050 – Leitfähigkeit und pH-Wert

Das Einteilen einer unbekannten Flüssigkeit in Säure, Base oder Salz ist das Erste, was ein Analyst damit tut, und die drei hierbei angewandten Tests sind die ältesten des Handwerks. Ein paar Lackmuspapiere kosten fast nichts und beantworten die Frage in Sekunden. Eine Glühbirne, die in Reihe mit zwei in die Flüssigkeit getauchten Elektroden geschaltet ist, zeigt, ob die Flüssigkeit überhaupt Ionen leitet. Ein Magnesiumstreifen zischt in Säure und verhält sich in allem anderen inert. Zusammen trennen diese Tests ein Salz von einer Säure und einer Base ohne ein einziges Messinstrument, weshalb sie sowohl in Feldsets zur Wasserqualität als auch in Schullabors überleben.

Worauf die drei Tests reagieren, ist in jedem Fall unterschiedlich, und genau das ist der Sinn der Durchführung aller drei. Lackmus ist ein Farbstoff, dessen Farbe vom pH-Wert abhängt, er zeigt also die Hydroniumkonzentration an. Die Glühlampe reagiert auf bewegliche Ionen, und jede lösliche Ionenverbindung liefert diese, unabhängig davon, ob sie sauer, basisch oder neutral ist – die Leitfähigkeit unterscheidet also Ionenlösungen von molekularen, nicht Säuren von Basen. Magnesium reagiert nur auf Hydroniumionen, indem es zu Mg oxidiert wird²⁺ während H₃O⁺ wird zu Wasserstoffgas reduziert. Drei Tests, drei verschiedene Fragen; erst ihre Kombination identifiziert eine Lösung.

In diesem Labor führen Sie alle drei Tests mit 0,1 mol/L Natriumchlorid, Salzsäure und Natriumhydroxid durch und protokollieren für jeden die Leitfähigkeit, beide Lackmusfarben, den pH-Papier-Messwert und das Magnesiumergebnis. Anschließend bereiten Sie vier Verdünnungen von 1 mol/L Salzsäure zu – 10 mL aufgefüllt auf 30 mL, auf 60 mL und auf 100 mL sowie 1 mL aufgefüllt auf 100 mL – und messen den pH-Wert aller fünf sauren Lösungen mit einem pH-Meter. Der zweite Teil wandelt die grobe pH-Skala des ersten Teilversuchs in eine quantitative um und zeigt, dass der pH-Wert einer starken Säure nichts anderes ist als der Logarithmus davon, wie weit sie verdünnt wurde.

Bildungsziele

Klassifizierung einer Lösung anhand von Beweisen

• Ordnen Sie eine unbekannte Lösung anhand der kombinierten Ergebnisse von Lackmus, pH-Papier, Leitfähigkeit und der Reaktion mit Magnesium einer Säure, einer Base oder einem neutralen Salz zu.
• Erklären Sie, welcher der vier Tests tatsächlich zwischen den drei Klassen unterscheidet und welcher nicht und warum.

Handhabung der Instrumente

• Betreiben Sie einen Leitfähigkeitssensor und spülen und trocknen Sie die Elektroden zwischen den Lösungen, so dass keine Spur der vorherigen Flüssigkeit die Glühbirne zum Leuchten bringen kann.
• Lese ein pH-Papier anhand seiner Farbskala und ein pH-Meter an dessen Display ab und gib an, welche der beiden Methoden präziser ist und um wie viel.

Lackmus und pH-Papier als Indikatoren

• Lackmus ist ein Farbstoff mit einem Umschlagbereich von etwa pH 4,5 bis 8,3. Ein positives Ergebnis liegt vor, wenn sich zwei unveränderte Papiere zeigen, da dies einen neutralen pH-Wert anzeigt, statt einen Testfehler darzustellen.
• Man unterscheidet ein Einzelfarbstoff-Papier, das einen Bereich liefert, von einem Universalpapier, das einen Ungefährwert liefert.

Leitfähigkeit und gelöste Ionen

• Die Leitung in Lösung erfolgt durch die Wanderung von Ionen. Alle drei 0,1 mol/L Lösungen bringen die Glühbirne zum Leuchten, da sie in allen Fällen genügend bewegliche Ionen enthalten, um den Stromkreis zu schließen.
• Sagen Sie voraus, welcher der drei sich am besten verhalten würde, wenn der Detektor eine Zahl anstelle einer aufleuchtenden Glühbirne ausgeben würde, und begründen Sie diese Vorhersage anhand der Ionenmobilitäten.

Verdünnung und die logarithmische pH-Skala

• Berechnen Sie die Konzentration einer Lösung nach dem Verdünnen in mol/L und in g/L und bereiten Sie diese korrekt mit einem Messzylinder zu.
• Zeigen Sie, dass bei einer starken einprotonigen Säure der Anstieg des pH-Wertes dem Zehnerlogarithmus des Verdünnungsfaktors entspricht, und nutzen Sie dies, um einen pH-Wert vorherzusagen, bevor Sie ihn messen.

Sicherheit und Entsorgung

• Handhaben Sie 1 mol/L Salzsäure und 0,1 mol/L Natronlauge mit Handschuhen und Augenschutz, und wissen Sie, welche der beiden Substanzen die schwerere Augenverletzung verursacht.
• Sammeln Sie den bei der Reaktion von Magnesium entstehenden Wasserstoff fern von jeder Flamme und entsorgen Sie alle Lösungen im Auffangbehälter.

Protokoll

Teil A: Die Eigenschaften von Säuren, Basen und Salzen

1. Schalten Sie den elektrischen Leitfähigkeitsdetektor (ECD) ein.
2. Geben Sie 10 ml der 0,1 M NaCl-Lösung in Becherglas A.
3. Reinigen Sie die ECD-Elektroden mit destilliertem Wasser und wischen Sie sie mit saugfähigem Papier ab.
4. Tauche die Elektroden in Lösung A. Beobachte, ob die Glühbirne aufleuchtet oder nicht, und trage das Ergebnis in die Ergebnistabelle ein.
5. Wiederholen Sie die Schritte 2 bis 4 mit den Lösungen von 0,1 M HCl und 0,1 M NaOH in den Bechergläsern B und C.
6. Tauchen Sie ein Stück blaues und ein Stück rotes Lackmuspapier in Lösung A. Notieren Sie die erhaltenen Farben in der Ergebnistabelle.
7. Tauchen Sie ein Stück pH-Papier in Lösung A und ermitteln Sie den pH-Wert anhand der Farbskala. Tragen Sie den pH-Wert in die Ergebnistabelle ein.
8. Wiederholen Sie die Schritte 6 und 7 mit den Lösungen B und C.
9. Fügen Sie ein Magnesiumband in Lösung A ein und notieren Sie die Beobachtungen in der Ergebnistabelle.
10. Wiederholen Sie Schritt 9 mit den Lösungen B und C

Teil B: Die Konzentration einer sauren Lösung und ihr pH-Wert

1. Geben Sie 10 ml einer 1 M HCl-Lösung in den 100 ml Messzylinder.
2. Destilliertes Wasser bis zur 30 mL Marke auffüllen.
3. Gießen Sie den Inhalt des Zylinders in den 100-ml-Becher mit der Nummer 1.
4. Geben Sie 10 ml einer 1 M HCl-Lösung in den 100 ml Messzylinder.
5. Destilliertes Wasser bis zur 60-ml-Marke auffüllen.
6. Gießen Sie den Inhalt des Zylinders in den 100-ml-Becher mit der Nummer 2.
7. Geben Sie 10 ml einer 1 M HCl-Lösung in den 100 ml Messzylinder.
8. Destilliertes Wasser bis zur 100-mL-Marke auffüllen.
9. Gießen Sie den Inhalt des Zylinders in den Becher mit 100 ml Fassungsvermögen, der mit der Nummer 3 gekennzeichnet ist.
10. Geben Sie 1 ml der 1M HCl-Lösung in den 10 ml Messzylinder. Gießen Sie dann die Lösung in den 100 ml Messzylinder.
11. Destilliertes Wasser bis zur 100-mL-Marke auffüllen.
12. Gießen Sie den Inhalt des Zylinders in den mit der Nummer 4 gekennzeichneten 100-ml-Becher.
13. Messen Sie den pH-Wert der 1M HCl-Lösung und der Lösungen 1 bis 4 mit dem pH-Meter. Tragen Sie die Ergebnisse in die Ergebnistabelle ein.
14. Vergessen Sie nicht, das pH-Meter zwischen den Messungen mit destilliertem Wasser zu spülen und mit Papier zu trocknen.

Erwartete Ergebnisse

Teil A — die Eigenschaften von Säuren, Basen und Salzen. Alle drei Lösungen sind 0,1 mol/L und alle drei sind starke Elektrolyte, sodass alle drei die Glühbirne zum Leuchten bringen. Was sie voneinander unterscheidet, sind Lackmus, das pH-Papier und das Magnesium.

Warum das Salz beide Papiere unverändert lässt. Lackmus schlägt im Bereich von etwa pH 4,5 bis 8,3 um, kann also nur “unter 4,5” oder “über 8,3” anzeigen. Natriumchlorid löst sich zu Na⁺ und Cl⁻, die konjugierten Basen und Säuren einer starken Säure beziehungsweise einer starken Base sind und keines davon ein Proton vom Wasser aufnimmt oder eines an dieses abgibt. Die Lösung bleibt daher bei pH 7, beide Indikatorpapiere behalten ihre ursprüngliche Farbe, und dieses Paar von Ausbleibereignissen ist der sichere Nachweis für ein neutrales Salz.

Warum alle drei sich benehmen. Die Leitfähigkeit erfordert frei wanderfähige Ionen, und jede der drei Verbindungen ist bei 0,1 mol/l vollständig dissoziiert, was in jedem Becherglas 0,2 mol/l Ionen ergibt. Die Glühlampe leuchtet daher in allen drei Fällen, und ein Schüler, der erwartet, dass nur die Säure leitet, hat “ionisch” mit “sauer” verwechselt. Die drei sind jedoch keine gleich guten Leiter, und dies ist der einzige Punkt, an dem die Glühlampe etwas Interessantes verbirgt.

Warum greift nur die Säure das Magnesium an?. Magnesium wird oxidiert und Hydronium reduziert: Mg(s) + 2 H₃O⁺ → Mg²⁺ + H₂(g) + 2 H₂O oder in der üblicherweise verwendeten Schreibweise: Mg + 2 HCl → MgCl₂ + H₂. Die treibende Kraft ist groß: E° für Mg²⁺/Mg beträgt −2,37 V gegenüber 0,00 V für das Wasserstoffpaar, sodass das Zellpotential +2,37 V beträgt und die Reaktion schnell genug abläuft, um als Blasenfluss sichtbar zu werden. In der Salzlösung gibt es kein stärkeres Oxidationsmittel als Wasser, und im Natriumhydroxid wird das Metall durch einen anhaftenden Film aus unlöslichem Mg(OH) geschützt.₂; in beiden Fällen wird keine Reaktion festgestellt. Die Blasen im Becherglas B sind Wasserstoff, und sie sind das einzige Gas, das in diesem Labor überhaupt entsteht.

Teil B – Konzentration und pH-Wert. Aus derselben 1 mol/L-Stammlösung, deren Massenkonzentration 1,00 mol/L × 36,46 g/mol = 36,5 g/L beträgt, werden vier Verdünnungen hergestellt. Jede Verdünnung entspricht C_dV_d = C_nV_n, also C_n = C_dV_d/V_n. Für Lösung 1 gilt: C₁ = 36,5 g/l × 10 ml / 30 ml = 12,2 g/l, und durch dieselbe Substitution ergibt sich der Rest.

Der pH-Wert einer starken Säure ist der Logarithmus ihrer Verdünnung. Salzsäure ionisiert vollständig, daher [H₃O⁺] entspricht der hergestellten Konzentration und pH = −log C. Teilen der Konzentration durch einen Faktor f erhöht daher den pH-Wert um den log f, und sonst nichts. Diese einzige Aussage erklärt jede Zeile der Tabelle: log 3 = 0,48, log 6 = 0,78, log 10 = 1,00 und log 100 = 2,00, was die vier pH-Werte ohne weitere Berechnungen sind. Sie erklärt auch, warum die Schritte in dieser Reihe ungleichmäßig sind, während die in Labor 048 alle gleich sind – hier betragen die Verdünnungsfaktoren 3, 6, 10 und 100 und nicht konstant zehn.

Ablesen der Waage von hinten. Da die Skala logarithmisch ist, entspricht eine pH-Einheit einem Faktor von zehn bei [H₃O⁺]: Lösung 4 bei pH 2,00 hat ein Hundertstel der Hydroniumkonzentration der Stammlösung bei pH 0,00 und ein Zehntel derjenigen von Lösung 3. In die andere Richtung, [H₃O⁺] = 10^−pH, also entspricht ein Messwert von 0,78 10^−0,78 = 0,166 mol/L, womit die Konzentration von Lösung 2 wieder auf drei gültige Ziffern gebracht wird. Die Fähigkeit, die Berechnung in beide Richtungen durchzuführen, macht das pH-Meter zu einem Konzentrationsmessgerät anstelle eines Farbvergleichs.

Zusammenfassung der Aufgaben nach Klassenstufen

9. bis 10. Klasse

Fokus Vier Tests sorgfältig durchführen und beschreiben, was jeder einzelne zeigt.

Aktivitäten: Vollständige die Tabelle von Teil A für alle drei Lösungen anhand direkter Beobachtung; gib an, welche Lösung die Säure, welche die Base und welche das Salz ist, und benenne den einzelnen Test, der dies für jede einzelne klärte; erkläre, warum die Glühbirne bei allen dreien leuchtete; schreibe die Wortgleichung für die Reaktion von Magnesium mit Salzsäure und benenne das Gas; bereite die vier Verdünnungen vor und bringe die fünf pH-Messwerte in die richtige Reihenfolge, wobei zu beachten ist, dass der pH-Wert umso höher ist, je verdünnter die Säure ist.

11. Klasse

Fokus die Arithmetik der Verdünnung und einer logarithmischen Skala.

Aktivitäten: Berechne die Konzentration jeder der vier Verdünnungen aus C_dV_d = C_nV_n, sowohl in mol/L als auch in g/L, unter Angabe der Einsetzung; prognostizieren Sie jeden pH-Wert als −log C vor der Messung und vergleichen Sie ihn mit dem Messgerät; rechnen Sie jeden gemessenen pH-Wert in eine Hydroniumkonzentration zurück; zeigen Sie, dass der pH-Anstieg dem Logarithmus des Verdünnungsfaktors für alle vier Lösungen entspricht; stellen Sie die Magnesiumreaktion auf und berechnen Sie das Volumen an Wasserstoff, das ein 0,10-g-Band unter Raumbeziehungen liefern würde.

12. Klasse / College-Niveau

Fokus Mechanismus, Präzision und die Grenzen der jeweiligen Methode.

Aktivitäten: Erklärung der anomal anomal hohen molaren Leitfähigkeit von H⁺₃O⁺ und OH⁻ hinsichtlich der Protonenübertragung zwischen Wassermolekülen und prognostizieren Sie das Verhältnis der Leitfähigkeiten der drei Lösungen; erklären Sie den pH-Wert der Natriumchloridlösung quantitativ unter Verwendung von K_w und die Abwesenheit von Hydrolyse; schätzen Sie den Aktivitätskoeffizienten ab, der erforderlich ist, um einen gemessenen pH-Wert von 0,1 mit einer 1-mol/L-Stammlösung in Einklang zu bringen, und kommentieren Sie die Richtung der Abweichung; identifizieren Sie die beiden Messgeräteablesungen, die nicht mit −log C übereinstimmen, und quantifizieren Sie die Diskrepanz; schlagen Sie eine Kontrolle vor, die den Leitfähigkeitstest aussagekräftig machen würde, und sagen Sie deren Ergebnis voraus; diskutieren Sie, warum Lackmuspapier, pH-Papier und eine Glaselektrode in ihrer Präzision bei jedem Schritt um etwa eine Größenordnung voneinander abweichen.

Labor-Grundausstattung

Instrumente

• Leitfähigkeitsdetektor (ECD) mit Glühlampe und Elektroden
• pH-Messgerät
• Pinzette
• Saugpapier
• Messzylinder (100 mL)
• Messzylinder (10 ml)
• Bechergläser 50 mL (3, beschriftet mit A, B und C)
• Bechergläser 100 mL (4 Stück, nummeriert von 1 bis 4)
• Vorratslösungsbecher (4, an der Reagenzienbank)
• Blaues und rotes Lackmuspapier
• Universale pH-Indikatorstreifen mit Farbskala
• Papierkorb

Produkte

• NaCl 0,1 mol/L (Lösung)
• HCl 0,1 mol/L (Lösung)
• NaOH 0,1 mol/L (Lösung)
• HCl 1,0 mol/L (Lösung, 36,5 g/L)
• Magnesiumbänder
• Destilliertes Wasser