Chemie-Arbeitsblatt _ _ Klasse _ _ _ Name ______________________________________________________________Datum _ _ ._ _._ _

Arbeitsauftr�ge zur Leitf�higkeitstitration

Stillarbeitsphase zur Vorbereitung: (auch im Team kann still gearbeitet werden!)

Formuliere zu allen vier Versuchen die entsprechenden Reaktionsgleichungen!

Spezifische Ionenleitf�higkeit bei 25 �C
*Kationen 10^-3 [Sm²/mol]*	*Anionen 10-3[Sm²/mol]*
H₃O⁺ : 35,0	OH G: 19,9
Li⁺ : 3,87	F G: 5,54
Na⁺ : 5,01	Cl G: 7,64
K⁺ : 7,35	NO₃ G: 7,15
Ca²⁺ : 11,9	MnO₄ G: 6,28
Ag⁺ : 6,19	SO₄² G: 16,0
Cu²⁺ : 10,7	CH₃COO G: 4,09
Fe³⁺ : 20,5

Nach dem bisher bekannten S�ure-Base-Titrationsverfahren muss n(S�ure) = n(Base) sein. Die Molzahl n ist das Produkt aus Konzentration c [mol/l] und Volumen V [l]. Berechne - soweit aus den angegebenen Versuchsdaten ersichtlich - die �quivalenzpunkte bzw. die fehlenden Daten auf der Basis der Beziehung n(S�ure) = n(Base)!

�berlege f�r alle vier Titrationen den hypothetischen Kurvenverlauf aufgrund der Daten zur spezifischen Ionenleitf�higkeit! Dabei musst Du besonders die Reaktionsgleichung genau anschauen: wer f�ngt in der Reaktion an, ist also vorhanden, wer geht in die Reaktion ein, wer geht aus der Reaktion heraus?

Bearbeite schriftlich die Fragen aus dem Text �Theorie der Leitf�higkeit"! (3 Fragen)

Bearbeite die Arbeitsauftr�ge im Arbeitsblatt �Leitf�higkeitstitration" (5 Arbeitsauftr�ge)!

Skizziere den besonderen Leitf�higkeitsmechanismus der H₃O⁺- und OHG-Ionen �ber die Wasserstoff-br�ckenbindungen, in dem du in einem Verbund von mindestens 10 Wassermolek�len die einzelnen Phasen des Bindungswechsels (�Umklappen") in einer �Filmsequenz" darstellst.

F�r �Flash"-, � Macromedia-Dreamweaver"-Fans oder sonstige Gif-Animations-Freaks: Stelle den Arbeitsauftrag 6 in einer elektronischen Animation her.

Erkundige dich im Internet �ber Leitf�higkeit, deren Grundlagen, ihre Anwendung und ggf. vorhandene Animationen und bringe diese in den Unterricht ein!

L�sungen

Formuliere zu allen vier Versuchen die entsprechenden Reaktionsgleichungen!

A: HCl(aq) + NaOH(aq) �> NaCl(aq) + H₂O(l)
Oder in Ionenform: H₃O⁺(aq) + ClG(aq) + Na⁺(aq) + OHG(aq) �> ClG(aq) + Na⁺(aq) + 2 H₂O(l)

B: Ba²⁺(aq) + 2 OHG(aq) + 2 H₃O⁺(aq) + SO₄²G(aq) �> BaSO₄(s) + 4 H₂O(l)

C: Protolyse-Reaktion: CH₃COOH(aq) + H₂O(l) � CH₃COOG(aq) + H₃O⁺(aq)
Neutralisation: H₃O⁺(aq) + Na⁺(aq) + OHG(aq) �> Na⁺(aq) + 2 H₂O(l)

D: wie C!

Nach dem bisher bekannten S�ure-Base-Titrationsverfahren muss n(S�ure) = n(Base) sein. Die Molzahl n ist das Produkt aus Konzentration c [mol/l] und Volumen V [l]. Berechne - soweit aus den angegebenen Versuchsdaten ersichtlich - die �quivalenzpunkte bzw. die fehlenden Daten auf der Basis der Beziehung n(S�ure) = n(Base)!

A: n(S�ure) = n(Base) Salzs�ure-Natronlauge
c(S) * V(S) = c(B) * V(B) Gegeben: V(S) = 0,1 L, c(S) = 0,01 mol/L, c(B) = 0,1 mol/L

Gesucht: V(B)

    V(B)            = c(S) * V(S) / c(B)
                       = 0,01 mol/L * 0,1 L / 0,1 mol/L
                       = 0,01 L = 10 mL

B: n(S�ure) = n(Base) Bariumsulfat-Schwefels�ure
c(S) * V(S) = c(B) * V(B) Gegeben: V(S) = experimentell, c(S) = 0,1 mol/L, V(B) = 0,1 L

Gesucht: c(B) = experimentell

    c(B)                 = c(S) * V(S) / V(B)
                           = 0,1 mol/L * 0,015 L / 0,1 L
                           = 0,015 mol/L

Da die Ausgangsl�sung 25 mL betrug und auf 100 mL verd�nnt wurde, ist die Ausgangskonzentration vier-fach so hoch, also 4* 0,015 mol/L = 0,06 mol/L.

C: n(S�ure) = n(Base) Essigs�ure - Natronlauge
c(S) * V(S) = c(B) * V(B) Gegeben: V(S) = 0,1 l, c(S) = 0,1 mol/l, c(B) = 1 mol/l

Gesucht: V(B) = experimentell

     V(B)           = c(S) * V(S) / c(B)
     V(B)           = 0,1 mol/L * 0,1 L / 1 mol/L
                       = 0,01 L = 10 mL

D: n(S�ure) = n(Base) Essigs�ure - Natronlauge
c(S) * V(S) = c(B) * V(B) Gegeben: V(S) = 0,1 L, V(B) = experimentell, c(B) = 1 mol/L

Gesucht: c(S) = experimentell

    c(S)            = c(B) * V(B) / V(S)
    c(S)            = 1 mol/L * ..... L / 0,1 L
                      = _____________ mol/L

�berlege f�r alle vier Titrationen den hypothetischen Kurvenverlauf aufgrund der Daten zur spezifischen Ionenleitf�higkeit! Dabei musst Du besonders die Reaktionsgleichung genau anschauen: wer f�ngt in der Reaktion an, ist also vorhanden, wer geht in die Reaktion ein, wer geht aus der Reaktion heraus?

A: Vor der Titration liegt in der L�sung nur die Salzs�ure vor, eine zu 100% dissoziierte S�ure, also nur H⁺- und ClG-Ionen neben einer �berzahl von Wassermolek�len. Die Gesamt-Leitf�higkeit wird also vor allem durch die spezifische Ionenleitf�higkeit der Wasserstoffionen bedingt.

W�hrend der Titration werden die Wasserstoffionen durch die Hydroxid-Ionen abgefangen und zu Wassermolek�len neutralisiert, die Konzentration an H⁺-Ionen nimmt also ab, damit auch die Leitf�higkeit. Durch die Laugenzugabe nimmt die Konzentration der Na+-Ionen zu, aufgrund der sehr viel geringeren Leitf�higkeit aber kein wirklicher Ausgleich.

Am �quivalenzpunkt existieren nur Chlorid- und Natrium-Ionen mit einer sehr viel geringeren Leitf�higkeit und Wassermolek�le. Die Gesamtleitf�higkeit befindet sich an ihrem tiefsten Punkt. Bei weiterer Zugabe von Lauge �ber den �P hinaus steigt die Leitf�higkeit �hnlich an wie sie bei der Abnahme gefallen ist, beide linear wegen der Proportionalit�t zwischen Leitf�higkeit und Ionenkonzentration. Die LF wird jetzt allein durch die Lauge bedingt, die Steigung ist wegen der geringeren Ionenleitf�higkeit aber niedriger. Die geringe Abnahme LF/mL Lauge wird ist also im ersten Teil durch das Zusammenspiel von H⁺ und Na⁺-Ionen bedingt, im aufsteigenden Ast durch die Ionen der Natronlauge.

siehe dazu auch die Folie: Verlauf der Leitf�higkeitstitration

B: Im Prinzip passiert hier das Gleiche, mit einer zus�tzlichen Komponente: Wasserstoffionen und Hydroxidionen reagieren zu neutralen Wassermolek�len, Barium-und Sulfat-Ionen zu schwerl�slichem Bariumsulfat, was ebenfalls aus dem Gleichgewicht verschwindet. Am �P befinden sich also nur Teilchen in der L�sung, die die Leitf�higkeit nicht beeinflussen, weswegen hier der Wert Null erreicht wird. Der abnehmende und der zunehmende Ast verlaufen steiler, weil im abnehmenden Ast nur H⁺und Sulfat-Ionen entzogen werden, im aufsteigenden Teil aber wieder dazukommen.

C: Die Besonderheit dieser LF-Titration liegt darin, dass die Essigs�ure nur als eine gering in Ionen dissoziierte S�ure vorliegt, der gr��te Teil der Molek�le ist undissoziiert. Werden H⁺-Ionen durch die Lauge abgefangen, dissoziiert die S�ure nach, so lange, bis keine undissoziierten Molek�le vorhanden sind. Deswegen steigt die LF von Anfang an und erreicht am �P einen Wendepunkt, dann n�mlich, wenn die zugef�gten Hydroxid-Ionen f�r eine gr��ere LF sorgen. Die Ionenkonzentration nimmt also w�hrend der gesamten Titration zu, deswegen ist die LF von Anfang > Null. Nach dem �P steigt die LF steiler an wegen der gr��eren Ionenleitf�higkeit der Hydroxid-Ionen.

D: wie C.

Bearbeite schriftlich die Fragen aus dem Text �Theorie der Leitf�higkeit"! (3 Fragen)

1. Begr�nde den proportionalen Zusammenhang zwischen Stromst�rke und Leitf�higkeit bei konstanter Spannung.
Die Stromst�rke ist der Spannung proportional, durch die Einf�hrung einer Proportionalit�tskonstanten R, genannt Widerstand, entsteht eine Gleichheitsbeziehung, das Ohm'sche Gesetz: U=I*R . Die LF ist nichts anderes als der Kehrwert des Widerstandes. Der einzige Unterschied ist, dass sich per definitionem die Stromst�rke auf Elektronen in metallischen Leitern bezieht und die Leitf�higkeit auf leitende Ionen in w�ssrigen L�sungen.

2. Was genau ist die Definition von �spezifischer Leitf�higkeit" und warum wurde diese Definition eingef�hrt?
Der Beitrag der einzelnen Ionen zur Leitf�higkeit ist unterschiedlich gro� und h�ngt ab von der Ladung, der Gr��e der Ionen (Ladung pro Oberfl�che), der Konzentration, der Temperatur. Je gr��er die Ladung pro Oberfl�che ist (Ionenradius!), desto gr��er ist auch die mitzuschleppende Hydrath�lle an Wassermolek�len bzw. die Anziehung durch entgegengesetzt geladene Ionen: Ionenmobilit�t. Von den "gew�hnlichen" Ionen der Salze unterscheiden sich H⁺- und OHG-Ionen durch einen spezifischen "Ladungsumklappmechanismus": hier wandern also nicht Teilchen durch ein Medium von Teilchen, sondern Ladungen in Form von Bindungen der Wasserstoffbr�cken-bindung, also viel schneller als Teilchen.

3. Benenne die Vorg�nge an den Elektroden bei Verwendung von Gleichspannung und begr�nde die Verwendung von hochfrequenter Wechselspannung beim praktischen Einsatz von Messzellen.
An den Elektroden kommt es grunds�tzlich zu Entladungen der Ladungstr�ger, also zur Bildung neutraler Molek�le oder Ladungstr�ger geringerer Ladung. Bei Gleichspannung geschieht dieser Vorgang konstant, die Ionen bewegen sich aufgrudn der Coulomschen Anziehung auf die Elektroden zu. Bei Wechselspannung wird den Ladungstr�gern wenig Zeit zur Entladung gegeben, sie bewegen sich eher "zitternd" zwischen den Polen. Je h�herfrequenter die Wechselspannung, desto weniger gelingt es den Ionen, an der Elektrodenoberfl�che "anzudocken" und sich entladen zu lassen. Also sinkt auch die Zahl der Ladungstr�ger geringer, die Messung ist damit genauer.

Bearbeite die Arbeitsauftr�ge im Arbeitsblatt �Leitf�higkeitstitration" (5 Arbeitsauftr�ge)!

http://en.wikipedia.org/wiki/File:Proton_Zundel.gif: zum sog. Grotthuss-Mechanismus:

Quelle: Wikipedia

Der Grotthu�-Mechanismus, beschrieben von Theodor Grotthu�, hat zur Folge, dass Protonen und Hydroxid-Ionen in w�ssrigen L�sung im elektrischen Feld vermeintlich schneller "wandern" als anderen Ionen. Somit besitzen sie eine gr��ere Leitf�higkeit als andere Ionen.

Bei diesem Mechanismus handelt es sich um einen Kettenmechanismus: statt Protonen durch die L�sung zu transportieren, werden Bindungen und Wasserstoffbr�ckenbindung gel�st und neu gekn�pft. Dies erm�glicht die Bindungen "umzuklappen" und die Ladung sehr schnell weiterzugeben.

update: 02.02.2021 zur�ck zur Hauptseite