Grundprinzip der Titration
Bei der sogenannten Titration bestimmt man die Konzentration einer Säure in einer sauren Lösung wie Haushaltsessig oder Salzsäure mit Hilfe einer Lauge, deren Konzentration man kennt. Meistens nimmt man dafür Natronlauge der Konzentration c(NaOH) = 1 mol/l oder c(NaOH) = 0,1 mol/l.
Bitte lies dir die Versuchsvorschrift genau durch, damit du dann hier weitermachen kannst.
Eine Konzentrationsberechnung
Wir spielen jetzt mal ein Beispiel durch, damit du das Prinzip der Konzentrationsberechnung verstehst.
Angenommen, du hast genau 50 ml Salzsäure unbekannter Konzentration in das Becherglas gegeben und für die Neutralisation 68 ml Natronlauge der Konzentration c(NaOH) = 1 mol/l verbraucht.
Frage
Ist die Konzentration der Salzsäure größer als 1 mol/l oder kleiner als 1 mol/l?
Antwort
Die Konzentration muss größer sein als 1 mol/l. Wäre c(HCl) genau 1 mol/l, dann hätte man auch genau 50 ml NaOH verbraucht. Es wurde aber mehr NaOH verbraucht, nämlich 68 ml. Also muss die Konzentration der Salzsäure in der Probe größer gewesen sein als 1 mol/l.
Die Berechnung von c(HCl) erfolgt nun nach dem 3-Schritte-Schema.
Schritt 1: Berechnung von n(NaOH)
Berechne die Stoffmenge der verbrauchten NaOH. Das ist hier zum Glück recht einfach, da wir NaOH der Konzentration 1 mol/l verbraucht haben. In 0,068 Liter NaOH befinden sich dann auch genau 0,068 mol oder 68 mmol NaOH.
Schritt 2: Berechnung von n(HCl)
Die Reaktionsgleichung der HCl-Neutralisation mit NaOH lautet:
$HCl + NaOH \to NaCl + H_2O$
Das heißt, für die Neutralisation von 1 mol HCl benötigen wir genau 1 mol NaOH. Die Stoffmengen n(HCl) und n(NaOH) stehen also im Verhältnis 1:1. Es gilt daher n(HCl) = n(NaOH) = 0,068 mol.
Schritt 3: Berechnung von c(HCl)
Da wir das Volumen der HCl-Probe notiert haben, können wir nun auch die Konzentration der Salzsäure berechnen. Die Konzentration einer Lösung erhält man, indem man die Stoffmenge durch das Volumen dividiert:
$ c(HCl) = \frac{n(HCl)}{V(HCl} = \frac{0,068 \ mol}{0,05 \ l} = 1,36 \ mol/l$
Damit haben wir unser Ergebnis: Die Salzsäure hat eine Konzentration von 1,36 mol/l.
Die Salzsäure in dem Becherglas ist jetzt natürlich neutralisiert, aber meistens nimmt man ja nur eine kleine Probe von der zu analysierenden sauren Lösung und titriert diese Probe. Dann hat man die "Original-Säure" immer noch verfügbar.
Eine richtig komplizierte Aufgabe
Aufgabe für Profis
Aus einem Teich, von dem wir glauben, er wäre durch illegale Einleitung von Abwässern übersäuert, haben wir eine kleine Probe von nur 15 ml Wasser entnehmen können, bevor wir von dem Eigentümer erwischt wurden. Diese Probe verdünnen wir mit dest. Wasser auf 100 ml und titrieren sie mit selbst hergestellter Natronlauge. Dazu haben wir 17 Gramm festes Natriumhydroxid in 400 ml Wasser aufgelöst. Von dieser Natronlauge verbrauchen wir genau 49 ml, um während der Titration den Äquivalenzpunkt zu erreichen.
Berechne die Säure-Konzentration der entnommenen Probe.
Diese Aufgabe hat es aber wirklich in sich. Wir wollen Sie nun gemeinsam lösen. Wenn du willst, kannst du es ja erst mal selbst versuchen und dann mit dem folgenden Lösungsvorschlag vergleichen.
Schritt 0: Die Konzentration der NaOH berechnen
Dieser Schritt dient der Vorbereitung der Titration und gehört nicht zu dem üblichen "Dreiklang" an Schritten, den wir im vorherigen Abschnitt beschrieben haben. Wir müssen ja zunächst wissen, wie groß die Konzentration der Natronlauge ist, die wir selbst hergestellt haben.
NaOH hat eine molare Masse von ca. 40 g/l. Die 17 g, die wir abgewogen haben, stellen also 17 g / 40 g mol-1 = 0,425 mol dar. Diese Stoffmenge lösen wir in 1,5 l Wasser. Die Konzentration der NaOH berechnet sich daher zu 0,425 mol / 1,5 l = 0,2833 mol/l.
Es gilt also c(NaOH) = 0,2833 mol/l.
Schritt 1: Berechnung von n(NaOH)
Die Stoffmenge in einer Lösung berechnet man, indem man die Konzentration mit dem Volumen multipliziert, also allgemein: n = c * V. Das machen wir jetzt für unsere Natronlauge:
n(NaOH) = 0,2833 mol/l * 0,049 l = 0,01388 mol
Schritt 2: Berechnung von n(Säure)
Wir gehen mal davon aus, dass es sich bei der eingeleiteten Säure um eine einprotonige Säure handelt, zum Beispiel Salzsäure oder Salpetersäure. Daher können wir n(Säure) = n(NaOH) setzen.
Schritt 3: Berechnung von c(Säure)
Die Konzentration eines Stoffes in einer Lösung berechnet man aus der Stoffmenge, die man durch das Volumen der Lösung dividiert:
c(Säure) = 0,01388 mol/0,015 l = 0,9254 mol/l.
Das ist aber ein ganz schön hoher Wert, der See enthält eine fast 1-molare Säure-Lösung. Unedle Metalle wie Magnesium oder Zink würden sich darin sofort auflösen, etwas edlere Metalle wie Eisen oder Blei innerhalb weniger Stunden, je nach Größe des Metallbrockens.
Vorsicht bei zweiprotonigen Säuren!
Will man die Konzentration einer zweiprotonigen Säure wie Schwefelsäure H2SO4 berechnen, muss man aufpassen. Um 1 mol Schwefelsäure zu neutralisieren, benötigt man nämlich 2 mol Natronlauge der gleichen Konzentration. Bei der Berechnung muss man also etwas aufpassen. Ganz schlaue Leute verwenden einfach NaOH der Konzentration 2 mol/l, dann können sie genau so verfahren wie bei einer einprotonigen Säure.
Aber wir wollen einmal eine normale Rechnung machen, wie sie vielleicht im Unterricht vorkommt, mit einer normalen 1-molaren NaOH.
Es wurden für die Titration von 50 ml Schwefelsäure unbekannter Konzentration 38 ml NaOH der Konzentration 1 mol/l verbraucht. Berechne die Konzentration dieser Schwefelsäure.
Schritt 1: n(NaOH)
n(NaOH) = 0,038 mol
Schritt 2: n(H2SO4)
Jetzt bitte das Gehirn einschalten! Ist n(H2SO4) doppelt so groß wie n(NaOH) oder nur halb so groß?
Mit 1 mol NaOH neutralisiere ich 0,5 mol Schwefelsäure. Also neutralisiere ich mit 0,038 mol NaOH auch die Hälfte an Schwefelsäure, nämlich 0,019 mol.
n(H2SO4) = 0,019 mol
Schritt 3: c(H2SO4)
c(H2SO4) = n(H2SO4) / V(H2SO4) = 0,019 mol / 0,05 l = 0,38 mol/l.
Dieses Ergebnis erscheint irgendwie eigenartig, weil sowohl bei n(NaOH) wie auch bei c(H2SO4) der Wert 0,038 bzw. 0,38 auftaucht. Ist das nur ein Zufall?
Machen wir eine zweite Berechnung mit anderen Daten. Diesmal neutralisieren wir 60 ml Schwefelsäure mit 45 ml der 1-molaren NaOH. Wir wissen also, dass n(NaOH) = 0,045 mol ist, daraus folgt n(H2SO4) = 0,0225 mol und c(H2SO4) = 0,0225 mol/0,06 l = 0,375 mol/l.
Hier liegt eine solche Übereinstimmung nicht vor, dann war das eben wohl doch ein Zufall. Und du hast hier eine zweite Beispiel-Rechnung präsentiert bekommen, an der du deine Fähigkeiten jetzt selbst testen kannst.