Ammoniak im Glasreiniger
AFB I–IIEin Glasreiniger enthält Ammoniak (\(\ce{NH3}\), M = 17,03 g/mol; pKs(NH₄⁺) = 9,25). 10,0 mL Reiniger werden mit Salzsäure (\(c = 0{,}10\) mol/L) titriert. Mit Methylrot als Indikator werden bis zum Farbumschlag 17,6 mL verbraucht. Eine zweite Gruppe verwendet Phenolphthalein und notiert nur 10,3 mL.
- Formulieren Sie die Reaktionsgleichung der Titration.
- Berechnen Sie die Massenkonzentration von Ammoniak im Reiniger aus dem Versuch mit Methylrot.
- Begründen Sie rechnerisch, dass Methylrot (Umschlag pH 4,4–6,2) geeignet ist.
- Erklären Sie den geringeren Verbrauch der zweiten Gruppe.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
\(\ce{NH3 + H3O+ -> NH4+ + H2O}\)
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(n = 0{,}10\,\text{mol/L} \cdot 17{,}6\,\text{mL} = 1{,}76\) mmol; \(c = 0{,}176\) mol/L; \(\beta = 0{,}176\,\text{mol/L} \cdot 17{,}03\,\text{g/mol} = 3{,}0\) g/L.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Am ÄP liegt NH₄⁺ vor: \(c = 1{,}76\,\text{mmol} : 27{,}6\,\text{mL} = 0{,}064\) mol/L; pH = ½(9,25 + 1,19) = 5,22 — mitten im Umschlagsbereich von Methylrot und im Sprung.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Phenolphthalein schlägt um pH 9 um. Dort liegen NH₃ und NH₄⁺ noch nebeneinander vor (pH ≈ pKs = 9,25, nahe dem HÄP) — erst etwa 60 % des Ammoniaks sind umgesetzt. Die Titration wird weit vor dem ÄP beendet: 10,3 statt 17,6 mL.
Borsäure im Kühlwasser
AFB II–IIIIm Kühlwasser von Druckwasserreaktoren dient gelöste Borsäure (\(\ce{H3BO3}\), M = 61,83 g/mol; pKs = 9,24) als Neutronenabsorber. Ihr Gehalt wird täglich titriert. Weil Borsäure sehr schwach ist, gibt man vorher Mannit zu: Es bildet mit Borsäure einen Komplex, der als einprotonige Säure mit pKs ≈ 5 reagiert. 10,0 mL Kühlwasser verbrauchen nach Mannitzugabe 13,0 mL Natronlauge (\(c = 0{,}050\) mol/L) bis zum Umschlag von Phenolphthalein.
- Berechnen Sie für eine direkte Titration ohne Mannit (Borsäure und Natronlauge je 0,10 mol/L) den pH-Wert am Halbäquivalenz- und am Äquivalenzpunkt.
- Erläutern Sie mithilfe dieser Werte, warum die direkte Titration mit Indikator scheitert.
- Begründen Sie, warum nach Mannitzugabe Phenolphthalein geeignet ist.
- Berechnen Sie die Massenkonzentration an Bor im Kühlwasser (M(B) = 10,81 g/mol) und beurteilen Sie, ob die Methode für die tägliche Kontrolle geeignet ist.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
HÄP: pH = 9,24. ÄP: c(Borat) = 0,050 mol/L; pKb = 4,76; pOH = ½(4,76 + 1,30) = 3,03; pH = 10,97.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Zwischen HÄP (9,24) und ÄP (10,97) liegen nur 1,7 pH-Einheiten; die Natronlauge selbst hat pH 13. Die Kurve steigt flach an, ein steiler Sprung fehlt. Jeder Indikator schlägt über mehrere Milliliter schleppend um, der Endpunkt ist nicht scharf.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Komplexsäure pKs ≈ 5 → pKb ≈ 9. Im Versuch: c(Base) am ÄP = 0,65 mmol : 23,0 mL = 0,028 mol/L; pOH = ½(9 + 1,55) = 5,3; pH ≈ 8,7. Der Sprung reicht bis über pH 10, Phenolphthalein (8,2–10,0) schlägt im Sprung um.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
\(n = 0{,}050\,\text{mol/L} \cdot 13{,}0\,\text{mL} = 0{,}65\) mmol; \(m(\ce{B}) = 0{,}65\,\text{mmol} \cdot 10{,}81\,\text{g/mol} = 7{,}0\) mg in 10 mL → 0,70 g/L (700 mg/L). Geeignet: schnell, günstig, mit Mannit scharfer Umschlag; bei Ablesen auf 0,05 mL liegt der Fehler unter 0,5 %. Einschränkung: gelöstes CO₂ und andere Säuren werden mittitriert — Blindwert ohne Mannit bestimmen.