Titration einer schwachen Säure gegen eine starke Base mit Cobra4 (Artikelnr.: P )

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1 Lehrer-/Dozentenblatt Gedruckt: :04:43 P Titration einer schwachen Säure gegen eine starke Base mit Cobra4 (Artikelnr.: P750762) Curriculare Themenzuordnung Fachgebiet: Chemie Bildungsstufe: Klasse 7-0 Lehrplanthema: Anorganische Chemie Unterthema: Quantitative Analyse: Titrationen Experiment: Titration einer schwachen Säure gegen eine starke Base mit Cobra4 Schwierigkeitsgrad Vorbereitungszeit Durchführungszeit empfohlene Gruppengröße Schwer 20 Minuten 30 Minuten 2 Schüler/Studenten Zusätzlich wird benötigt: Versuchsvarianten: klassisch: P Schlagwörter: schwache Säuren, starke Basen, ph-wert, Neutralisation, Stoffmenge, Konzentration, Titrationskurven, Maßanalyse Lehrerinformationen Einführung Anwendung Die Säure-Base-Titration stellt ein analytisches Verfahren zur Ermittlung von Konzentrationen entsprechender Verbindungen dar. Die Verwendung von ph-messelektroden bietet darüber hinaus die Möglichkeit, Messkurven zu erstellen. Potentiometrische Titrationen stellen zwei grundlegende Gesetze dar, das Massenwirkungsgesetz (MWG) und die Nernst'sche Gleichung. Anhand des MWG kann man den Verlauf für einfache chemische Reaktionen mathematisch beschreiben. Versuchsaufbau Lernziele Den Schülern sollen bei diesem Experiment exemplarisch die Grundlagen der modernen Säure-Base-Titration gezeigt und nähergebracht werden. Neben der praktischen Arbeit im Labor wird auch auf die Auswertung von Titrationskurven und deren Robert-Bosch-Breite 0 Tel: info@phywe.de Göttingen Fax:

2 Lehrer-/Dozentenblatt Gedruckt: :04:43 P Charakteristika eingegangen. Aufgabe Die Schüler sollen bei diesem Experiment eine Messkurve für die Titration einer starken Säure mit einer starken Base aufnehmen. Hierbei werden dann die charakteristischen Merkmale einer solchen Titrationskurve identifiziert ggf. der Äquivalenzpunkt bestimmt. Vorwissen Die Schüler sollten experimentelle Erfahrungen im Umgang mit Säuren und Basen haben. Die Funktionsweise volumetrischer Messinstrumente (Messpipette, Bürette, Pipettierball) sollte den Schülern bekannt sein. Prinzip Bei der potentiometrischen Titration handelt es sich um ein maßanalytisches Verfahren zur Bestimmung der Konzentrationen von Säuren und Basen. Es wird eine schwache Säure unbekannter Konzentration (hier: Essigsäure, 0, M) mit einem bestimmten Volumen (50 ml) vorgelegt. Nach Kalibrierung der ph-elektrode wird sie in Verbindung mit dem Cobra4 Mobile-Link zur Ermittlung des ph-wertes der Lösung verwendet. Eine starke Base mit bekannter Konzentration (hier: NaOH, M) wird portionsweise zur Säure-Lösung (Analyselösung) hinzugegeben. Nach jeder Basenzugabe (in ml Schritten) wird der ph-wert der Lösung abgelesen und notiert. Der Äquivalenzpunkt wird über einen geeigneten Indikator (hier: Phenolphthalein) bestimmt. Methodische Bemerkungen Der Versuch sollte in Zweiergruppen durchgeführt werden. Hierbei kann ein Schüler die Bürette bedienen, während der andere die Messwertaufnahme übernimmt. Bei mehrmaliger Durchführung des Experimentes sollte mit vertauschten Rollen gearbeitet werden. In unterschiedlichen Arbeitsgruppen kann die Titration mit unterschiedlichen Volumina der Analysenlösung durchgeführt werden. Es kann dadurch ein Zusammenhang zwischen den Konzentrationen der beteiligten Lösungen gezeigt werden. Des Weiteren wird empfohlen einen Magnetrührer (inkl. Magnetrührstab) zu verwenden, da hierdurch genauere ph-werte zu erwarten sind. Vorbereitung Es muss eine 0, M Essigsäure-Lösung hergestellt werden (legen Sie in ein geeignetes Gefäß 250 ml dest. Wasser vor, pipettieren Sie 2,8 ml konzentrierte Essigsäure und füllen Sie auf 500 ml mit dest. Wasser auf). Es muss eine M Natronlauge hergestellt werden (lösen Sie 8 g Natriumhydroxid in 200 ml dest. Wasser). Hinweise zu Aufbau und Durchführung Vor der Aufnahme der Titrationskurve sollte die ph-elektrode kalibriert werden, damit es nicht zu einer Verfälschung der Ergebnisse kommt. Beim Aufbau ist darauf zu achten, dass die Bürette so gehaltert wird, dass die Schüler den Meniskus der Flüssigkeitssäule in richtiger Höhe ablesen können. Die Augen sollten hierbei in Höhe der abzulesenden Volumenmarkierung auf der Bürette sein. Beim Eintauchen der Messelektrode in die zu untersuchende Lösung muss die Spitze vollständig in die Flüssigkeit eintauchen. Sollte die vorgelegte Menge nicht ausreichen, muss mit destilliertem Wasser aufgefüllt werden. Wird ein Magnetrührer verwendet, sollte er auf eine Geschwindigkeit eingestellt sein, bei der es nicht zu Spritzern kommen kann. Es ist unbedingt darauf zu achten, dass das Magnetrührstäbchen nicht an die Messelektrode stößt. Die Tropfgeschwindigkeit der Bürette sollte nicht zu schnell eingestellt werden, damit das Ergebnis möglichst genau ausfällt. Auch ein zu langsames Zutropfen ist zu vermeiden, da der Versuch sonst unnötig in die Länge gezogen würde. Entsorgung Die verwendeten Lösungen können im Sammelbehälter für Säure- und Basen-Abfälle entsorgt werden. Robert-Bosch-Breite 0 Tel: info@phywe.de Göttingen Fax:

3 Lehrer-/Dozentenblatt Gedruckt: :04:43 P Sicherheitshinweise H- und P-Sätze Essigsäure (0, mol/l): H226: Flüssigkeit und Dampf entzündbar. H34: Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere Augenschäden. P280: Schutzhandschuhe / Schutzkleidung / Augenschutz / Gesichtsschutz tragen. P30 + P330 + P33: P307 + P30: P305 + P35 + P338: Natronlauge ( mol/l): BEI VERSCHLUCKEN: Mund ausspülen. KEIN Erbrechen herbeiführen. Bei Exposition: Sofort Giftinformationszentrum, Arzt oder anrufen. BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser spülen. Vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter spülen. H290: Kann gegenüber Metallen korrosiv sein. H34: Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere Augenschäden. P280: Schutzhandschuhe / Schutzkleidung / Augenschutz / Gesichtsschutz tragen. P30 + P330 + P33: P305 + P35 + P338: P308 + P30: Phenolphthalein (0,5% in Ethanol): Bei Verschlucken: Mund ausspülen. Kein Erbrechen herbeiführen. Bei Kontakt mit den Augen: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser spülen. Vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter spülen. Bei Exposition oder falls betroffen: Sofort Giftinformationszentrum, Arzt oder anrufen. H226: Flüssigkeit und Dampf entzündbar. P20: Von Hitze / Funken / offener Flamme / heißen Oberflächen fernhalten. Nicht rauchen. Gefahren Säuren und Laugen wirken ätzend! Unbedingt Schutzbrille tragen! Robert-Bosch-Breite 0 Tel: info@phywe.de Göttingen Fax:

4 Lehrer-/Dozentenblatt Gedruckt: :04:43 P Titration einer schwachen Säure gegen eine starke Base mit Cobra4 (Artikelnr.: P750762) Einführung Anwendung und Aufgabe Die Titration mit ph-messelektroden Anwendung Die potentiometrische Titration ermöglicht eine Konzentrationsbestimmung, wenn Probelösungen trübe oder farbig sind (ein Indikator wäre hier unbrauchbar). Darüber hinaus lassen sich mit dieser Methode Messkurven erstellen, anhand dieser kann man charakteristische Merkmale erkennen sowie den Äquivalenzpunkt bestimmen. Versuchsaufbau Aufgabe Ermittle mit Hilfe einer potentiometrischen Titration die Konzentration der Essigsäure. Untersuche die erstellte Titrationskurve auf charakterische Merkmale. Ermittle den Äquivalenzpunkt über einen geeigneten Indikator (hier: Phenolphthalein). Robert-Bosch-Breite 0 Tel: info@phywe.de Göttingen Fax:

5 Lehrer-/Dozentenblatt Gedruckt: :04:43 P Material Position Material Bestellnr. Menge Cobra4 Mobile-Link 2 inkl. Zubehör Cobra4 Sensor-Unit ph, BNC-Anschluss ph-elektrode, Kunststoff, nachfüllbar, BNC-Stecker Stativfuß, variabel Doppelmuffe Elektrodenhalter, schwenkbar Bürettenklemme mit Rollenhalter Pipettierball, Universalmodell (bis 00 ml), 3 Ventile Pipette mit Gummikappe Laborschreiber, wasserfest Erlenmeyerkolben, Weithals, BORO 3.3, 00 ml Schutzbrille, farblose Scheiben Laborbecher, niedrige Form, 50 ml, PP Spritzflasche, 250 ml, Kunststoff Trichter, Oben-d = 40 mm, PP Messpipette 5 ml, Teilung 0, ml Bürette mit geradem Normschliffhahn, Schellbachstreifen, 0 ml, Teilung 0,05 ml Stativstange Edelstahl, 8/8, l = 370 mm, d = 0 mm Zusätzliches Material Natriumhydroxid, Perlen 500 g Essigsäure 99-00%ig, 500 ml Wasser, destilliert, 5 l Phenolphthalein, 0,5 % in Ethanol, 00 ml Pufferlösung ph 7,0, 000 ml Pufferlösung ph 0,0, 000 ml Papierhandtücher Robert-Bosch-Breite 0 Tel: info@phywe.de Göttingen Fax:

6 Schüler-/Studentenblatt Gedruckt: :04:43 P Titration einer schwachen Säure gegen eine starke Base mit Cobra4 (Artikelnr.: P750762) Aufbau und Durchführung Aufbau Gefahren Säuren und Laugen wirken ätzend! Unbedingt Schutzbrille tragen! Aufbau Stecke die beiden Hälften des Stativfußes zusammen (Abb. ). Befestige die Stativstange im Stativfuß (Abb. 2). Abb. Abb. 2 Befestige mit Hilfe der Doppelmuffe den Elektrodenhalter unterhalb der Bürettenklemme an der Stativstange (Abb. 3) und anschließend die ph-messelektrode im Elektrodenhalter (Abb. 4). Robert-Bosch-Breite 0 Tel: info@phywe.de Göttingen Fax:

7 Schüler-/Studentenblatt Gedruckt: :04:43 P Abb. 3 Abb. 4 Stecke den Cobra4 Mobile-Link wird mit der Cobra4 Sensor-Unit ph zusammen (Abb. 5) und schließe die ph-messelektrode an die Cobra4 Sensor-Unit ph an (Abb. 6). Abb. 5 Abb. 6 Vor der eigentlichen Titration sollte die ph-messelektrode einmal kalibriert werden. Entferne dazu die Schutzkappe der Elektrode (Abb. 7) und befülle zwei entsprechend beschriftete Bechergläser zu jeweils 30 ml mit einer der beiden Pufferlösungen (Abb. 8). Robert-Bosch-Breite 0 Tel: info@phywe.de Göttingen Fax:

8 Schüler-/Studentenblatt Gedruckt: :04:43 P Abb. 8 Abb. 7 Spüle die Messelektrode mit destilliertem Wasser ab (Abb. 9) und tauche die Spitze der Messelektrode in die erste Pufferlösung ein. Schalte den Cobra4 Mobile-Link ein. Im Display erscheint der momentan gemessene ph-wert (Abb. 0). Abb. 9 Abb. 0 Öffne durch Drücken der Taste "Pfeil nach rechts" Taste "Pfeil nach unten" den Menüpunkt "Kalibrieren" (Abb. 2). das Menü des Cobra4 Mobile-Links (Abb. ) und wähle durch Drücken der Robert-Bosch-Breite 0 Tel: info@phywe.de Göttingen Fax:

9 Schüler-/Studentenblatt Gedruckt: :04:43 P Abb. Abb. 2 Rufe durch Drücken der Taste "Haken" das Menü zur Kalibrierung auf. Wähle im Menü "Zweipunkt" durch die Pfeiltasten aus und bestätige mit der Taste "Haken" (Abb. 3). Stelle mit Hilfe der Pfeiltaste den "Soll"-Wert der Pufferlösung ein (Abb. 4) und bestätige den Wert anschließend mit der Häkchen-Taste. Der erste Kalibrierungsschritt ist nun abgeschlossen. Abb. 3 Abb. 4 Entferne für den zweiten Schritt zunächst die Elektrode aus der Pufferlösung, spüle die Messelektrode mit destilliertem Wasser ab (Abb. 5) und tauche sie anschließend in die zweite Pufferlösung ein. Die Kalibrierung erfolgt wie im ersten Kalibrierungsschritt. Entferne nach Abschluss der Kalibrierung die Messelektrode aus der Pufferlösung spüle sie ein weiteres Mal abgespült. Wechsle durch Drücken der entsprechenden Pfeiltasten in den Messwertmodus zurück (Abb. 6). Reinige und trockne die Laborbecher sowie der Erlenmeyerkolben anschließend für die weitere Benutzung. Robert-Bosch-Breite 0 Tel: info@phywe.de Göttingen Fax:

10 Schüler-/Studentenblatt Gedruckt: :04:43 P Abb. 5 Abb. 6 Bringe die Bürettenklemme an der Stativstange an (Abb. 7). Drücke mit Daumen und Zeigefinger die beiden Hebel der Bürettenklemme zusammen und platziere die Bürette zwischen den vier gummierten Rollen (Abb. 8). Fixiere die Bürette durch langsames Loslassen der beiden Hebel. Abb. 7 Abb. 8 Befülle mit Hilfe des Trichters die Bürette mit der molaren Natronlauge. Verwende hierzu die beiden Laborbecher und beschrifte diese um eine Verwechslungsgefahr auszuschließen. Fülle die 0-ml-Bürette vorsichtig bis über den obersten Eichstrich. Achte darauf, dass sich keine Luftbläschen in der Bürette befinden, und dass nichts überläuft (Abb. 9). Platziere einen der Laborbecher unter dem Hahn der Bürette und öffne diesen vorsichtig. Lasse so viel Natronlauge ab, bis der oberste Eichstrich der Flüssigkeitssäule erreicht ist (Abb. 20). Robert-Bosch-Breite 0 Tel: info@phywe.de Göttingen Fax:

11 Schüler-/Studentenblatt Gedruckt: :04:43 P Abb. 9 Abb. 20 Es bildet sich auf der Oberfläche der Flüssigkeitssäule in der Bürette eine nach unten gebogene Wölbung, der sogenannte Meniskus (gr. Meniskos = Halbmond). Um genau abzumessen, wann die Flüssigkeitssäule den obersten Eichstrich berührt, orientiert man sich am untersten Punkt dieser Wölbung. Deine Augen sollten hierbei genau in Höhe des Eichstriches sein (Abb. 2). Abb. 2 Fülle den Erlenmeyerkolben mit 50 ml der bereitgestellten Essigsäure (Abb. 22). Platziere den Erlenmeyerkolben unter dem Hahn der Bürette, der Hahn sollte den inneren Rand des Erlenmeyerkolbens berühren. Führe die ph-messelektrode ein, sodass sie vollständig von der Lösung benetzt ist (Abb. 23). Robert-Bosch-Breite 0 Tel: info@phywe.de Göttingen Fax:

12 Schüler-/Studentenblatt Gedruckt: :04:43 P Abb. 22 Abb. 23 Gib mit Hilfe der Pipette 3 bis 5 Tropfen Phenolphthalein zur Essigsäure-Lösung hinzu (Abb. 24). Abb. 24 Robert-Bosch-Breite 0 Tel: info@phywe.de Göttingen Fax:

13 Schüler-/Studentenblatt Gedruckt: :04:43 P Durchführung Durchführung Es werden insgesamt 0 ml Natronlauge in jeweils ml Schritten in den Erlenmeyerkolben titriert. Gib durch vorsichtiges Aufdrehen zunächst ml der Natronlauge in den Erlenmeyerkolben (Abb. 25). Schwenke den Erlenmeyerkolben nach jeder Zugabe vorsichtig hin und her. Es dürfen sich keine Spritzer bilden (Achtung: Säure!). Notiere den ph-wert, wenn dieser sich eingestellt hat. Nachdem 4 ml titriert wurden, muss in 0,2 ml Schritten titriert werden bis der Äquivalenzpunkt erreicht wurde. Nachdem der Äquivalenzpunkt erreicht wurde kann erneut in ml Schritten titriert werden. Wiederhole den Vorgang, bis 0 ml Natronlauge titriert wurden. Abb. 25 Trage deine notierten Werte in die Tabelle im Protokoll ein. Analysiere die anhand dieser Daten erstellte Titrationskurve. Notiere den Wert des Farbumschlags. Entsorgung Die in diesem Experiment verwendeten Lösungen können im Behälter für Säure- und Base-Abfälle entsorgt werden. Robert-Bosch-Breite 0 Tel: info@phywe.de Göttingen Fax:

14 Lehrer-/Dozentenblatt Gedruckt: :04:43 P Protokoll: Titration einer schwachen Säure gegen eine starke Base mit Cobra4 Ergebnis - Tabelle (30 Punkte) Trage deine Werte in die Tabelle ein. V(NaOH) [ml] ph-wert 0,0 2,0 3,0 4,0 4,2 4,4 4,6 4,8 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 0,0 ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± 2,9 4,2 4,7 5,0 5,4 5,6 5,9 6, 7, 9,0 2,3 2,7 2,8 2,85 2,9 ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± Robert-Bosch-Breite 0 Tel: info@phywe.de Göttingen Fax:

15 Lehrer-/Dozentenblatt Gedruckt: :04:43 P Number 4 2 ph-wert (Essigsäure) V(NaOH) [ml] Ergebnis - Beobachtungen (0 Punkte) Notiere deinen ermittelten Äquivalenzpunkt. Äquivalenzpunkt, sprich Farbumschlag des Indikators (Phenolphthalein) bei ph = 9,0 und 5 ml Zugabe von NaOH. Robert-Bosch-Breite 0 Tel: info@phywe.de Göttingen Fax:

16 Lehrer-/Dozentenblatt Gedruckt: :04:43 P Ergebnis - Beobachtungen 2 (0 Punkte) Beschreibe den Kurvenverlauf in Stichworten. Erläutere charakteristische Merkmale (Tipp: pk s, Neutralpunkt, Äquivalenzpunkt). Der Anfangs-pH liegt bei 2,9 (Begründung: Die Essigsäure ist eine schwache Säure. Sie dissoziiert nur zu einem geringen Teil). Der pk s der Essigsäure beträgt 4,8. Im Bereich um den pk s -Wert verläuft die Titrationskurve flach. Die zugegebene Natronlauge bewirkt, dass Essigsäure in Acetationen überführt wird. Den Neutralpunkt kann man aus dem Graphen ermitteln und liegt bei V(NaOH)= 4,5. Der Äquivalenzpunkt wurde anhand des Indikators (Farbumschlag) ermittelt, er liegt bei einem ph-wert von 9,0 und 5 ml NaOH-Zugabe. Der ÄP fällt nicht mit dem Neutralpunkt zusammen, da kein reines Wasser vorliegt, sondern eine wässrige Natriumacetat-Lösung, diese löst sich in Form von Ionen, Ac - als konjugierte Base, dissoziiert und setzt OH - frei, welche wiederum am ÄP den ph-wert über einen Wert von 7 steigen lassen. Am Äquivalenzpunkt ist die gesamte Essigsäure neutralisiert. Im weiteren Verlauf sind die durch Ac - freigesetzten OH - -Ionen von geringer Bedeutung, da die durch die Natronlauge freigesetzten OH - - Ionen im Überschuss vorliegen, der ph-wert steigt stark an (bis ph = 2,9). Auswertung - Frage (20 Punkte) Gib die allgemeine Reaktionsgleichung von Essigsäure mit Natronlauge an. CH3COOH (aq) + NaOH (aq) CH3COONa (aq) + H2O Auswertung - Frage 2 (0 Punkte) Berechne die Konzentration der Essigsäure (Tipp: Äquivalenzpunkt). Am Äquivalenzpunkt gilt n(säure) = n(base) n = c * V also c(säure) * V(Säure) = c(base) * V(Base) V(Säure) = 50 ml V(Base) = 5 ml (Äquivalenzpunkt) c(base) = mol/l umstellen nach c(säure) c(säure) = [c(base) * V(Base)] / V(Säure) c(säure) = [ mol/l * 5 ml] / 50 ml = 0, mol/l c(säure) = 0, mol/l Robert-Bosch-Breite 0 Tel: info@phywe.de Göttingen Fax: