b) Berechnen Sie den Verbrauch an Maßlösung und den Massenanteil der Essigsäure.

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1 Prüfungsvorbereitung Säure-Base-Titrationen und ph-werte 1. ph-werte und Puffer 1.1 Eine Natronlauge hat die Dichte ρ = 1,7 g/m und einen Massenanteil von w(naoh) = %. Berechnen Sie den ph-wert der ösung. (Ähnlich einer Prüfungsaufgabe zur Abschlussprüfung Teil für Chemielaboranten, Winter 9/1). 1. Eine Salzsäurelösung hat den ph 1 und eine Essigsäurelösung einen ph,9. Berechnen Sie jeweils die Säurekonzentration. (Ähnlich einer Prüfungsaufgabe zur Abschlussprüfung Teil für Chemielaboranten, Sommer 9). 1. Zu, einer Ammoniaklösung, c(nh ) =,15 / wird Ammoniumchlorid mit w(nh Cl) = 88, % zugegeben, um einen Puffer von ph = 8, zu erhalten. (Ähnlich einer Prüfungsaufgabe zur Abschlussprüfung Teil für Chemielaboranten, Sommer 1). a) Berechnen Sie die einzusetzende Masse an Ammoniumchlorid. b) Warum ist die Pufferwirkung der Pufferlösung nur gering? c) Warum darf der Puffer nicht erwärmt werden?. Säure-Base-Titrationen.1 Zur Bestimmung des Essigsäuregehalts wurden,8 g einer festen Probe abgewogen und in 5 m H O gelöst. Es wurde anschließend mit,1-m-natronlauge ( t =,9975) titriert. In der Probelösung wurden,5 m Essigsäure gefunden. (Aufgabe ähnlich einer Prüfungsaufgabe für C, gestreckte Abschlussprüfung Teil, Winter 5/6). a) Geben sie die Reaktionsgleichung an. b) Berechnen Sie den Verbrauch an Maßlösung und den Massenanteil der Essigsäure. c) Welcher der beiden Titrationskurven kann dieser Bestimmung zugeordnet werden? Geben Sie dafür drei Begründungen an. ph V(NaOH) [m] ph V(NaOH) [m] d) Berechnen Sie zur Kontrolle den ph-wert der essigsauren Probelösung zu Beginn der Titration.. 1 m einer Phosphorsäurelösung werden gegen 1-M-NaOH-Maßlösung (t =,97) potenziometrisch titriert. Die grafische Auftragung ergibt folgendes Diagramm.

2 a) Geben Sie den Punkten 1-5 Bezeichnungen. 1 Titration von Phosphorsäure b) Erklären Sie kurz den Verlauf der Titrationskurve c) Berechnen Sie den Gehalt an Phosphorsäure ph-wert V(NaOH). Zeichnen Sie den ph-verlauf bei folgenden alkalimetrischen Bestimmungen mit NaOH als Maßlösung. Gehen Sie von einer Säurekonzentration und Basenkonzentration von ca.,1 / aus. a) Salzsäure b) Essigsäure c) Schwefelsäure Markieren Sie kurz charakteristische Punkte im Kurvenverlauf und erklären Sie stichwortartig wie der unterschiedliche Verlauf zustande kommt. (Aufgabe ähnlich einer Prüfungsaufgabe für C, gestreckte Abschlussprüfung Teil, Sommer 7). Zur Bestimmung des Massenanteils an Oxalsäure in einem Feststoff wurden 1 mg eingewogen und auf 1 m Gesamtvolumen mit H O gelöst., m der Probe verbrauchten bei der Titration mit NaOH (c,1 /, t= 1,5) und Phenolphthalein als Indikator bis zum Äquivalenzpunkt 8,1 m. Berechnen Sie den Massenanteil w(oxalsäure) im Feststoff. (Aufgabe ähnlich einer Prüfungsaufgabe für C, gestreckte Abschlussprüfung Teil, Sommer 7).5 Eine ösung enthält neben Natriumdihydrogenphosphat auch Dinatriumhydrogenphosphat. a) Wie werden solche ösungen genannt? Nennen Sie drei weitere Beispiele für solche ösungen. b) Gibt man zu der ösung etwas Säure oder auge, so ändert sich der ph-wert kaum. Begründen Sie mit geeigneten Reaktionsgleichungen. c) Die Konzentration beider Salze beträgt jeweils,1 /. Berechnen Sie den ph-wert der ösung. d) In 1 iter der Flüssigkeit werden, g Natriumhydroxidplätzchen gelöst. Berechnen Sie den resultierenden ph-wert der ösung. (Aufgabe ähnlich einer Prüfungsaufgabe für C, Abschlussprüfung Winter /5).6 Chlorsäure (HClO ) und Hypochlorige Säure (HClO) liegen jeweils in der Konzentration c =,1 / vor. 5 m der Säure werden zuerst mit H O auf das doppelte Volumen verdünnt. Anschließend werden Sie jeweils mit,1- arer KOH-ösung titriert. Hinweis: pk S (HClO ) = -,7; pk S (HClO)= 7,5 (Aufgabe ähnlich einer Prüfungsaufgabe für C, Abschlussprüfung, Sommer 1) a) Zeichnen Sie die beiden zu erwartenden Titrationskurven möglichst genau in geeigneter Skalierung in ein gemeinsames Diagramm. Achten Sie dabei auch auf folgende Teilaspekte: jeweils korrekter Anfangs-pH-Wert unmittelbar vor Beginn der Titration, d.h. nach dem Verdünnungsschritt mit Wasser (entsprechende Rechnungen angeben)

3 jeweils korrekter ph-wert der Äquivalenzpunktes (entsprechende Rechnungen angeben, Punkte im Diagramm Markieren). b) Erklären Sie den flachen Kurvenverlauf rund um den Halbäquivalenzpunkt bei der Titration der Hypochlorigen Säure mit Reaktionsgleichungen..7 1 m einer konzentrierten Ammoniaklösung werden auf m mit Wasser verdünnt. m dieser Verdünnung verbrauchen bei der anschließenden Titration 8,6 m,1-m-salzsäure. (Aufgabe ähnlich einer Prüfungsaufgabe für C, Abschlussprüfung Sommer 1) a) Berechnen Sie die Stoffmengenkonzentration der konzentrierten Ammoniaklösung. b) Skizieren Sie ein vollständig beschriftetes Titrationskurven-Diagramm und beschriften Sie charakteristische Punkte. c) Begründen Sie, warum der Äquivalenzpunkt im Sauren liegt. Berechnen Sie den genauen ph-wert, wenn man davon ausgeht, dass die Ammoniumchlorid-Konzentration 15 m/ beträgt. d) Erklären Sie die Pufferwirkung einer ösung, die ähnliche Stoffmengen an Ammoniak (NH ) und an Ammoniumionen (NH + ) enthält.

4 ösungen ohne Gewähr Die meisten Antworten sind ausführlicher als bei einer Prüfung erwartet, um den erneffekt zu maximieren. Wenn Sie von diesen Musterlösungen profitieren, dann geben Sie etwas zurück, indem Sie mich auf Rechenfehler, Verständnisschwierigkeiten o.ä. aufmerksam machen. etztendlich profitieren auch andere Schüler davon, wenn die Musterlösungen weitgehend fehlerfrei und verständlich sind. 1.1 Zuerst wird in die Stoffmengenkonzentration c(naoh) umgerechnet. g g β ( aoh ) = w( aoh ) ρ( sg) =, 1,7 =,1 g, 1 β ( aoh ) c( aoh ) = =,51 M ( aoh ) g 9,9971 Da nun auch c(oh ) bekannt ist, kann der ph-wert berechnet werden: => c(oh ) =,51 / => poh = lg c(oh ) = - lg,51,9 => ph = 1 poh = 1,9 1,71 1. Salzsäure ist eine starke Säure, so dass näherungsweise gilt: c(h O + ) c(hcl) = 1 ph => c(hcl) 1 1,1 / + Essigsäure ist eine schwache Säure, für die gilt: c( HO ) KS c( Säure) => > + c ( HO ) + ( ) S ( ) ( ) = KS c H O K c Säure c Säure Aus ph =,9 folgt: c(h O + ) = 1,9,1589 / K S (HAc) 1,761 5 / (rotes Tabellenbuch) 1589, c( HAc) = 9, 5 176, 1 [alternativ wäre auch eine Berechnung über ph pks lg c( Säure) möglich gewesen]

5 1. fehlt noch.1. a) CH COOH (aq) + NaOH (aq) NaCH COO (aq) + H O b) Aus der Reaktionsgleichung geht hervor: Pro Essigsäureekül wird eine Formeleinheit NaOH verbraucht. Wenn 5, m Essigsäure vorhanden sind, werden n(naoh)= 5, m NaOH verbraucht. Es muss also berechnet werden, in welchem Volumen V ÄP(NaOH), die Stoffmenge n(naoh) enthalten sind. - Berechnung der wahren Konzentration der Maßlösung c( NaOH) = t cɶ ( NaOH) =, 9975, 1 =, 9975 c) - Berechnung des Volumens V ÄP(NaOH) n(naoh) V(sg)= c(naoh), 5 1 =, 5 5, m, Der ph-wert zu Beginn stimmt mit dem errechneten Wert überein. - Am Äquivalenzpunkt liegt eine Natriumacetatlösung vor. Sie reagiert alkalisch, der Äquivalenzpunkt findet sich also im alkalischen Bereich. Dies gilt allgemein bei der Titration von schwachen Säuren mit starken Basen. - Bei der Titration treten neben dem Wendepunkt am ph-sprung (= Äquivalenzpunkt) noch weitere Wendepunkte auf. So liegt ein Wendepunkt bei ph =,75, dem pks-wert der Essigsäure. - Titriert man eine schwache Säure als Analyt, so ist der ph-sprung kleiner als bei einer starken d) Säure als Analyt. In 5 m liegen,5 m Essigsäure vor. => n( HAc), 5 c ( HAc) = =,1 V ( sg.),5

6 c( H O ) = K c ( Säure) + S 5 = 1, 76 1, 1, 88 1 ph = - lg,881 /,7. a) 1) pk S1 (H PO ) (Begründung siehe b)) ) ÄP1 für die Reaktion H PO + NaOH NaH PO + H O bzw. H PO + OH H PO + H O ) pk S (H PO ) (Begründung siehe b)) + H O ) ÄP für die Reaktion H PO + NaOH Na HPO + H O bzw. H PO + OH HPO 5) pk S (HPO ) (Begründung siehe b)) b) Alle Säureanionen und die undissoziierte Säure stehen über miteinander gekoppelte chemische Gleichgewichte in Verbindung. An den Punkten 1, und 5 erkennt man Regionen, an denen der ph- Wert trotz fortgesetzter NaOH-Zugabe stabil bleiben. Hier liegen jeweils Säuren und ihre korrespondierenden Basen (HA/A ) in ähnlicher Konzentration nebeneinander vor. Die größte Pufferwirkung ist dabei gegeben, wenn die Konzentration an Säure und korrespondierender Base gerade gleich groß sind. Die entsprechenden Quotienten c(h PO )/c(h PO ) bzw. c(hpo )/ c(h PO ) bzw. c(po )/ c(hpo ) besitzen dann den Wert 1. Aus der Puffergleichung (HENDERSON- HASSEBACH-Gleichung) c( A ) ph = pks + lg c ( HA ) folgt, dass der ph-wert dort gerade dem pk S -Wert entspricht. Der dritte Äquivalenzpunkt liegt knapp außerhalb des dargestellten Bereichs. Er liegt in so stark alkalischem Bereich, dass der ph-sprung als solcher nicht mehr ausgeprägt ist.

7 V(ÄP),75 m Rkt. Gleichung: H PO + NaOH Na HPO + H O ph-wert n( aoh) = c( sg) t V( sg) = 1, 97 75, = 1915, Wegen Koeffizientenverhältnis: n(h PO ) =,5 n(naoh) = 9, ,5,,5 1, 1,5,,5, V(NaOH) n( HPO) 9555, 1 c( HPO) = = 955, V( sg) 1,.. 1 Titration HCl Titration H SO Titration HAc 1 ph pks(hac) ÄP(HAc) ÄP(HCl) ÄP(H SO ) 1 5 V(NaOH) m Erklärung des Volumenverbrauchs bis zum Äquivalenzpunkt: Da H SO eine zweiprotonige Säure ist, wird bei der Titration bis zum Äquivalenzpunkt das doppelte Volumen an Maßlösung benötigt wie bei HCl und HAc (gleiche Säurekonzentration, gleiches Vorlagenvolumen und gleiche Maßlösung vorausgesetzt).: Erklärung des Anfangs-pH: Sowohl HCl als auch H SO sind starke Säuren, man kann also schon zu Beginn von einer vollständigen Protolyse ausgehen (HCl H + + Cl ; H SO H + + HSO ). Da die Konzentration der Säuren c =,1 / beträgt, ist der ph-wert zu Beginn ph = - log c(h O + ) = 1. Genau genommen beträgt der ph-wert im Fall der Schwefelsäure ph =,96, die Abweichung von ph = 1 kommt dadurch zustande, dass auch ein geringer Anteil des HSO zu SO weiter protolysieren

8 kann. Genaue Rechnungen mit dem Massenwirkungsgesetz zeigen (siehe blaues Buch!), dass die Protolyse von HSO nur zu wenigen Prozent zur Gesamtkonzentration an H O + der Säurelösung beiträgt. Schon am Anfangs-pH-Wert erkennt man, dass Essigsäure eine schwache Säure ist. Erklärung des Kurvenverlaufs: Zwar ist H SO eine zweiprotonige Säure, allerdings sind auf der entsprechenden Titrationskurve nicht zwei Äquivalenzpunkte zu erkennen. Der Grund liegt darin, dass auch HSO eine mittelstarke Säure ist. Mit zunehmender Neutralisation des H O +, das aus der Protolyse von H SO stammt, wird H O + durch die Folgeprotolyse von HSO nachgeliefert (Neueinstellung des Gleichgewichts, Prinzip von E CHATEIER). So können die Reaktionen H SO (aq) + OH HSO + H O und HSO (aq)+ OH SO + H O nicht getrennt voneinander erfasst werden, sondern nur zusammen. Gibt man NaOH zur Essigsäurelösung so wird HAc zunehmen in Ac überführt. Bei ca. 1 m NaOH- Zugabe ändert sich der ph-wert nur wenig und beträgt ca. ph =,8. Die Titrationskurve verläuft hier flach und besitzt einen Wendepunkt. Um diesem Bereich hat die ösung puffernde Eigenschaften. An diesem Bereich wurden ca. 5% der HAc in Ac überführt. Der genaue ph-wert ergibt sich durch die Puffergleichung (HENDERSON-HASSEBACH-Gleichung): c( Ac ) ph = pks + lg. Für c(hac) = c(ac ) c ( HAc ) vereinfacht sich die Gleichung zu: ph = pks. Der pk s von Essigsäure kann also an dem Wendepunkt abgelesen werden. Er beträgt pk s (HAc) =,75. Am Äquivalenzpunkt wurde HAc vollständig in Ac überführt, so dass an dieser Stelle eine Natriumacetatlösung vorliegt. Eine solche ösung eines Salzes einer schwachen Säure reagiert alkalisch. Der ph-wert am Äquivalenzpunkt beträgt damit nicht ph= 7, wie bei der Titration starker Säuren, sondern liegt im Alkalischen (ca. ph = 8,8).. Bestimmung von n(naoh) n( aoh) = cɶ ( sg) t V( sg) n( aoh) = 1, 15, 81, = 875, Bestimmung von n(oxalsäure) Reaktionsgleichung: HOOC-COOH + NaOH NaOOC-COONa + H O Aus dem Koeffizientenvergleichung folgt: n(c H O ) =,5 n(naoh) fl n(c H O ) =,19157 Berücksichtigung der Aliquotierung 1m ngesamt( CHO) =, =, m Umrechnung in eine Masse und Berechnung des Massenanteils g mc ( HO) = ngesamt( CHO) M( CHO) = , 95, =, 861g

9 mc ( HO), 8611g wc ( HO) = =, , 1% m 1g, gesamt.5 a) Es handelt sich um eine Pufferlösung. Solche ösungen zeichnen sich dadurch aus, dass Sie sowohl eine schwache Säure als auch eine dazu korrespondierende Base enthalten in ähnlichen /gleichen Konzentrationen enthalten. Das Konzentrationsverhältnis sollte im Bereich 1:1 bis 1:1 liegen, damit noch eine Pufferwirkung gegeben ist. Sind die Konzentrationen beider Teilchen gerade gleich groß, so ist die Pufferwirkung am größten. Der ph-wert an diesem Punkt entspricht dem pk S - Wert der schwachen Säure HA. Weitere Beispiele: (I): ösung die sowohl HAc als auch Ac enthält (HAc/Ac )-Puffer, (II): ösung die sowohl Phosphorsäure als auch Dihydrogenphosphat-Ionen enthält: (H PO /H PO )-Puffer; (III): ösung die sowohl Ammoniumionen als auch Ammoniak enthält (NH + /NH )-Puffer Der Dihydrogenphosphat-Hydogenphosphat-Puffer ist einer der wichtigsten Blutpuffer, die in ihrer Gesamtheit für die ph-wert-stabilisierung des Blutes (ph 7,) verantwortlich sind. H PO und HPO finden sind deshalb wichtige Blutbestandteile. b) H O + -Zugabe wird durch Reaktion mit HPO abgefangen: OH -Zugabe wird durch Reaktion mit H PO abgefangen: HO + HPO H O+ H PO + OH + H PO H O+ HPO c) Die Berechnung des ph-wertes eines Puffers erfolgt mit der allgemeinen Puffergleichung (HENDERSON-HASSEBACH-Gleichung): c( A ) ph = pks ( HA) + lg. c ( HA ) HA, steht immer für die korrespondierende Säure des Säure-Base-Paars, also der protonenreicheren Variante. Das ist bei uns das H PO.,1 / Na(H PO ) enthalten c(h PO )=,1 /. pk s (H PO ) = 7, (siehe Tabellenbuch). A steht immer für die korrespondierende Base des Säure-Base-Paars, also der protonenärmeren Variante. Das ist bei uns das HPO.,1 / Na HPO enthalten c(hpo )=,1 /. Einsetzen in die Gleichung fl c( HPO ) ph = pk H PO + fl S ( ) lg ( c H PO ),1 ph = 7, + lg 7,,1 Wie bei a) beschrieben, entspricht der ph-wert einer äquiaren ösung dem pk s -Wert der schwachen Säure (hier: H PO ).

10 d) Wenn die starke Base NaOH dazugegeben wird, so reagiert sie mit vorhandenen sauren Teilchen (H PO ): OH + H PO H O+ HPO. Diese Reaktion findet praktisch quantitativ statt und sorgt dafür, dass die H PO -Konzentration sinkt und die HPO -Konzentration steigt. Nach der Protolyse finden sich also folgende Konzentrationen in der ösung: OH + H PO H O + HPO nach Zugabe aber vor der Protolyse:,5,1,1 nach der Protolye:,5,15 Mit der HENDERSON-HASSEBACH-Gleichung folgt daraus: c( HPO ) ph = pk H PO + fl S ( ) lg ( c H PO ),15 ph = 7, + lg 7, 68,5 Nach NaOH-Zugabe wird der ph-wert also etwas alkalischer, wobei wegen der Pufferwirkung nur eine geringe ph-änderung resultiert..6 fehlt noch.7 a) NH aq + HCl aq NH Cl aq => Ammoniak und HCl aq reagieren im Stoffmengenverhältnis 1:1. n( HClaq ) = c V =,1, 86, 86 => n(nh ) =,86 Berücksichtigung der Aliquotierung: In m Ammoniaklösung sind 1 mal mehr NH -Moleküle enthalten als in m der Ammoniaklösung. => n(nh ) =,86 Berechnung der Konzentration: c H n( H ),86 = = = V ( sg),1 ( ) 8,6 b)

11 ph Halb-ÄP (=pks(nh + )) Neutralpunkt ÄP V(HCl-sg) in m c) Am ÄP liegt ausschließlich gelöstes Ammoniumchlorid vor. Als Salz einer schwachen Base, reagiert eine Ammoniumchlorid in Wasser gelöst, sauer. Berechnung des ph-wertes einer 15-milliaren NH Cl-sg: pk ( H ) = 1 pk ( H ) pk 1, 75 9, 5 => NH + ist eine schwache Säure + S B S für schwache Säuren gilt: + pks lg c( H ) 9,5 lg,15 ph = 5,5 d) Die ösung kann wegen den NH -Molekülen mit zugesetzten Protonen (H + bzw. H O + ) reagieren: NH + H + NH +. Die ösung kann auch mit zugesetzten OH -Ionen reagieren: NH + + OH NH + H O. Eine solche ösung kann also sowohl OH als auch H O + abfangen, ohne dass sich der ph-wert wesentlich ändert.