047 – Säure-Base-Titration 1

Die Kolorimetrie ist die günstigste Methode zur Messung einer chemischen Menge: Man gibt ein Reagenz hinzu, das sich je nach der gewünschten Menge verfärbt, und gleicht das Ergebnis dann mit einer Reihe von Referenzen mit bekanntem Wert ab. Sie benötigt keinen Strom, keine Kalibrierung und keine Glasgeräte außer einem Röhrchen, weshalb sie nach wie vor die Standardmethode für die Überprüfung von Schwimmbädern und Aquarien, für Felduntersuchungen von Seen und Flüssen sowie für die in Kliniken verwendeten Teststreifen ist. Ihre Einschränkung liegt ebenso auf der Hand – das Ergebnis ist nur so gut wie das Auge, das es abliest, und nur so genau wie die Abstufung der Referenzen.

Die hier gemessene Größe ist der pH-Wert, definiert als pH = −log[H₃O⁺], so dass jede ganze pH-Einheit eine zehnfache Änderung der Konzentration von Hydronium-Ionen darstellt. Ein Universalindikator ist kein einzelner Farbstoff, sondern eine Mischung mehrerer schwacher Säuren, von denen jede ihre Farbe über einen anderen, engen pH-Bereich hinweg ändert. Da ihre Säuredissoziationskonstanten gestaffelt sind, ändert die Mischung als Ganzes ihre Farbe im Bereich von etwa pH 3 bis pH 10 schrittweise von Rot über Gelb und Grün bis Blau, und diese Farbe kann als Stellvertreter für eine Messung von [H₃O⁺] das sonst eine Elektrode benötigen würde.

In diesem Labor bauen Sie die Bezugsskala selbst, anstatt eine fertige zu erhalten. Sie messen 25-mL-Portionen von Lösungen mit bekanntem pH-Wert in ein Reagenzglasgestell ab, geben jeweils fünf Tropfen Universalindikator hinzu und erstellen so eine Farbskala von pH 3 bis pH 7. Danach behandeln Sie eine Probe Seewasser auf dieselbe Weise, gleichen ihre Farbe mit Ihrer Skala ab, um ihren pH-Wert zu ermitteln, erweitern die Skala auf pH 8 und pH 9, falls sich die Probe als alkalisch erweist, und überprüfen schließlich jedes Reagenzglas mit einem pH-Meter, um zu sehen, wie nah das kolorimetrische Ergebnis kam.

Bildungsziele

Den pH-Wert als logarithmische Skala verstehen

• Definiere den pH-Wert als pH = −log[H⁺]₃O⁺und in beide Richtungen zwischen einem pH-Wert und einer Hydroniumkonzentration umrechnen.
• Erklären Sie, warum eine Probe bei pH 5 tausendmal saurer ist als eine bei pH 8 und warum ein Unterschied von einer halben pH-Einheit kein geringer Unterschied ist.

Erstellen und Verwenden einer kolorimetrischen Referenzskala

• Bereiten Sie eine Reihe von Referenzröhrchen unter identischen Bedingungen vor — gleiches Volumen, gleiche Anzahl von Tropfen, dasselbe Röhrchen — und erklären Sie, warum jede einzelne dieser Bedingungen konstant gehalten werden muss.
• Bestimmen Sie den pH-Wert einer unbekannten Probe, indem Sie sie mit der Reihe vergleichen, und geben Sie das Ergebnis als Bereich statt als Einzelwert an.
• Erkennen Sie, wenn ein Messwert außerhalb der Skala liegt, und erweitern Sie die Skala, anstatt zu raten.

Handhabung des Indikators und der Glasgeräte

• Messen Sie 25 ml in einem Messzylinder ab und geben Sie eine abgezählte Anzahl von Tropfen aus einer Pipette hinzu.
• Mischen Sie ein Reagenzglas ohne Verlust, und spülen Sie die Elektrode zwischen den Gläsern ab und trocknen Sie sie, damit eine Lösung nicht die nächste kontaminiert.

Abgleich einer Methode mit einer anderen

• Vergleichen Sie das kolorimetrische Ergebnis jedes Röhrchens mit dem Messwert des pH-Meters und tabellieren Sie die Differenz.
• Erkläre, was die beiden Methoden messen und warum die Elektrode von beiden die zuverlässigere ist.

Die Grenzen einer visuellen Methode beurteilen

• Geben Sie die feinste Auflösung an, die eine Skala in Schritten von einer pH-Einheit unterstützen kann, und wie diese verbessert werden könnte.
• Ermitteln Sie die Bedingungen, unter denen der Indikator selbst den pH-Wert der von ihm gemessenen Probe verändert.

Protokoll

Teil 1: Bereiten Sie eine Kolorimetrieskala mit dem Ihnen zur Verfügung stehenden pH-Indikator vor

1. Messen Sie mit dem Messzylinder 25 ml der pH3-Lösung ab und gießen Sie diese dann in das Reagenzglas 1.
2. Wiederholen Sie Schritt a) mit den Lösungen pH 4, 5, 6 und 7 sowie den Reagenzgläsern 2, 3, 4 und 5.
3. Fügen Sie mit der Pipette 5 Tropfen pH-Indikator zu jedem der Reagenzgläser 1 bis 5 hinzu.
4. Die Inhalte der Reagenzgläser mit einem Glasstab vermischen oder durch Aufsetzen eines Stopfens und vorsichtiges Mischen von rechts nach links.
5. Messen Sie mit dem Messzylinder 25 ml der Seewasserprobe ab und gießen Sie sie dann in Reagenzglas 6.
6. Geben Sie mit der Pipette 5 Tropfen pH-Indikator in Reagenzglas 6.
7. Mischen Sie den Inhalt des Reagenzglases mit einem Glasstab oder durch Aufsetzen eines Stopfens und vorsichtiges Mischen von rechts nach links.

Teil 2: Ermittlung des pH-Wertes von Flusswasser mittels kolorimetrischer Skala

1. Bestimmen Sie den pH-Wert des Flusswassers, indem Sie die Farbe der Probe in Reagenzglas 6 mit der kolorimetrischen Skala auf dem Poster auf der Theke vergleichen.

Wenn der pH-Wert über 7 zu liegen scheint, vervollständigen Sie die Kolorimetrieskala mit den Lösungen für pH 8 und 9 sowie den Reagenzgläsern 7 und 8. Liegt der pH-Wert unter 7, fahren Sie mit Teil 3 fort, um den pH-Wert jeder Lösung mit dem pH-Meter zu validieren.

2. Messen Sie mit dem Messzylinder 25 ml der pH-8-Lösung ab und gießen Sie diese dann in Reagenzglas 7.
3. Fügen Sie mit der Pipette 5 Tropfen pH-Indikator in Reagenzglas 7.
4. Messen Sie mit dem Messzylinder 25 ml pH 9 Lösung ab und gießen Sie diese dann in Reagenzglas 8.
5. Geben Sie mit der Pipette 5 Tropfen pH-Indikator in Reagenzglas 8.
6. Die Inhalte der Reagenzgläser mit einem Glasstab vermischen oder durch Aufsetzen eines Stopfens und vorsichtiges Mischen von rechts nach links.
7. Vergleichen Sie den pH-Wert des Flusswassers erneut anhand dieser neuen Skala (pH 3 bis 9).

Teil 3: Überprüfen Sie den pH-Wert jeder Lösung mit dem pH-Meter

1. Führen Sie die pH-Meter-Elektrode in das Reagenzglas mit dem Flusswasser (Reagenzglas 6) und in die anderen Reagenzgläser ein, um den pH-Wert jeder Lösung zu überprüfen.
2. Notieren Sie den Wert, der auf dem Digitaldisplay des pH-Meters angezeigt wird.

Nicht vergessen: Zwischen den Messungen die Elektrode mit destilliertem Wasser abspülen und mit einem Papiertuch trocknen.

Erwartete Ergebnisse

Es gibt keine einzelne richtige Antwort für dieses Labor. Der pH-Wert der Seewasserprobe wird bei jedem Neustart der Aktivität frisch ermittelt und liegt irgendwo zwischen 3 und 9. Bewertet wird also nicht die Zahl, die der Schüler angibt, sondern das Vorgehen, der von ihm genannte Bereich und die Übereinstimmung zwischen seinem kolorimetrischen Messwert und dem pH-Meter. Die Referenzreihe selbst hingegen ist vollständig bestimmt: Acht Reagenzgläser mit bekanntem pH-Wert müssen in der richtigen Reihenfolge und ohne Umkehrung die Farben der Universalindikatortabelle ergeben.

Was die pH-Skala aussagt. Weil pH = −log[H₃O⁺], ein pH-Wert von 5 entspricht [H₃O⁺] = 10⁻⁵ mol/L und einem pH-Wert von 8 bis 10⁻⁸ mol/L: Die saure Probe enthält tausendmal mehr Hydroniumionen als die alkalische. Dies sollte unbedingt klargestellt werden, bevor der Farbabgleich beginnt, denn ein Schüler, der die Probe als “etwa 6 oder 7” abliest, hat einen zehnbereichigen Schwankungsbereich der Hydroniumkonzentration angegeben. In Süßwasser spielt dies auch biologisch eine Rolle: Die meisten Fischlarven gehen unterhalb von etwa pH 5,5 zugrunde, und ein See mit pH 4 ist faktisch steril.

Warum ein Universalindikator seine Farbe allmählich verändert. Ein einzelner Indikator ist eine schwache Säure, deren zwei Formen unterschiedliche Farben haben: HIn ⇌ H⁺ + In⁻, mit K_a = [H⁺][In⁻] / [HIn], und daher [In⁻] / [HIn] = K_a / [H⁺]. Bei pH = pK_a Die beiden Formen liegen in gleichen Mengen vor und die Farbe liegt genau in der Mitte zwischen ihnen; eine pH-Einheit niedriger beträgt das Verhältnis 1 : 10 und die Säurefarbe dominiert; eine Einheit höher beträgt es 10 : 1 und die Basenfarbe dominiert. Ein einzelner Farbstoff hat daher einen nutzbaren Umschlagbereich von nur etwa zwei pH-Einheiten, weshalb ein “universal”-Indikator eine Mischung aus vier oder fünf Farbstoffen mit pK ist_a Werte, die ungefähr zwei Einheiten voneinander entfernt sind. Der kontinuierliche Regenbogen im Diagramm ist die Summe dieser überlappenden Übergänge, nicht das Verhalten eines einzelnen Moleküls.

Warum fünf Tropfen, und warum in jedem Röhrchen dieselben fünf Tropfen?. Der Indikator ist selbst eine schwache Säure und gibt daher Hydroniumionen an die Lösung ab, der er zugesetzt wird. Fünf Tropfen entsprechen etwa 0,25 ml oder etwa 1 % einer 25-ml-Probe – klein genug, um einen gepufferten Standard unbeeinflusst zu lassen, aber nicht unbedingt klein genug für ein schlecht gepuffertes Naturwasser, wie es bei einer See-Probe der Fall sein kann. Die Zugabe einer unterschiedlichen Anzahl von Tropfen in verschiedene Röhrchen verändert zudem die Farbtiefe, was den Vergleich verfälschen würde, selbst wenn sich der pH-Wert nicht verschieben würde. Dies ist der einzige verfahrenstechnische Punkt, auf dem die gesamte Bestimmung beruht, und er ist besonders hervorzuheben.

Was das pH-Meter hinzufügt. Die Glaselektrode reagiert auf die Hydroniumaktivität über die Nernst-Beziehung, E = E₀ − 0,0592 × pH bei 25 °C, das sind 59,2 mV pro pH-Einheit, und das Messgerät wandelt diese Spannung einfach in eine Zahl um. Daraus ergeben sich zwei Konsequenzen. Die erste ist die Auflösung: Ein Messgerät, das auf 0,1 pH anzeigt, löst eine Änderung von 6 mV auf, während eine Farbskala in Schritten von einer ganzen Einheit selbst von einem geübten Auge kaum besser als auf etwa eine halbe Einheit genau abgelesen werden kann. Die zweite ist, dass die beiden Methoden unabhängig voneinander sind, sodass Teil 3 eher eine echte Überprüfung als eine Wiederholung darstellt und das erwartete Ergebnis eine Übereinstimmung von grob ±0,5 pH bei jedem Röhrchen ist. Eine systematische Abweichung in eine Richtung über alle acht Röhrchen hinweg weist auf die Kalibrierung des Messgeräts hin; eine Abweichung allein bei der Probe weist darauf hin, dass der Indikator den pH-Wert eines ungepufferten Wassers verschoben hat.

Zusammenfassung der Aufgaben nach Klassenstufen

9. bis 10. Klasse

Fokus Beobachtung, Wortschatz und sorgfältige Technik. Die Schüler bauen die Skala und verwenden sie, ohne mit Logarithmen umzugehen.

Aktivitäten:

• Messen Sie 25 ml in jedes Reagenzglas ab und zählen Sie genau fünf Tropfen Indikator in jedes ein, und erklären Sie, warum beide Zahlen für jedes Reagenzglas genau gleich sein müssen.
• Notieren Sie die Farbe jedes Referenzröhrchens und der Probe in einer Tabelle und beschriften Sie die Enden der Skala mit sauer, neutral und alkalisch.
• Geben Sie den pH-Wert des See Wassers als Bereich an, wie zum Beispiel “zwischen 6 und 7”, anstatt als eine einzelne Zahl.
• Lies den pH-Meter für jedes Röhrchen ab und gib an, ob die Farbskala damit übereinstimmte.
• Nennen Sie drei Alltagsorte, an denen der pH-Wert durch einen Farbvergleich gemessen wird.

11. Klasse

Fokus die logarithmische Skala und der quantitative Vergleich der beiden Methoden.

Aktivitäten:

• Konvertieren Sie jeden Standard-pH-Wert der Reihe in eine Hydroniumkonzentration unter Verwendung von [H₃O⁺] = 10^−pH, und tabelliere die beiden Spalten nebeneinander.
• Geben Sie an, um wie viel der saurste Standard saurer ist als der alkalischste, und vergleichen Sie die Antwort mit der Differenz der pH-Werte.
• Erstellen Sie eine Tabelle mit den farbmetrischen Messwerten und den Messgerätwerten für alle acht Röhrchen und berechnen Sie jeweils die Differenz; geben Sie an, ob die Abweichung zufällig oder systematisch ist.
• Erkläre, unter Verwendung von K_a = [H⁺][In⁻] / [HIn], warum ein einzelner Indikator über einen Bereich von etwa zwei pH-Einheiten seine Farbe ändert.
• Berechne, welcher Anteil jedes Röhrchens aus Indikatorlösung besteht, und erörtere, ob dieser Anteil so gering ist, dass man ihn vernachlässigen kann.

12. Klasse / College-Niveau

Fokus die physikalischen Grundlagen beider Instrumente, die Fehleranalyse und die Kritik an der Methode.

Aktivitäten:

• Leiten Sie die Auflösung der Elektrode aus E = E ab₀ – 0,0592 × pH, geben Sie die Spannungsänderung an, die 0,1 pH entspricht, und sagen Sie, was dies über die Eingangsimpedanz des Messgeräts aussagt.
• Zeigen Sie, warum die Zugabe eines schwach sauren Indikators zu einem schlecht gepufferten natürlichen Wasser dessen pH-Wert verschieben kann, und berechnen Sie eine obere Grenze für die Verschiebung bei einer angegebenen Indikatorkonzentration und einer ungepufferten Probe.
• Schlagen Sie vor, wie eine Untersuchung eines echten Sees gestaltet werden sollte – Anzahl der Messstellen, Tageszeit, Tiefe, Temperaturkorrektur – und erklären Sie, warum eine einzelne Probe fast nichts über einen See aussagt.

Labor-Grundausstattung

Instrumente

• Reagenzgläser (8) in einem Gestell, mit Stopfen
• Messzylinder (25 ml)
• Tropfer
• Glasstab
• Bechergläser (50 mL und 250 mL)
• pH-Meter mit Elektrode
• Farbmetrische pH-Tabelle (Poster, pH 0 bis 14)
• Küchenrolle

Produkte

• pH-Standardlösungen (pH 3 bis pH 9)
• Seewasserprobe (pH-Wert zufällig zwischen 3 und 9)
• Universalindikatorlösung