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Protokolle zu den jeweiligen Versuchen...

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Praktikum Quantitative Analytische Chemie (B-AC 06)

ERSTELLUNG VON TITRATIONSKURVEN

Praktikumsleitung: Praktikumsbetreuer: Praktikumsgruppe: Versuchsdatum: Protokollverantwortlicher: Mitarbeiter:

________________________________ ________________________________ Ort, Datum, Unterschrif

Ort, Datum, Unterschrif

1. Abgabe:

________________________________ Ort, Datum, Unterschrif

1. Verbesserung: 2. Verbesserung: 3. Verbesserung:

Praktikum Quantitative Analytische Chemie (B6)

Inhaltsverzeichnis: 1. Theorie 2. Geräte 3. Chemikalien 4. Versuchsdurchführung 5. Auswertung 6. Analysenergebnis 7. Literatur

1. Theorie

In diesem Versuch sollen Titrationskurven von drei verschiedenen Säuren erstellt werden. Jeweils von Essigsäure (CH3COOH - schwache Säure), Amidosulfonsäure (NH2SO3H - mittelstarke Säure) und der dreiprotonigen Phosphorsäure. Diese Säuren sollen mit der starken Base NaOH potentiometrisch titriert werden. Gibt man zu den drei Proben Natronlauge (NaOH) hinzu, so sinkt die Konzentration der H+-Ionen und der pH-Wert steigt. Der pH ist der negative dekadische Logarithmus der H+ Ionen–Konzentration:

pH= -log10(c[H+])

(I)

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Abbildung 1: Beispiel Titrationsbeispiel

 Amidosulfonsäure mit NaOH Amidosulfonsäure ist eine starke einprotonige Säure und Natronlauge ist eine starke Base, aus diesem Grund ist hier der Äquivalenzpunkt bei einem pH-Wert von ca. 7 zu erwarten. Bei der Amidosulfonsäure ergibt sich die charakteristische Kurve, die vom sauren Milieu kommend stärker ansteigt. Ist die Konzentration c(H+) = c(OH-) so ist der Äquivalenzpunkt erreicht und man beobachtet eine fast orthogonale Steigung des Graphen. Die Titration erfolgt potentiometrisch in 0,5 mL Schritten. NH2SO3H + NaOH  NaNH2SO3 + H2O (II)

pks = 1

Abbildung 2: Strukturformel von Amidosulfonsäure

 Essigsäure mit NaOH Wird nun eine schwache, einprotonige Säure wie Essigsäure mit einer starken Base wie Natriumhydroxid titriert so liegt der Äquivalenzpunkt im basischen Milieu, Das heißt der Äquivalenzpunkt ist größer als 7 (Neutralpunkt). Obwohl am Äquivalenzpunkt Essigsäure und Natronlauge im äquivalenten Verhältnis vorliegen, überwiegt die Anzahl der OH - - Ionen, da das Acetation eine schwache Base ist und protolysiert. Der Start des pH-Wertes liegt höher als bei der Amidosulfonsäure, denn hier liegt nur ein geringerer Teil an dissoziierter Säure vor. Der zu erwartende Umschlagspunkt liegt bei pH 9. Seite 3 von 12

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CH3COOH + NaOH  CH3COONa + H2O (III)

pks = 5

Abbildung 3: Strukturformel von Essigsäure

 Phosphorsäure mit NaOH Zum Vergleich soll auch eine mehrprotonige Säure mit NaOH titriert werden. Hier gibt es einen großen Unterschied zu einprotonigen Säuren. In diesem Fall von der Phosphorsäure sind drei Äquivalenzpunkte zu erwarten und nicht nur ein Umschlagspunkt. Somit besteht auch die Titrationskurve aus mehreren Äquivalenzpunkten, welche von den pK S-Werten abhängig sind. Der erste Umschlagspunkt liegt etwa bei einem pH-Wert von 6, der zweite bei ca. 9 und der letzte bei einem pH von ungefähr 12. H3PO4 + NaOH  H2PO4- + H2O + Na+ 4

24

+

H2PO + NaOH  HPO + H2O + Na 24

34

+

HPO + NaOH  PO + H2O + Na

(IV)

pKs = 1,92

(V)

pKs = 6,71

(VI)

pKs = 11,52 Abbildung 4: Strukturformel von Phosphorsäure

2. Versuchsdurchführung

2.1Geräte



mV-Meter - Ablesegenauigkeit ± 0,01 pH und pH-Messkette



Magnetrührer und Rührstäbchen



Schillingbürette 50 ml ± 0,045 mL



Becherglas ca. 250 ml



Dispensette zur Dosierung von 10 mL (Amidosulfonsäure)



Dispensette zur Dosierung von 25 mL (Phosphorsäure)



Dispensette zur Dosierung von 10 mL (Essigsäure)

± 0,05mL

± 0,125mL

± 0,120mL

2.2Chemikalien

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Chemikalie

Natriumhydroxid

Amidosulfonsäure

Essigsäure

Phosphorsäure

Summenfor mel

NaOH

NH2SO3H

CH3COOH

H3PO4

H- und P-Sätze

Piktogramm

H290 / H314 / P280 / P303+P361+P353 / P305+P351+P338 / P310 H315 / H319 / H412 / P264 / P280 / P305+P351+P338 / P321 / P332+P313 / P337+P313 / P501

H226 / H290 / H314 / P210 / P280 / P303+P361+P353 / P305+P351+P338 / P310 H314 / P280 P301+P330+P331 P303+P361+P353 P305+P351+P338 / P310 P210

/ / / /

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Tabelle 1: H- und P-Sätze

2.3Reagenzien    

ca. 0,2 M NaOH-Lösung ca. 0,2 M NH2SO3H-Lösung ca. 0,2 M CH3COOH-Lösung ca. 0,07 M H3PO4-Lösung

2.4Durchführung 10 mL der jeweils zu titrierenden Säure wird mit Hilfe einer Dispensette in ein 250 ml Becherglas überführt. Die Lösungen werden mit H2O auf ca. 150 mL aufgefüllt. Das Becherglas wird dann mit einem Rührfisch auf einem Magnetrührer gestellt. Die pH-Elektrode wird anschließend in die Lösung gestellt und unter Rühren mit ca. 0,2 M NaOH in 0,5 mL Schritten titriert. Bei dieser schrittweisen Zugabe des Titrationsmittels wird die daraus resultierende pH-Wert-Änderung mit Hilfe der Glaselektrode und mV-Meters erfasst. Der Wert der pH-Änderung muss mindestens 5 sec. stabil sein, um ein qualitatives Ergebnis zu erhalten. Die Messwerte der jeweiligen Säuren werden in eine Tabelle eingetragen, damit später mit diesen Werten die drei Titrationskurven zur Veranschaulichung erstellt werden können. Insgesamt wird jede der drei Säuren mit 20 mL Natronlauge titriert. Vor und nach beendeter Messung wird die Messkette durch Abspritzen mit H2O gereinigt. .

3. Auswertung Titration NH2SO3H V [mL] pH 0,00 1,89 0,50 1,89 1,00 1,91 1,50 1,94 2,00 1,96 2,50 1,99 3,00 2,02 3,50 2,06 4,00 2,09

CH3COOH V [mL] pH 0,00 3,26 0,50 3,50 1,00 3,72 1,50 3,88 2,00 4,02 2,50 4,13 3,00 4,25 3,50 4,34 4,00 4,44

H3PO4 V [mL] 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00

pH 2,43 2,48 2,57 2,67 2,80 2,99 3,31 4,84 6,27 Seite 6 von 12

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4,50 5,00 5,50 6,00 6,50 7,00 7,50 8,00 8,50 9,00 9,50 10,00 10,50 11,00 11,50 12,00 12,50 13,00 13,50 14,00 14,50 15,00 15,50 16,00 16,50 17,00 17,50 18,00 18,50 19,00 19,50 20,00

2,13 2,17 2,22 2,27 2,33 2,39 2,46 2,55 2,67 2,80 3,03 3,43 7,64 8,82 9,25 9,59 9,93 10,40 10,85 11,11 11,29 11,41 11,51 11,58 11,64 11,70 11,75 11,79 11,83 11,87 11,90 11,93

4,50 5,00 5,50 6,00 6,50 7,00 7,50 8,00 8,50 9,00 9,50 10,00 10,50 11,00 11,50 12,00 12,50 13,00 13,50 14,00 14,50 15,00 15,50 16,00 16,50 17,00 17,50 18,00 18,50 19,00 19,50 20,00

4,52 4,62 4,71 4,79 4,89 4,99 5,10 5,21 5,37 5,55 5,91 6,71 10,45 10,92 11,15 11,30 11,40 11,48 11,55 11,61 11,66 11,70 11,74 11,78 11,82 11,85 11,88 11,91 11,93 11,96 11,98 12,00

4,50 5,00 5,50 6,00 6,50 7,00 7,50 8,00 8,50 9,00 9,50 10,00 10,50 11,00 11,50 12,00 12,50 13,00 13,50 14,00 14,50 15,00 15,50 16,00 16,50 17,00 17,50 18,00 18,50 19,00 19,50 20,00

6,64 6,91 7,17 7,45 7,82 9,15 10,65 10,94 11,15 11,28 11,38 11,47 11,53 11,59 11,65 11,69 11,73 11,77 11,80 11,83 11,86 11,89 11,92 11,94 11,97 11,99 12,01 12,03 12,05 12,07 12,08 12,10

Tabelle 2: Messwerte

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Amidosulfonsäure Die Amidosulfonsäure ist eine starke Säure, dessen pK s bei 0,99* liegt, dissoziiert nahezu vollständig. Bei der Titration mit der starken Base NaOH, befand sich der Äquivalenzpunkt in dem folgenden Diagramm bei pH 6,8. Der Äquivalenzpunkt liegt etwas unterhalb des Richtwertes (pH 7)

Abbildung 2: Titrationskurve von Amidosulfonsäure mit NaOH

Essigsäure: Die Essigsäure ist eine schwache Säure, die nicht wie Amidosulfonsäure vollständig dissoziiert. Betrachten man die Titrationskurve der Essigsäure-Titration im Diagramm, so fällt auf, dass der Äquivalenzpunkt deutlich über dem Neutralpunkt (pH 7) liegt. (Am Äquivalenzpunkt sind die Konzentration von Na und CH3COO Ionen gleich. Das Acetat-Ion hingegen reagiert als starke korrespondierende Base der Essigsäure mit dem Wasser, wobei Na + Ionen keine Rückreaktion mit Wasser eingeht. OH- Ionen überwiegen somit in der Lösung, sodass der Äquivalenzpunkt im basischen Milieu (pH>7) liegt. Dem Diagramm zufolge liegt der Äquivalenzpunkt am pH 8,3. +

Der Äquivalenzpunkt ist aber bestimmbar. 10ml der

-

pH = 14 pH = 14 -

1 2 1 2

auch quantitativ Essigsäure-Lösung

* [pKs von CH3COO- – lg (cHAc )] * [9,25 – lg (0,013 )]

(V)

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werden mit VE-Wasser auf 150 ml aufgefüllt, womit sich eine Konzentration von c(CH3COOH) = 0,013 mol/L ergibt. Daraus folgt:

Textfeld 1: Rechnung vom pHÄquivalenzpunkt

Abbildung 3: Titrationskurve von Essigsäure mit NaOH

Phosphorsäure: Die Phosphorsäure ist eine mehrprotonige Säure, welche insgesamt drei Protonen abgeben kann und somit für jede Protonenabgabe einen eigenen pK S-Wert besitzt. Somit müsste es drei Äquivalenzpunkte geben, einen zu jeder Protonenabgabe, wobei der dritte Äquivalenzpunkt nicht erreicht wurde. Die Konzentration der NaOH-Lösung war dafür zu gering. Dem Graph zufolge ist der Äquivalenpunkt 1 bei pH 4,81 und Äquivalenpunkt 2 bei pH 9,15. 10ml der Phosphorsäure-Lösung werden mit VE-Wasser auf 150ml aufgefüllt, daher liegt c Phosphorsäure bei 0,0047 mol/L. Den pH-Wert, an den jeweiligen Äquivalenzpunkt, kann hier mit den pK S- bzw. pKB-Werten berechnet werden:

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pKs(H2PO4−) = 7,21

pKB(HPO42−) = 6,79

pKB(PO43−) = 1,68

1 * [7,21 – lg (0,0047 )] = 4,77 2 1 * [6,79 – lg(0,0047 )] = 9,44 II.) pH = 14 2 1 * [1,68 – lg(0,0047 )] = 12,00 III.) pH = 14 2 I.) pH = 14 -

(VI)

Textfeld 2: Rechnung von pHPhosphorsäure

Abbildung 4: Titrationskurve von Phosphorsäure mit NaOH, Umschlagspunt 1

Abbildung 5: Titrationskurve von Phosphorsäure mit NaOH, Umschlagspunt 2

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Zum Verlauf des Graphen ist zu sagen, dass die Steigung an den Äquivalenzpunkten (= Wendepunkte) am steilsten ist. Am ersten ÄP liegt nur noch H2PO4- vor, am zweiten Äquivalenzpunkt HPO42-. Analog würde beim dritten ÄP PO43- vorliegen. Dazwischen liegt jeweils ein Puffersystem aus der jeweiligen Säure und ihrer konjugierten Base vor. Beispielsweise liegt bei einer Zugabe von 6 ml NaOH in Lösung H2PO4- und HPO42- vor.

4. Analyseergebnis Die Messergebnisse des Versuchs stimmen ziemlich präzise mit den Literaturwerten überein: Die Äquivalenzpunkte wurden an folgenden Stellen ermittelt: • Amidosulfonsäure: Aus der Titrationskurve ermittelt: pH ≈ 6,80 Literaturwert: pH = 7,00 Abweichung von Literaturwert: 2,85% • Essigsäure: Aus der Titrationskurve ermittelt: pH ≈ 8,3 Literaturwert: pH = 8,43 Abweichung von Literaturwert: 1,54% • Phosphorsäure: Aus der Titrationskurve ermittelt: pH1 ≈ 4,81; Literaturwert pH1 ≈ 4,77 Aus der Titrationskurve ermittelt: pH1 ≈ 9,15; Literaturwert pH2 = 9,44 Abweichung von Literaturwert pH1 : 0,83% Abweichung von Literaturwert pH2 : 3,07%

5. Literatur [1] Tabelle 1: H- und P-Sätze: Natriumhydroxid: https://www.carlroth.com/downloads/sdb/de/T/SDB_T135_DE_DE.pdf 20.03.18 / 21:03 Uhr Amidosulfonsäure: https://www.scharr.de/fileadmin/scharr/03_leistungen/Inhalt_Bilder_PDFs/Chemie_P DFs/Sicherheitsdatenblaetter/SDB_deutsch/Amidosulfonsaeure_SDB_DE_de.pdf 20.03.18 / 21:41 Uhr

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Essigsäure: https://www.carlroth.com/downloads/sdb/de/6/SDB_6755_CH_DE.pdf 20.03.18 / 21:43 Uhr Phosphorsäure: https://www.carlroth.com/downloads/sdb/de/6/SDB_6366_DE_DE.pdf 20.03.18 / 21:48 Uhr

[2] Jander/ Jahr; Maßanalyse 17.Auflage (2009); Gruyter Verlag Berlin; ISBN 978-3-11-019447-0; Seite 96 & 97 [3] Abbildung 1: http://www2.chemie.uni-erlangen.de/projects/vsc/chemie-medizinerneu/saeuren/stark_titration.html 18.04.18 / 20:23 Uhr [4] Abbildung 2: Strukturformel Amidosulfonsäure: https://de.wikipedia.org/wiki/Amidosulfonsäure 01.05.18 / 15:35 Uhr [5] Abbildung 2: Strukturformel Essigsäure: https://de.wikipedia.org/wiki/Essigsäure 01.05.18 / 15:40 Uhr [6] Abbildung 2: Strukturformel Phosphorsäure: https://de.wikipedia.org/wiki/Phosphorsäure 01.05.18 / 15:27 Uhr [7] Prof.Dr. Birgit Götzinger: Praktikumsskript: Erstellung von Titrationskurven; Seite 2 & 3 von 4 [8] *pKs Wert der Amidosulfonsäure: http://www.chemieonline.de/labor/pkx.php?action=liste&typ=2&buchstabe=A 19.04.18 / 19:48 Uhr [9] pKs von CH3COO- : https://www.chemie.uni-hamburg.de/studium/praktika/medizin/9_Saeuren %20Basen%20II.pdf Seite 3 / 19.04.18 / 20:17 Uhr [10]Mehrprotonige Säuren; Charles E. Mortimer: Chemie Das Basiswissen der Chemie. Georg Thieme Verlag, Stuttgart, New York. 12. Auflage, 2015, S. 301-303 [11]Anhang B; Charles E. Mortimer: Chemie Das Basiswissen der Chemie. Georg Thieme Verlag, Stuttgart, New York. 12. Auflage, 2015, S. 633

6. Anlagen -

Ausgeschriebene H- und P-Sätze Wertetabelle zur Bestimmung der Titrationskurven Diagramme in Vollbild

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