16.9: Titration einer polyprotonen Säure

Eine polyprotische Säure enthält mehr als einen ionisierbaren Wasserstoff und durchläuft einen schrittweisen Ionisierungsprozess. Wenn sich die Säuredissoziationskonstanten der ionisierbaren Protonen ausreichend voneinander unterscheiden, erzeugt die Titrationskurve für eine solche polyprotische Säure einen eindeutigen Äquivalenzpunkt für jedes ihrer ionisierbaren Wasserstoffatome. Daher führt die Titration einer zweiprotonigen Säure zur Bildung von zwei Äquivalenzpunkten, wohingegen die Titration einer dreiprotonigen Säure zur Bildung von drei Äquivalenzpunkten auf der Titrationskurve führt.

Kohlensäure, H₂CO₃, ist ein Beispiel für eine schwache diprotische Säure. Bei der ersten Ionisierung von Kohlensäure entstehen in geringen Mengen Hydroniumionen und Bicarbonationen.

Erste Ionisierung:

Das Bicarbonat-Ion kann auch als Säure wirken. Es ionisiert und bildet Hydroniumionen und Carbonationen in noch geringeren Mengen.

Zweite Ionisierung:

Der K_a1 ist um den Faktor 10⁴ größer als der K_a2. Wenn H₂CO₃ daher mit einer starken Base wie NaOH titriert wird, entstehen zwei unterschiedliche Äquivalenzpunkte für jeden ionisierbaren Wasserstoff.

Phosphorsäure, eine triprotische Säure, ionisiert in drei Schritten:

Erste Ionisierung:

Zweite Ionisierung:

Dritte Ionisierung:

Wenn H₃PO₄ mit einer starken Base wie KOH titriert wird, entstehen für jeden ionisierbaren Wasserstoff drei Äquivalenzpunkte. Da HPO₄²⁻ jedoch eine sehr schwache Säure ist, ist der dritte Äquivalenzpunkt auf der Titrationskurve nicht leicht zu erkennen.

Dieser Text wurde angepasst von Openstax, Chemistry 2e, Section 14.5: Polyprotic Acids.

Eine polyprotische Säure enthält mehrere ionisierbare Protonen, die jeweils in einem bestimmten Schritt dissoziieren. Der Verlust jedes Protons hat ein anderes K_a, und jede nachfolgende Säuredissoziationskonstante ist schwächer als die vorherige.

Zum Beispiel hat eine schwefelhaltige Säure zwei ionisierbare Protonen. K_a1 für die Dissoziation des ersten Protons beträgt 1,6 × 10⁻², während K_a2 für die Dissoziation des zweiten Protons 6,4 × 10⁻⁸ beträgt.

Wird schweflige Säure mit einer starken Base, wie z. B. Natriumhydroxid, titriert, wird zunächst das erste ionisierbare Proton entfernt, wobei Schwefelwasserstoff-Ionen entstehen. Dieser Teil der Titrationskurve ähnelt dem einer schwachen monoprotischen Säure und einer starken Base. Es hat einen Äquivalenzpunkt, und der pH-Wert der Lösung am halben Äquivalenzpunkt ist gleich pK_a1.

Wenn mehr Base hinzugefügt wird, neutralisiert es das zweite ionisierbare Proton. Da die Konzentration des Schwefelwasserstoff-Ions der ursprünglichen schwefelhaltigen Säure entspricht, wird die gleiche Menge an Base benötigt, um sie zu neutralisieren. Daher sind zwei Mol einer Base notwendig, um ein Mol einer Diprotinsäure vollständig zu neutralisieren.

Die Titrationskurve für den zweiten Neutralisationsschritt weist ebenfalls einen zweiten halben Äquivalenzpunkt auf, bei dem der pH-Wert der Lösung pK_a2 entspricht, und einen zweiten Äquivalenzpunkt, der im basischen Bereich liegt.

In ähnlicher Weise weist die Kurve für die Titration von triprotischer Phosphorsäure mit einer starken Base drei Äquivalenzpunkte auf.

Daher ist während der Titration einer schwachen polyprotischen Säure die Anzahl der in der Titrationskurve erzeugten Äquivalenzpunkte gleich der Anzahl der vorhandenen ionisierbaren Protonen, solange die Differenz zwischen den K_a-Werten der ionisierbaren Protonen mehr als das Zehntausendfache beträgt.