Neutralisation, Äquivalenzpunkt und Titration

Neutralisationsreaktionen

Neutralisationsreaktionen sind Protolysen: Es erfolgt eine Übertragung eines Protons von der Säure zur Base. Bei der Umsetzung einer Säure mit einer Base hebt die Base die Wirkung der Säure bzw. die Säure der Base auf. Dabei entsteht Wasser.

Neutralisationsreaktionen sind exotherm, weil verdünnte starke Säuren mit der Lösung einer Base stets unter starkem Energiegewinn ablaufen. Die bei der Protonenübertragung von H₃O⁺- und OH^--Ionen freigesetzte Wärme ist die Neutralisationsenthalpie:

H₃O⁺ + OH^- → 2 H₂O

Beispiel

Salzsäure und Natronlauge setzt man in äquivalenten Stoffmengen ein. Es entsteht eine neutrale Lösung mit pH 7:

Na⁺ + OH^- (Hydroxidion) + H₃O⁺ (Oxoniumion) + Cl^- → Na⁺ + Cl^- + 2 H₂O

An der Neutralisation einer Säure und einer Base sind nur die H₃O⁺- und OH^--Ionen beteiligt; die Säurerest-Anionen und Base-Kationen bleiben zurück. Die deprotonierte Säure ist das Säurerest-Anion, die protonierte Base ist das Metall-Kation:

Ba²⁺ + 2 OH^- + 2 H⁺ + SO₄^2- (Schwefelsäure) → BaSO₄ + 2 H₂O

K⁺ + NO₃^- (Kaliumnitrat) und Ca²⁺ + 2 OH^- (Calciumlauge) …

Äquivalenzpunkt pH 7:

Der Punkt, an dem die Stoffmenge an zugegebener Maßlösung exakt der Stoffmenge an unbekannter Säure bzw. Base entspricht.

Im reinen Wasser gilt: Konzentration von H₃O⁺ = 1 × 10^-7 mol/l. K_w = c(H₃O⁺) × c(OH^-) = 1 × 10^-14 (c(OH^-) = c(H₃O⁺) = 1 × 10^-7 mol/l).

Säure-Base-Titration

Neutralisationsreaktionen lassen sich quantitativ genau verfolgen, indem pH-Diagramme, sogenannte Neutralisationskurven, bei Säure-Base-Titrationen aufgenommen werden. Es ist eine einfache Methode zur Bestimmung der Konzentration einer Säure bzw. Base. Sie beruht auf der pH-Änderung der zu untersuchenden Lösung bei schrittweiser Zugabe einer Säure bzw. Base genau bekannter Konzentration, die Maßlösung genannt wird. pH-Werte gegen das Volumen ergeben die Titrationskurve. Der Verlauf der Kurve hängt davon ab, ob man die Konzentration einer schwachen oder starken Säure bzw. Base bestimmen will.

Titration starker Säure mit starker Base

Die Konzentration an H⁺-Ionen nimmt ab und der pH-Wert steigt (Oxonium- und Hydroxidionen werden unter Bildung von Wassermolekülen protolysiert). pH = -lg c(H₃O⁺). Wenn 90 % der ursprünglichen Säure neutralisiert sind, hat sich die H₃O⁺-Konzentration auf 1/10 des ursprünglichen Werts geändert. Der Äquivalenzpunkt entspricht dem Wendepunkt: c(H₃O⁺) = c(OH^-) = 10^-7 mol·l^-1.

Säure-Base-Indikator: Schwache organische Säure, bei der das deprotonierte Säurerest-Anion eine andere Farbe aufweist als das neutrale Säuremolekül (HInd + 2 H₂O ⇌ H₃O⁺ + Ind^-).

Schwache Säure mit starker Base

Neutralpunkt = Äquivalenzpunkt; der pH-Wert liegt oberhalb von 7, da viele OH^--Ionen vorliegen.

Aufgaben

1. Es werden 15 ml einer 0,01 mol/l HCl in ein Becherglas gegeben und auf 100 ml aufgefüllt. Titration mit 0,01 mol/l NaOH: n = c × V = 0,01 × 0,015 l = 1,5 × 10^-4 mol; Äquivalenzpunkt: V = n / c = 1,5 × 10^-4 mol / 0,01 mol/l = 0,015 l = 15 ml.

2. Es werden 20 ml einer unbekannten HCl titriert. Die Maßlösung ist eine 0,1 mol/l NaOH, davon werden 12 ml verbraucht. Wie groß ist die Konzentration der HCl? c(HCl) = 0,1 mol/l × 12 ml / 20 ml = 0,06 mol/l.