E1: Bestimmung der Dissoziationskonstante einer schwachen Säure durch Messung der elektrischen Leitfähigkeit der Elektrolytlösung

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1 Versuch E1/E2 1 Versuch E1/E2 E1: Bestimmung der Dissoziationskonstante einer schwachen Säure durch Messung der elektrischen Leitfähigkeit der Elektrolytlösung E2: Konduktometrische Titration I Aufgabenstellung E1: Mittels Leitfähigkeitsmessungen sind die Äquivalentleitfähigkeit bei unendlicher Verdünnung und die Dissoziationskonstante einer schwachen einbasigen Säure zu ermitteln. Außerdem sind die Dissoziationsgrade der Säure bei verschiedenen Konzentrationen zu berechnen. Die erhaltenen Werte für K c und α sind zu diskutieren. E2: Es sind die unbekannten Volumina einer starken Säure und einer schwachen Säure in einer Mischung konduktometrisch mit 0,1 N NaOH zu bestimmen. II Versuchsvorbereitung II.1 Hinweise zur Vorbereitung Um sich auf die Versuche E1 und E2 vorzubereiten, stehen Ihnen mehrere Informationsmaterialien zur Verfügung, die Sie im Internet unter finden. Zum Orientieren sollen Ihnen die Hinweise in den nächsten beiden Unterabschnitten dienen. II.2 Versuch E1 Folgende Sachverhalte zum Versuch E1 sollten Sie darstellen können: - Welche Größen sind zu bestimmen, welche werden gemessen? Stellen Sie den Zusammenhang zwischen diesen Größen dar und erklären Sie, wie die Messdaten ausgewertet werden, um die zu bestimmenden Größen zu erhalten.

2 Versuch E1/E2 2 - Erklären Sie den Unterschied zwischen spezifischer elektrischer Leitfähigkeit, molarer Leitfähigkeit und Äquivalentleitfähigkeit. Was gibt die Leitfähigkeit bei unendlicher Verdünnung an? Welche Unterschiede ergeben sich für starke und schwache Elektrolyte im Hinblick auf die Konzentrationsabhängigkeit der molaren Leitfähigkeit? - Die elektrische Leitfähigkeit der Elektrolytlösungen wird im Versuch E1 nicht direkt gemessen, sondern indirekt mit einer WHEATSTONEschen Messbrücke. Beschreiben Sie deren Aufbau und Wirkungsweise. - Was ist eine Zellkonstante und wie kann Sie bestimmt werden? - Während des Messvorgangs befindet sich die Elektrolytlösung, deren elektrische Leitfähigkeit bestimmt werden soll, in einer Leitfähigkeitsmesszelle. Diese wird für alle Lösungen verwendet. Geben Sie eine sinnvolle Reihenfolge an, in der die elektrischen Widerstände der Lösungen zu messen sind, und begründen Sie diese. Warum muss der Widerstand von dest. Wasser gemessen werden? II.3 Versuch E2 Zum Versuch E2 sollten Sie die folgenden Sachverhalte darstellen können: - Welche Größen sind zu bestimmen, welche werden gemessen? Erklären Sie, wie die Messdaten ausgewertet werden, um die zu bestimmenden Größen zu erhalten. - Wie sieht der Leitfähigkeits-Volumen-Verlauf bei der Titration starker Säuren aus, wie bei der Titration schwacher Säuren? Welchen Kurvenverlauf erwarten Sie bei der Titration einer Mischung aus starker und schwacher Säure? Erklären Sie die einzelnen Abschnitte in den Kurven. - Erklären Sie anhand einer geeigneten Modellvorstellung, wieso in wässriger Lösung die H + - und OH -Ionen sehr viel schneller wandern als alle übrigen Ionen. - Welcher Fehler entsteht bei der Titration hinsichtlich der gemessenen Leitfähigkeiten? Wie könnte er korrigiert werden? - Bei der konduktometrischen Säure-Base-Titration bestimmt man den Neutralisationspunkt. Ist dieser stets gleich dem Äquivalenzpunkt oder muss man streng zwischen beiden unterscheiden?

3 Versuch E1/E2 3 II.4 Literaturhinweise [1] Fanghänel, Egon u. a.: Einführung in die chemische Laboratoriumspraxis. Leipzig: Dt. Verlag für Grundstoffindustrie, 1992, Abschn [2] Lehrwerk Chemie, Lehrbuch 5, Abschnitt [3] Lehrwerk Chemie, Arbeitsbuch 5, Abschnitt [4] Wedler, Gerd: Lehrbuch der physikalischen Chemie. 4. Auflage. Weinheim: Wiley- VCH, 1997, Abschn. 1.6 [5] Schwabe, Kurt: Physikalische Chemie: Band 2: Elektrochemie. Berlin: Akademie- Verlag, 1974 [6] Falkenhagen, Hans; Hertz, Hermann Gerhard: Theorie der Elektrolyte. Leipzig: Hirzel, 1971 III Versuchsdurchführung III.1 Versuchsablauf Der Ablauf des Versuchs E1 sieht im Groben wie folgt aus: - Herstellen der Verdünnungsreihe aus der unbekannten schwachen Säure, währenddessen - Messschaltung (WHEATSTONEsche Messbrücke) aufbauen, - Messen des el. Widerstandes von dest. Wasser, - Messen des el. Widerstandes der Lösungen der Verdünnungsreihe, - Messen des el. Widerstandes einer KCl-Lösung bekannter spezifischer Leitfähigkeit. Im Versuch E2 ist zusammengefasst Folgendes zu tun: - Bestimmen des Titers (Faktors) der zu verwendenden NaOH-Maßlösung durch konduktometrische Titration einer 0,1 M HCl-Lösung mit der NaOH-Maßlösung, - konduktometrische Titration der unbekannten Mischung aus starker und schwacher Säure mit der eingestellten NaOH (als Doppelbestimmung). Einzelheiten des Ablaufs beider Teilversuche finden Sie im Internet unter und in den am Versuchsstand im Praktikumssaal ausliegenden Arbeitsplatzanleitungen. (Diese gehören zum Versuchsstand, sollen also nicht mitgenommen werden.) Lesen Sie jene Anleitungen spätestens nach dem Antestat aufmerksam und halten Sie sich Schritt für Schritt an die einzelnen Anweisungen, wenn Sie den Versuch durchführen.

4 Versuch E1/E2 4 Sie arbeiten in Zweiergruppen, die zu erledigenden Arbeiten werden deshalb verteilt: Eine Person führt den Versuch E1 durch, die andere E2. Gegenseitige Hilfestellungen sind erlaubt und ggf. auch erforderlich (vgl. Arbeitsplatzanleitung zum Versuch E1). III.2 Auswerten der Messdaten Versuch E1 Die Äquivalentleitfähigkeit bei unendlicher Verdünnung Λ und die Dissoziationskonstante K c der schwachen Säure ermitteln Sie graphisch bereits am Versuchstag nach Beenden der Messungen. Der Gang der Auswertung ist übersichtlich, d. h. nachvollziehbar, anzugeben; die Zwischenergebnisse sind für jede der einzelnen Säurelösungen der Verdünnungsreihe zweckmäßigerweise in einer Tabelle zusammenzustellen. Lösung c 0 R κ Λ mol cm 3 Ω S cm 1 gemessen korrigiert S cm 2 mol 1 Verdünnung 1 Verdünnung 2 Verdünnung 3 Verdünnung 4 Verdünnung 5 Verdünnung 6 1 Λ Ω mol cm 2 Die ermittelten Größen Λ und K c sagen Sie anschließend beim Saalassistenten an: Λ in S cm 2 mol 1, gerundet auf die Einerstelle, sowie K c in der Schreibweise mit Zehnerpotenz, gerundet auf zwei Nachkommastellen, und mit der richtigen Einheit. III.3 Auswerten der Messdaten Versuch E2 Die Äquivalenzpunkte werden graphisch ermittelt, indem die spezifische elektrische Leitfähigkeit gegen das zugegebene Volumen an NaOH (in ml) aufgetragen wird (Auf Millimeterpapier!). Die unbekannten Säuremengen sind in Volumeneinheiten 0,1 N Säure, also in ml, anzugeben. Am Versuchstag sagen Sie das Volumen der starken und das der schwachen Säure beim Saalassistenten an, jeweils den sinnvoll gerundeten Mittelwert aus beiden Bestimmungen.

5 Versuch E1/E2 5 IV Protokoll zum Versuch Zu den Versuchen fertigen Sie zwei getrennte Protokolle an: ein Protokoll zum Versuch E1, eins zu E2. Folgende Hinweise sollen Ihnen schon vorab eine Orientierung geben: - Wenn die Auswertung der Messdaten am Versuchstag nach Beenden der Messungen bereits vollständig und übersichtlich protokolliert wurde, müssen nicht noch mal alle Berechnungsschritte im Protokoll erscheinen. Es genügt dann, das Blatt mit der Auswertung dem Protokoll beizulegen da es ohnehin dazugehört und im Protokolltext darauf zu verweisen. - Versuch E1: Den Dissoziationsgrad α für jede Säurekonzentration berechnen Sie erst für das Protokoll, nicht schon für die Ansage am Versuchstag. Das Verhalten von α in Abhängigkeit von der Konzentration c 0 ist zu diskutieren (vgl. Aufgabenstellung). Weitere Hinweise zum Protokoll finden Sie im Internet unter Beachten Sie diese beim Verfassen der Protokolle.

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