Chemie · Verstehen und üben

Titrationskurven schwacher Säuren und Basen

Erkläre Pufferbereich, Halbäquivalenzpunkt und Äquivalenzpunkt mit den reagierenden Teilchen – und lies pKₛ aus der Kurve ab.

½ V(ÄP) → pH ≈ pKₛ

Kurven lesen · Teilchen erklären · pH berechnen

Beim Titrieren entsteht der konjugierte Partner

Eine schwache Säure wie Ethansäure gibt in Wasser nur einen Teil ihrer Protonen ab. Zugegebene Hydroxid-Ionen reagieren dennoch weitgehend mit ihr: Aus der Säure entsteht ihre konjugierte Base, das Acetat-Ion.

CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O

Solange beide Partner in ausreichender Menge vorliegen, bildet sich ein Puffer. Am Äquivalenzpunkt ist die Säure stöchiometrisch umgesetzt; das entstandene Acetat reagiert selbst mit Wasser. Deshalb ist die Lösung dort basisch.

Vorwissen: Titration, pKₛ-Wert und Pufferlösungen.

Vier Bereiche – vier chemische Situationen

Start

Die schwache Säure allein bestimmt den pH. Ihre Anfangskonzentration darf nicht einfach mit c(H₃O⁺) gleichgesetzt werden.

Vor dem Äquivalenzpunkt

Die Zugabe erzeugt immer mehr konjugierte Base. Im Pufferbereich bestimmt vor allem das Verhältnis Base : Säure den pH.

Am Äquivalenzpunkt

Die gebildete konjugierte Base nimmt Protonen von Wasser auf. Es entstehen OH⁻-Ionen; pH ist hier größer als 7.

Nach dem Äquivalenzpunkt

Überschüssige starke Base bestimmt den pH näherungsweise. Ihr Überschuss wird durch das gesamte Mischungsvolumen geteilt.

Kurven-Labor: Schwache Säure oder schwache Base?

Modell: 25,0 mL Probe mit 0,100 mol/L werden mit 0,100 mol/L Maßlösung titriert. Wähle das System und untersuche die markanten Stellen.

Zugabe: 0,0 mL

Aktueller Zustand

Chemische Erklärung

CH₃COOH + OH⁻ → CH₃COO⁻ + H₂O

25 °C; pKₛ(Ethansäure) = 4,76, pKₛ(NH₄⁺) = 9,25. Konzentrationsmodell mit additiven Volumina, Stoff- und Ladungsbilanz sowie Eigenionisation des Wassers; keine Aktivitätskorrektur. Die Kurve ist stetig.

Halbäquivalenzpunkt: Hier lässt sich pKₛ ablesen

pH ≈ pKₛ + log₁₀[c(A⁻) / c(HA)]

Bei halbem Äquivalenzvolumen ist etwa die Hälfte der ursprünglichen Säure in ihre konjugierte Base überführt. Im üblichen Puffer-Näherungsmodell sind die Konzentrationen gleich. Damit wird der Logarithmus null:

Bei V = ½ V(ÄP): pH ≈ pKₛ

Für Ethansäure liegt der Punkt im Beispiel bei 12,5 mL und pH ≈ 4,76. Er ist nicht neutral. Die Näherung setzt ein geeignetes schwaches Säure-Base-Paar voraus; sie gilt nicht entsprechend für die Halbtitration einer starken Säure.

Ethansäure: drei charakteristische Punkte berechnen

1 · Start: schwache Säure

pH ≈ ½[pKₛ − log₁₀(c₀ / (mol/L))]

pH ≈ ½[4,76 − log₁₀(0,100)] = 2,88

Das ist eine Näherung für kleine Protolyse gegenüber c₀ und vernachlässigbaren Beitrag des Wassers. Das genauere Modell im Labor ergibt hier ebenfalls gerundet 2,88.

2 · Halbe Zugabe

V = 12,5 mL → pH ≈ pKₛ = 4,76

3 · Äquivalenzpunkt: Acetat ist eine schwache Base

n₀ = 0,100 mol/L × 0,0250 L = 0,00250 mol

c(A⁻) ≈0,00250 mol0,0500 L= 0,0500 mol/L

pKᵦ(A⁻) = 14,00 − 4,76 = 9,24

pOH ≈ ½[9,24 − log₁₀(0,0500)] = 5,27

pH ≈ 14,00 − 5,27 = 8,73

Für die Konzentration am Äquivalenzpunkt zählt das Gesamtvolumen von 50,0 mL. Die Lösung ist basisch, weil Acetat mit Wasser reagiert – nicht weil schon überschüssiges NaOH vorhanden wäre.

Schwache Base mit starker Säure: der umgekehrte Verlauf

NH₃ + H₃O⁺ → NH₄⁺ + H₂O

Ammoniak nimmt ein Proton auf und wird zu Ammonium. Die Kurve fällt. Vor dem Äquivalenzpunkt liegt ein NH₃/NH₄⁺-Puffer vor; am Äquivalenzpunkt reagiert NH₄⁺ als schwache Säure.

NH₄⁺ + H₂O ⇌ NH₃ + H₃O⁺

Am Halbäquivalenzpunkt gilt näherungsweise pH = pKₛ(NH₄⁺) = 9,25. Alternativ: pOH = pKᵦ(NH₃) = 4,75. Am Äquivalenzpunkt des Modells beträgt der pH etwa 5,28.

Nicht verwechseln: Bei der schwachen Base liest man am Halbäquivalenzpunkt mit dem pH den pKₛ-Wert ihrer konjugierten Säure ab.

Indikator passend zum steilen Kurvenbereich wählen

Ethansäure + NaOH

Phenolphthalein mit einem Umschlagsbereich von ungefähr pH 8,2–10 liegt im gezeigten Modell im steilen Bereich nahe dem basischen Äquivalenzpunkt.

Ammoniak + HCl

Methylrot mit einem Umschlagsbereich von ungefähr pH 4,4–6,2 passt im Modell zum sauren Äquivalenzbereich.

Entscheidend ist der Verlauf der konkreten Kurve. Bei stark verdünnten Lösungen oder sehr schwachen Säuren und Basen kann der pH-Sprung zu klein sein. Der beobachtete Endpunkt soll dem stöchiometrischen Äquivalenzpunkt möglichst nahekommen.

Selbstcheck: Pufferbereich und Äquivalenzpunkt

1 · Warum beginnt 0,100 mol/L Ethansäure nicht bei pH 1?

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Sind alle Säuremoleküle protolysiert?

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Nein. Ethansäure ist schwach; nur ein Teil gibt Protonen an Wasser ab. c(H₃O⁺) ist kleiner als c₀.

2 · Welche Teilchen bilden den Puffer während der Ethansäuretitration?

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Suche die Säure und ihren konjugierten Partner.

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CH₃COOH und CH₃COO⁻. Sie können zugesetzte Base beziehungsweise Säure abfangen.

3 · Bei 12,5 mL ist pH 4,76, bei 25,0 mL liegt der Äquivalenzpunkt. Bestimme pKₛ.

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12,5 mL ist die halbe Zugabe.

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pKₛ ≈ 4,76 nach der Halbtitrations-Näherung.

4 · Warum ist am Äquivalenzpunkt pH größer als 7?

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Welches Ion entsteht aus Ethansäure?

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Acetat reagiert als Base: CH₃COO⁻ + H₂O ⇌ CH₃COOH + OH⁻. Es braucht dazu keinen NaOH-Überschuss.

5 · 30,0 mL NaOH wurden im Modell zugegeben. Berechne den pH näherungsweise.

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Überschuss: 0,00050 mol OH⁻; Gesamtvolumen: 0,0550 L.

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c(OH⁻) ≈ 0,00909 mol/L; pOH ≈ 2,04; pH ≈ 11,96.

6 · Welchen pK-Wert liefert der pH am Halbäquivalenzpunkt der Ammoniaktitration?

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Der pH gehört zum Säurepartner.

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pKₛ(NH₄⁺) ≈ 9,25. pKᵦ(NH₃) ≈ 14 − 9,25 = 4,75.

7 · Passt ein Farbumschlag bei pH 7 automatisch zu jeder Titration?

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Vergleiche die beiden Äquivalenzpunkte.

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Nein. Die Äquivalenzpunkte liegen hier bei etwa 8,73 beziehungsweise 5,28. Der Umschlagsbereich muss zum steilen Kurvenabschnitt passen.

8 · 20,0 mL einer einprotonigen Säure benötigen 15,0 mL NaOH mit 0,100 mol/L. Bestimme c₀.

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Nutze das Verhältnis 1 : 1 und das ursprüngliche Probenvolumen.

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n = 0,00150 mol; c₀ = 0,00150/0,0200 = 0,0750 mol/L. Die Säurestärke verändert das stöchiometrische Verhältnis nicht.

Kurzer Begriffscheck

Am Halbäquivalenzpunkt einer geeigneten schwachen Säure gilt näherungsweise …

Wähle eine Antwort.

Für den Unterricht: Die Kurve mit Teilchen erklären

Einstieg: Vorhersagen, ob der Äquivalenzpunkt über oder unter pH 7 liegt.
Partnerarbeit: Start, Halbäquivalenzpunkt und Äquivalenzpunkt begründen.
Sicherung: pKₛ ablesen, einen Indikator auswählen und die Volumina in der Rechnung unterscheiden.