Neutralisationsreaktionen und Säure-Base-Titration

Neutralisationsreaktionen

Grundlagen

Protolysen sind Reaktionen, bei denen ein Proton von einer Säure auf eine Base übertragen wird. Die Umsetzung einer Säure mit einer Base ist eine Neutralisationsreaktion. Dabei hebt die Base die Wirkung der Säure bzw. die Säure die Wirkung der Base auf. Bei der Neutralisation entstehen Wasser und ein Salz.

Neutralisationsreaktionen sind exotherm, besonders bei verdünnten Lösungen starker Säuren und Basen. Die Protonenübertragung zwischen H₃O⁺- und OH⁻-Ionen läuft stets unter starkem Energiegewinn ab. Die dabei freigesetzte Wärme ist die Neutralisationsenthalpie.

H₃O⁺ + OH⁻ → 2H₂O

Beispielreaktion

Salzsäure und Natronlauge setzen äquivalente Stoffmengen um. Es entsteht eine neutrale Lösung (pH 7).

HCl + NaOH → NaCl + H₂O

In Ionenform:

H₃O⁺ + Cl⁻ + Na⁺ + OH⁻ → Na⁺ + Cl⁻ + 2H₂O

Bei der Neutralisation einer Säure mit einer Base sind nur die H₃O⁺- und OH⁻-Ionen direkt beteiligt. Die Anionen des Säurerests und die Kationen der Base bleiben zurück und bilden das Salz.

Beispiele für Salzbildung:

• KOH + HNO₃ → KNO₃ + H₂O (Kaliumnitrat)
• Ca(OH)₂ + H₂SO₄ → CaSO₄ + 2H₂O (Calciumsulfat)

Äquivalenzpunkt

Der Äquivalenzpunkt ist der Punkt, an dem die Stoffmenge der zugegebenen Maßlösung exakt der Stoffmenge der unbekannten Säure oder Base entspricht.

Im reinen Wasser ist die Konzentration von H₃O⁺-Ionen 1x10⁻⁷ mol/l. Das Ionenprodukt des Wassers (Kw) beträgt 1x10⁻¹⁴ mol²/l².

Am Äquivalenzpunkt einer Titration einer starken Säure mit einer starken Base ist der pH-Wert 7 (Konzentration H₃O⁺ = Konzentration OH⁻).

Säure-Base-Titration

Allgemeines zur Titration

Quantitative Neutralisationsreaktionen lassen sich genau verfolgen, indem pH-Diagramme, sogenannte Neutralisationskurven, aufgenommen werden.

Die Säure-Base-Titration ist eine einfache Methode zur Bestimmung der Konzentration einer Säure oder Base. Sie beruht auf der pH-Änderung der zu untersuchenden Lösung bei schrittweiser Zugabe einer Maßlösung (Säure oder Base bekannter, genauer Konzentration).

Der Verlauf der Titrationskurve (pH-Wert gegen zugegebenes Volumen der Maßlösung) hängt davon ab, ob eine starke oder schwache Säure/Base titriert wird.

Titration starker Säuren/Basen

pH-Berechnung und Äquivalenzpunkt

Bei der Titration einer starken Säure mit einer starken Base nimmt die Konzentration der H₃O⁺-Ionen ab und der pH-Wert steigt.

Der pH-Wert berechnet sich als:

pH = -log₁₀ c(H₃O⁺)

Wenn 90% der ursprünglichen Säure neutralisiert sind, hat sich die H₃O⁺-Konzentration auf 1/10 des ursprünglichen Werts geändert.

Der Äquivalenzpunkt (ÄP) ist der Wendepunkt der Titrationskurve. Am ÄP gilt:

c(H₃O⁺) = c(OH⁻) = 10⁻⁷ mol/l

Säure-Base-Indikatoren

Ein Säure-Base-Indikator ist eine schwache organische Säure, bei der das deprotonierte Säurerestanion eine andere Farbe aufweist als das neutrale Säuremolekül.

HInd + H₂O ⇌ H₃O⁺ + Ind⁻

Bei der Titration einer starken Säure mit einer starken Base liegt der Äquivalenzpunkt bei pH 7.

Beispielaufgaben

Aufgabe 1

15 ml einer 0,01 mol/l HCl-Lösung werden mit 0,01 mol/l NaOH titriert. Welches Volumen NaOH wird bis zum Äquivalenzpunkt benötigt?

Lösung:

Am Äquivalenzpunkt gilt n(HCl) = n(NaOH).

n(HCl) = c * V = 0,01 mol/l * 0,015 l = 1,5 x 10⁻⁴ mol.

V(NaOH) = n(NaOH) / c(NaOH) = 1,5 x 10⁻⁴ mol / 0,01 mol/l = 0,015 l = 15 ml.

Aufgabe 2

20 ml einer unbekannten HCl-Lösung werden mit 0,1 mol/l NaOH titriert. Bis zum Äquivalenzpunkt werden 12 ml NaOH verbraucht. Wie groß ist die Konzentration der HCl-Lösung?

Lösung:

Am Äquivalenzpunkt gilt n(HCl) = n(NaOH).

n(NaOH) = c * V = 0,1 mol/l * 0,012 l = 1,2 x 10⁻³ mol.

c(HCl) = n(HCl) / V(HCl) = 1,2 x 10⁻³ mol / 0,020 l = 0,06 mol/l.