Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 20.09.10

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Grenzstromtitration

Vortrag von Christina Schnödt im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Physikalische Chemie", SS 2006

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Gliederung:

1. Wofür braucht man die Grenzstromtitration?

2. Elektrischer Strom
    
2.1 Metallische Leiter
     2.2 Größen und Einheiten
    
2.3 Elektrolyse
     2.4 Entstehung von Grenzströmen

3. Grenzstromtitration
    
3.1 Durchführung
     3.2 Ablauf
     3.3 Berechnung

4. Schlussgedanke

5. Literatur

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1.Wofür braucht man die Grenzstromtitration?

Die Grenzstromtitration ist eine Möglichkeit zur Konzentrationsbestimmung bei Elektrolyten zusätzlich zur Säure-Base-Titration oder dem Verdampfen des Wassers und Wiegen des Salzes.

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2.Elektrischer Strom

Elektrischer Strom ist Fluss elektrischer Ladung. Träger dieser Ladung sind geladene Teilchen.

2.1 Metallische Leiter

In Metallen transportiert das Elektronengas die Ladung zwischen den positiv geladenen Metallionen ("Atomrumpf") hindurch. Der wird der Widerstand mit steigender Temperatur größer.

2.2 Größen und Einheiten

Vorstellung: Werden am einen Ende eines Drahtes Elektronen hineingedrückt, kommen am anderen Ende des Drahtes ebenso viele Elektronen wieder heraus.

Größe Erklärung Symbol Einheit / Einheitzeichen
Elektrische Spannung Druck, mit dem die Elektronen in den Draht geschoben werden U Volt: V
Elektrische Ladung Ladungs- oder Elektrizitätsmenge Q Coulomb: C
Stromstärke Fluss von Ladung pro Zeiteinheit I Ampere: A (1A=1C/1s)
Elektrischer Widerstand Behinderung der Elektronen am Durchfluss R Ohm: Ω (1Ω=1V/1A)
Leitfähigkeit Kehrwert des Widerstandes G Siemens: S

2.3 Elektrolyse

Elektrolyt: Sammelbezeichnung für ionenleitende Medien, deren elektrische Leitfähigkeit durch Dissoziation der Ionen zustande kommt. Der Strom kann jedoch nur fließen, wenn sich die Ionen bewegen können, die elektrische Leitung erfolgt daher stets in Schmelzen oder Lösungen von Elektrolyten.

Man unterscheidet starke (bei der Auflösung im Lösungsmittel fast vollständig in Ionen gespalten: viele Salze, starke Säuren, starke Basen) und schwache Elektrolyten (sind im Lösungsmittel nur schwach dissoziiert: organische Säuren und Basen). Die Stärke eines Elektrolyten hängt jedoch nicht nur von der Verbindung selbst, sondern auch vom Lösungsmittel ab.


Abb. 1: Schema einer Elektrolyse

Der Prozess der Elektrolyse läuft nicht freiwillig ab. Um die Reaktion zu erzwingen wird Gleichspannung angelegt, und die dissoziierten Ionen wandern zu den Elektroden: die Kationen zur Kathode (minus-Pol) und die Anionen zur Anode (plus-Pol) und werden dort entladen. An der Kathode findet eine Reduktion, an der Anode eine Oxidation statt. In diesem geschlossenem Stromkreis besteht der sogenannte äußere Stromkreis aus Metallen, der innere Stromkreis aus der wässrigen Elektrolytlösung. Folglich treten auch zwei Arten von Ladungsträgern auf: Elektronen und Ionen.

Es ist daher einzusehen, dass die Konzentration der Ausgangslösung c(unendlich) auf dem Weg zur Elektrode auf den Wert 0 an der Elektrodenoberfläche absinkt. Die Dicke dieser Nernstschen Diffusionsschicht ist bei gerührten Lösungen nahezu konstant: d~10-4m.

2.4 Entstehung von Grenzströmen

Um einen sehr kleinen Widerstand zu erhalten, muss die Konzentration der Lösung so hoch sein, dass genug Ladungsträger vorhanden sind, aber so gering, dass sich die Ionen nicht gegenseitig behindern. Es wäre zu erwarten, dass wegen des kleinen Widerstands bei Anlegen einer geringen Spannung ein sehr hoher Strom flösse. Dies ist jedoch nicht der Fall, da die elektrochemisch aktiven Teilchen durch Diffusion nachgeliefert werden müssen, was nicht beliebig schnell erfolgen kann. Es kommt oberhalb von etwa 100 mV zu einem von der Spannung unabhängigen Strom, dem Grenzstrom.

z: Ladungszahl der Ionen; e0: Elementarladung; NA: Avogadro-Zahl; D: Diffusionskoeffizient;  A: Elektrodenoberfläche

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3. Grenzstromtitration

Ziel: Bestimmung der Konzentration einer Elektrolytlösung durch Titration mit einem anderen Elektrolyten. Im folgenden Beispiel wird die Titration einer Iodlösung mit einer 0,1 N Natriumthiosulfatlösung beispielhaft erläutert.

3.1 Durchführung 

10 ml Iodlösung werden mit 100 ml Wasser verdünnt in ein Becherglas gegeben und die beiden Platinelektroden in die Lösung eingetaucht. Mit Hilfe eines Netzgerätes wird an die Elektroden die Gleichspannung 0,1 V angelegt. Mit einem Amperemeter wird der fließende Strom gemessen, er hat die Funktion eines Indikators. Die Lösung muss mit Hilfe eines Magnetrührers immer mit der gleichen Geschwindigkeit gut gerührt werden. Dann beginnt man mit der Titration mit 0,1 N Natriumthiosulfatlösung und trägt den Strom als Funktion der Zugabe des Reagenzes auf.

3.2 Ablauf


Abb. 2: Erwarteter Ablauf der Titration

Vor Beginn der Titration: Iod und Iodid liegen im Gleichgewicht vor. Da ein reversibles System vorliegt, kann Strom fließen.

Titration: Beide Elektrolyten reagieren miteinander:

Iod wird durch Reduktion aus dem Gleichgewicht entzogen und durch Elektronenaufnahme zu Iodid.

Äquivalenzpunkt: Iod ist gerade durch die Reaktion verbraucht worden. Farbumschlag von gelb nach farblos. Der Strom sinkt rapide ab, da die Reaktion von Thiosulfat zu Tetrathionat irreversibel ist.

weitere Zugabe: Ein geringer Strom wird durch Ionen, die zusätzlich in der Lösung bleiben, aufrechterhalten.

3.3 Berechnung

aus der Reaktionsgleichung folgt:

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4. Schlussgedanke

Heute werden für solche Fälle andere genauere Methoden verwendet, z.B. Photometrie oder Oscillometrie.

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5. Literatur:

  1. o.A.: Skript Grundpraktikum Physikalische Chemie, Universität Bayreuth, S.87 - 92
  2. Kunze, Schwend: Grundlagen der qualitativen und quantitativen Analyse, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, 4. Auflage, S.293 ff, 2002.
  3. Mortimer, Chemie - Das Basiswissen der Chemie, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, 7. Auflage, S. 349 ff, 2003.
  4. Kuchling, Taschenbuch der Physik, Fachbuchverlag Leipzig, Fachbuchverlag Leipzig, 17. Auflage, S. 680 ff, 2001.
  5. http://www.chemgapedia.deSuchbegriffe: elektrolyse, galvani'sches element, Wähle: Elektrolyse I - Grundlagen - Elektrolyse, 19.11.07
  6. http://www.springerlink.com/ 17.04.06

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