Ergänzende Aufgaben zu Säure-Base-Titrationen und deren ph-titrationskurven

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1 Ergänzende Aufgaben zu Säure-Base-Titrationen und deren ph-titrationskurven 1. Einfachere Aufgaben ohne ph-kurvenverläufe einfache Umsatzberechnungen 1.1 Eine Maßlösung hat eine angestrebte Stoffmengenkonzentration cɶ ( HCl) = 1 /, der Titer beträgt t= 0,995. Wie groß ist die tatsächliche Stoffmengenkonzentration c(hcl)? ,0 m einer Schwefelsäureprobe werden durch 22,2 m Natronlauge-Maßlösung der Konzentration cɶ ( aoh ) = 0,1 / (t= 1,0152) neutralisiert. Welche Masse an Schwefelsäure ist in der Probe enthalten? 1.3 Bei der Titration von 40,0 m Natronlauge wurden 19,2 m Schwefelsäure-Maßlösung c(h 2 SO 4 ) = 0,5 / verbraucht. Welche Masse an NaOH enthielt die Natronlaugeprobe? m Abfall-Salzsäure verbrauchen zur Neutralisation 16,80 m Natronlauge-Maßlösung der Konzentration von ca. cɶ ( aoh ) =0,1 / (t= 1,026). Welche Masse ist in 650 m 3 Abfallsäure gelöst? m einer Kalilauge werden auf 100 m verdünnt. 25,0 m dieser Stammlösung verbrauchen zur Neutralisation 29,4 m Schwefelsäure-Maßlösung ( cɶ ( H2SO4 ) = 0,05 /, t = 0,997). Wie groß ist die Konzentration der untersuchten auge? 1.6 Welchen Titer hat eine Natronlauge-Maßlösung cɶ ( aoh ) =0,1 /, wenn 25,0 m davon bei der Titration 25,2 m Salzsäure-Maßlösung mit cɶ ( HCl) = 0,1 / (t=0,989) verbrauchen? ,0 m Soda-ösung (Na 2 CO 3aq ) werden mit demin. Wasser zu 250 m Stammlösung aufgefüllt. 20 m der Stammlösung verbrauchen bis zum Äquivalenzpunkt 21,24 m Salzsäure-Maßlösung, c ɶ = 0,1 /, (t = 1,0329). Berechnen Sie die Massenkonzentration β (Na 2 CO 3 ) der Stammlösung und der Ausgangslösung. 1.8 Bei der Titration von 20 m Natronlauge unbekannten Gehalts werden 12,5 m HCl-Maßlösung der Konzentration c(hcl) = 0,75 / verbraucht. Berechnen Sie die a) Stoffmenge NaOH b) Stoffmengenkonzentration NaOH 1.9 Bei der Titration von 25 m Natronlauge werden 5,3 m H 2 SO 4 -Maßlösung,der Konzentration c(h 2 SO 4 ) = 0,1 / verbraucht. Stellen Sie die Reaktionsgleichung auf und Berechnen Sie die Konzentration der Natronlauge Bei der Titration von 15 m verdünnter Schwefelsäure werden 20 m NaOH-Maßlösung der Konzentration c(naoh) = 0,1 / verbraucht. Berechen Sie die Konzentration der verdünnten Schwefelsäure Bei der Titration von 30 m Calciumhydroxidlösung Ca(OH) 2 mit einer Maßlösung Salzsäure (c=0,1 /) werden 20 m Salzsäure verbraucht. Berechnen Sie die Stoffmengenkonzentration an Calciumhydroxidlösung ,5035 g einer Ammoniaklösung werden eingewogen und auf 250 m verdünnt. 50 m der Stammlösung werden mit 28,0 m Salzsäure-Maßlösung ( c ɶ = 0,1 /, t = 0,950) bis zum ÄP titriert. Berechnen Sie den Massenanteil w(nh 3 ) der Ausgangslösung ,5000 g verunreinigtes KOH werden gelöst und mit demin. H 2 O auf 500 m aufgefüllt. 25,0 m verbrauchen bei der Titration 28,35 m Salzsäure ( c ɶ = 0,1 /, t = 0,987). Welchen Massenanteil an KOH enthält der Ausgangsstoff? 1.14 Wegen eines Herstellungsfehlers haben 100 m einer Schwefelsäuremaßlösung einen Titer von t = 1,2044. Aufgrund der Qualitätsvorschriften des abors ist es wichtig, dass der Titer möglichst nahe an t=1,0 liegt. Wie muss die ösung verdünnt werden? Warum muss der Titer auf jeden Fall danach erneut bestimmt werden? 1.15 Der Titer einer 1-aren Natronlauge-Maßlösung soll mit Oxalsäure-Dihydrat (C 2 H 2 O 4 2H 2 O) als Uritersubstanz ermittelt werden. a) Begründen Sie, welche Anforderungen eine Urtitersubstanz erfüllen muss, b) Berechnen Sie die einzuwiegende Masse Oxalsäure-Dihydrat, wenn der Sollverbrauch an Natronlaufe bei 20,00 m liegen soll. äuse c) Wie hoch ist der Titer, wenn bis zum Umschlagpunkt nur 19,2 m Natronlauge verbraucht wurden?

2 2. Aufgaben mit ph-titrationskurven und Indikatorwahl m einer starken einprotonigen 100-milliaren Säure werden mit einer 100-milliaren Base titriert. Zeichnen Sie die Tirationskurve und markieren Sie charakteristische Punkte. Berechnen Sie den Anfangs-pH-Wert m einer 0,1-aren Ammoniaklösung wird mit einer 1-aren Salzsäure-Maßlösung titriert. Zeichnen Sie auf Millimeterpapier möglichst genau den erwarteten Kurvenverlauf. Berechnen Sie hierfür die genauen ph-werte beim Startpunkt, beim Halbäquivalenzpunkt und beim Äquivalenzpunkt und markieren Sie diese Punkte auf dem Diagramm. Hinweis: Die Volumenzunahme während der Titration kann vernachlässigt werden m 0,1-arer Säure wurden mit NaOH-ösung (1 M) titriert. Ordnen Sie diesen Titrationskurven jeweils eine der folgenden Säuren zu. Begründen Sie Ihre Zuordnung UND erklären Sie für jedes Diagramm, weshalb 1, 2 oder 3 Sprünge sichtbar sind. Benzoesäure (pks = 4,2), Malonsäure (pk S 1 = 2,8; pk S 2 = 5,7), Weinsäure (pk S 1 = 3,0, pk S 2 = 4,4), Salpetersäure (pk S = -1,37), Schwefelwasserstoff-ösung (H 2 S, pk S 1 = 7,2; pk S 2 = 13,9). Diagramm 1: Diagramm 2: Diagramm 3: Diagramm 4: Diagramm 5: 2.3 b) Geben Sie für jede Säure einen geeigneten Säure-Base-Indikator an, um den Äquivalenzpunkt auch ohne ph-meter bestimmen zu können. Erklären Sie in diesem Zusammenhang auch, wie ein solcher Indikator wirkt.

3 2.4. Die Konzentration einer Phosphorsäurelösung soll durch Titration ermittelt werden. Es wurden 30 m Säurelösung vorgelegt und mit Natronlauge (c soll = 0,54 /, t = 1,072) titriert. Es unten stehendes Titrationsdiagramm erhalten. a) Erklären Sie ausführlich den Kurvenverlauf. Beschreiben Sie in diesem Zusammenhang, wie sich die chemische Zusammensetzung der ösung im Verlauf der Titration verändert und benennen Sie charakteristische Punkte. Markieren Sie diese in der Titrationskurve. b) Berechnen Sie die Phosphorsäurekonzentration in /. 3. Säure-Base-Rücktitrationen 3.1 Zur Bestimmung des Kalkgehalts wurden 5,0000 g einer Bodenprobe mit 50,00 m Salzsäure-Maßlösung (c soll=1,0 /, t = 0,9716) versetzt und 10 Minuten gerührt. Anschließend wurde das sich gebildete CO 2 durch kurzzeitiges Kochen ausgetrieben. Nah Auffüllen auf 100 m im Messkolben wurden 25 m der ösung in ein Becherglas abpipettiert und mit NaOH-sg (c soll=0,1 /, t = 1,000) der HCl-Überschuss zurück titriert. Der Umschlagpunkt des Farbindikators (Bromthyblau) war nach 26,3 m erreicht. Berechnen Sie w(caco 3) in der Bodenprobe. 3.2 Chloralhydrat (2,2,2-Trichlorethan-1,1-diol) wurde erstmals 1832 von JUSTUS VON IEBIG hergestellt. Seine narkotischen Eigenschaften wurden 1869 in die Medizin eingeführt. Es handelt sich um das erste vollsynthetische Schlafmittel und wird auch heute noch relativ häufig verschrieben. Zu 10,00 m einer Probelösung werden 50 m Kalilauge unbekannter Konzentration gegeben. Daraufhin kommt es zur Spaltung des Chloralhydrats: Cl Cl C Cl K + OH Cl O - C H + KOH H C Cl + CH O + H 2 O OH Cl Anschließend wird der KOH-Rest durch Titration mit H 2SO 4-Maßlösung (c soll = 0,05 /, t = 1,0803) zurück titriert. Es werden bis zum Umschlagpunkt mit Bromthyblau als Indikator 12,5 m Schwefelsäure verbraucht. Bei der Titration einer Blindprobe (statt 10 m Probelösung wurden hier 10 m H 2O benutzt, ansonsten gleiche Bedingungen) wurden 28,6 m Schwefelsäurelösung. a) Erklären Sie warum bei der Titration der Blindprobe mehr Schwefelsäure verbraucht wird, als bei der Titration der eigentlichen Probe. b) Berechnen Sie die Massenkonzentration β(chloralhydrat) in der Probelösung. Hinweis: M(Chloralhydrat) = 165,40 g/

4 ösungen unter

5 Musterlösungen zu Säure-Base-Titrationen ohne Gewähr Etwas Wiederholung der Theorie vorneweg Alle Aufgaben zur Direkttitration lassen sich nach folgendem Schema einfach lösen: 1. Aufstellen der Reaktionsgleichung der Säure-Base-Reaktion 2. Berechnung der zugesetzten Stoffmenge an Maßreagenz. Zur Berechnung von n(maßreagenz) wird die Konzentration der Maßlösung c(maßlösung) und das Volumen der Maßlösung (V(Maßlsg.)) benötigt. Häufig muss noch der Korrekturfaktor t (Titer bercksichtigt werden) um die tatsächliche Konzentration zu ermitteln. 3. Ermittlung der Stoffmenge Analyt (über das Koeffizientenverhältnis der Reaktionsgleichung). 4. Je nach Aufgabenstellung weitere einfache Umrechnungen und evtl. Aliquotierung berücksichtigen. 1.1 c( X ) tatsächliche Stoffmengenkonzentration t= ; Titer= cɶ ( X ) Sollkonzentration c( X ) = cɶ ( X ) t = 1 0,995= 0, Schritt: Aufstellen der Reaktionsgleichung: 2 aoh + H SO aso + 2H O Schritt: Berechnung der zugesetzten Stoffmenge NaOH (Maßreagenz). c( X ) tatsächliche Stoffmengenkonzentration t= ; Titer= cɶ ( X ) enn Konzentration c( aoh ) = cɶ ( aoh ) t = 0,1 1, 0152= 0,10152 n( X ) c( X ) = n( aoh ) = c( aoh ) V ( aoh ) V ( X ) n( aoh ) = 0, , 0222= 2, Schritt: Ermittlung der Stoffmenge Analyt (über das Koeffizientenverhältnis der Reaktionsgleichung). Aus den Koeffizienten der Reaktionsgleichung bekommt man heraus, dass pro Verbrauch von 2 NaOH- Teilchen in titrierten ösung 1 H 2 SO 4 -Teilchen vorlag. n(h 2 SO 4 ) ist also halb so groß wie n(naoh) 2 aoh + H SO a SO + 2H O Stoffmengenverhältnis : , NaOH (Ergebnis aus 2. Schritt) reagieren mit also mit n(h 2 SO 4 ) = 1, Schritt: Umrechnung der Stoffmenge n(h 2 SO 4 ) in die Masse m(h 2 SO 4 )

6 m( H SO ) M ( H SO ) = m( H SO ) = M ( H SO ) n( H SO ) n( H2SO4 ) g m( H 2SO4 ) = 98, 079 1, ,1105g 110,5mg 1.3 ösungsweg 1: a) Ermittlung der verbrauchten Stoffmenge an Schwefelsäure n(h 2 SO 4 ) b) Ermittlung der neutralisierten Stoffmenge Natriumhydroxid n(naoh) c) Ermittlung der Masse der Natriumhydroxid m(naoh) Zu a) n( H 2SO4 ) = c( H2SO4 ) V ( sg) = 0,5 0,0192= 0,0096 Zu b) 2 aoh + H SO a SO + 2H O Stoffmengenverhältnis : Es wird also die doppelt so viel Natronlauge neutralisiert, wie Schwefelsäure verbraucht wird. Da n(h 2 SO 4 )= 0,0096, folgt n(naoh)=0,0192. Zu c) m( aoh ) = M ( aoh ) n( aoh ) = 39,9971 g 0,0192 0,768g 768mg 1.4 a) Berechnung der Konzentration c(naoh) und der Stoffmenge n(naoh) b) Berechnung der Stoffmenge n(hcl) c) Berechung der Masse m(hcl) Zu a) c( aoh ) = cɶ ( aoh ) t = 0,1 1, 026= 0,1026 n( X ) c( X ) = n( aoh ) = c( aoh ) V ( aoh ) V ( X ) n( aoh ) = 0,1026 0, 0168= 1, Zu b) HCl + NaOH NaCl + H 2 O 1, NaOH können 1, HCl neutralisieren. Zu c) g m( HCl) = M ( HC) n( HCl) = 36,4606 1, = 0,062847g 0, g x = x= g= 817, 003kg 0,

7 1.5 a) Berechnung von c(h 2 SO 4 ) und dann n(h 2 SO 4 ) b) Ermittlung von n(koh) c) Berechung der Konzentration c(koh) in der konzentrierten ösung. Zu a) c( H SO ) = cɶ ( H SO ) t = 0, 05 0,997= 0, n( X ) c( X ) = n( H2SO4 ) = c( H2SO4 ) V ( H2SO4 ) V ( X ) n( H2SO4 ) = 0, , 0294= 1, Zu b) H 2 SO KOH K 2 SO 4 + H 2 O 1, H 2 SO 4 können die doppelte Menge (n=2, ) KOH neutralisieren. 100 ml verdünnte Kalilauge bzw. 10 ml konzentrierte Kalilauge enthalten n(koh)= 2, Zu c) n( KOH ) 2, c( KOH ) = = = 0,293 V ( KOH ) 0, a) Berechung von c(hcl) und dann n(hcl) b) Ermittlung von n(naoh) c) Berechung von c(naoh) d) Berechung von t Zu a) c( HCl) = cɶ ( HCl) t = 0,1 0,989= 0, 0989 n( HCl) = c( HCl) V ( HCl) n( HCl) = 0, , 0252= 2, Zu b) HCl + NaOH NaCl + H 2 O 2, HCl können n(naoh)=2, NaOH neutralisieren. Zu c) n( aoh ) 2, c( aoh ) = = = 0,09969 V ( aoh ) 0,025 Zu d)

8 0, c( aoh ) t= = = 0,9969 cɶ ( aoh ) 0,1 1.7 [ ] m( Na CO ) = 116,269 mg m mstamm = 116,269 mg = 1453,36 mg = 1, g 20,00 m β Stamm 1, g g = = 5, Aliquotierfaktor: Berücksichtigt die Verdünnung (siehe Aufgabenstellung). β Ausgangslsg 1,31824 g g = = 58, Berechung der zugegebenen HCl-Stoffmenge n( HCl) = c( HCl) V ( sg) = 0,75 0,0125= 0, Angabe von n(naoh) über Koeffizientenverhältnis NaOH + HCl NaCl + H 2 O Wegen dem 1:1-Koeffizientenvehältnis folgt: n(naoh) = 0, b) Berechnung der Konzentration n( NaOH) 0, c( NaOH) = = 0,4688 V ( NaOH ) 0, [ ] ( ) 1,06 10 c( NaOH) = = = 0,0424 V NaOH n NaOH ( ) [ ] n( H2SO4 ) 0,001 c( H2SO4 ) = = 0,0667 V( H SO ) 0, Ca(OH) HCl CaCl H 2 O Analyt Maßsubstanz 1 3 V( ( ) 2) 0, , 0 0 n Ca OH = = 10 2

9 c(ca(oh) 2 = 1 m/ 30 m = 0,033 / 1.12 [ ] m( NH ) 226, m( sg) 4,5035 g 3 g ( 3) = = = 0,0503 = 5,03% w NH 1.13 [ ] m( KOHrein ) 3,13982 g w( KOH) = = = 0,8971= 89,71% m( KOH ) 3,500 g tech 2.1 Jede 100-milliare starke einprotonige Säure hat einen ph-wert von ungefähr ph -lg c(säure) - lg 0,1 1. Entsprechend gleichen sich auch die Titrationsdiagramme. Sie sind sich so ähnlich, dass in unten stehender Abbildung beide Titrationskurven (mit einem Programm berechnet, dass auch die Ionenaktivitäten berücksichtigt, ( die Kurven absolut übereinander liegen. 2.2 Mit der ph-formel für schwache Basen, kann man berechnen, dass der Anfangs-pH-Wert (also der ph-wert der 0,1- aren NH 3 -ösung) ca. ph 11,13 beträgt: pkb lg c( H3) 475, lg 01, poh = = 2875, => ph = 14 ph = , 1113, 2 2 Das Volumen, an dem der Äquivalenzpunkt (ÄP) auftritt, muss bei 10 m liegen, da die Maßlösung 10 mal konzentrierter ist als die Probelösung und 100 m Probelösung eingesetzt werden. Am Äquivalenzpunkt liegt eine 100-milliare Ammoniumchloridlösung vor. Deren ph-wert lässt sich mithilfe des pk S (NH + 4 ) berechnen: Er beträgt ph 5, pks( H4 ) lg c( H4 ) 9, 25 lg 01, ph = 513, 2 2

10 Beim Halbäquivalenzpunkt (bei 5 m) lässt sich der ph-wert mit der Puffergleichung berechnen. An diesem Punkt ist c(nh + 4 ) = c(nh 3 ). Es gilt also ph 9,25. + c( H3) ph = pks( H4 ) + lg = 9, 25+ lg 1= 9, 25 + c( H ) Insgesamt ergibt sich folgendes Titrationsdiagramm: Malonsäure: pk S 5,7 deutlich zu erkennen (Pufferpunkt). 2 Sprünge, da 2- protonige Säure und der Abstand zwischen den pk S-Werten groß genug ist, um getrennt voneinander aufgelöst zu werden. Benzoesäure: ÄP im alkalischen Bereich (ph 8,5), zu Beginn höherer ph-wert als bei einer starken Säure, Pufferwirkung rund um dem pk S = 4,2 (Halb-ÄP). 1 Sprung, da nur 1-protonig. Salpetersäure: stark ausgeprägter Sprung und ein ÄP bei ph 7. 1 Sprung, da eine1-protonige Säure Weinsäure: Die pk S-Werte liegen zu nahe beieinander, um 2 Sprünge erkennen zu können. Da 2-protonige Säure, liegt der ÄP beim doppelten NaOH-Volumen als z.b. bei der Benzoesäure. H 2S: pk S 7,2 deutlich zu erkennen. obwohl Molekül 2 H + abgeben kann, nur ein Sprung erkennbar, da 2. ÄP bei zu hohem ph-wert.

11 2.3b) Der Indikator richtet sich nach dem ph-wert des Äquivalenzpunktes. Ein guter Indikator bei der Titration starker Säuren mit starken Basen und umgekehrt ist z.b. Neutralrot oder Bromthyblau. iegt der ÄP im schwach Alkalischen, benötigt man einen Indikator, der bei diesem ph-wert umschlägt. Hier bietet sich beispielsweise Phenolphthalein an. Indikatoren sind selbst schwache Säuren (HInd) die als solche reversibel durch die Maßlösung protoniert/deprotoniert werden können. Da Indikatoren also den Verbrauch an Maßlösung beeinflussen, um selbst durch diese protoniert/deprotoniert zu werden, muss man möglichst geringe Mengen einsetzen. Jeder Tropfen beeinflusst das Messergebnis. Die protonierte Form (HInd) besitzt eine andere Farbe wie die deprotonierte Form (Ind ). So kann man mit dem Auge den Umschlag von HInd zu Ind bzw. umgekehrt erkennen. iegt die Hälfte der Moleküle als HInd und die Hälfte der Moleküle als Ind vor, so tritt eine Mischfarbe auf. Nach der Puffergleichung (Henderson-Hasselbalch- Gleichung, siehe Behandlung der Puffer im Unterricht!) ist dies gerade dann der Fall, wenn der ph-wert der ösung dem pk S -Wert der schwachen Säure HInd entspricht. Am pk S -Wert von HInd erkennt man also auch den Umschlagbereich. Beispiele: Phenolphthalein: pk S = 9,1 => Umschlagbereich: 8,5 9,5. => Einsetzbar wenn der ÄP in diesem ph-bereich liegt. Neutralrot: pk S = 5,9 => Umschlagbereich: 5,5-7 => Einsetzbar wenn der ÄP in diesem ph-bereich liegt. Bromthyblau: pk S = 7,1 => Umschlagbereich: 6-8 => Einsetzbar wenn der ÄP in diesem ph-bereich liegt : Zuerst muss durch das Ergebnis der Titration berechnet werden, wie viel HCl, nach der Abreaktion mit CaCO 3 der Bodenprobe noch vorhanden war (n Rest ). 2.: Da die anfangs zugesetzte Stoffmenge n 0 (HCl) aus der Aufgabenstellung berechenbar ist, kann anschließend durch Differenzbildung ausgerechnet werden, wie viel HCl bei der Reaktion mit dem CaCO 3 verbraucht wurde (n Verbrauch ). 3.: Daraus lässt sich über das Koeffizientenverhältnis berechnen, wie viel CaCO 3 vorgelegen haben muss. Zum Schluss wird in die Masse m(caco 3 ) umgerechnet und der Massenanteil w(caco 3 ) berechnet. Zu 1: HCl + NaOH NaCl + H 2 O; n( aoh ) = c( aoh ) V ( sg) = 0,1000 0,0263= 0, Aus dem 1:1-Koeffizientenverhältnis folgt: n Rest (HCl) = 0,0263 (in 25 m der ösung). Berücksichtigung der Aliquotierung/Hochrechnung auf 100 m Probelösung: 100m n Rest ( HCl) = 0,00263= 0, m

12 Zu 2: n0 ( HCl) = c( HCl) t V ( sg) = 1,0 0,9716 0,05= 0, n Verbrauch HCl) = n ( HCl) n ( HCl) = 0, , , ( 0 Rest = Zu 3: CaCO HCl CaCl 2 + CO 2 + H 2 O wurde. Aus dem 2:1-Koeffizientenverhältnis folgt: Es muss halb so viel CaCO 3 vorgelegen haben, wie HCl verbraucht nverbrauch( HCl) 0,03806 n( CaCO3 ) = = = 0, Zu 4: g m( CaCO3) = n( CaCO3) M ( CaCO3) = 0, ,087 1, 9047g mcaco ( 3) 1,9047g wcaco ( ) = = m 5g 3 gesamt 0, ,6 m 12,5 m = 16,1 m des Schwefelsäure-Verbrauchs sind indirekt auf die Spaltung von Chloralhydrat zurückzuführen: Die KOH-Stoffmenge die dieser Schwefelsäure-Stoffmenge entspricht, wurde benutzt um Chloralhydrat zu spalten. In 16,1 m Schwefelsäure-sg sind n(h 2 SO 4 ) = c(hso 4 ) t V(sg) = 0,05 / 1,0803 0,0161 = 0, H 2 SO 4 enthalten. Aus dem 2:1-Koeffizientenverhältnis der Titration (2 KOH + H 2 SO 4 K 2 SO H 2 O) folgt, dass n Verbrauch (KOH) = 0, KOH verbraucht wurden, um Chloralhydrat zu spalten. Aus dem 1:1- Koeffizientenverhältnis der Chloralhydratspaltung (Reaktionsgleichung : siehe Aufgabenstellung) folgt: n(chloralhydrat) = 0, Die Umrechnung in die Masse liefert: m(chloralhydrat) = n(chloralhydrat) M(Chloralhydrat) = 0, ,40 g/ 0,2877 g. Damit folgt β(chloralhydrat) = m(chloralhydat) / V(sg) = 0,2877 g / 0,01 = 28,76 g/