Praktikum Physikalische Chemie I (C-2) Versuch Nr. 6

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1 Praktkum Physkalsche Cheme I (C-2) Versuch Nr. 6 Konduktometrsche Ttratonen von Säuren und Basen sowe Fällungsttratonen Praktkumsaufgaben 1. Ttreren Se konduktometrsch Schwefelsäure mt Natronlauge und ermtteln Se den Äquvalenzpunkt (graphsch oder rechnersch). Ermtteln Se für hr Resultat de Fehlergrenzen. 2. Ttreren Se konduktometrsch Essgsäure mt Natronlauge und ermtteln Se den Äquvalenzpunkt (graphsch oder rechnersch). Ermtteln Se für hr Resultat de Fehlergrenzen. 3. Ttreren Se konduktometrsch BaCl 2 -Lösung mt Na 2 SO 4 -Lösung und ermtteln Se den Äquvalenzpunkt (graphsch oder rechnersch). Ermtteln Se für hr Resultat de Fehlergrenzen. Grundlagen Be der Konduktometre beobachtet man de Änderung der Letfähgket ener Lösung, während der Ttraton. Dese ändert sch am Äquvalenzpunkt sprunghaft. De Letfähgket ener verdünnten Elektrolytlösung st abhängg von - der Anzahl der Ionen n der Lösung (Konzentraton bzw. Dssozatonsgrad) - der Ladung der Ionen - der Temperatur der Lösung - der Beweglchket der Ionen.

2 - 2 - Aufbau ener Letfähgketsmesszelle Messzelle De Ionenbeweglchket hängt von der Vskostät der Lösung, der Temperatur und der Gesamtonenkonzentraton ab. De spezfsche Letfähgket κ ener Lösung setzt sch addtv aus den Beträgen der enzelnen Ionen zusammen. Dabe müssen sowohl de Ladung von Katon und Anon z als auch de stöl Der Bestmmung der elektrschen Letfähgket ener Lösung legt ene Wderstandsmessung zugrunde. De Letfähgket G st der Kehrwert des gemessenen Wderstands R. Bestzen de beden Elektroden, zwschen denen de Letfähgket gemessen wrd, de Fläche A und den Abstand l, ergbt sch für de Letfähgket A G = 1 = κ. R l κ - spezfsche Letfähgket Enheten: [G] = 1Ω -1 = 1S [κ] = 1 S*cm -1 Wrd zwschen zwe Elektroden mt dem Abstand l ene Spannung U angelegt, erfährt en Ion mt der Ladung z*e n desem Feld E de Coulomb-Kraft F C U = z e E = z e. l Be der Wanderung verspürt das Ion aufgrund der Vskostät η der Lösung ene Rebungskraft, de proportonal zu sener Geschwndgket v zunmmt. Dese Rebungskraft st der Coulomb- Kraft entgegengesetzt und kann nach dem Stokeschen Gesetz als F St 6 π η r v = ausgedrückt werden. Dabe st r der so genannte hydrodynamsche Radus des Ions, der unter anderem von der Größe der Hydrathülle und der Form des Ions abhängt. Im Glechgewcht (F C = F St ) wrd sch also für de Drftgeschwndgket v ergeben z e E z e v = = u E mt u = 6 π η r 6 π η r mt der Ionenbeweglchket u, gemessen n cm² s -1 V -1.

3 - 3 - chometrschen Koeffzenten ν berückschtgt werden. Man erhält damt κ = F ν z c u mt der Faraday-Konstanten F = C/mol als Proportonaltätskonstante. In wässrger Lösung zegen her H + - und OH - - Ionen ungewöhnlch große Beweglchketen, de nur durch de Wechselwrkungen deser Ionen mt den Clustern des flüssgen Wassers erklärt werden können. Der detallerte Mechansmus des schnellen H + -Ionen-Transports m Lösungsmttel Wasser (Tunneleffekt) st allerdngs bs heute ncht vollständg aufgeklärt, wennglech de Grundzüge set etwa 200 Jahren bekannt snd. Änderungen der beobachteten Letfähgket ergeben sch demnach, wenn sch de Konzentratonen global ändern (Verdünnung) oder de Konzentratonen enzelner Ionenarten sch ändern (Ttraton, Dssozaton usw.). Ob nsgesamt de Ionenstärke der Lösung varert oder aber Beweglchketsunterschede deutlch werden, muss m Enzelfall an Hand der Stöchometre entscheden werden. Bespel: Schwefelsäure wrd mt Natronlauge ttrert. Zu Begnn der Ttraton legen H + - und Sulfat-Ionen vor. Durch de Ttraton mt Natronlauge werden Na + - Ionen neu n de Lösung engebracht; glechzetg verschwndet aber ene äquvalente Anzahl von H + - Ionen durch Abreakton mt OH - - Ionen zu H 2 O. Abgesehen von enem (kleneren) allgemenen Verdünnungseffekt ändert sch de Anzahl der Ionen n der Lösung ncht; allerdngs werden de lecht beweglchen H + -Ionen nach und nach durch de schwerer beweglchen Na + -Ionen ersetzt. Es wrd daher m Verlauf der Ttraton ene Abnahme der spezfschen Letfähgket beobachtet. Am Äquvalenzpunkt st das Mnmum errecht; wetere Zugabe von Natronlauge erhöht nun weder de Gesamtzahl der Ionen n der Lösung und lässt daher de Letfähgket weder anstegen. Anders legt der Fall be der Ttraton ener schwachen Säure (Essgsäure) mt Natronlauge. Zu Begnn legt gernge Letfähgket vor, da Essgsäure nur schwach dssozert st. Zugabe von Natronlauge bewrkt, dass molekulare Essgsäure zu Wasser, Na + -Ionen und Acetat - -Ionen umgesetzt wrd. Daher stegt de Letfähgket an. Nach Errechen des Äquvalenzpunktes werden de OH - - Ionen der zugegebenen Natronlauge ncht mehr zu Acetat umgesetzt, sondern tragen drekt zur Letfähgket be. Da dese ene höhere Beweglchket als de Acetat-Ionen aufwesen, stegt de Letfähgket jensets des Äquvalenzpunktes stärker an als davor.

4 - 4 - In Fällungsttratonen legen de Verhältnsse ähnlch; her entsteht als Reaktonsprodukt ken Wasser, sondern en schwerlöslcher Festkörper. Nach Errechen des Äquvalenzpunktes ändert sch de Letfähgket stärker, da de zugegebenen Ionen ncht mehr abreageren. De Messung der spezfschen Letfähgket erfolgt durch de Bestmmung des Wechselstromwderstandes der Lösung n ener Messzelle mt festgelegter Geometre. Da n der Letfähgketsttraton nur Änderungen der spezfschen Letfähgket nteresseren, kann auf de Echung der Messzelle mt standardserter KCl-Lösung verzchtet werden. Allerdngs st auf hnrechende Temperaturkonstanz zu achten, da de Letfähgketen stark temperaturabhängg snd. De engesetzte Messanordnung arbetet mt Wechselstrom nedrger Frequenz (etwa 1 khz), um Veränderungen der Lösung und der Elektroden durch Polarsatonserschenungen (z.b. Belegung der Elektrodenoberflächen durch Elektrolyse) zu unterbnden. De apparatve Anordnung/Versuchsdurchführung De Ttratonen werden analog Versuch Nr. 5 durchgeführt: nur mt dem Untersched, dass her Anstelle der Elektroden de Letfähgketsmesszelle engetaucht wrd. Anmerkung: Jede Gruppe untersucht de Effekte be der Säure-Base-Ttraton zuerst mt der Startkonzentraton c = 0,1 N (z. B. 0,1 mol/l Natronlauge sowe 0,05 mol/l Schwefelsäure) und be der Fällungsttraton c = 0,25 N (0,25 mol/l Natrumsulfat sowe 0,25 mol/l Barumchlord). Anschleßend wrd ene Konzentraton ener Verdünnungsrehe der Ausgangslösung (s. u.) über alle Arbets-Gruppen untersucht, um damt ene Aussage über de Anwendungsmöglchket der Methode zu ermöglchen. De Lösungen des jewelgen Ttrators müssen dafür ebenfalls entsprechend verdünnt werden. Ermtteln Se herzu ebenfalls de Fehlergrenzen. De Letfähgketsmesszelle wrd nach jeder Messung gründlch gespült und nach Beendgung der Arbeten entweder n entsalztem Wasser oder aber auch trocken aufbewahrt.

5 - 5 - Verdünnungsrehe: Betreffende Gruppe am 1. Praktkumstag: 1: 2 Betreffende Gruppe am 2. Praktkumstag: 1: 4 Betreffende Gruppe am 3. Praktkumstag: 1: 5 Betreffende Gruppe am 4. Praktkumstag: 1: 10 Betreffende Gruppe am 5. Praktkumstag: 1: 20 Betreffende Gruppe am 6. Praktkumstag: 1: 50 Fragen zur Vorberetung auf den Versuch 1. Skzzeren Se den erwarten Verlauf der Ttratonskurven. 2. Zegen Se anhand der Formel κ = F ν z c u, dass de spezfsche Letfähgket κ de Enhet S/cm bestzt. 3. Skzzeren Se den Kurvenverlauf ener konduktometrschen Ttraton von KCl mt AgNO De molare Letfähgket Λ m st defnert als Λ m = κ/c. Was besagt das Quadratwurzelgesetz nach Kohlrausch über de Letfähgket starker Elektrolyte?