Wenn Chemiker die Konzentration einer in einer Lösung gelösten Substanz ermitteln müssen, verwenden sie häufig eine Technik namens Titration. Durch Zugabe einer Chemikalie, die mit dem gelösten Stoff reagiert, bis der gesamte gelöste Stoff neutralisiert ist, kann der Chemiker feststellen, wie viel ursprünglich vorhanden war – und damit die Konzentration der Lösung. Titrationsprobleme mit Säuren und Basen sind häufige Aufgaben bei Hausaufgaben und Prüfungen im Chemieunterricht.
Bestimmen Sie, ob der Analyt (die in der Lösung gelöste Chemikalie) und das Titriermittel (die Chemikalie, die zur Neutralisation des gelösten Stoffes hinzugefügt wird) starke Säuren oder Basen sind. Eine Säure ist ein Stoff, der Protonen abgibt, während eine Base ein Stoff ist, der Protonen aufnimmt. Wenn der gelöste Stoff eine Base ist, ist das Titriermittel eine Säure und umgekehrt. Salzsäure, Salpetersäure, Schwefelsäure, Perchlorsäure, Bromwasserstoffsäure und Iodwasserstoffsäure sind die üblichen starke Säuren, während Lithium-, Natrium-, Kalium-, Rubidium-, Calcium-, Strontium- und Bariumhydroxide starke Basen sind. Eine Liste gängiger Säuren und Basen finden Sie unter dem Link im Abschnitt Ressourcen.
Bestimmen Sie, ob das Produkt der Titrationsreaktion ein neutrales Salz oder ein basisches/saures Salz ist. Wenn eine starke Base und eine starke Säure reagieren, ist das Produkt ein neutrales Salz (ein Salz mit pH 7); die Reaktion zwischen Salzsäure und Natriumhydroxid liefert beispielsweise Natriumchlorid, das weder basisch noch sauer ist. Eine starke Säure, die mit einer schwachen Base reagiert, erzeugt jedoch ein saures Salz, während eine starke Base, die mit einer schwachen Säure reagiert, ein basisches Salz erzeugt. Titrationen werden selten mit einer Kombination aus einer schwachen Säure und einer schwachen Base durchgeführt, da es für diese Art der Titration schwieriger wäre, den Äquivalenzpunkt zu finden.
Schreiben Sie auf, was Sie wissen und finden Sie heraus, was das Problem erfordert. Normalerweise gibt Ihnen eine solche Hausaufgabe oder Testaufgabe die Identität von Titriermittel und Analyt, das Volumen des Analyten und die Konzentration des Titriermittels. Das Problem gibt Ihnen möglicherweise die Menge an Titriermittel, die zum Erreichen der Äquivalenz (der Punkt, an dem alle gelösten Stoffe neutralisiert wurden) erforderlich ist, und fordert Sie auf, den pH-Wert bei. zu finden Äquivalenz und die Konzentration der ursprünglichen Lösung, oder es könnte Ihnen die Konzentration sowohl des Titriermittels als auch des gelösten Stoffes geben und Sie dann bitten, den pH-Wert in jeder Stufe von zu ermitteln die Reaktion. Jede Art von Problem erfordert eine andere Strategie.
Schreiben Sie die ausgewogene chemische Reaktionsgleichung für die Reaktion zwischen Säure und Base auf (diese wird Ihnen normalerweise auch in der Aufgabe gegeben). Bestimmen Sie das Verhältnis der Reaktanten mithilfe der chemischen Gleichung, d. h. wie viele Moleküle einer Chemikalie benötigt werden, um mit einem Molekül der anderen zu reagieren.
Verwenden Sie die Daten, die Sie erhalten haben, um den pH-Wert bei jedem Schritt der Reaktion zu berechnen, wenn das Problem Sie dazu auffordert (wenn nicht, überspringen Sie diesen Schritt und fahren Sie mit Schritt 6 fort). Je nach Identität von Analyt und Titriermittel gibt es vier Möglichkeiten.
1) Wenn der Analyt eine starke Säure und das Titriermittel eine starke Base ist, ist der pH-Wert nur der negative Logarithmus der Analytkonzentration. Um die Analytkonzentration zu ermitteln, subtrahieren Sie die bis zu diesem Zeitpunkt zugegebene Molzahl an Titriermittel und dividieren dann durch das Gesamtvolumen (Anfangsvolumen des Analyten + Volumen des zugegebenen Titriermittels).
2) Wenn der Analyt eine starke Base und das Titriermittel eine starke Säure ist, folgen Sie den gleichen Schritten wie in (1), außer dass der negative Logarithmus der Analytkonzentration den pOH anstelle von angibt pH-Wert. Um pOH in pH umzuwandeln, subtrahiere ihn von 14.
3) Wenn der Analyt eine schwache Säure und das Titriermittel eine starke Base ist, verwenden Sie die Henderson-Hasselbalch-Gleichung, pH = pKa + log ( [Konzentration der konjugierten Base] / verbleibende Konzentration der schwachen Säure). Die Menge an konjugierter Base entspricht der Menge an Titriermittel, die Sie bisher hinzugefügt haben; dividiere es durch das Gesamtvolumen, um die Konzentration zu finden. Die pKa-Werte für viele schwache Säuren sind in der im Abschnitt Ressourcen verlinkten Tabelle aufgeführt.
4) Wenn der Analyt eine schwache Base und das Titriermittel eine starke Säure ist, verwenden Sie die andere Form des Henderson-Hasselbalch-Gleichung, pOH = pKb + log ( [konjugierte Säurekonzentration] / verbleibende schwache Base Konzentration). Konvertieren Sie dann von pOH in pH, indem Sie von 14 subtrahieren.
Finden Sie den pH-Wert bei Äquivalenz, wenn das Problem Sie dazu auffordert. Für eine starke Säure gepaart mit einer starken Base beträgt der pH-Wert bei Äquivalenz 7. Für ein stark saures Titriermittel und einen schwach basischen Analyten nehmen Sie die Molzahl der ursprünglich vorhandenen schwachen Base und dividieren Sie durch das neue Gesamtvolumen (ursprüngliches Volumen des Analyten + Volumen des hinzugefügten Titriermittels, um die Äquivalenz zu erreichen), um die Konzentration zu ermitteln, und nehmen Sie dann den negativen Logarithmus davon Konzentration. Das Verfahren für ein stark basisches Titriermittel mit einem schwach sauren Analyten ist das gleiche, außer dass nach der Einnahme Beim negativen Log haben Sie eher den pH-Wert als den pH-Wert, also müssen Sie ihn in den pH-Wert umwandeln, indem Sie ihn von subtrahieren 14.
Finden Sie die ursprüngliche Konzentration des Analyten, wenn das Problem Sie dazu auffordert. Das Volumen des zugesetzten Titriermittels, um die Äquivalenz zu erreichen, multipliziert mit der Molarität oder Konzentration des Titriermittels, ergibt die Anzahl der zugegebenen Mole des Titriermittels. Die Anzahl der zugegebenen Mole an Titriermittel, multipliziert mit dem Verhältnis zwischen den Reaktanten, die Sie in Schritt 4 gefunden haben, entspricht der Anzahl der ursprünglich vorhandenen Mole des Analyten. Teilen Sie die Molzahl des Analyten durch das ursprüngliche Analytvolumen, um die Analytkonzentration zu ermitteln.
Tipps
Dieses Verfahren geht von einem 1-zu-1-Verhältnis zwischen Säure und Base in der Neutralisationsreaktion aus – was normalerweise die Art von Problem ist, die Sie in einem allgemeinen Chemiequiz sehen.
Warnungen
Berücksichtigen Sie beim Finden von Konzentrationen bei oder vor der Äquivalenz das Volumen des zugegebenen Titriermittels.