Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 05.07.16


Konduktometrie

Vortrag von Eva Fiedler im Rahmen der Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Anorganische Chemie", SS 2008, überarbeitet von Fabian Scheller SS 2014.


Gliederung:


Einstieg: Aus dem AC I Grundpraktikum ist noch bekannt, dass die genaue Bestimmung des Äquivalenzpunktes nicht immer einfach ist. Das lag daran, dass gerade in der Nähe des Äquivalenzpunktes die Titrationskurve eine sehr hohe Steigung aufweist. Abbildung 1 dient hier als Beispiel eines Kurvenverlaufs aus der potentiometrischen Titration. Viel eleganter wäre es doch, wenn die Kurve einen ähnlichen Verlauf hätte wie in Abbildung 2.

Abb. 1: Kurvenverlauf eine potentiometrischen Titration (starke Säure + starke Base)

Abb. 2: Kurvenverlauf eine konduktometrischen Titration (starke Säure + starke Base)


1 Prinzip der Konduktometrie

Bei der Titration oder Volumetrie wird zu einem Stoff unbekannter Konzentration ein Stoff bekannter Konzentration (Maßlösung oder Titrant) gegeben, bis die Äquivalentstoffmengen erreicht sind, dann spricht man vom Äquivalenzpunkt. Dieser kann chemisch (Farbumschläge, Niederschläge) oder physikalisch bestimmt werden. Die Konduktometrie zählt zu den physikalischen Methoden.

 Beispiel: Wie kann man mit der Methode der Konduktometrie den Äquivalenzpunkt einer Titration bestimmen? Das soll am Beispiel einer Titration von Chlorwasserstoff (Salzsäure) mit Natronlauge in wässriger Lösung gezeigt werden.

Einige von euch kennen bereits den Versuch zur Leitfähigkeitstitration aus PC. Unser Ergebnis zeigt die Abb. 3.

Titrationskurve
Abb. 3: Titrationskurve von Salzsäure mit Natriumhydroxid

Auf der x-Achse wird das Volumen der zugegebenen Base (NaOH) in ml aufgetragen. Auf der y-Achse die Leitfähigkeit in 1/Ω*m oder S/m. Ausgangsstoff ist die Säure. Sie besitzt zu Beginn eine bestimmte Leitfähigkeit (zwischen 5 und 6). Die Leitfähigkeit nimmt bei Zugabe von Natriumhydroxid immer weiter ab und steigt dann wieder an. Wieso ist dies so?

Dies basiert auf der Tatsache, dass wässrige Elektrolytlösungen elektrischen Strom leiten. Diese Leitfähigkeit beruht auf der elektrolytischen Dissoziation der Säuren, Basen und Salze, also darauf, dass diese Stoffe in wässriger Lösung in elektrisch geladene Teilchen (Ionen) zerfallen. Im elektrischen Feld wandern diese Ionen nun (Anionen zur Anode, Kationen zur Kathode). Die Leitfähigkeit einer Elektrolytlösung wird bestimmt durch:

  1. durch die Konzentration der Lösung,

  2. durch die Ionenladungszahl,

  3. und durch die Wanderungsgeschwindigkeit der Ionen.

Bei der Konduktometrie oder der Leitfähigkeitsmessung beobachtet man die Änderung der Leitfähigkeit, die durch Zusetzen der Maßlösung hervorgerufen wird. Die erhaltenen Werte der Leitfähigkeit werden in Abhängigkeit von der zugesetzten Menge der Maßlösung aufgetragen. Zu Beginn leiten H+ (Wasserstoff-Kationen) und Cl- (Chlorid-Anionen) den Strom. Durch Zugabe von Natriumhydroxid treten die Hydroxidionen der Lauge mit dem Wasserstoff der Säure zu dissoziertem Wasser zusammen. Die Natriumionen treten mehr und mehr an Stelle der Wasserstoffionen. Da nun Natriumionen eine geringere Äquivalentleitfähigkeit haben als Wasserstoffionen (siehe Abb. 4) nimmt die Leitfähigkeit mehr und mehr ab.

Kation Äquivalentleitfähigkeit Anion Äquivalentleitfähigkeit
H+ 349,6 OH- 197
Li+ 38,7 F- 55
Na+ 50,1 Cl- 76,4
...   ...  

Abb. 4: Ionenäquivalentleitfähigkeiten in Wasser bei 25 °C [1]

Dazu ist wichtig zu sagen, dass das Proton und das Hydroxidanion eine besonders hohe Leitfähigkeit haben, da sie in Wasser über Wasserstoffbrücken transportiert werden, d.h. sie brauchen nicht den vollen Weg zurückzulegen, sondern sich nur an eine Seite eines Wassermoleküle anlagern, während auf der anderen Seite ein anderes Proton oder Hydroxidanion abdissoziiert. 


Abb. 5: Wasserstoffbrückenbindungen in wässriger Lösung [nach 2]. Transport einer positiven Ladung Richtung Kathode.

Am Äquivalenzpunkt sind alle Wasserstoffionen durch Natriumionen ersetzt worden. Gibt man nach dem Äquivalenzpunkt weiter Natronlauge zu, steigt die Gesamtleitfähigkeit wieder an. Da zusätzlich zu Na+ und Cl- nun auch noch OH- den Strom leiten. Wichtig: konstante Temperatur!!!

Den Äquivalenzpunkt findet man durch Extrapolation (niedrigster Leitfähigkeitswert). Das heißt durch Verbinden der beiden Geraden. Der Äquivalenzpunkt wird somit nicht gemessen, sondern graphisch ermittelt.

Grundsätzlich sind noch folgende Punkte zu ergänzen: Die Gesamtleitfähigkeit setzt sich additiv aus den Leitfähigkeiten der einzelnen Ionen zusammen. Wenn eine hohe Fremdionen-Konzentration vorliegt, ist die Leitfähigkeitsänderung während der Titration zu gering. Dann ist die Konduktometrie ungeeignet. Die Konduktometrie ist eine preiswerte und leicht durchzuführende Methode, um den Äquivalenzpunkt zu bestimmen und wird deshalb in der Industrie verwendet.


2 Verfahren

Man misst in einer Leitfähigkeitszelle, d.h. ein Gefäß mit Platinelektroden und Rührvorrichtung. Der Widerstand R (Leitfähigkeit ist der reziproke Wert des Widerstandes) (R = U / I) wird gemessen und daraus die Leitfähigkeit bestimmt. Heute verwendet man ausschließlich elektronische Messgeräte (Konduktometer). Bei der Leitfähigkeitstitration wird mit Wechselstrom gearbeitet, damit keine Elektrolyse eintritt.


3 Anwendungen

  • Neutralisationsvorgänge (Säure-Base-Titrationen): Starke Säuren und Basen lassen sich auch bis zu sehr großen Verdünnungen exakt konduktometrisch bestimmen. Allerdings muss man CO2-freie Laugen und zum Verdünnen CO2-freies Wasser verwenden.
  • Fällungstitrationen: Besonders wichtig ist die konduktometrische Fällungsanalyse, da es viele analytisch wichtige Fällungsreaktionen gibt, für deren Äquivalenzpunkterkennung ein geeigneter Indikator fehlt.

Natriumbromid + Silberacetat → Silberbromid + Natriumkationen + Acetatanionen

Na+ + Br- + Ag+ + CH3COO- → AgBr↓ + Na+ + CH3COO-


4 Praktische Anwendungsbereiche

  • Kontrolle der Reinheit von Lösungen (Beispiel: demineralisiertes Wasser)
  • Kontrolle von Titrationen (als Indikator)
  • Bestimmung der Konzentration (Säurebad, Salzlösung) mit Eichkurven, Tabellen
  • Bestimmung der Gesamtheit aller Elektrolyte (Wasseranalyse, Medizin)

Zusammenfassung:

  • Bei der Konduktometrie beobachtet man die Änderung der Leitfähigkeit in Abhängigkeit der zugegebenen Maßlösung. 
  • Das Minimum der Gesamtleitfähigkeit zeigt den Äquivalenzpunkt an. Das Minimum wird durch Extrapolation bestimmt.

Abschluss: Während des Vortrags haben wir gesehen, dass im Grundpraktikum nicht unbedingt die schnellsten und einfachsten Titrationmethoden angewendet werden. Die Konduktometrie ist eine vielseitig einsetzbare Methode, weshalb sie irgendwann im Studium Erwähnung finden sollte. Durch diesen Vortrag solltet ihr einen recht guten Einblick in die Theorie und Praxis dieser Methode bekommen haben.


Literatur

  1. Jander, G., Jahr, K. (fortgeführt von Schulze, G., Simon, J.): Maßanalyse. Theorie und Praxis der Titrationen mit chemischen und physikalischen Indikatoren, 16. Aufl., Berlin/New York 2003.
  2. Jander, G., Jahr, K., Knoll, H.: Maßanalyse. Theorie und Praxis der klassischen und der elektrochemischen Titrierverfahren, 13. Aufl., Berlin/New York 1973.
  3. Kunze, Udo R., Schwedt, G.: Grundlagen der qualitativen und quantitativen Analyse, 5. Aufl., Weinheim 2002.
  4. http://www.chemie.de/lexikon/d/Konduktometrie (05.07.2016).

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