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Textaufgaben: Die Neutralisation

Zwei Sachaufgaben vom Abwasserbecken bis zur Titration ohne Indikator.

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1

Saures Abwasser

AFB I–III

In einem Metallbetrieb fallen 2000 L saures Abwasser an, das Salpetersäure enthält; sein pH-Wert beträgt 2. In die Kanalisation darf Abwasser nur mit einem pH-Wert zwischen 6,5 und 10 eingeleitet werden. Deshalb wird es in einem Becken mit Natronlauge (c = 1 mol/L) neutralisiert, die eine Pumpe unter ständiger pH-Messung zudosiert.

  1. Gib die Reaktionsgleichung der Neutralisation als Ionengleichung an.
  2. Berechne das Volumen Natronlauge, das zur vollständigen Neutralisation nötig ist.
  3. Erläutere, warum die Pumpe gegen Ende nur noch sehr langsam dosieren darf.
  4. Statt Natronlauge könnte man auch Kalksteinpulver (Calciumcarbonat) verwenden. Diskutiere Vor- und Nachteile beider Mittel.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Nur zwei Ionenarten reagieren miteinander.Angeben: ohne Erläuterung wiedergeben.
Hinweis zu Aufgabe b)
pH 2 bedeutet \(c(\mathrm{H_3O^+})=10^{-2}\) mol/L. Rechne mit \(n=c\cdot V\).
Hinweis zu Aufgabe c)
Denke an die Form der Titrationskurve und an den erlaubten pH-Bereich.
Hinweis zu Aufgabe d)
Wie weit kann der pH-Wert mit jedem Mittel steigen? Was entsteht beim Carbonat zusätzlich?

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

\(\mathrm{H_3O^+ + OH^- \longrightarrow 2\,H_2O}\)

Die Nitrat- und Natrium-Ionen sind Zuschauer-Ionen.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

\(n(\mathrm{H_3O^+})=0{,}01\,\tfrac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot 2000\text{ L}=20\text{ mol}\).

\(V(\text{Lauge})=\dfrac{n}{c}=\dfrac{20\text{ mol}}{1\,\tfrac{\text{mol}}{\text{L}}}=20\text{ L}\).

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Nahe dem Äquivalenzpunkt steigt der pH-Wert sprunghaft: Schon rund 0,4 L Lauge (bei 2000 L Abwasser!) verschieben ihn von etwa 4 auf etwa 10. Dosiert die Pumpe zu schnell, wird das Abwasser zu basisch und darf wieder nicht eingeleitet werden.

Zudem ist die Reaktion exotherm, und die Lauge muss sich erst im Becken verteilen, bevor die pH-Messung den richtigen Wert zeigt.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Natronlauge: reagiert schnell und vollständig, lässt sich als Flüssigkeit genau dosieren; aber ätzend beim Umgang, teurer, und bei Überdosierung wird das Abwasser stark basisch.

Kalkstein: billig, ungefährlich zu lagern; ein Überschuss hebt den pH-Wert kaum über 8 bis 9, weil Calciumcarbonat nur schwer löslich und eine schwache Base ist — Überdosieren ist also kaum möglich. Nachteile: Reaktion langsamer (Feststoff), es entsteht Kohlenstoffdioxid (Schäumen), und ungelöster Rest bleibt als Schlamm.

Fazit (begründet, z. B.): Für große Mengen und sicheren Betrieb ist Kalk günstig; wo schnell und genau neutralisiert werden muss, Natronlauge mit pH-Regelung.

2

Titration mit dem pH-Meter

AFB II–III

In einem Schülerversuch werden 25 mL einer Salzsäure-Probe mit Natronlauge (c = 0,1 mol/L) titriert. Statt eines Indikators misst ein pH-Meter nach jeder Zugabe den pH-Wert. Die Messwerte ergeben die abgebildete Kurve.

Titrationskurve der Probe
02468101214051015202530V(Natronlauge) in mLpH
25 mL Salzsäure-Probe, titriert mit Natronlauge (c = 0,1 mol/L), gemessen mit einem pH-Meter.
  1. Beschreibe den Verlauf der Titrationskurve.
  2. Ermittle aus der Kurve das Volumen am Äquivalenzpunkt und berechne damit die Konzentration der Salzsäure.
  3. Methylorange schlägt schon zwischen pH 3,1 und 4,4 um. Begründe, warum man damit trotzdem fast dasselbe Ergebnis erhält wie mit Bromthymolblau.
  4. Es steht weder ein Indikator noch ein pH-Meter zur Verfügung, nur ein genaues Thermometer. Entwickle ein Verfahren, mit dem man den Äquivalenzpunkt trotzdem findet.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Gliedere in drei Abschnitte: vor dem Sprung, Sprung, nach dem Sprung.Beschreiben: geordnet in Fachsprache wiedergeben.
Hinweis zu Aufgabe b)
Der Äquivalenzpunkt liegt in der Mitte des steilen Anstiegs bei pH 7. Dann \(c_\text{S}=\dfrac{c_\text{L}\cdot V_\text{L}}{V_\text{S}}\).
Hinweis zu Aufgabe c)
Wie viel Volumen liegt zwischen pH 3 und pH 11 auf der Kurve?
Hinweis zu Aufgabe d)
Die Neutralisation ist exotherm. Was passiert mit der Temperatur, wenn keine Säure mehr zum Reagieren da ist?

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Zu Beginn liegt der pH-Wert bei etwa 1,1 und steigt bis etwa 17 mL nur langsam auf rund 2,5. Zwischen etwa 18 und 19 mL steigt er sprunghaft von etwa 3 auf über 10 (pH-Sprung). Danach flacht die Kurve ab und nähert sich etwa pH 12.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Äquivalenzpunkt (Wendepunkt des Sprungs, pH 7) bei \(V_\text{L}\approx 18{,}4\) mL.

\(c(\mathrm{HCl})=\dfrac{0{,}1\,\tfrac{\text{mol}}{\text{L}}\cdot 18{,}4\text{ mL}}{25\text{ mL}}\approx 0{,}074\,\tfrac{\text{mol}}{\text{L}}\).

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Der pH-Sprung ist so steil, dass der pH-Wert von etwa 3 auf etwa 11 innerhalb von deutlich weniger als 1 mL (wenigen Tropfen) steigt. Methylorange schlägt also nur einen Bruchteil eines Milliliters vor dem Äquivalenzpunkt um.

Der Fehler ist gegenüber dem Gesamtverbrauch von 18,4 mL klein (unter 1 %) — deshalb ist jeder Indikator geeignet, dessen Umschlagsbereich im Sprung liegt.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Thermometrische Titration: Die Lauge wird in gleichen Portionen (z. B. je 1 mL) zugegeben, nach jeder Zugabe wird umgerührt und die Temperatur notiert. Die Messwerte werden in ein Diagramm Temperatur gegen Volumen eingetragen.

Solange Säure vorhanden ist, wird bei jeder Zugabe Neutralisationswärme frei — die Temperatur steigt. Nach dem Äquivalenzpunkt reagiert nichts mehr; die zugegebene kältere Lauge kühlt die Lösung leicht ab. Der Knick (das Temperaturmaximum) zeigt den Äquivalenzpunkt. Wichtig: Lösungen gleicher Anfangstemperatur, isoliertes Gefäß (z. B. Styroporbecher).