Abb. 5.1: Die Farben von Universalindikatoren sind nützlich für Konzentrationsbestimmungen.

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1 Kapitel 5 Bestimmung von unbekannten Konzentrationen Abb. 5.1: Die Farben von Universalindikatoren sind nützlich für Konzentrationsbestimmungen. Die stöchiometrischen Verhältnisse eine bekannten Reaktion können genutzt werden, um die unbekannte Konzentration eines Stoffes in Lösung zu bestimmen. Sie lernen auf den folgenden Seiten nicht nur diese Technik kennen, sondern können Ihr Wissen und Ihre Fertigkeiten im Umgang mit Stoffmengen weiter festigen. Das lernen eine Methode zur Konzentrationsbestimmung kennen. Sie vertiefen Ihr Wissen zu und Ihren Umgang mit Stoffmengen. Sie können das Prinzip der Messmethode mit eigenen Worten ihrem Banknachbarn erläutern.

2 36 Bestimmung von unbekannten Konzentrationen 5.1 Prinzip der Messmethode Konstante Teilchenverhältnisse in chemischen Reaktionen Die kleinsten Teilchen in einer chemischen Reaktion, seien es Atome, Moleküle, Ionen oder Komplexe 1 stehen immer in einem festen, unveränderlichen Zahlenverhältnis zueinander. Konsequenz Somit stehen auch die Stoffmengen der Stoffe in exakt dem gleichen Verhältnis zueinander. Auch das Massen der Stoffe treten damit bei einer chemischen Reaktion immer in demselben, aus den Stoffmengen und der molaren Masse abgeleiteten Verhältnis auf. Ansatz Eine unbekannte Anzahl von Teilchen eines Stoffes kann über die bekannte Anzahl von Teilchen eines anderen Stoffes bestimmt werden, wenn es eine chemische Reaktion zwischen beiden Teilchen gibt, bei der die Stöchiometrie, das Teilchenverhältnis in der Reaktion bekannt ist. Beispiel Nitrat-Ionen können als Überbleibsel von landwirtschaftlicher Düngung in Gewässer geschwemmt werden. Sie belasten Gewässer, wie zum Beispiel den Baldeggersee. 2 Wie stark ein Gewässer belastet ist, hängt von der Anzahl in Wasser gelöster Nitrat-Ionen ab. Um die Wasserqualität untersuchen zu können, muss die Nitrat-Ionen-Konzentration bestimmt werden. Eine Möglichkeit ist, die bekannte Reaktion 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. 1 Diese Art kleinster Teilchen lernen Sie in etwa einem Jahr kennen. 2 Sie wirken dann in den Gewässern als Düngemittel und fördern übermässiges Algenwachstum.

3 Bestimmung von unbekannten Konzentrationen 37 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) {5.1} 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. 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

4 38 Bestimmung von unbekannten Konzentrationen 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? 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. Doch wann ist eine Titration grundsätzlich möglich, beziehungsweise sinnvoll? Finden Sie in Ihrem Heft! Die Titrationsgleichung Masslösung oder Titrationslösung 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 Bestimmung von unbekannten Konzentrationen Bestimmung in der Praxis Folgende Aspekte müssen in der Praxis bei Titrationen berücksichtigt werden: Einmal ist keinmal Titrationen werden mehrmals unter möglichst gleichen Voraussetzungen durchgeführt. In der Regel mindestens drei Mal. Der Verbrauch an Titrationslösung bei allen Messungen muss innerhalb der Ablesegenauigkeit liegen. Ohne Planung läuft nichts Gleiche Voraussetzungen bei den einzelnen Titrationen setzen eine zweckmässige Planung der Titration voraus. Die Durchführung muss sorgfältig durchdacht sein. Sonst ist die Titration eine Verschwendung von Material und Zeit. Planung Vorwissen Eine Titration ist eine sehr exakte Bestimmungsmethode und wird nie ins Blaue hinein vorgenommen. Die Art des gelösten Stoff, dessen Konzentration bestimmt werden soll, und die Grössenordnung seiner Konzentration müssen bekannt sein. Laborausrüstung Bevor eine Titration geplant werden kann, muss bekannt sein, welche Glasgefässe und Geräte zu Verfügung stehen. Sinnvolle Konzentration der Titrationslösung Die Konzentration der Masslösung muss sorgfältig gewählt werden: Eine zu hohe Konzentration führt zu einem so kleinen Verbrauch bei der Titration, dass der relative Fehler durch die Ableseungenauigkeit zu gross wird. Eine zu tiefe Konzentration der Masslösung hat einen übermässig hohen Verbrauch zur Folge. Einerseits kann es passieren, dass das Gefäss mit der Probelösung überfüllt wird und andererseits dauert die Titration viel länger. Exakt bekannte Konzentration der Masslösung Die Genauigkeit mit der die unbekannte Konzentration es gelösten Stoffs bestimmt wird hängt unmittelbar davon ab, wie exakt man die Konzentration der Masslösung kennt. Rezept für die Praxis Schriftliche Vorbereitung folgende Schritte Die Titration wird schriftlich im Laborheft geplant und enthält 1. Von welchem Stoff soll die Konzentration bestimmt werden? 2. Wie lautet die Reaktionsgleichung, welche die Grundlage für die Titration darstellt. 3. Wie gross in etwa ist die erwartete Konzentration des Stoffs?

6 40 Bestimmung von unbekannten Konzentrationen 4. Mit welchen Glasgefässen kann ein identisches Volumen bei mehrere Titrationen jeweils zuverlässig abgemessen werden? Welches Volumen der zu untersuchenden Lösung kann mehrmals zuverlässig abgemessen werden? 5. Welche Konzentration soll die Masslösung haben? 6. Wie gross ist die Konzentration der Masslösung tatsächlich? 7. Wie erkenne ich den Endpunkt der Titration? 8. Welche Resultate müssen für die spätere Auswertung im Laborheft festgehalten werden? Sie erkennen an der Anzahl der Aspekte, welche Bedeutung einer sorgfältige Planung zukommt. Eine Titration kann nicht rollend geplant werden! 5.4 Laborversuch: Bestimmung des Essigsäure-Gehalts von Essig durch Titration Abb. 5.2: Variationen von Essig. [1]

7 Bestimmung von unbekannten Konzentrationen 41 Hintergrundinformationen Essigsäure ist ein flüchtiger Stoff, und ist 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 Würz- und Konservierungsmittel. Essigsäure in wässriger Lösung Essigsäure wird häufig in einer verdünnten wässrigen Lösung verwendet. Reine Essigsäure wird auch als Eisessig bezeichnet. Essig ist chemisch gesehen eine verdünnte wässrige Lösung von Essigsäure. Neben Essigsäure enthält Essig viele weitere Salze und flüchtige Stoffe in gelöster Form, die Essig Farbe und Geschmacksnoten verleihen. Chemisches Verhalten Der Begriff Säure besitzt in der Chemie eine andere Bedeutung als in der Umgangssprache. In der Chemie ist eine Säure ein Stoff, dessen kleinste Teilchen den Kern eines Wasserstoffatoms, ein H + -Ion, an die kleinsten Teilchen anderer Stoffe verlieren können. Relevante chemische Reaktionen Folgende Reaktionen spielen bei der Titration einer Essigsäurelösung eine Rolle: CH 3 COOH (aq) + H 2 O (aq) CH 3 COO (aq) + H 3 O + (aq) {5.2} Kommentar 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. H 3 O + (aq) + OH (aq) 2 H 2 O (aq) {5.3} 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. Der ph-indikator Phenolphthalein zeigt durch einen Farbumschlag an, wenn fast alle H 3 O + -Ionen verbraucht sind und die Konzentration von OH -Ionen ansteigt. Der Endpunkt der Titration kann so durch eine schlagartig auftretende Pinkfärbung der vormals farblosen Lösung zuverlässig erkannt werden! 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.

8 42 Bestimmung von unbekannten Konzentrationen Anleitung für die Durchführung 1. Die Titration wird gemäss Anleitung sorgfältig geplant. 2. Die NaOH (aq)-masslösung wird in etwa in der gewünschten Konzentration und in einer sinnvollen Menge hergestellt. 3. Die Konzentration der NaOH (aq) Masslösung wird durch mehrmalige Titration mit einer Salzsäure-Lösung exakt bekannter Konzentration bestimmt. 4. Exakt abgemessene Volumen Essig werden mehrmals mit der Masslösung titriert. 5. Aus den Mittelwert des verbrauchten Volumens an Masslösung und dem Mittelwert der bestimmten Konzentration der Masslösung wird die Konzentration von Essigsäure in Essig bestimmt. 5.5 Die Titrationsapparatur

9 Bestimmung von unbekannten Konzentrationen 43 Notizen 5.6 Literaturverzeichnis [1] Wikipedia. Essig Wikipedia, Die freie Enzyklopädie [Online; Stand 25. Oktober 2012].

10 5.7 Lernabsichten und Erfolgskriterien Lernabsicht Erfolgskriterium Sie sind mit dem Prinzip von Titrationen vertraut. Fachbegriffe kennen Ich kann Fachbegriffe Titration, Masslösung, Titrationslösung 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. Titrationen planen können Ich weiss, wie eine Titration geplant wird und kann die Planung in einem gegebenen Beispiel selbständig vornehmen. 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.