Janine Schwarz, Studiengang Biologie, 4. Semester

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1 Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von der Ionenkonzentration und der Viskosität, gezeigt anhand von Wasser, wässrigen Lösung des Tensids Natriumdodecylsulfat und Wasser/EtOH Gemischen mit unterschiedlichen Mischverhältnissen Janine Schwarz, Studiengang Biologie, 4. Semester Olivia Hagedorn, Studiengang Pharmazeutische Wissenschaften, 4. Semester Assistent: Simon Böhm Abstract: Die Leitfähigkeiten von Hahnenwasser, deionisiertem Wasser, Mineralwasser und Leitfähigkeitswasser unterscheiden sich deutlich, da ihre Ionenkonzentration verschieden ist. Bis zur kritischen Mizellenbildungskonzentration (CMC) von M steigt die Leitfähigkeit von Natriumdodecylsulfat in wässriger Lösung bei 25 C mit grosser Steigung an. Mittels einer Titration wird gezeigt, dass nach Erreichen der CMC die Steigung abflacht, da sich ein Teil der freien Tensidmoleküle zu Mizellen zusammenlagern, welche nicht mehr zur Leitfähigkeit der Lösung beitragen. Bei der Zugabe stetig grösseren Mengen an EtOH in wässrige Lösung wird beobachtet, dass die Leitfähigkeit stark sinkt, was auf die steigende Viskosität zurückzuführen ist. Ort, Datum J. Schwarz O. Hagedorn 1

2 1. Einführung Konduktometrie Die Versuche der Konduktometrie dienen dazu, die elektrische Leitfähigkeit von Elektrolytlösungen zu bestimmen. Ermittelt wird die Leitfähigkeit κ einerseits von unterschiedlichem Wasser (Hahnenwasser, Mineralwasser, deionisiertem Wasser, Leitfähigkeitswasser ) andererseits von verschiedenen Lösungen von Natriumdodecylsulfat und Lösungen mit verschiedenen Molenbrüchen EtOH/Wasser. Der Konduktometer erzeugt ein elektrisches Feld, wodurch die Anionen zur Anode und die Kationen zur Kathode wandern. Gemessen wird der elektrische Widerstand R, aus welchem die elektrische Leitfähigkeit bestimmt werden kann. Die Leitfähigkeit κ wird in ausgedrückt. Wobei Siemens S der reziproke Wert des Widerstands (Einheit Ohm ) ist. Molare Leitfähigkeit Die Leitfähigkeit κ hängt von der Ionenkonzentration in der Lösung ab. Deshalb führt man die sogenannte molare Leitfähigkeit ein, welche die Stoffmengenkonzentration miteinbezieht. = Die Einheit von ist, ist die elektrische Leifähigkeit und c die Stoffmengenkonzentration der Tensidmoleküle in. Tenside und kritische Mizellenbildungskonzentration Tenside sind Moleküle mit einem apolaren und einem polaren Teil. Beim Lösen in Wasser bilden ionische Tenside Tensidionen, welche je nach Substanz positiv oder negativ geladen sind, und in entsprechende Gegenionen. Die ionischen Tensidmoleküle haben die Eigenschaft beim Erreichen der kritischen Mizellbildungskonzentration (CMC) kugelige Assoziate, sogenannte Mizellen, durch Coulomb-Kräfte zu bilden, weil dieser Zustand energetisch günstiger ist. Mizellen haben hydrophobe Gruppen im Innern und hydrophile Gruppen, welche in Kontakt mit der wässrigen polaren Phase stehen, nach aussen. Sie wirken nach aussen wie Neutralteilchen und leiten deswegen nicht mehr elektrisch. Viskositätsabhängigkeit der Leitfähigkeit Die Leitfähigkeit von Elektrolytlösungen hängt stark von der Viskosität der Lösung ab. Dies rührt daher, dass die gelösten Ionen zunehmend in ihrer Beweglichkeit eingeschränkt werden, je viskoser die Lösung ist. 2

3 2. Experimentelles Apparatur In den drei Experimenten wurde zum Messen der Leitfähigkeit der Lösungen ein Laborkonduktometer (KNICK Konduktometer 703) verwendet. An diesem war eine Leitfähigkeitsmesszelle (KNICK SE 204) angeschlossen. Um eine konstante Temperatur im Messgefäss zu gewährleisten, wurde dieses mit einem Thermostat (LAUDA M3 Kompakt- Thermostat) verbunden. Zum Rühren der Messlösungen wurde ein Heizrührer (Heidolph MR 2002) unter dem Messgefäss platziert und ein Rührfisch ins Messgefäss gegeben. Abbildung 1: Apparatur Konduktometrie Substanzen Zur Bestimmung der molaren Grenzeitfähigkeit und der kritischen Mizellenbildungskonzentration von SDS wurde Natriumchlorid (NaCl, J.T. Baker, Holland, mind. 99.5%, CAS , molare Masse 58,44 g mol -1 ) und Natriumdodecylsulfat (SDS, Sigma Aldrich, mind. 98.5%, CAS , molare Masse g mol -1 ) verwendet. Um die Viskosität der Leitfähigkeit von Lösungen mit unterschiedlichem Ethanolgehalt zu untersuchen wurde Kaliumbromid (KBr, Sigma Aldrich, mind. 99.0%, CAS , molare Masse g mol -1 ) und Ethanol (alcosuisse, 94%, CAS , molare Masse g mol -1 ) eingesetzt. Methode 1. Versuch: Leitfähigkeit von Wasser Um die Leitfähigkeiten zu messen, wurden jeweils 40 ml des entsprechenden Wassers in das Messgefäss gegeben und gerührt. Die Messzelle wurde ins Wasser getaucht und der 3

4 Messwert auf dem Konduktometer abgelesen, sobald die Temperatur der Lösung 25 C betrug. Nach jedem Messvorgang wurde, das Gefäss mit deionisiertem Wasser ausgespült und getrocknet. 2. Versuch: Kritische Mizellenbildungskonzentration und molare Grenzleitfähigkeit Die kritische Mizellenbildungskonzentration und die molare Grenzleitfähigkeit von SDS wurden durch eine Titration ermittelt. Dazu wurde eine Natriumchloridlösung (0.08 mm) vorgelegt, in welche eine Lösung von SDS (0.15 mol L -1 ) mit Hilfe einer Bürette titriert wurde. Nach jeder Zugabe einer kleinen Menge SDS wurde eine Leitfähigkeitsmessung durchgeführt. Insgesamt wurden 10 ml Titrierlösung zugegeben. 3. Versuch: Viskositätsabhängigkeit der Leitfähigkeit Um die Viskositätsabhängigkeit der Leitfähigkeit zu untersuchen, wurden die Leitfähigkeiten von Wasser/Ethanol - Gemischen mit unterschiedlichen Molenbrüchen χ EtOH und einer jeweils konstanten Menge einer Kaliumbromidlösung (10 ml, 20.3 mmol) gemessen. Um die Molenbrüche berechnen zu können, wurden die Komponenten nacheinander in einen 100 ml Messkolben gegeben und gewogen. Insgesamt wurden neun Messungen vorgenommen. 3. Resultate und Diskussion Resultate 1. Versuch: Leitfähigkeit von Wasser Am besten leitet das Hahnenwasser mit µs cm -1. Danach folgt das Mineralwasser ( Valser Silence ) mit µs cm -1. Das deionisierte Wasser weist einen Wert von µs cm -1. Das Leitfähigkeitswasser leitet am schlechtesten, der gemessene Wert liegt bei 7.48 µs cm -1. Alle Werte wurden bei 25 C gemessen. 4

5 2. Versuch: Kritische Mizellenbildungskonzentration (CMC) und molare Grenzleitfähigkeit Abbildung 2: Die Leitfähigkeit von Lösungen des Tensids SDS in Wasser als Funktion deren Konzentrationen bei 25 C. Alle Tensidlösungen enthielten zusätzlich eine Hintergrund - Konzentration von 0.08 mm NaCl. Aus dieser Grafik kann die kritische Mizellbildungskonzentration bei M abgelesen werden. Ab 0.01 M steigen die Messpunkte mit einer kleineren Steigung an. Abbildung 3: Die molare Leitfähigkeit Λ von SDS aufgetragen gegen Wurzel c. Der Bereich von 0.05 bis ca. 0.1 Wurzel c ist nicht auswertbar. Die molare Grenzleitfähigkeit ist daher nicht ablesbar. 3. Versuch: Viskositätsabhänigkeit der Leitfähigkeit Abbildung 4: Die elektrische Leitfähigkeit κ aufgetragen gegen verschiedene Molenbrüche χetoh bei 25 C. Jede Lösung enthielt neben Wasser und EtOH eine Stammlösung KBr (10 ml, 0.02 M). Aus der hineingelegten grünen Kurve der Funktion = wird ersichtlich, dass die Leitfähigkeit von Wasser abnimmt, je mehr EtOH zu einer Lösung hinzugegen wird. 5

6 Diskussion 1. Versuch: Leitfähigkeit von Wasser Der erhaltene Wert für die Leitfähigkeit des deionisierten Wassers liegt mit 17.9 µs cm -1 höher als theoretisch erwartet ( µs cm -1 [4]). Deionisiertes Wasser enthält wenig bis keine frei beweglichen Ionen und leitet daher kaum. Einzig aus der Luft stammendes CO 2 kann mit Wasser zu Hydrogencarbonationen (HCO 3- ) reagieren, welche die Leitfähigkeit erhöhen können. Der hohe Messwert lässt sich somit nur auf Verunreinigungen des Wassers, des Messgefässes oder der Leitfähigkeitsmesszelle zurückführen. Das Hahnenwasser weist eine Leitfähigkeit von µs cm -1 auf, das Mineralwasser Valser Silence eine von µs cm -1. Anhand der Beschreibung Mineralwasser wurde erwartet, dass Valser Silence eine höhere Ionenkonzentration und folglich eine höhere elektrische Leitfähigkeit aufweisen müsste. Der errechnete Wert der Leitfähigkeit anhand der Angaben auf der Internetseite [4] ergab µs cm -1, was unter dem experimentell ermittelten Wert liegt. Dies ist wahrscheinlich auf viele verschiedene Faktoren zurückzuführen, welche nicht genau zurückverfolgt werden können. Möglicherweise ist die Mineralisation nicht in jeder Flasche genau gleich oder die Messungen waren aufgrund von Verunreinigungen nicht exakt. Mineralwasser enthält nicht zwingend mehr Ionen (Mineralien) als Hahnenwasser. Die Zusammensetzung der Ionenkonzentration von Hahnenwasser lässt sich mit keinem einheitlichen Referenzwert vergleichen, da ein solcher nicht exisitert. Das Leitfähigkeitswasser leitet mit seinen 7.48 µs cm -1 am schlechtesten. Dieser Wert ist dennoch hoch. Dieses Wasser ist doppelt deionisiert und sollte deshalb gar nicht leiten. Wie beim deionisierten Wasser ist auch dieser Messwert höchst wahrscheinlich auf Verunreinigungen am Messgefäss oder an der Messzelle zurückzuführen, welche durch unsauberes Arbeiten hervorgerufen wurden. Um eine klare Aussage über die Leitfähigkeit aller Wasser machen zu können, hätten mehr Messungen pro Wasser gemacht werden müssen. Alle angegebenen Werte sind ungerundete Einzelmessungen. 2. Versuch: Kritische Mizellenbildungskonzentration (CMC) und molare Grenzleitfähigkeit Die Leitfähigkeit steigt zu Beginn mit zunehmender Konzentration stark an, bis die kritische Mizellenbildungskonzentration erreicht wird. Danach nimmt sie zwar noch immer zu, die Steigung ist jedoch flacher. Dies ist genau der Kurvenverlauf, welcher bei Tensiden wie SDS erwartet wird. [1] Anfangs befinden sich die Kationen und Anionen des Tensids frei in der Lösung und bedingen so eine gute Leitfähigkeit. Sobald die CMC erreicht ist, bilden sich Mizellen, da dieser Zustand energetisch günstiger ist. Bei weiterer Zugabe von SDS verändert sich die Leitfähigkeit jedoch nur noch gering. Dies ist darauf zurück zu führen, dass sich immer neue 6

7 Mizellen aus den freien, zugegebenen Ionen bilden. Dies bewirkt, dass die Konzentration an freien Ionen ziemlich konstant bleibt. Der aus der Abbildung erhaltene Wert der CMC beträgt M. Dieser Wert stimmt ziemlich genau mit der Theorie überein ( M [1]). Um einen noch genaueren Wert zu erhalten, könnten noch mehr Messungen zwischen M und 0.01 M gemacht werden. Als Folge wäre die CMC in der Darstellung noch besser ablesbar. Zur Bestimmung der molaren Grenzleitfähigkeit von SDS wurde die Grafik in Abbildung 3 erstellt. Das Ergebnis dieses Plots unterscheidet sich im Bereich von ( ) drastisch von der Darstellung im Buch [1]. Der Grund dafür könnte bei einem systematischen Fehler liegen. Bei drei von vier Gruppen ist dasselbe Phänomen aufgetreten. Aufgrund dessen konnte die molare Grenzleitfähigkeit von SDS nicht abgelesen und nicht berechnet werden. 3. Versuch: Viskositätsabhängigkeit der Leitfähigkeit Wie erwartet nimmt die Leitfähigkeit des Wasser/Ethanol - Gemisches deutlich ab, sobald der Ethanolgehalt steigt [1]. Dies lässt sich mit der Zunahme der Viskosität, welche durch EtOH erhöht wird, erklären. Bei hoher Viskosität werden die Ionen in ihrer Beweglichkeit gehemmt, was zu einer geringeren Leitfähigkeit führt. Die erhaltenen Datenpunkte liegen auf einer Kurve, Ausreisser gibt es keine. Insgesamt stimmt die Messung mit der Grafik im Buch [1] überein. 7

8 4. Literatur [1] Theorie in der Einleitung - E. Meister, Grundpraktikum Physikalische Chemie Theorie und Experimente: 2. Auflage 2012, vdf UTB [2] Infos zum Mineralwasser - Zugriff , ca. 14:00 Uhr [3] Für alle molaren Massen - Zugriff , ca. 15:00 Uhr [4] Leitfähigkeit von deionisiertem Wasser - Zugriff, 13:40 Uhr 5. Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Apparatur Konduktometrie... 3 Abbildung 2: Die Leitfähigkeit von Lösungen des Tensids SDS in Wasser als Funktion deren Konzentrationen bei 25 C Abbildung 3: Die molare Leitfähigkeit Λ von SDS aufgetragen gegen Wurzel c Abbildung 4: Die elektrische Leitfähigkeit κ aufgetragen gegen verschiedene Molenbrüche χ EtOH bei 25 C

9 6. Anhang Rohdaten 1. Versuch: Leitfähigkeit von Wasser Wasserart Gemessene Leitfähigkeit! "# $% & Deionisiertes Wasser Hahnenwasser Mineralwasser Valser Silence Leitfähigkeitswasser 7.48 Gemessen bei 25 C 2. Versuch: Kritische Mizellenbildungskonzentration (CMC) und molare Grenzleitfähigkeit Versuch κ! "# $% & V tit %' V ges %' c SDS! %() ' & Λ! #$%* %() & Gemessen bei 25 C 9

10 Viskositätsabhängigkeit der Leitfähigkeit Versuch KBr (H2O) H2O EtOH n (EtOH) n(h20) Molenbruch #DIV/0! Gemessen bei 25 C. Berechnung der Leitfähigkeit des Mineralwassers "Valser Silence" Ion Gehalt [mg / L] Molmasse [g / mol] Konzentration [mol / L] Ionengrenzleitfähigkeit [S cm2 / mol] Leitfähigkeit k [µscm-1] Ca E Mg E Na E K E F E Cl E I E NO E HCO E SO E HPO E-07 HAsO E Die fehlenden Daten im markierten Bereich konnten nicht ermittelt werden. 10