Titration – starke Säure mit starker Base

Titration einer starken Säure mit einer starken Base in der Chemie

Im Chemieunterricht hast du sicherlich schon Säuren und Basen kennengelernt. Aber kennst du auch schon die Titration – ein Verfahren zur Konzentrationsbestimmung einer Probelösung? Wie genau eine Titration funktioniert und wie du beispielsweise die Konzentration einer Salzsäure-Lösung bestimmen kannst, erfährst du im Folgenden.

Titration in der Chemie – Definition

Einfach erklärt, ist eine Titration ein chemisches Verfahren zur quantitativen Analyse eines Stoffes.

Das Verfahren kann ebenso als Titrimetrie, Volumetrie oder Maßanalyse bezeichnen werden.

Titration – verschiedene Verfahren

Mithilfe der Titration kannst du die Konzentration einer Probelösung mithilfe einer Maßlösung bestimmen. Die Maßlösung wird der Probelösung tröpfchenweise bis zum sogenannten Äquivalenzpunkt zugegeben. Dazu wird eine Bürette – ein Glasröhre mit Skalierung und einem Hahn zur Dosierung der Maßlösung – verwendet, mit der du die Maßlösung zum einen tröpfchenweise aus der Bürette lassen und zum anderen genau die verbrauchte Menge an Maßlösung ablesen kannst.

Wie du den Äquivalenzpunkt erkennst und welche Indikatoren du einsetzt, ist abhängig vom Verfahren. Im Folgenden wird dir eine Übersicht über die wichtigsten Arten von Titrationen gezeigt:

• Säure-Base-Titration: Der Äquivalenzpunkt wird entweder über die Zugabe eines Indikators und dessen Farbumschlag ermittelt oder über die Messung des pH-Wertes mithilfe einer Elektrode. Es handelt sich um eine pH-metrische Titration.
• Fällungstitration: Der zu analysierende Stoff wird während der Titration in einen schwer löslichen Stoff bekannter Zusammensetzung überführt. Der Äquivalenzpunkt wird durch das Ausfällen eines Niederschlags sichtbar.
• Titration nach Mohr: Der Äquivalenzpunkt ist durch die Bildung von Silberchromat erkennbar. Dieser Titration liegt eine quantitative Bestimmung von Chlorid- und Bromidionen zugrunde. Sie gehört zur Argentometrie und ist ein Spezialfall der Fällungstitration.
• Komplexometrische Bestimmung: Der Äquivalenzpunkt wird durch eine Komplexbildungsreaktion sichtbar, indem Farbstoffe zugesetzt werden oder die Bildung des Komplexes aufgrund einer Farbänderung photometrisch verfolgt werden kann. Es wird die Konzentration von Metallionen in wässrigen Lösungen bestimmt. Die Metallionen haben die Eigenschaft, mit unterschiedlichen Substanzen verschiedenfarbige Komplexe zu bilden.
• Potentiometrische Titration: Der Äquivalenzpunkt wird durch die Änderung der Leerlaufspannung ersichtlich. Durch die Änderung der Konzentration ändert sich entsprechend auch das elektrochemische Potenzial, welches gemessen wird.
• Konduktometrische Titration: Der Äquivalenzpunkt wird durch die Änderung des ohmschen Widerstands erkenntlich. Die konduktometrische Titration ist eine Leitfähigkeitstitration und der potentiometrischen Titration ähnlich.
• Iodometrische Titration: Der Äquivalenzpunkt ist durch Zugabe von Stärkelösung als Indikator durch eine intensive blaue Färbung erkennbar. Der iodometrischen Titration liegt eine Gleichgewichtsreaktion von Iodidionen und Iod zugrunde. Die Methode kann über eine direkte oder indirekte Titration durchgeführt werden. Letztere stellt eine Bestimmung mittels Rücktitration dar.

Säure-Base-Titration am Beispiel von Salzsäure und Natronlauge

Bisher hast du gelernt, was die Titration ist und welche Verfahren es gibt. Am Beispiel von Salzsäure und Natronlauge lernst du nun das Verfahren, den Aufbau und die Berechnung zur Konzentration der Probelösung mittels Säure-Base-Titration kennen.

Säure-Base-Titration – Versuchsaufbau und Durchführung

Stell dir folgende Situation vor: Du hast in einem Becherglas Salzsäure $\left( \ce{HCl} \right)$ in wässriger Lösung vorliegen und schüttest nun eine unbekannte Menge an Wasser hinzu. In welcher Konzentration liegt deine Salzsäure nun vor?

Die wässrige Salzsäure stellt die Probelösung dar. Um nun die Konzentration der Salzsäure zu bestimmen, kannst du die Säure-Base-Titration anwenden. Dazu benötigst du eine Base bekannter Konzentration als Maßlösung. Du kannst als Maßlösung Natronlauge, also Natriumhydroxid $\left( \ce{NaOH} \right)$ in wässriger Lösung verwenden, wobei dir die $\ce{NaOH}$-Konzentration der Natronlauge bekannt sein muss.

Wie realisierst du den Versuchsaufbau, um die unbekannte Konzentration der Salzsäure zu bestimmen?

Dazu stellst du dein Becherglas mit der Salzsäule unter eine Bürette. Die Bürette ist mit der Natronlauge bekannter Konzentration gefüllt. In die Salzsäure gibst du einige Tropfen eines Indikators, der dir den jeweiligen pH-Wert der Lösung in deinem Becherglas anzeigen soll. Du kannst bei der Säure-Base-Titration von Salzsäure und Natronlauge beispielsweise den Indikator Phenolphthalein verwenden. Achte bei Wahl des Indikators darauf, dass dessen Umschlagspunkt im gleichen Bereich liegt wie der erwartete Äquivalenzpunkt, damit du diesen gut erkennen und im weiteren Verlauf die Konzentration der unbekannten Lösung berechnen kannst.

In der folgenden Abbildung ist der beschriebene Versuchsaufbau dargestellt:

Zu Beginn des Versuchs liegt in dem Becherglas ein saurer pH-Wert vor. Jetzt tropfst du langsam die Natronlauge zu der Salzsäure, bis im Becherglas ein deutlicher Farbumschlag ersichtlich ist. Dann beendest du den Versuch und notierst die verbrauchte Menge an Natronlauge.

Säure-Base-Titration – Was passiert während der Titration einer starken Säure?

Um zu verstehen, was während der Titration von Salzsäure mit Natronlauge passiert, solltest du wissen, dass Salzsäure eine starke Säure und Natronlauge eine starke Base ist. Weil es sich sowohl um eine starke Säure als auch um eine starke Base handelt, liegen beide Stoffe in Lösung vollständig dissoziiert vor. Sobald du Natronlauge in dein Becherglas mit Salzsäure tropfen lässt, findet eine Neutralisationsreaktion statt. Aus dieser Reaktion entsteht das neutrale Salz Natriumchlorid $\left( \ce{NaCl} \right)$.

Die Reaktionsgleichung lässt sich wie folgt aufstellen:

$\ce{HCl + NaOH -> NaCl + H2O}$

Je mehr Natronlauge du in dein Becherglas tropfst, desto mehr wird dissoziiert und desto mehr Salzsäure wird neutralisiert. Mit jedem Tropfen Natronlauge steigt der pH-Wert ein bisschen an. Zu Beginn deines Versuches steigt der pH-Wert nur langsam an. An einem bestimmten Umschlagspunkt kann dann jedoch ein weiterer Tropfen Natronlauge dafür sorgen, dass deine Lösung im Becherglas von einer sauren zu einer basischen Lösung wird.

Veranschaulichen kannst du dir das daran, dass zu Beginn des Versuchs nur Salzsäure und Wasser in deinem Becherglas vorhanden sind. Nach Beginn des Versuchs und vor dem Umschlagspunkt liegen in der Lösung Natriumchlorid, Wasser und Salzsäure vor. Nach der vollständigen Neutralisation und dem Hinzugeben weiterer Natronlauge liegt in deinem Becherglas Natronlauge, Natriumchlorid und Wasser vor.

Der Farbumschlag findet am Äquivalenzpunkt statt. Dieser liegt bei der Säure-Base-Titration von starken Säuren und starken Basen genau am Neutralisationspunkt – also bei einem pH-Wert von sieben. Somit ist der Neutralisationspunkt durch den Farbumschlag des Phenolphthalein-Indikators ersichtlich.

Verdeutlicht werden kann die pH-Wert-Änderung bei Zugabe von Natronlauge in einem Volumen-pH-Wert-Diagramm. Doch was zeigt die Titrationskurve in so einem Diagramm eigentlich an?

In diesem Diagramm ist die Titrationskurve aufgezeichnet. Der pH-Wert der Probelösung im Becherglas (der Salzsäure) ist über der Menge bzw. dem Volumen der aus der Bürette hinzugefügten Maßlösung (der Natronlauge) aufgetragen. Die Titrationskurve zeigt an, welcher pH-Wert in der Probelösung bei Zugabe von wie viel Volumen der Maßlösung vorliegt. Dies ist in der Abbildung gezeigt. Die deutliche Zunahme des pH-Werts am Umschlagspunkt der Titrationskurve macht es vergleichsweise einfach, den Äquivalenzpunkt einer bestimmten Menge $\ce{NaOH}$ zuzuordnen und daraus die Menge $\ce{HCl}$ in der Probelösung abzuleiten. Das wollen wir im Folgenden einmal beispielhaft durchrechnen.

Titration einer starken Säure mit einer starken Base – Berechnung unbekannter Konzentration

Bisher hast du gelernt, wie eine Säure-Base-Titration aufgebaut ist und wie eine Titration von einer starken Säure mit einer starken Base funktioniert. Doch wie lässt sich nun in diesem Fall die unbekannte Konzentration der Salzsäure im Becherglas berechnen?

Dazu musst du wissen, dass am Äquivalenzpunkt aufgrund der Neutralisation die Stoffmenge der Hydroxidionen $\left( \ce{OH-} \right)$ gleich der Stoffmenge der Hydroniumionen (Oxoniumionen) $\left( \ce{H3O+} \right)$ ist. Das bedeutet, dass am Äquivalenzpunkt die Stoffmenge der Base genauso groß ist wie die Stoffmenge der Säure. Dargestellt als Gleichung gilt somit:

$n \left(\ce{OH-} \right) = n \left(\ce{H3O+} \right)$

Die Stoffmenge $n$ kann durch Multiplikation des Volumens $V$ der jeweiligen Lösung mit der Konzentration $c$ des jeweiligen Stoffes bestimmt werden:

$n = V \cdot c$

Im folgenden Rechenbeispiel berechnen wir nun endlich die Konzentration der Salzsäure in der Probelösung.

Rechenbeispiel: Berechnung der Konzentration von Salzsäure

Für das Rechenbeispiel müssen zunächst Annahmen getroffen werden, die sich aus der Durchführung der Titration ergeben. So sei angenommen, dass du bis zum Äquivalenzpunkt $10\,\text{m}\ell$, also $0{,}01$ Liter der Natronlauge $\left( V(\ce{NaOH}) = 0{,}01\,\ell \right)$, verbraucht hast. Es soll sich um eine $0{,}1$-molare Natronlauge handeln $\left( c(\ce{NaOH}) = 0{,}1\,\frac{\text{mol}}{\ell} \right)$. In deinem Becherglas lagen vor der Titration $5\,\text{m}\ell$, also $0{,}005$ Liter der Salzsäure $\left( v(\ce{HCl}) = 0{,}005\,\ell \right)$, vor.

1. Als Erstes berechnest du die Stoffmenge der Hydroxidionen über die verbrauchte Stoffmenge an Natronlauge:
   $n(\ce{NaOH}) = V(\ce{NaOH}) \cdot c(\ce{NaOH}) = 0{,}01\,\ell \cdot 0{,}1\,\frac{\text{mol}}{\ell} = 0{,}001\,\text{mol} \\ n(\ce{NaOH}) = n \left( \ce{OH-} \right) = 0{,}001\,\text{mol}$
   
2. Als Zweites bestimmst du die Stoffmenge der Salzsäure. Es gilt dabei:
   $n \left( \ce{OH-} \right) = n \left( \ce{H3O+} \right)$ und daraus folgt:
   $n(\ce{NaOH}) = n(\ce{HCl})$
   Da obige Gleichung gilt, ist die Stoffmenge der Salzsäure ($\ce{HCl}$) genauso groß wie die der Natronlauge ($\ce{NaOH}$):
   ⇒ $n(\ce{HCl}) = 0{,}001\,\text{mol}$
   
3. Als Drittes stellst du nun die Gleichung $n(\ce{HCl}) = V(\ce{HCl}) \cdot c(\ce{HCl})$ nach der Konzentration $c(\ce{HCl})$ der Salzsäure um:
   $n(\ce{HCl}) = V(\ce{HCl}) \cdot c(\ce{HCl}) \quad \big\vert ~ : V(\ce{HCl}) \\ \dfrac{n(\ce{HCl})}{V(\ce{HCl})} = c(\ce{HCl})$
   
4. Als Viertes berechnest du die Konzentration der Salzsäure durch Einsetzen der Werte in die umgestellte Formel:
   $c(\ce{HCl}) = \dfrac{0{,}001\,\text{mol}}{0{,}005\,\ell} = 0{,}2\,\frac{\text{mol}}{\ell}$
   

Die Salzsäure-Konzentration der Lösung beträgt also $c(\ce{HCl}) = 0{,}2\,\frac{\text{mol}}{\ell}$.

Ausblick – das lernst du nach Titration – starke Säure mit starker Base

Vertiefe dein Wissen über Säuren und Basen nach Brönstedt. Dies wird dir helfen, den Einstieg in die Thematik zu finden. Möchtest du tiefer in die Materie einsteigen, bieten sich Neutralisation und pH-Indikatoren an.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Titration einer starken Säure mit einer starken Base