The TripleB-Project-& Developmentgroup stellt vor

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1 The TripleB-Project-& Developmentgroup stellt vor Photometrische Endpunkterkennung und optisch unterstützte Volumenmessung bei Säure-Base- Titrationen mit Hilfe des LabPro-Systems der Firma Vernier unter besonderer Berücksichtigung der Bedürfnisse der höheren Lehranstalten Ein Projekt im Rahmen der Projektwoche des Staatlichen Seminars für Didaktik und Lehrebildung (Beruflichen Schulen) Stuttgart vom 25. bis 29. Juni 2007 Kurs RJ2007 Projektgruppe Chemie / Physik (Hr. Dinkel / Hr. Haller) Elektronische Messwerterfassung in den Naturwissenschaften Team: Martin Bässgen, Barbara Becher, Jan Uwe Berner

2 2 Dokumentation Zeitlicher Ablauf der Projektwoche Aktivitäten Termin Vorstellung und Erprobung der Systeme ganztägig Besuch der Ausstellung der Technikerprojekte in der Gottlieb-Daimler-Schule Uhr Auswahl des Messsystems und Festlegung des Themas; Weitere Projektplanung Uhr Aufbau der Messapparatur und erste Testreihen Uhr Erarbeitung der Messbedingungen und Dokumentation der Testergebnisse Uhr Gestaltung der Präsentation Uhr Präsentation Uhr

3 3 1. Auswahl des Messsystems und Festlegung des Themas Da unser Projektteam interdisziplär aus den Fächern Chemie und Physik zusammengesetzt war, war unser Anliegen, Aspekte beider Fächer in dem Projekt zu vereinen. Nach Erprobung der verschiedenen zur Verfügung stehenden Messsysteme und der dazu verwendeten Software, fiel unsere Wahl auf das LabPro der Firma Vernier. Das System ist handlich und leicht zu bedienen. Es bietet eine Vielzahl unterschiedlicher Sensorsysteme, deren Einsatz auch miteinander verknüpft werden kann. Die Software LoggerPro ist übersichtlich und gut verständlich. Eine der wenigen analytischen Verfahren, die im Chemieunterricht behandelt werden, ist die Titration, die üblicherweise als Säure-Base-Titration am Beispiel der Titration von Salzsäure mit Natronlauge bzw. vice versa durchgeführt wird. Im einfachsten Fall erfolgt die Titration von Hand und die Endpunktsbestimmung erfolgt auf Sicht durch Erkennen des Farbumschlags eines Indikators bzw. mittels eines ph- Meters. Gleichwohl ist die titrimetrische Bestimmung zur Konzentrationsbestimmung unterschiedlichster Stoffe in der chemischen Forschung und Analytik im industriellen Rahmen eine häufig angewendete Analysemethode, die hier jedoch in vielen Fällen automatisiert und mit elektronischer Messwerterfassung eingesetzt wird. Die Wahl unseres Themas erwuchs daher aus dem Gedanken, mit den in der Schule zur Verfügung stehenden Mitteln, eine möglichst einfache Lösung zur automatisierten Titration mit elektronischer Messwerterfassung und Endpunktserkennung zu erstellen. Die Methode kann als Demonstrationsversuch im Chemieunterricht der 2-jährigen Berufsfachschule ebenso wie in der Eingangsstufe des beruflichen Gymnasiums zur Anwendung kommen. Bei entsprechender instrumenteller Ausstattung wäre auch ein Einsatz im Praktikum denkbar. Die Kopplung eines ph-meters mit dem PC über ein entsprechendes Interface bietet eine erste einfache Möglichkeit zur elektronischen Messwerterfassung des ph-werts in der Lösung während der Titration und zur Erstellung einer Titrationskurve. Da eine ph-elektrode zwar für das LabPro erhältlich, im vorliegenden Fall aber nicht vorhanden war, entschieden wir uns für den vorliegenden Lichtsensor, der die aktuelle Beleuchtungsstärke misst, um hiermit den Endpunkt der Titration zu erfassen. Bedingung hierfür war der deutliche Umschlag der Lösung von hell nach dunkel oder umgekehrt. Für die Erfassung des Volumens der zugegebenen Titerlösung entschieden wir uns für eine Tropfenzählung mittels einer Lichtschranke. Die Lichtschranke und der Lichtsensor sollten so über die Software miteinander gekoppelt werden, das ein durch die Lichtschranke fallender Tropfen eine Messung der Beleuchtungsstärke durch den Lichtsensor auslöste.

4 4 2. Chemische Grundlagen 2.1 Allgemeine Grundlagen der Titration Die Titration ist eine Methode zur quantitativen Analyse (= Bestimmung der Menge) in der Chemie. Mit Hilfe einer Bürette wird eine Maßlösung (Reagenz-Lösung mit bekannter Konzentration) in die zu untersuchende Lösung mit unbekannter Konzentration hineingetropft, bis ein definierter Endpunkt erreicht ist. Das verbrauchte Volumen wird an der Bürette abgelesen und die Menge des gesuchten Stoffes errechnet. Folgende Voraussetzungen müssen gegeben sein, damit eine Konzentrationsbestimmung mittels einer Titration erfolgen kann: Der Reaktionsverlauf, der der Titration zugrundeliegt, muss eindeutig sein. Die chemische Umsetzung muss schnell und vollständig ablaufen. Die Ausgangsprodukte der Titrationsgleichung müssen vollständig wasserlöslich sein. Der Endpunkt der Titration muss klar erkennbar sein. Es muss sich eine Maßlösung mit einem über längere Zeit konstanten Titer (= beinhaltete Menge) herstellen lassen, mit der titriert wird. Reaktionstypen einer Titration können sein: Säure-Base-Titration: Neutralisation der Analysnlösung Fällungstitration: Ausfällen eines Niederschlages (z.b. AgCl) Komplexometrie: Bildung eines stabilen Komplexes Redoxtitration: Titration mit einem oxidierenden oder reduzierenden Titrator (z.b. mit Kaliumpermanganat) Jodometrie: Titration mit Iod Endpunktserkennung: Der Endpunkt einer Titration kann durch verschiedene Methoden erkennbar gemacht werden. Bei der chemischen Erkennung können z.b. Farbstoffe, sogenannte Indikatoren eingesetzt werden. Diese finden insbesondere bei Säure-Base-Titrationen Verwendung. Indikatoren sind selbst schwache organische Säuren oder Basen, die je nach ph- Wert ihre Farbe ändern. Der Grund für diese besondere Eigenschaft von Säure- Base-Indikatoren ist, dass ihre protonierte Form (im sauren Milieu) eine andere Farbe aufweist als ihre deprotonierte Form im alkalischen Bereich. Somit zeigen sie an, ob eine Lösung sauer, neutral oder alkalisch ist. Da sie selbst schwache Säuren oder Basen sind, beeinflussen sie aber auch den ph- Wert einer Lösung geringfügig. Deswegen werden sie bei der quantitativen Bestimmung einer Lösung nur in sehr geringen Mengen zugesetzt. Da Indikatoren eine intensive Eigenfärbung haben, reichen aber auch schon geringe Mengen aus (2-3 Tropfen), um den Farbumschlag bei der Veränderung des ph-werts anzuzeigen. Der Farbumschlag gibt den Endpunkt der Titration an. Es gibt eine Vielzahl von Säure-Base-Indikatoren. Sie unterscheiden sich 1. in den Farben, die sie jeweils in einer sauren, neutralen oder alkalischen Lösung annehmen;

5 5 2. in dem ph-bereich, in welchem der Wechsel zwischen den beiden Farben stattfindet (man spricht auch vom Umschlagsbereich). Umschlagsbereiche einiger gängiger Säure-Base-Indikatoren Indikator ph-bereich des Farbumschlags Farbänderung Methylorange 3,2-4,4 rot - gelb Lackmus 5,0-8,0 rot - blau Bromthymolblau 6,0-7,6 gelb - blau Phenolphthalein 8,2-10,0 farblos - purpur Alizaringelb R 10,1-12,0 gelb - rot Zur physikalischen Erkennung des Endpunkts einer Titration können verschiedene Messinstrumente eingesetzt werden, wie z.b. - ein ph-meter zur ph-wert-messung oder - ein Gerät zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit. 2.2 Titration einer starken Säure mit einer starken Base am Beispiel der Titration von Salzsäure mit Natronlauge Säure-Base-Titrationen dienen zur Bestimmung der Konzentration von Säuren oder Basen. Hierbei kann man entweder eine saure Probelösung mit einer äquivalenten (= gleichen) Stoffmenge einer Base umsetzen, indem man mit einer Maßlösung titriert, die die Base enthält. Diese Analysemethode nennt man Alkalimetrie. Umgekehrt kann man die unbekannte Stoffmenge einer Base durch Titration mit einer Säuremaßlösung bestimmen. Diese Analysemethode nennt man Acidimetrie. Bei einer Säure-Base-Titration finden Protonenübertragungen zwischen den Reaktionspartnern statt. Bei der Titration von Salzsäure mit Natronlauge laufen dabei folgende Reaktionen ab: NaOH + HCl NaCl + H 2 O Allgemeine Reaktionsgleichung OH - + H + H 2 O Neutralisationsgleichung Am Äquivalenzpunkt der Titration, das ist der Punkt an dem die vorhandene Menge der Salzsäure mit genau der gleichen Menge an Natronlauge reagiert hat, liegen nur noch neutrale Reaktionspartner vor. Der ph-wert der Lösung beträgt also genau 7. Zur Erkennung des Äquivanlenzpunktes kann daher die Titration mit einem ph-meter verfolgt werden. Als weitere Methode der Endpunktbestimmung eignet sich die Verwendung eines Indikators. Der Farbumschlag des Indikators muss beim gleichen ph-wert erfolgen, an dem auch der Äquivalenzpunkt der Titration von Salzsäure mit Natronlauge liegt, also im neutralen Bereich. Wir wählen für unseren Versuch Bromthymolblau.

6 6 2.3 Die Titrationskurve der Titration einer starken Säure mit einer starken Base Beispiel: Titration von Salzsäure mit Natronlauge Erstellung einer Titrationskurve Zur Erstellung einer Titrationskurve muss während der Titration mit Hilfe einer Messelektrode (ph-meter) ständig der ph-wert bestimmt werden. In ein Diagramm wird nun der ph-wert in Abhängigkeit des zugegebenen Volumens an Maßlösung (NaOH-Lösung) eingetragen. Man stellt fest, dass der ph-wert erst nur in kleinen Schritten steigt. An einer Stelle hat die Kurve jedoch einen starken ph-sprung. An diesem Punkt nähert sich die H 3 O + -Ionen Konzentration der Konzentration der OH - -Ionen an. In diesem Bereich darf man die Maßlösung nur tropfenweise zugeben. Der Wendepunkt der Kurve ist der Äquivalenzpunkt, der bei der Titration einer starken Säure (Salzsäure) mit einer starken Base (Natronlauge) bei ph 7 liegt. Bei weiterer Zugabe von Natriumhydroxid-Lösung steigt der ph-wert erst sprunghaft, dann wieder langsamer an. Die Kurve zeigt die Titration einer starken Säure (HCl) mit einer starken Base (NaOH) aufgenommen mit einer ph-elektrode. Sie beginnt, wenn noch kein NaOH zugefügt wurde, bei ph-wert = 1 (0.1 n HCl) und steigt zunächst nur langsam an. Dies ändert sich in der Nähe des Äquivalenzpunktes (20 ml 0.1 n NaOH zugegeben). Dort steigt der ph-wert schlagartig an. Hier findet auch der Farbumschlag der zugegebenen Indikatorlösung statt. In der Titrationskurve ist der Umschlagsbereich des gewählten Indikators schraffiert eingezeichnet. Die weitere Zugabe der NaOH über den Äquivalenzpunktes hinaus bewirkt ein weiteres Ansteigen des ph-wertes Abbildung 1: Titrationskurve von Salzsäure mit Natronlauge Aus der Titrationskurve kann man den Äquivalenzpunkt auch zeichnerisch bestimmen.. Umschlagbereich des Indikators

7 7 2.4 Berechnung der Konzentration der Salzsäure Anhand des verbrauchten Volumens an Maßlösung (NaOH) kann die Menge der zu untersuchenden Salzsäure bestimmt werden. Sie wird wie folgt berechnet: Volumen (HCl) x Konzentration (HCl) = Volumen (NaOH) x Konzentration (NaOH) Dabei bedeuten: Konzentration (NaOH) = Konzentration der Maßlösung, z.b.: 0,1 mol/l Volumen (NaOH) = bei der Titration von Salzsäure bis zum Äquivalenzpunkt zugesetztes Volumen an Natronlauge, z.b. 20 ml Volumen (HCl) = zur Titration eingesetztes Volumen der zu bestimmenden Salzsäurelösung, z.b. 10 ml Konzentration (HCl) = gesuchte Konzentration der zu bestimmenden Salzsäure Zur Vereinfachung kürzen wir ab: Konzentration (NaOH) = c (NaOH) Volumen (NaOH) = V (NaOH) Konzentration (HCl) = c (HCl) Volumen (HCl) = V (HCl) Durch Auflösen der Gleichung zur gesuchten Konzentration (hier: c (HCl)) erhält man. V (NaOH) x c (NaOH) c (HCl) = V (HCl) Nun werden die bekannten und ermittelten Werte eingesetzt: c (NaOH) = 0,1 mol/l V (NaOH) = 20 ml V (HCl) = 10 ml c (HCl) = gesuchte Konzentration 20 ml x 0,1 mol/l c (HCl) = = 0,2 mol/l 10 ml Analog zur Titration einer starken Säure mit einer starken Base verhält sich die Titration einer starken Base mit einer starken Säure.

8 8 2.5 Chemische Grundlagen der Säure-Base-Titration Protolysegleichgewicht im Wasser Prüft man die Leitfähigkeit von reinem Wasser, so beobachtet man, dass auch reinstes Wasser eine sehr geringe Leitfähigkeit besitzt. Es sind also auch in reinem Wasser Ionen vorhanden. Sie entstehen durch die Autoprotolyse von Wasser: Dieses Gleichgewicht ist nicht nur in reinem Wasser, sondern in allen wässrigen Lösungen vorhanden. Nach dem Massenwirkungsgesetz lässt sich somit folgende Gleichung für das Gleichgewicht formulieren: Da die Konzentration von Wasser in verdünnten Lösungen als konstant angesehen werden kann (55,34 mol/l), wird der Wert mit der Konstanten k zu K w zusammengefasst: Der K w -Wert ist jetzt nur noch von der Temperatur abhängig und beträgt bei 22 Grad Celsius mol 2 /l 2. Titration einer starken Säure mit einer starken Base Bei einer Säure-Base-Titration finden Protonenübertragungen zwischen den Reaktionspartnern statt. Bei der Titration von Salzsäure mit Natronlauge laufen folgende Reaktionen ab: NaOH + HCl NaCl + H 2 O Allgemeine Reaktionsgleichung OH - + H + H 2 O Neutralisationsgleichung Für die Betrachtung der Säure-Base-Titration ist das Ionenprodukt des Wassers K w von Bedeutung. Setzt man zu einem Volumen an Säure mit einer bestimmten H 3 O + - Ionenkonzentration einen Tropfen Natronlauge hinzu, so vergrößert sich die OH - - Ionenkonzentration. Der Wert des Ionenproduktes [H 3 O + ] * [OH - ] = K w erhöht sich dadurch ebenfalls. Dieses vergrößerte Ionenprodukt entspricht aber nicht mehr dem Gleichgewichtszustand in der Lösung. Daher treten solange H 3 O + und OH - zu H 2 O zusammen, bis der Gleichgewichtswert des Ionenproduktes (von etwa mol 2 /l 2 ) wieder erreicht wird. Somit sinkt die H 3 O + -Ionenkonzentration. Fügt man nach und nach immer mehr Lauge hinzu, so nimmt die Anzahl der H 3 O + - Ionen ständig ab, die der OH - -Ionen aber laufend zu. Der bei jeder Zugabe von OH - überschrittene Wert des Ionenprodukts K w geht dabei jedesmal durch die Reaktion zu Wasser auf den Gleichgewichtswert von mol 2 /l 2 zurück.

9 9 Im Laufe der Titration erreicht man dann einen Punkt, an dem die H 3 O + und die OH - Ionenkonzentration gleich groß sind. Das ist der Neutral- oder Äquivalenzpunkt. Setzt man weiter Lauge hinzu, so reagiert die Lösung immer stärker alkalisch. Der ph-wert In neutralen Lösungen sind die Konzentrationen [H 3 O + ] und [OH - ] gleich groß (10-7 mol/l). In sauren Lösungen überwiegt die H 3 O + - Konzentration; in alkalischen die von OH -. Das Produkt der Konzentrationen ist jedoch konstant. Kennt man daher eine Konzentration, so ergibt sich die andere aus der obigen Beziehung. Zur Charakterisierung von verdünnten wässrigen Lösungen hat man die H 3 O + - Konzentration gewählt und verwendet als Maßzahl dafür den negativen Exponenten ihrer Zehnerpotenz. Diese Zahl wird als ph-wert bezeichnet. ph = - lg [H 3 O + ] Der ph-wert ist dimensionslos, denn nicht die Konzentration als physikalische Größe kann logarithmiert werden, sondern lediglich der Zahlenwert. In sauren Lösungen sind die ph-werte kleiner als 7, in alkalischen liegt der ph-wert über 7. Bei ph = 7 ist eine Lösung neutral.

10 10 3. Erarbeitungsphase Aufbau der Versuchsapparatur Der Versuch wurde gemäß der Abbildung 1 aufgebaut und die Lichtschranke sowie der Lichtsensor positioniert. Um eine ausreichend große Beleuchtungsstärke zu erreichen, wurde das Reaktionsgefäß mit einer Glühbirne beleuchtet. Abbildung 2: Versuchsaufbau Die Titration Zur Erarbeitung der Randbedingungen wurde zunächst die Titration einer 0,1 molaren Salzsäure mit einer 0,1 molaren Natronlauge gewählt. Als Indikator wurde erst Phenolphthalein, dann Bromthymolblau eingesetzt. Zur Darstellung des Umschlagspunkts mit dem Lichtsensor erwies sich die Titration von Natronlauge mit Salzsäure hingegen als geeigneter, da hier der Umschlag beim Phenolphthalein von purpur nach farblos schlagartig erfolgt. Wird hingegen die Säure mit der Base titriert entstehen kurz vor dem Umschlagpunkt von farblos nach purpur bereits farbige Schlieren in der Lösung, die die Grundlinie leicht beeinflussen. Ähnliches war bei der Verwendung von Bromthymolblau zu beobachten. Der Umschlag von blau nach gelb (alkalisch nach sauer) erfolgt momentan, während in der umgekehrten Richtung bereits kurzfristig grüne Schlieren in der Lösung auftreten. (s. Film) Grundsätzlich sind aber beide Titrationsrichtungen möglich.

11 11 Die Lichtschranke Die Inbetriebnahme der Lichtschranke erwies sich als unproblematisch. Nach Vorname einiger Einstellungen in der Software war auch die Kopplung der Lichtschranke mit dem Lichtsensor derart erreicht, dass ein durch die Lichtschranke fallender Tropfen eine Messung der Lichtintensität auslöste. Der Lichtsensor Die Einstellung der optimalen Messbedingungen für den Lichtsensor gestalteten sich etwas schwieriger. Der Lichtsensor reagiert extrem empfindlich auf Lichtschwankungen, so dass sich Reflexionen wie z.b. durch das Rühren der Lösung störend bemerkbar machten. Mit dem Versuchsaufbau ließ sich zunächst keine stabile Grundlinie erhalten. Wir versuchten daher zunächst die Reflexionen durch Ummantelung des Reaktionsgefäßes mit scharzem Papier so weit wie möglich auszuschalten. Hierdurch fiel jedoch die Lichtausbeute drastisch ab. Als weitere Versuche zeigten, dass die Schwankungen in der Grundlinie letzlich doch kaum Einfluss auf die Ermittlung des Umschlagspunktes haben, wählten wir den einfachst möglichen Aufbau entsprechend der Abbildung 2. Abbildung 3: Spektrale Ansprechbarkeit der Photodiode Bei dem Lichtsensor handelt es sich um eine Hamamatsu S1133 Photodiode mit einer spektralen Ansprechbarkeit, die dem menschlichen Auge ähnelt. (s. Abbildung 3)

12 12 Aus dem Spektrum ist ersichtlich, dass die Photodiode im gelb-roten Bereich deutlich empfindlicher reagiert als im blauen Bereich. Daher wurde der zunächst eingesetzte Indikator Phenolphthalein gegen Bromthymolblau gewechselt. Titriert man hiermit die Natronlauge mit der Salzsäure, so erhält man von der vorgelegten blaugefärbten Lösung eine sehr ruhige Grundlinie. Die Bestimmung der zur Neutralisation benötigten Titerlösung Es zeigte sich, dass die Tropfengröße bei Verwendung verschiedener Büretten und verschiedener Maßlösungen so stark variierte, dass eine Eichung des Volumens durch Zählen der Tropfenzahl und Bestimmung des Volumens zu ungenau war. Dazu korrelierten wir den an der Bürette abgelesenen Wert der verbrauchten Titerlösung nach beendeter Titration mit der Tropfenzahl, um so die Skalierung der x-achse zu kalibrieren. Auf der y-achse wurde die vom Computer aufgenommene Beleuchtungsstärke aufgetragen. Hierdurch erhielten wir für jeden Durchlauf einen sehr exakten Wert für den Neutralisationspunkt. Dieser Wert stimmte exakt mit dem beobachteten Farbumschlag des Indikators überein. Versuchsdurchführung der Titration 5 ml einer 0,1 molaren Natronlauge wurden mittels einer Vollpipette in ein 100 ml Becherglas pipettiert und mit ca. 50 ml destilliertem Wasser aufgefüllt. Zu der Lösung wurden 5 Tropfen einer alkoholischen Lösung von Bromthymolblau gegeben. Nach Starten der Funktion Data Collection in der Software wurde die Bürette auf eine Tropfgeschwindigkeit von ca. 1 Tropfen pro Sekunde eingestellt. Die Datensammlung startet mit dem ersten Tropfen, der die Lichtschranke passiert. Zur Aufnahme einer vollständigen Titrationskurve wurde etwa doppelt soviel Titerlösung (ca. 10 ml) in die Vorlage getropft, wie bis zum Erreichen des Äquivalenzpunktes nötig war.

13 13 Die Titrationskurve Als Ergebnis der Titration einer 0,1 molaren Natronlauge mit einer 0,1 molaren Salzsäure wurde die abgebildete Titrationskurve erhalten. Abbildung 4: Titrationskurve Titrationskurve 0,1 M Natronlauge mit 0,1 M Salzsäure Indikator: Bromphenolblau Lichtstärke in Lux Volumen in ml Vorher Umschlagspunkt Nachher Sprojekt4.mpg Film

14 4. Präsentation Photometrische Endpunkterkennung und optisch unterstützte Volumenmessung bei Säure-Base-Titrationen mit Hilfe des LabPro-Systems der Firma Vernier unter besonderer Berücksichtigung der Bedürfnisse der höheren Lehranstalten Was ist eine Titration? Versuchsaufbau Die Titration ist eine Methode zur quantitativen Analyse (= Bestimmung der Menge) in der Chemie. Bürette mit Reagenz-Lösung Anwendbar ist die Methode bei Stoffen, die schnell und vollständig miteinander reagieren. Es wird eine Reagenz-Lösung mit bekannter Konzentration in die zu untersuchende Lösung mit unbekannter Konzentration hineingetropft, bis ein definierter Endpunkt erreicht ist. Der Endpunkt kann z.b. mit einem Farbstoff sichtbar gemacht werden. Aus dem verbrauchten Volumen kann die Menge des gesuchten Stoffes errechnet werden. Lampe Lichtschranke Becherglas mit Lösung unbekannter Konzentration Lichtsensor Messmethode Titrationskurve Die Volumenbestimmung der Reagenz-Lösung erfolgt mit Hilfe einer Lichtschranke Titrationskurve 0,1 M Natronlauge mit 0,1 M Salzsäure Indikator: Bromphenolblau Jeder Tropfen löst eine Messung der Beleuchtungsstärke durch den Lichtsensor aus. Beleuchtungsstärke und Volumen der Reagenz-Lösung werden vom Computer korreliert. Hieraus entsteht die Titrationskurve. Lichtstärke in Lux Volumen in ml