Kurzbeschreibung

Bei diesem virtuellen Experiment verfolgen die Schülerinnen und Schüler die Aufnahme einer Titrationskurve. Sie können am Äquivalenzpunkt genau beobachten, was in der Reaktionslösung passiert. Die aufgenommenen Messgrößen sind pH-Wert, Leitfähigkeit und Temperatur. Alle drei Messgrößen lassen die zugrundeliegende Neutralisationsreaktion nachvollziehbar verfolgen.

Versuchsziele

Den Titrationsverlauf einer Säure-Base-Titration mit vier verschiedenen Messmethoden kennenlernen.
Den Äquivalenzpunkt bei einer Titration von starken Säuren mit Basen als Neutralpunkt erkennen.
Die Leitfähigkeitsänderungen während der Titration nachvollziehen.
Den Temperaturverlauf während der Titration als Verfolgen der Neutralisationsreaktion erklären (Zusatzaufgabe).

Grundlagen

Der theoretische Hintergrund wird in den Handblättern C3.5.2.2 'Konduktometrische Titration einer Salzsäurelösung mit pH-Messung' und C3.5.1.1 'Bestimmung der Säurekonzentration durch Titration mit Tropfenzähler' beschrieben.

Material

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Virtuelles Experiment: Aufnahme einer Titrationskurve

5208203

Versuchsbeschreibung

Bei einer Neutralisationsreaktion reagieren eine Säure und eine Base miteinander, z. B. Salzsäure und Natronlauge:

H₃O⁺ + Cl^- + Na⁺ + OH^- → 2 H₂O + Cl^- + Na⁺

Die Reaktion kann man mit einer Titrationskurve untersuchen, weil dabei der eine Reaktionspartner, z.B. die Base, langsam mit der Bürette zum anderen, z.B. der Säure, getropft wird. Durch die Reaktion ändern sich die folgenden Messgrößen im Becherglas, die wir mit den geeigneten Messmethoden verfolgen können:

Durch das Zutropfen einer Lauge zu einer Säure ändert sich der pH-Wert von sauer zu basisch. Dies kann man mit dem Indikator Bromthymolblau anzeigen und mit einem pH-Meter messen.
Im Laufe der Neutralisationsreaktion ändert sich die Leitfähigkeit, weil Oxoniom-Ionen und Hydroxid-Ionen zu Wasser reagieren. Dies kann man mit einer Leitfähigkeitsmessung verfolgen.

Aufbau

Der Versuch wird auf dem Chemie-Präsentations-System CPS aufgebaut. Die Bürette wird mit magnetischen Haltern befestigt. Außerdem werden eine Leitfähigkeits-Elektrode und eine pH-Elektrode angeschlossen. Das Volumen der zugetropften Natronlauge wird mit einem Tropfenzähler verfolgt. Alle Messungen werden mit dem Mobile-CASSY durchgeführt.

Das Becherglas mit ca. 200 ml Wasser wird auf einen Rührer gestellt. Es werden 25 ml Salzsäure (1 mol/l) und der Indikator Bromthymolblau hinzu pipettiert. Der Tropfenzähler wird so positioniert, dass die Tropfen aus der Bürette gezählt werden können. Die Bürette wird mit Natronlauge (1 mol/l) gefüllt. Nun kann die Messung beginnen.

Durchführung

Starte das Video zur Durchführung.
Die fortlaufende Anzeige der Messwerte startet automatisch nach dem Start des Videos. Parallel entsteht das Diagramm aus den Messwerten. Das Video läuft zu Beginn und am Ende schneller ab.

Aktueller pH-Wert.

Beobachtung

Beschreibe die Veränderungen der Lösung im Becherglas.
Die Lösung ist anfangs gelb und wird blau.
Im Diagramm ist der pH-Wert in Abhängigkeit des zugetropften Volumens an Natronlauge angegeben. Markiere mit einer senkrechten Linie, wann sich die Farbe im Becherglas geändert hat.
Beschreibe den Verlauf des pH-Wertes.
Zu Beginn hat die Lösung einen geringen pH-Wert. Dieser steigt zunächst sehr langsam. Nach ca. 20 ml steigt der pH-Wert stark an ("pH-Sprung"), um sich dann ab 30 ml bei einem hohen pH-Wert einzupendeln.
Beschreibe den Verlauf der Leitfähigkeit.
Die Leitfähigkeit sinkt kontinuierlich bis zum Farbumschlag. Danach steigt sie.

Titrationskurve mit Aufnahme von pH-Wert (schwarz) und Leitfähigkeit (rot)

Auswertung

Nenne den erwarteten Äquivalenzpunkt und begründe die Aussage.
Der Äquivalenzpunkt sollte bei 25 ml liegen, da 25 ml Salzsäure vorgelegt wurden und Salzsäure und Natronlauge die gleiche Konzentration haben.
Bestimme den Äquivalenzpunkt durch Auswertung der pH-Kurve mit dem Auge.
Zugetropftes Volumen am Äquivalenzpunkt: 25 ml

pH-Wert am Äquivalenzpunkt: 7
Bestimme den Äquivalenzpunkt mit einer Auswertung der pH-Kurve.

Ausschnitt der Messung zur Auswertung der Leitfähigkeitskurve.

Wir haben während der Titration auch die Leitfähigkeit gemessen. Erkläre, welche Aussage der Knickpunkt im Vergleich zur pH-Messung liefert.
Der Knickpunkt liegt genau am pH-Sprung. Der Knickpunkt ist damit auch eine Art Äquivalenzpunkt.
Bestimme den Knickpunkt der Leitfähigkeitsmessung. Verwende dafür den Ausschnitt der Messung in Abbildung 3 und markiere den Knickpunkt mit einer senkrechten Linie.

Ergebnis

Erkläre, wie die Form der pH-Titrationskurve entsteht.
Die charakteristische Form entsteht, weil die pH-Skala eine logarithmische Skala ist. Rund um den Äquivalenzpunkt ändert sich die Konzentration von H⁺ und OH^--Ionen auf der linearen Skala wenig, auf der logarithmischen jedoch deutlich. Daher kommt es zum pH-Sprung.
Erkläre, wie die Form der Leitfähigkeits-Titrationskurve entsteht.
Bei der Leitfähigkeitsmessung verfolge ich die leitfähigen Teilchen, also die Ionen, in der Lösung. Zur Salzsäure wird Natronlauge, also Natriumionen und Hydroxidionen, hinzugetropft. Die Hydroxidionen reagieren mit den Oxoniumionen aus der Säure zu Wasser. Übrig bleiben die Natriumionen, die eine geringere Leitfähigkeit aufweisen. Nach der Neutralisation steigt die Leitfähigkeit wieder, weil ich nun zusätzlich Hydroxidionen hinzufüge.
Vergleiche die 3 verschiedenen Methoden der Äquivalenzpunktbestimmung miteinander.
Der Äquivalenzpunkt konnte mit allen 3 Methoden zuverlässig auf etwa 25 ml bestimmt werden. Die Abweichungen sind zu vernachlässigen.

Zusatzaufgaben

Temperaturverlauf der Titration

Betrachte das Diagramm zum Temperaturverlauf der Titration. Kreuze die Aussagen an, die zutreffen.
Die Neutralisationsreaktion ist eine exotherme Reaktion.

Die Neutralisationsreaktion ist eine endotherme Reaktion.

Ich kann am Temperaturverlauf nicht erkennen, ob die Reaktion exotherm oder endotherm ist.
Bringe die Aussagen zum Temperaturverlauf in die richtige Reihenfolge.
Sobald die Salzsäure vollständig neutralisiert ist, steigt die Temperatur nicht mehr so stark an, weil keine Neutralisationsreaktion mehr stattfinden kann.

Die Temperatur steigt in der ersten Phase der Titration an.

Der "Knick" in der Temperaturkurve entsteht also genau am Äquivalenzpunkt.

In der ersten Phase läuft noch die Neutralisationsreaktion ab, weil die Hydroxid-Ionen aus der Natronlauge mit den Oxoniumionen aus der Salzsäure reagieren.
Am Äquivalenzpunkt steigt der pH-Wert mit nur sehr wenigen Tropfen rapide an. Kreuze an, wie du das Experiment ändern würdest, um einen noch genaueren Äquivalenzpunkt zu bestimmen.
Ich könnte kleinere Tropfen noch langsamer zutropfen lassen, damit die pH-Elektrode Zeit hat zu reagieren.

Ich könnte mich nur auf den Indikator verlassen, da dieser den Äquivalenzpunkt am genauesten anzeigt.

Ich könnte mit einer verdünnten Lösung arbeiten, sodass ich weniger Base auf einmal zutropfen kann.
Bei der Leitfähigkeitstitration sind die Steigungen der beiden Schenkel nicht gleich groß. Wähle aus, welche Aussagen du daraus über die Leitfähigkeit der beteiligten Ionen treffen kannst.
Die Leitfähigkeit von HCl ist als die Leitfähigkeit von NaOH. Da die Leitfähigkeiten der Chlorid- und Natriumionen viel als die der Oxonium- und Hydroxidionen sind, kann ich aus der Steigung außerdem erkennen, dass die Leitfähigkeit der Oxoniumionen als die der Hydroxidionen ist.