Chemie · Klasse 12–13 · aktualisiert
Titrationskurve auswerten und berechnen
Lies pH-Wert und Maßlösungsvolumen zusammen ab und erkenne Pufferbereich, Halbäquivalenzpunkt und Äquivalenzpunkt.
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Kurz gesagt
Eine Titrationskurve zeigt den pH-Wert gegen das zugegebene Volumen der Maßlösung. Ein flacher Pufferbereich weist auf eine schwache Säure oder Base hin; der steile Abschnitt führt zum Äquivalenzvolumen. Daraus lässt sich mit der Reaktionsgleichung die Probenkonzentration berechnen.
Eine Titrationskurve zeigt, wie sich der pH-Wert einer Probelösung verändert, während du eine Maßlösung zugibst. An ihrem Verlauf erkennst du unter anderem den Pufferbereich, den Halbäquivalenzpunkt und den Äquivalenzpunkt. Das zugehörige Maßlösungsvolumen ermöglicht dir, eine unbekannte Konzentration zu berechnen.
Deine Lernziele
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4 Abschnitte
Auf der x-Achse steht das zugegebene Volumen der Maßlösung, meist in mL; auf der y-Achse der gemessene pH-Wert. Der Startpunkt gehört zur Probe vor der ersten Zugabe. Vor dem Äquivalenzpunkt prägt überschüssiger Probenstoff den pH-Wert, danach überschüssige Maßlösung. Ein pH-Sprung bedeutet große pH-Änderung bei kleiner Volumenzugabe. Lies deshalb bei einem Kurvenpunkt stets beide Koordinaten ab. Der Äquivalenzpunkt ist durch die Reaktionsgleichung bestimmt und kann einen pH-Wert ungleich 7 haben.
Definition
Äquivalenzpunkt
Am Äquivalenzpunkt wurden Säure und Base genau im Verhältnis der Reaktionsgleichung umgesetzt. Bei einer einprotonigen Säure und einer einwertigen Base im Verhältnis 1 : 1 sind ihre umgesetzten Stoffmengen gleich.
Merke: Lies einen Kurvenpunkt immer mit beiden Koordinaten: pH-Wert auf der y-Achse und zugegebenes Maßlösungsvolumen auf der x-Achse.
Teste dich
Für eine starke Säure und starke Base beschreibt \ce{H3O+ + OH- -> 2 H2O} die Umsetzung der wirksamen Ionen. Eine saure Probe beginnt bei niedrigem pH-Wert. Mit basischer Maßlösung steigt der pH-Wert, nahe dem Äquivalenzpunkt stark; danach prägen überschüssige Hydroxid-Ionen den Verlauf. Bei etwa 25 °C liegt der Äquivalenzpunkt hier in Wasser näherungsweise bei pH 7. Eine starke Base als Probe mit saurer Maßlösung beginnt hoch und zeigt einen fallenden Sprung.
Beispiel
- 1Eine Kurve einer starken Säure steigt aus saurem Bereich ohne ausgeprägten Pufferabschnitt in einen steilen Sprung um pH 7.
- 2Die Zuordnung stützt sich auf Start-pH, fehlenden Pufferbereich und Lage des Äquivalenzpunkts zusammen, nicht allein auf den Startwert.
Teste dich
Eine schwache Säure gibt in Wasser nur einen Teil ihrer Protonen ab. Bei gleicher Anfangskonzentration startet sie deshalb weniger sauer als eine starke Säure. Eine starke Base wandelt sie während der Titration in ihre korrespondierende Base um. Bei Ameisensäure entsteht Formiat: \ce{HCOOH + OH- -> HCOO- + H2O}. Das Gemisch aus Ameisensäure und Formiat dämpft kleine Säure- oder Basezugaben: Hydroxid reagiert überwiegend mit Ameisensäure, Oxonium überwiegend mit Formiat. Die Kurve verläuft im Pufferbereich vergleichsweise flach.
Bei einer einprotonigen schwachen Säure und einer 1:1-Reaktion ist am Halbäquivalenzpunkt die Hälfte der ursprünglichen Säure umgesetzt. Säure und zugehörige Base sind gleich konzentriert.
Für eine schwache Säure \ce{HA} und ihre korrespondierende Base \ce{A-} gilt im Pufferbereich näherungsweise die Henderson-Hasselbalch-Gleichung:
\mathrm{pH}=pK_\mathrm S+\lg\!\left(\frac{c(\ce{A-})}{c(\ce{HA})}\right)
Im Zähler steht die Base, hier Formiat; im Nenner steht die Säure, hier Ameisensäure. Am Halbäquivalenzpunkt ist der Quotient 1; wegen \lg(1)=0 gilt \mathrm{pH}=pK_\mathrm S. Der Punkt liegt beim halben Äquivalenzvolumen. Ist das Äquivalenzvolumen beispielsweise 20\,\mathrm{mL}, liegt er bei 10\,\mathrm{mL}. Am Äquivalenzpunkt überwiegt die zugehörige Base; die Lösung liegt im Basischen, ohne allgemeinen festen pH-Wert.
Definition
Halbäquivalenzpunkt
Am Halbäquivalenzpunkt ist genau die Hälfte der ursprünglich vorhandenen schwachen Säure neutralisiert. Säure und korrespondierende Base liegen dann in gleicher Stoffmenge vor.
Merke: Für eine einprotonige schwache Säure unter der Puffer-Näherung gilt am Halbäquivalenzpunkt: halbe Umsetzung und pH = pKₛ. Der Äquivalenzpunkt bedeutet volle stöchiometrische Umsetzung.
Teste dich
Der Pufferbereich ist ein flacher Abschnitt mit schwacher Säure und zugehöriger Base oder umgekehrt. Der Halbäquivalenzpunkt liegt bei halber Umsetzung. Am Äquivalenzpunkt passt die umgesetzte Stoffmenge zur Reaktionsgleichung. Der Neutralpunkt ist bei etwa 25 °C pH 7. Schwache Säure mit starker Base führt zu einem basischen Äquivalenzpunkt; schwache Base mit starker Säure zu einem sauren.
Ein Indikator soll im steilen pH-Sprung umschlagen, möglichst nahe am Äquivalenzpunkt. Bromthymolblau schlägt etwa zwischen pH 6,0 und 7,6 um und passt zur starken Säure mit starker Base. Bei einer schwachen Säure mit starker Base muss der Umschlag im basischen Teil des Sprungs liegen. In einer gedanklichen Auswertung erfolgt die Zugabe nahe dem Sprung langsam und unter Mischen; sonst wird ein zu großes Endvolumen abgelesen. Indikator wird nur sparsam zugesetzt, denn er kann selbst als schwache Säure oder Base wirken. Mehrprotonige Säuren können mehrere Äquivalenzpunkte haben; kleine oder überlappende Sprünge sind schwer zu erkennen.
Nur für eine 1:1-Reaktion gilt c_\mathrm P V_\mathrm P=c_\mathrm M V_\mathrm{M,ÄP}. Das Äquivalenzvolumen allein genügt nicht: Maßlösungskonzentration, Probenvolumen und Reaktionsverhältnis werden ebenfalls gebraucht.
Beispiel
- 1Gegeben: 10\,\mathrm{mL}=0{,}010\,\mathrm L Salpetersäureprobe; Natronlauge mit c=0{,}1\,\mathrm{mol/L}. Aus der Kurve: Äquivalenzpunkt bei 40\,\mathrm{mL}=0{,}040\,\mathrm L.
- 2\ce{HNO3 + NaOH -> NaNO3 + H2O} hat das Verhältnis 1:1.
- 3n(\ce{NaOH})=0{,}1\,\mathrm{mol/L}\cdot0{,}040\,\mathrm L=0{,}004\,\mathrm{mol}.
- 4Daher enthielt die Probe ebenfalls 0{,}004\,\mathrm{mol} Salpetersäure.
- 5c(\ce{HNO3})=0{,}004\,\mathrm{mol}/0{,}010\,\mathrm L. Das ergibt c(\ce{HNO3})=0{,}4\,\mathrm{mol/L}.
Teste dich
Alles auf einen Blick
Titrationskurve
Achsen
Zugabevolumen auf x und pH-Wert auf y
Verlauf
Start, Pufferbereich, pH-Sprung, Überschuss
Halbäquivalenzpunkt
halbe Umsetzung der einprotonigen schwachen Säure
Äquivalenzpunkt
Stoffmengen passen zur Reaktionsgleichung
Indikator
Umschlag im pH-Sprung
Rechnung
Äquivalenzvolumen und bekannte Konzentration verknüpfen
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Aus einer Ameisensäurekurve den Halbäquivalenzpunkt lesen
- 1Eine einprotonige Ameisensäureprobe wird mit starker Base titriert. Die Kurve zeigt den Äquivalenzpunkt bei 36\,\mathrm{mL}.
- 2Das halbe Äquivalenzvolumen ist 18\,\mathrm{mL}: Hier ist die Hälfte der Säure umgesetzt.
- 3Am Kurvenpunkt bei 18\,\mathrm{mL} liest du pH 3{,}75 ab. Unter der Puffer-Näherung folgt pK_\mathrm S\approx3{,}75.
- 4Die Aussage gilt für den Halbäquivalenzpunkt dieser einprotonigen schwachen Säure, nicht für den Äquivalenzpunkt.
Fehler finden
Halbäquivalenzpunkt einer Kurve markieren In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 514 mL markieren den Halbäquivalenzpunkt. Der Äquivalenzpunkt liegt bei 28 mL; die Hälfte ist noch keine vollständige Umsetzung.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
Der ist ein vergleichsweise flacher Kurvenabschnitt. Am gilt bei einer einprotonigen schwachen Säure unter der Puffer-Näherung \mathrm{pH}=pK_\mathrm S. Der wird durch das Stoffmengenverhältnis der Reaktion bestimmt. Nur der Neutralpunkt ist bei etwa 25 °C durch pH 7 definiert.
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
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