Anwendungen:Titration

Konzentrationsbestimmung durch Säure-Base-Titration

pH- oder Säure-Base-Titrationen sind Verfahren zur Bestimmung der Konzentration einer Probelösung mit einer schrittweisen Zugabe von einer Maßlösung mit bekannter Konzentration, immer eine Säure mit einer Base oder Base mit einer Säure. Über die Reaktion der S/B mit der B/S verändert sich der pH-Wert ersichtlich und durch den Indikator kann auf die Konzentration rückgeschlossen werden.

Grundaufbau bei einer Titration

• Bestimmung der Konzentration einer Säure mit einer Base: Alkalimetrie
• Bestimmung einer Base mit einer Säure: Acidimetrie

Bei dem Umschlagspunkt eines Indikators, der im neutralen Bereich (Phenolphthalein) umschlägt, gilt, Säure und Base haben reagiert, und nun liegt eine komplette Neutralisation vor, der Äquivalenzpunkt:

n(H⁺/Säure) = n(OH^-/Base)

Nun kann man diese Gleichung umstellen, je nachdem, was man für Vorgaben hat!

c(Probelösung) = c(Maßlösung) * V(Maßlösung)/V(Probelösung)

Teile für den Aufbau zur Durchführung einer Titration

Trägt man den pH-Wert gegen das Volumen der Zugabe der Maßlösung zur Probelösung auf, ergibt sich eine Titrationskurve. Diese weist folgende Punkte auf:

• Neutralpunkt: Menge an Probelösung bei pH-Wert 7
• Äquivalenzpunkt:  Stoffmenge der Base/Säure entspricht Stoffmenge der Säure/Base und zeigt somit die vollständige Neutralisation. Er kann mit dem Neutralpunkt zusammenfallen. Die Lage wird durch die Kombination der stärken der Säuren und Basen bestimmt.

Bei einer Titration einer starken Säure mit einer starken Base finden sich folgende Charakteristika in der Titrationskurve:

• der Start-pH-Wert entspricht dem pH-Wert der in der Titration eingesetzten Säure
• der End-pH-Wert entspricht dem pH-Wert der in der Titration eingesetzten Base
• gleiche Stärke von Säure und Base: Neutralpunkt (NP) fällt mit dem Äquivalenzpunkt (AP) zusammen
• Äquivalenzpunkt findet sich in der Mitte des pH-Wert-Sprungs!

pH-Titrationskurven: Acidimetrie und Alkalimetrie

Bei der Titration eine Base mit einer Säure dreht sich das Bild, der Anfangs-pH-Wert liegt im alkalischen Bereich und wandert im Laufe der Zugabe der Säure in Richtung des sauren Bereiches. Es gelten generell aber die gleichen Verschiebungen des AP bei der Titration einer schwachen Base durch eine starke Säure, er liegt weiter im sauren Bereich und fällt nicht mit dem Neutralpunkt zusammen.

Titration einer schwachen Säure mit einer starken Base:

• stärkere Base bewirkt eine Verlagerung des Äquivalenzpunktes in den alkalischen Bereich.
• NP = 7
• NP ≠ AP

Redox-Titration

Die Redoxtitration wird zur Konzentrationsbestimmung verwendet. Ein Beispiel wären im Rahmen der Hydrologie als zur Bestimmung von z.B. Eisen-, Wasserhärte- oder Verunreinigungen.

Beispiel

Beispiel: Wasserhärte-Bestimmung

Während des Versuches werden die Calciumionen aus der schwach ammoniakalischen Lösung in der Siedehitze mit Ammoniumoxalatlösung ausfällen. Diese Fällung löst man in Schwefelsäure und titriert nun die freiwerdende Oxalsäure mit Kaliumpermanganat Lösung.

Während der Titration findet eine Redoxreaktion statt.

Das Potential wird während der Titration erfasst. Bei einer Oxidation verläuft die Kurve von niedrigerem zum höheren Potential, bei einer Reduktion von höheren zum niedrigeren Potential. Neben der Potentialmessung, bietet sich die Zugabe von Redoxindikatoren an. Dies ist aber nicht nötig, wenn ein Redoxpartner farbig ist. Ein typisches Beispiel ist dabei Kaliumpermanganat KMnO₄: Mn (+VII) ist lila, Mn (+II) im Vergleich farblos.

Bei Eintritt der Farblosigkeit ist die Redoxreaktion vollzogen und Permanganat ist vollständig reduziert.

Potentiometrie als Möglichkeit der Konzentrationsbestimmung

Sind leitende Substanzen vorhanden, kann die Konzentrationszunahme der Produkte oder die Konzentrationsabnahme der Edukte über eine Leitfähigkeitsmessung betrachtet werden.

Ladungsleitende Teilchen sind Ionen. Je höher die Konzentration, umso höher die Leitfähigkeit der Lösung, je niedriger, umso niedriger.

Über die Leitfähigkeit kann ein Konzentrationsverlauf und damit korreliert mit einem Zeitverlauf die Reaktionsgeschwindigkeit bestimmt werden. Ähnlich wie die Photometrie ein beliebtes Analyseverfahren, z. B die Leitfähigkeitstitration.

Die Leitfähigkeitmessung wird auch durch Geräte zur Bestimmung des pH-Wert Verlaufes während einer Titration verwendet.

Zusatzinfo: Bedeutung und Vorkommen von Pufferlösungen:

Pufferlösungen werden im Labor eingesetzt, um z.B. die chemischen Bedingungen, die in einer Zelle herrschen, für ein im Reagenzglas eingesetztes Enzym zu simulieren. Wie bereits oben erwähnt, ist der pH-Wert entscheidend für alle biochemischen Reaktionen, die durch Enzyme katalysiert werden. Jedes Enzym weißt ein pH-Optimum auf und muss entsprechend mit "passender" Pufferlösung behandelt werden. Nur so ist ein problemloses Funktionieren eines Organismus bzw. eines Enzyms im Reagenzglas möglich.

Der größte natürliche Puffer ist das CO₂-H₂CO₃-System des menschlichen Bluts, das den pH-Wert bei ca. 7,4 konstant hält. Kommt es bei einem Patienten zu einer Verminderung des pH-Werts, spricht man von einer Acidose, bei einer Erhöhung von einer Alkalose.

Wirkungsweise:

Die Wirkung des Puffers beruht auf der Umsetzung der zugegebenen Base/Säure bzw. der Protonen und Hydroxidionen. Die Säure gibt Protonen ab und neutralisiert somit die zugegeben Hydroxidionen, die Base/das Salz fängt Protonen ab und neutralisiert so die Protonen. Auf diese Weise kann der Puffer den pH-Wert zunächst weitgehend konstant halten, ab einer bestimmten Menge, bricht jedoch der pH-Wert zusammen und die Wirkung geht verloren.

Der pH-Wert einer Puffer-Lösung gibt denjenigen Wert an, auf dem die Lösung konstant gehalten werden soll. Diese kann mit Hilfe der Henderson-Hasselbalch-Gleichung berechnet werden:

pH = pK_S + log(c(A^-)/c(HA))