Äquivalentkonzentration

Grundidee und Definition

Die Äquivalentkonzentration c_eq, früher Normalität genannt, ist eine besondere Stoffmengenkonzentration. Sie gibt an, wie viele Äquivalente eines Stoffes in einem bestimmten Volumen einer Lösung vorhanden sind. Sie ist wichtig bei Ionen-, Neutralisations- und Redoxreaktionen sowie in der Maßanalyse.

Sie ist definiert durch c_eq = z · c = z · n/V. Dabei ist z die stöchiometrische Wertigkeit oder Äquivalentzahl, c die Stoffmengenkonzentration, n die Stoffmenge und V das Volumen. Bei z = 3 ist die Äquivalentkonzentration dreimal so groß wie die Stoffmengenkonzentration: Jedes ganze Teilchen wird z-mal gezählt. Der Ausdruck 1/z wird Äquivalentteilchen oder Äquivalent genannt.

Die Wertigkeit z hängt von der chemischen Reaktion ab, für die die Lösung verwendet wird. Deshalb kann dieselbe Lösung je nach Reaktion eine andere Äquivalentkonzentration haben. Außerdem ist c_eq temperaturabhängig: c_eq = f(T). Die frühere Normalität lässt sich auch als N = n_val/V = z · n/V schreiben; n_val ist dabei die Menge der Äquivalente.

Einheit und Bezeichnung

Die übliche Einheit der Äquivalentkonzentration ist mol/Liter. Lösungen mit c_eq = 1 mol/l wurden früher Normallösungen genannt. Eine Lösung mit c_eq = 0,1 mol/l wurde als 0,1-N-Lösung bezeichnet. Die Zeichen N und val stammen aus dieser älteren Schreibweise.

Salz- und Säure-Base-Reaktionen

Bei Salzlösungen kann sich z auf die Zahl bestimmter Ionen beziehen. Natriumcarbonat Na₂CO₃ enthält zwei Natrium-Ionen Na⁺ und ein Carbonat-Ion. Bezogen auf die Natrium-Ionen gilt daher für eine 1-molare Natriumcarbonat-Lösung: z = 2 und damit 2 N.

Bei Säure-Base-Reaktionen sind die Äquivalentteilchen H⁺-Ionen in sauren beziehungsweise OH⁻-Ionen in basischen Lösungen. Schwefelsäure gibt nach H₂SO₄ → SO₄²⁻ + 2 H⁺ zwei Protonen ab. Deshalb enthält eine Lösung doppelt so viele Protonen-Äquivalente wie H₂SO₄-Moleküle: 1 mol/l H₂SO₄ = 2 N H₂SO₄. Umgekehrt ist eine 1-normale H₂SO₄-Lösung ½-molar.

Bei Säure/Base-Titrationen können Säuren ein, zwei oder drei Protonen abgeben oder aufnehmen; Schwefelsäure ist zweiprotonig, Phosphorsäure dreiprotonig. Zur Neutralisation mit Natronlauge werden entsprechend ein, zwei oder drei Teile Natronlauge benötigt. Für die Äquivalentkonzentration wird die molare Masse durch die Zahl der abgebbaren oder aufnehmbaren Protonen geteilt. Am Äquivalenzpunkt gilt für Schwefelsäure und Natronlauge: n^eq(H₂SO₄) = n^eq(NaOH).

Redoxreaktionen

Bei Redoxreaktionen ist ein Äquivalent die Stoffmenge eines Oxidations- oder Reduktionsmittels, die genau 1 mol Elektronen aufnehmen oder abgeben kann. Für Permanganat gilt: MnO₄⁻ + 8 H⁺ + 5 e⁻ → Mn²⁺ + 4 H₂O. Ein mol Mangan(VII) nimmt dabei 5 mol Elektronen auf. Daher nimmt 1/5 mol Mangan(VII) genau 1 mol Elektronen auf; das Äquivalentteilchen ist 1/5 MnO₄⁻.

Ein Permanganation kann 5 Elektronen aufnehmen, ein Chloridion dagegen nur ein Elektron abgeben. Für eine Äquivalentkonzentration von 1 n^eq, also 1 mol Elektronenaufnahme pro Liter, wird bei Kaliumpermanganat die molare Masse durch 5 geteilt und diese Menge in genau 1 Liter destilliertem Wasser gelöst. Es gilt: n^eq(KMnO₄) = n(1/5 KMnO₄). 1 n^eq (= 1 val) Elektronenaufnahme entspricht somit 1/5 der Molmasse von KMnO₄.