeile 1-3) in die Tabelle ein. 2. Berechne die Konzentrationen der pipettierten Lösungen! 3. Welche Rolle spielt die Verdünnung mit destilliertem Wasser? 4. Vergleiche die Konzentrationsangabe des Speiseessigs mit deinem Ergebnis!	c(X) = Konzentration von X, [mol/l] n(X) = Stoffmenge von X, [mol] m(X) = Masse (Stoffportion) von X, [g] M(X)= Molare Masse von X, [g/mol] VLsg(X) = Volumen der Lösung X, [l]
Methodisches Vorgehen zur Lösung des Arbeitsauftrags 2: 1. Reaktionsgleichung für die Stoffumsetzung (Neutralisationsreaktion) aufstellen! 2. Stoffmengenverhältnis angeben! 3. Ersetzen der Stoffmenge n durch umgeformte Gleichung 1 aus dem Kasten! 4. Umformung der Gleichung nach der gesuchten Größe! 5. Bestimmung der Stoffportion m und des Massenanteils T !

Quelle: Tausch, v.Wachtendonk: Chemie 2000+, Band 2

1 C₆H₈O₇ + 3 NaOH —> C₆H₅O₇Na₃ + 3 H₂O             C₆H₈O₇=Csre

2. Stoffmengenverhältnis ablesen:

n(C₆H₈O₇) : n(NaOH) = 1 : 3
<==>     3 n (C₆H₈O₇) = 1 n (NaOH)

3 * (c(Csre) * V_Lsg(Csre)) = c(NaOH) * V_Lsg(NaOH)

4. Umformen der Gleichung nach der gesuchten Größe c(Csre):

3 * c(Csre) = c(NaOH) * V_lsg(NaOH) / V_lsg(Csre)            bei der Titration wurden 9,58 mL NaOH verbraucht
                  = 1 mol/L * 9,58 mL / 10 mL
                  = 0,958 mol/L
    c(Csre) = 0,3193 mol/L

Umformung der Gleichung c(X) = n(X) /V_Lsg(X) nach n: n = c*V
 n(Csre) = 0,3193 mol/L * 0,01 L Lösung = 0,0032 mol Csre
m(Csre) =  n(Csre) * M(Csre)                = 0,0032 mol * 192 g/mol = 0,6131 g

6. Berechnung der Massenprozente

w(Csre) = 0,6131 g / 10 g = 6,131 %

1 H₂SO₄ + 2 NaOH —> Na₂SO₄ + 2 H₂O

2. Stoffmengenverhältnis ablesen
n(H₂SO₄) : n(NaOH) = 1 : 2
   <==>  2 n (H₂SO₄) = 1 n (NaOH)

2 * (c(H₂SO₄) * V_Lsg(H₂SO₄)) = c(NaOH) * V_Lsg(NaOH)

4. Umformen der Gleichung

2 * c(H₂SO₄)  = c(NaOH) * V_Lsg(NaOH) / V_Lsg(H₂SO₄)
                       = 1 mol/L * 49,82 mL / 5 mL        bei der Titration wurden 49,82 mL NaOH verbraucht
2 * c(H₂SO₄) = 9,964 mol/L
    c(H₂SO₄) = 4,982 mol/L

5. Berechnung der Masse

Umformung der Gleichung c(X) = n(X)/V_Lsg(X) nach n: n(X)=c(X)*V(X) 
n(H₂SO₄)  = 4,982 mol/L * 0,005 l Lösung = 0,02491 mol H₂SO₄
m(H₂SO₄) = n(H₂SO₄) * M(H₂SO₄)         = 0,02491 mol * 98 g/mol = 2,4412 g

6. Berechnung der Massenprozente

m(H₂SO₄) = 2,4412 g sind in 0,005 L Wasser gelöst
in 100 mL Wasser entspricht das 48,824 g
Dichte k(H₂SO₄) = m/V = 1,836 g/mL
           V(H₂SO₄) = 26,6 mL H₂SO₄ in 100 mL Lösung 
         w(H₂SO₄)  = 26,6%