Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 13.04.16


Potentiometrische Titration

Vortrag von Christoph Trescher im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Anorganische Chemie, WS 09/10


Gliederung:

1 Messverfahren
    
1.1 Aufbau einer Glaselektrode
     1.2 Nernst'sche Gleichung

2 Praktische Anwendung

3 Auswertung

4 Literatur



Abb. 1: Weintester bei der Arbeit [4]

Weinkenner teilen den Wein ihrer Wahl in trockene und liebliche Sorten ein. Diese Kategorisierung ist unter anderem abhängig vom Säuregehalt des jeweiligen Weins. Zur Bestimmung dieser bedienen sich Chemiker in den meisten Fällen der Titration. Allerdings wird diese – gerade im Fall von Rotwein – durch die intensive Färbung des Weins erschwert, da Farbindikatoren somit nicht eingesetzt werden können. Auch in anderen Lösungen mit intensiver Färbung oder Trübung durch Niederschlag ist eine Bestimmung der Konzentration der enthaltenen Ionen mithilfe von Indikatoren in einer Titration nicht möglich. Die Möglichkeiten der Messung des elektrischen Potentials zwischen zwei Halbzellen erlauben allerdings die Anwendung potentiometrischer Titrationen bei Säure-/Base-Titrationen, Redoxtitrationen, Komplexometrischen Titrationen und Fällungstitrationen, um so auf den Gehalt einzelner Ionen schließen zu können.


1 Messverfahren

Die potentiometrische Titration von Säuren/Basen bedient sich der Messung des plötzlichen Sprungs des chemischen Potentials zweier Halbzellen einer galvanischen Zelle am Äquivalenzpunkt der Titration zu dessen Bestimmung. Dazu wird während der gesamten Titration der pH-Wert der untersuchten Lösung erfasst. Im Allgemeinen wird dazu eine Glaselektrode verwendet.

2.1 Aufbau und Funktionsweise einer Glaselektrode

In der Glaselektrode sind beide Halbzellen eines galvanischen Elements enthalten. Nach Eintauchen der Glaselektrode in die untersuchte Lösung besteht durch das Diaphragma ein elektrischer Kontakt der gesättigten KCl-/AgCl-Lösung zur Probelösung. Die Protonen der Probelösung, die sich in die aufquellende Glasmembran einlagern, drängen die enthaltenen Natrium-Ionen in Richtung der Innenseite der Membran zurück. Es kommt zu einem messbaren Potentialgefälle zwischen den beiden Halbzellen der Glaselektrode. An der Glasmembran stellt sich ein Gleichgewicht ein, das von der Konzentration der Protonen der Probelösung abhängt.


Abb. 2: Aufbau einer pH-Messkette

2.2 Nernst'sche Gleichung

Aus der Umformung der Nernstschen Gleichung ergibt sich die Abhängigkeit des gemessenen Potenzials vom pH-Wert der Probelösung. Da der pHinnen aufgrund einer Pufferlösung konstant bleibt und E0 durch die beiden Halbzellen in der pH-Elektrode vorgegeben ist, bleibt pHProbelösung als einzige Variable und bestimmt somit die Größe der gemessenen Potenzialdifferenz:

E = E0 + 0,059 * (pHinnen – pHProbelösung)


3 Praktische Anwendung

Unter gleichmäßiger Tropfgeschwindigkeit wird Natronlauge (cNaOH = 1 mol/l) in 100ml Rotwein titriert. Gleichzeitig erfasst der Computer über die Chembox die pH-Messwerte der Glaselektrode und überträgt diese in eine Titrationskurve. Es soll der Gehalt an Weinsäure C2H6O6 gemessen werden.

Abb. 3: Weinsäure

Experiment Potentiometrische Titration von Weinsäure
Material
  • Chembox
  • Computer
  • pH-Messkette
  • Gleichlaufbürette
  • Stativ
  • Stativring
  • 2 Muffen, 2 Klammern
  • Magnetrührer, Stäbchen
  • Becherglas, 150 ml
Chemikalien
  • NaOH c=1mol/L, ca. 10-15 ml
  • Rotwein, 100 ml
Durchführung Die pH-Messkette an der Chembox vor dem Versuch kalibrieren. Ebenso die Gleichlaufbürette.
Über die Gleichlaufbürette langsam NaOH zum Rotwein titrieren, dabei kontinuierlich den pH-Wert der Lösung mithilfe der pH-Messkette und der Chembox auf dem Computer aufzeichnen lassen. Die Messkette muss dabei bis zum Diaphragma in die Lösung eintauchen.
Beobachtung Während der Titration kann das Entstehen der Titrationskurve auf dem Monitor der Computers mitverfolgt werden. Eine schwache Säure wie die Weinsäure zeigt dabei eine nur schwache Steigung. Ist der zweite Scheitel der Titrationskurve deutlich überschritten, kann die Titration beendet werden.


Abb. 4: Titrationskurve mit Auswertung nach der Tangentenmethode


3 Auswertung

Um den Wendepunkt der Titrationskurve (Äquivalenzpunkt der Titration) zu ermitteln, werden in der Tangentenmethode zwei parallele Tangenten an die Scheitel der Titrationskurve gelegt und eine Mittelparallele gezogen. Im Schnittpunkt dieser Mittelparallele mit der Kurve liegt der Äquivalenzpunkt.

Aus dem ermittelten Verbrauch von Natronlauge (hier: 9,45 ml) lässt sich anschließend die Konzentration der im Wein enthaltenen Säure berechnen:

cWeinsäure * VWeinsäure * zWeinsäure = cNaOH * VNaOH * zNaOH

cWeinsäure = (1 mol/l * 9,45 ml * 1)/(100 ml * 2) = 0,472 mol/l

damit ergibt sich ein Säuregehalt (mit MWeinsäure = 150 g/mol) von:

β = cWeinsäure * MWeinsäure = 0,042 mol/l * 150 g/mol = 7,08 g/l

Dieser deckt sich mit Literaturwerten von Wein, der zwischen 5 und 7 g/l liegt. Der relativ hohe Gehalt an Weinsäure ist durch die Verwendung eines „trockenen“ Weins und die fehlende Berücksichtigung anderer Säuren im Wein wie der Äpfelsäure, o.ä. zu erklären.


Zusammenfassung

Die potentiometrische Titration ermöglicht auch eine Durchführung von Titrationen, wenn durch eine starke Färbung oder Trübung der Probelösung die Anwendung von Indikatoren verhindert wird. Dabei dient die Messung der Potentialdifferenz zweier Halbzellen einer Glaselektrode zur Bestimmung des pH-Werts der Probelösung. Diese Potentialdifferenz wird beeinflusst von der Konzentration der Protonen in der Probelösung. Aus der so erhaltenen Titrationskurve kann der Äquivalenzpunkt der Titration abgelesen und so die Berechnung der zu bestimmenden Ionenkonzentration durchgeführt werden.


4 Literatur:

  1. Holleman/Wiberg, Lehrbuch der Anorganischen Chemie, DeGruyter, Berlin 2007
  2. http://www.chemiephysikskripte.de/potent/potent.pdf (online 17.01.2012)
  3. http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/experimente/chembox/ph_saeuren/
    ph_saeuren.htm (online 17.01.2012)
  4. http://www.bilderlernen.at/bilder/utsoekt_op.jpg (online 17.01.2012, Copyright: System Bolaget)

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 13.04.16