Säure- und Basenkonzentrationen

Eine Arrhenius-Säure ist eine Substanz, die Wasserstoffionen produziert, wenn sie sich in Wasser auflöst, während eine Base Hydroxidionen produziert. Wasserstoffionen reagieren sofort mit Wasser zu Hydroniumionen, aber der Einfachheit halber betrachten wir sie weiterhin als Wasserstoffionen. Abhängig von der Menge an Wasserstoffionen oder Hydroxidionen in der Lösung wird sie als sauer oder basisch angesehen.

Wir messen die Menge an Säure oder Basizität anhand des pH-Werts, der als negativer Logarithmus der Konzentration von Wasserstoffionen berechnet wird. pH-Werte unter 7 sind also sauer und pH-Werte über 7 basisch. pH 7 ist neutral.

Säuren und Basen werden auch anhand ihrer Stärke verglichen, die sich von ihrem pH-Wert unterscheidet. Die Stärke einer Säure hängt davon ab, wie leicht sich das Wasserstoffion vom Anion dissoziiert, das als konjugierte Base bezeichnet wird. Dieselbe Idee folgt für eine Base in Bezug auf das Hydroxidion und seine konjugierte Säure. Wir können dieser Stärke einen Wert zuweisen, indem wir die Säuredissoziationskonstante oder K_a verwenden.

K_a wird anhand der Konzentrationen der nicht dissoziierten Säure und der dissoziierten Wasserstoffionen und der konjugierten Base definiert. Möglicherweise wird diese Beziehung häufig als pK_a dargestellt, was einfach der negative Logarithmus von K_a ist. Je kleiner das pK_a, desto stärker die Säure.

Einige Säuren, wie z. B. Salzsäure, sind monoprotisch, was bedeutet, dass sie nur ein Wasserstoffion dissoziieren können. Polyprotische Säuren können, wie Phosphorsäure, mehrere Wasserstoffionen dissoziieren. Jede Dissoziation hat ihr eigenes pK_a.

Wie können wir also pK_a bestimmen? Eine Möglichkeit besteht darin, eine Säure-Basen-Titration durchzuführen. Die Titration wird durchgeführt, indem eine Lösung bekannter Konzentration langsam zu einer Lösung unbekannter Konzentration hinzugefügt wird, während die Reaktion zwischen ihnen beobachtet wird. In diesem Fall reagiert die Säure mit der Base in einer Neutralisationsreaktion zu einem Salz und Wasser.

Wenn wir also die Konzentration von Wasserstoffionen in einer Säure messen wollen, können wir einfach mit einer starken Base mit einer bekannten Hydroxidionenkonzentration titrieren, bis die Säure neutralisiert ist. Um eine Titration genau durchzuführen, muss die Base standardisiert sein, was bedeutet, dass Sie die genaue Hydroxidionenkonzentration kennen. Das ist nicht immer einfach.

Zum Beispiel ist NaOH, das Sie in Ihrem Experiment verwenden werden, sehr hygroskopisch, was bedeutet, dass es Wasser aus der Atmosphäre aufnimmt. Dies geschieht mit NaOH sowohl als Feststoff als auch in Lösung. Die tatsächliche Konzentration einer NaOH-Lösung kann also niedriger sein, als Sie erwarten würden.

Um die genaue Konzentration von NaOH zu bestimmen, müssen wir zunächst eine Säure-Base-Titration durchführen. Dazu müssen Sie die Base verwenden, um eine Säure mit einer bekannten Konzentration zu titrieren. Kaliumhydrogenphthalat, KHP, ist eine nicht-hygroskopische Säure, so dass wir ihre Konzentration anhand ihrer Masse genau berechnen können.

Wir können sehen, wann die Titration abgeschlossen ist – was bedeutet, dass die Säure neutralisiert ist – indem wir einen pH-Indikator wie Phenolphthalein verwenden. Phenolphthalein ist zwischen etwa pH 0 und pH 8 neutral und farblos.

Mit steigendem pH-Wert dissoziieren zwei Wasserstoffionen. Diese anionische Form ist rosa. Wenn wir also mit der Titration beginnen, ist die KHP-Lösung sauer und das Phenolphthalein farblos. Wenn wir NaOH hinzufügen und die Wasserstoffionen neutralisiert werden, steigt der pH-Wert.

Bei dieser Reaktion ist die Lösung neutral, wenn gleiche Mengen an Säure und Base miteinander vermischt wurden. Danach wird durch die Zugabe von etwas mehr NaOH der pH-Wert basisch und die Lösung färbt sich rosa. Dies wird als Endpunkt bezeichnet. Wenn wir die Mole von KHP und das Volumen von NaOH kennen, das zur Neutralisierung verwendet wird, können wir die genaue Konzentration der Base berechnen.

Sobald wir eine standardisierte Base haben, können wir den pK_a einer Säure bestimmen, indem wir eine bekannte Konzentration der Säure mit unserer standardisierten Base titrieren und dabei den pH-Wert überwachen. Die Darstellung des pH-Werts im Vergleich zum Volumen der zugesetzten Base wird als Titrationskurve bezeichnet. Die Kurve folgt in der Regel einer S- oder Sigmoidalform, wobei der Wendepunkt des steilsten Teils der Kurve einen Äquivalenzpunkt bezeichnet.

Hier sind die Mole von Hydroxid-Ionen und dissoziierten Wasserstoff-Ionen gleich. Wie bei pK_a sehen wir einen Äquivalenzpunkt für jedes dissoziierte Wasserstoffion. Eine monoprotische Säure hat also nur einen Äquivalenzpunkt und eine triprotische Säure drei.

Wenn wir die Titration durchführen, wissen wir, dass wir den Äquivalenzpunkt überschritten haben, an dem der pH-Indikator gerade noch von farblos zu rosa wechselt. Dies wird als Titrationsendpunkt bezeichnet. Ähnlich wie bei der Standardisierung der Basis ist dies der Fall, wenn die Lösung einen geringen Überschuss an Hydroxidionen aufweist und somit leicht basisch ist.

Ein weiterer Wendepunkt im Diagramm befindet sich auf halbem Weg zum Äquivalenzpunkt. Dabei sind die Konzentrationen der dissoziierten und der nicht dissoziierten Säuren gleich. Somit ist der pH-Wert an dieser Stelle gleich dem pK_a. Wenn wir also eine Titration durchführen und das Äquivalenzpunktvolumen bestimmen, dann können wir pK_a als pH-Wert bei der Hälfte dieses Volumens berechnen.

In diesem Labor standardisieren Sie zunächst Ihre Base und führen dann eine Titration mit dieser standardisierten Base durch, um zwei pK_a einer polyprotischen Säure zu bestimmen.