Konzentrationsbestimmung mit Lösungen

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1 Kapitel 5 Konzentrationsbestimmung mit Lösungen Abb. 5.1: Die Farben von Universalindikatoren sind nützlich für Konzentrationsbestimmungen. Sie lernen auf den folgenden Seiten eine sehr nützliche Methode kennen, den Gehalt eines Stoffes in einer unbekannten Lösung zu bestimmen. Sie können das Prinzip der Methode in eigenen Worten erläutern. Sie können eine Messung mit der Methode planen und durchführen. Sie können sich selber im Detail erklären, weshalb diese Methode funktioniert.

2 36 Konzentrationsbestimmung mit Lösungen 5.1 Prinzip der Messmethode Bekannte Teilchenzahl pro Volumen Wenn man die Konzentration eines gelösten Stoffs in einer Lösung kennt, so weiss man, wie viele Teilchen des Stoffs in einem bestimmten Volumen sind. Entweder direkt, wenn die Stoffmengenkonzentration bekannt ist, oder durch umrechnen aus dem Massenanteil oder der Massenkonzentration. Reaktionensgleichungen beschreiben das Teilchenverhältnis Eine stöchiometrisch korrekt aufgestellte Reaktionsgleichung beschreibt immer: Massenverhältnis Die Masse aller Ausgangsstoffe ist gleich der Masse aller Produkte. Die Massen aller Stoffe beziehungsweise die Masse aller Teilchen liegen sind in einem unveränderlichen Verhältnis zueinander. Teilchenverhältnis Die Teilchen der Ausgangsstoffe reagieren in einem festen Zahlenverhältnis miteinander und führen zur Bildung einer ganz bestimmen Anzahl Teilchen der Produkte. Dass Stoffe in chemischen Vorgängen nicht in willkürlichen Mengen miteinander reagieren, sonder in bestimmten Massenverhältnissen ist ja gerade eine Konsequenz aus dem Teilchen- Aufbau aller Materie und der konstanten Teilchenverhältnis. Beispiel: Die Neutralisationsreaktion Eine sehr wichtige Reaktion der unbelebten auch auch der belebten Natur ist die folgende. Sie findet ausschliesslich in wässrigen Lösungen statt. Neutralisationsreaktion H 3 O + (aq) + OH (aq) 2 H 2 O (aq) Jeweils ein Hydronium-Ion (H 3 O + ) reagiert mit einem Hydroxid-Ion (OH ) zu zwei Wasser- Molekülen. Der Zusatz (aq) verdeutlicht, dass es sich um gelöste Teilchen handelt. Lernaufgabe Form Bearbeiten sie die Aufgabe als Partnerarbeit zu zweit während 15 Minuten. Sie wird nicht benotet, dafür anschliessend im Plenum besprochen. Auftrag Bearbeiten sie die einzelnen Aufgabe in der angegebenen Reihenfolge. Melden Sie sich, wenn Sie trotz Nachdenken nicht weiter kommen.

3 Konzentrationsbestimmung mit Lösungen 37 Aufgabe 1 Wie viele Mol OH -Ionen werden benötigt, damit folgende Stoffmengen an H 3 O + - Ionen gerade vollständig neutralisiert werden? 1 mol 2 mol mol mol Aufgabe 2 Wie viele Liter einer OH Lösung mit c = 1.00 mol L 1 werden benötigt, um ein Liter H 3 O + -Lösung der folgenden Konzentrationen zu neutralisieren? 1 mol L 1 2 mol L mol L mol L 1 Aufgabe 3 Überlegen Sie sich anhand der Ergebnisse in Aufgabe 2 folgendes: Welchen Zusammenhang gibt es zwischen dem Volumen und der Konzentration der OH -Lösung einerseits und dem Volumen und der Konzentration der H 3 O + -Lösung andererseits?

4 38 Konzentrationsbestimmung mit Lösungen Aufgabe 4 Ausdruck. Packen Sie die Überlegungen der vorherigen Aufgabe in einen mathematischen 5.2 Die Titration und die Titrationsgleichung Titration nennt man die Konzentrationsbestimmung einer Probelösung mit Hilfe einer zweiten Lösung, deren Konzentration genau bekannt ist. Wann ist eine Titration grundsätzlich möglich, beziehungsweise sinnvoll? Tragen wir Ideen zusammen: Die Titrationsgleichung Masslösung ist dabei die Bezeichnung für die Lösung, deren Konzentration bekannt ist. Die Genauigkeit der Titration hängt wesentlich von der Zuverlässigkeit der Konzentration der Masslösung ab.

5 Konzentrationsbestimmung mit Lösungen Laborversuch: Bestimmung des Essigsäure-Gehalts von Essig durch Titration Abb. 5.2: Variationen von Essig. [1] Essigsäure ist ein flüchtiger Stoff, das heisst aus Molekülen aufgebaut. Essigsäure-Moleküle haben die Summenformel C 2 H 4 O 2. Essigsäure entsteht durch Stoffwechselvorgänge in Pflanzen und Tieren, Pilzen und Bakterien. Seit dem Altertum nutzt der Mensch Essigsäure als Würzund Konservierungsmittel. Säure Dieser Begriff besitzt in der Chemie eine andere Bedeutung als in der Umgangssprache. In der Chemie beschreibt Säure die Fähigkeit eines Stoffs und damit seiner kleinsten Teilchen, H + -Ionen an die kleinsten Teilchen anderer Stoffe verlieren zu können. Diese Eigenschaft von Essigsäure nutzen wir in dieser Titration aus. Wie auch alle anderen sogenannte organischen Säuren, hat Essigsäure eine sogenannte COOH Gruppe. Der Atomkern des Wasserstoff-Atoms in dieser Gruppe kann von einem anderen kleinsten Teilchen geraubt werden.

6 40 Konzentrationsbestimmung mit Lösungen Kleine Aufgabe Sie sehen die Lewisformel von Essigsäure. Stellen Sie das Molekül im Kugelwolkenmodell dar. Heben Sie denjenigen Wasserstoff-Atomkern hervor, der von einem anderen kleinsten Teilchen geraubt werden könnte. Lewisformel Kugelwolkenmodell H O H C C H O H Reaktionsgleichungen Folgende Reaktionen spielen im Titrationsversuch eine Rolle: CH 3 COOH (aq) + H 2 O (aq) CH 3 COO (aq) + H 3 O + (aq) {5.1} Wasser-Moleküle rauben Essigsäure-Molekülen den Kern eines Wasserstoff-Atoms. Die wässrige Lösung enthält jetzt gelöste H 3 O + -Ionen und ist deshalb sauer. Sie enthält auch gelöste Acetat-Ionen, CH 3 COO (aq). Die Zahl der H 3 O + -Ionen, die gebildet werden kann, ist exakt gleich gross, wie die Zahl der Essigsäure-Moleküle ursprünglich war. Die Anzahl der H 3 O + -Ionen wiederum kann mit Hilfe der Neutralisationsreaktion bestimmt werden: Wird eine Lösung von OH -Ionen zugetropft, reagieren H 3 O + -Ionen und OH so lange miteinander, wie H 3 O + -Ionen vorhanden sind, beziehungsweise immer wieder durch die Reaktion von Essigsäure-Molekülen mit Wasser-Molekülen gebildet werden können. ph-indikatoren können durch Farbänderungen anzeigen, wenn fast alle H 3 O + -Ionen verbraucht sind, und die Konzentration von OH -Ionen ansteigt. Praktisches Vorgehen Eine OH -Ionen-haltige Lösung bekannten Konzentration wird so langsam zu Essig zugetropft, dass das zugegebene Volumen der Lösung bis zum Farbumschlag exakt bestimmt werden kann. Aus der Menge zugetropfter OH -Ionen ergibt sich die Menge an Essigsäure-Molekülen im Essig.

7 Konzentrationsbestimmung mit Lösungen 41 Anleitung für die Durchführung Genau 10 ml Essig werden in einem Erlenmeyerkolben gegeben. Vorsichtig wird ein Magnetrührkern hineingelegt. Zwischen 5 Tropfen bis 10 Tropfen Phenolphthalein-Lösung werden zum Essig zugegeben. Die Essig-Lösung wird nun mit Hilfe einer NaOH-Lösung der Konzentration 0.50 mol L 1 bis zum Farbumschlag titriert. Um einen verlässlichen Wert zu erhalten, wird die Titration noch zwei Mal wiederholt. Anleitung für die Auswertung A Bestimmen Sie das durchschnittlich zugegebene Volumen an NaOH-Lösung um dann mit Hilfe der Konzentration der NaOH-Lösung die durchschnittlich zugegebene Menge an OH -Ionen zu berechnen. B Leiten Sie aus der Menge zugegebener OH -Ionen die Menge an Essigsäure-Molekülen in der Essig-Probe ab. Berechnen Sie daraus und aus dem Volumen der Essig-Probe die Stoffmengenkonzentration in Essig. C Berechnen Sie aus der Stoffmengenkonzentration c von Essig die Massenkonzentration β.

8 42 Konzentrationsbestimmung mit Lösungen 5.4 Die Titrationsapparatur Notizen 5.5 Literaturverzeichnis [1] Wikipedia. Essig Wikipedia, Die freie Enzyklopädie [Online; Stand 25. Oktober 2012].

9 5.6 Lernabsichten und Erfolgskriterien Lernabsicht Erfolgskriterium Sie sind mit dem Prinzip von Titrationen vertraut. Fachbegriffe kennen Ich kann Fachbegriffe Titration, Masslösung und Probelösung in eigenen Worten erläutern. Chemischen Hintergrund kennen Ich weiss, auf welchen chemischen Gesetzen die Titration basiert und kann das in eigenen Worten ausdrücken. Titrationsapparatur kennen Ich kann eine einfache aber funktionierende Titrationsapparatur skizzieren und alle Bestandteile korrekt benennen. Titration anwenden In theoretischen und praktischen Beispielen kann ich die Konzentration einer Probelösung durch Titration bestimmen. Titrationen beurteilen In konkreten Situationen kann ich fachlich fundiert beurteilen, ob die Voraussetzungen für eine Titration gegeben sind und ob die Titration sinnvoll ist.

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