Eine Säure aus der Molkerei
AFB I–IIAus einem Sauermilchprodukt wird eine einprotonige organische Säure isoliert. 20,0 mL ihrer wässrigen Lösung werden mit Natronlauge (\(c = 0{,}100\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\)) titriert, der pH-Wert wird mit einer Elektrode gemessen (M1). Infrage kommen die Säuren in M2.
| Säure | \(\mathrm{p}K_S\) |
|---|---|
| Flusssäure | 3,14 |
| Milchsäure | 3,90 |
| Propansäure | 4,87 |
- Entnehmen Sie M1 das Volumen am Äquivalenzpunkt und den pH-Wert am Halbäquivalenzpunkt.
- Berechnen Sie die Konzentration der Säure.
- Ordnen Sie die Säure begründet einer Säure aus M2 zu.
- Erläutern Sie, warum der Äquivalenzpunkt nicht bei pH 7 liegt.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
ÄP bei 16,0 mL (Mitte des Sprungs, pH ≈ 8,3). HÄP bei 8,0 mL; dort pH ≈ 3,9.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(c = 0{,}100\cdot16{,}0/20{,}0\,\mathrm{mol\,L^{-1}} = 0{,}080\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Am HÄP gilt \(\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_S \approx 3{,}9\). Das passt zu Milchsäure (3,90); Flusssäure (3,14) und Propansäure (4,87) weichen um fast eine pH-Einheit ab. Passend ist auch die Herkunft aus einem Sauermilchprodukt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Am ÄP ist die Milchsäure vollständig zu Lactat-Ionen umgesetzt. Lactat ist die korrespondierende Base einer schwachen Säure (\(\mathrm{p}K_B = 10{,}10\)) und reagiert mit Wasser: \(\ce{Lac- + H2O <=> HLac + OH-}\). Es entstehen Hydroxid-Ionen, der pH-Wert am ÄP liegt über 7 (hier etwa 8,3).
Ammoniak im Glasreiniger
AFB II–IIIEin Glasreiniger enthält Ammoniak. 25,0 mL einer verdünnten Probe werden mit Salzsäure (\(c = 0{,}100\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\)) titriert; M3 zeigt die gemessene Kurve.
- Beschreiben Sie den Verlauf der Titrationskurve und nennen Sie die Lage des Äquivalenzpunkts.
- Bestimmen Sie aus M3 die Ammoniak-Konzentration der Probe und den \(\mathrm{p}K_B\)-Wert von Ammoniak.
- Leiten Sie her, dass bei der halben Salzsäuremenge \(\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_S(\ce{NH4+})\) gilt.
- Skizzieren Sie in M3 den Verlauf, der sich für eine Natronlauge gleicher Konzentration ergäbe, und begründen Sie die Unterschiede.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Die Kurve beginnt bei pH ≈ 11 und fällt zunächst flach, um 6 mL besonders flach (pH ≈ 9,3). Kurz vor 12,5 mL fällt sie steil von etwa 8 auf 3 (pH-Sprung), danach flacht sie bei pH ≈ 2 ab. Der ÄP liegt bei 12,5 mL im sauren Bereich (pH ≈ 5,4), weil dort nur \(\ce{NH4+}\) als schwache Säure vorliegt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
\(n(\ce{NH3}) = 0{,}100\cdot12{,}5\,\mathrm{mmol} = 1{,}25\,\mathrm{mmol}\); \(c = 1{,}25/25{,}0\,\mathrm{mol\,L^{-1}} = 0{,}050\,\mathrm{mol\,L^{-1}}\).
Bei 6,25 mL: pH ≈ 9,25 = \(\mathrm{p}K_S(\ce{NH4+})\); \(\mathrm{p}K_B(\ce{NH3}) = 14 - 9{,}25 = 4{,}75\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
\(\ce{NH3 + H3O+ -> NH4+ + H2O}\). Nach Zugabe der halben ÄP-Menge ist die Hälfte des Ammoniaks umgesetzt: \(c(\ce{NH4+}) = c(\ce{NH3})\).
\(K_S(\ce{NH4+}) = \dfrac{c(\ce{H3O+})\cdot c(\ce{NH3})}{c(\ce{NH4+})} = c(\ce{H3O+})\) → \(-\lg\): \(\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_S(\ce{NH4+})\).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Skizze: Natronlauge 0,05 mol/L startet bei pH 12,7, bleibt fast waagerecht und fällt erst kurz vor 12,5 mL steil; der Sprung ist größer (etwa pH 10 bis 4) und symmetrisch um den ÄP bei pH 7; nach dem ÄP deckt sich die Kurve mit M3.
Begründung: Natronlauge ist vollständig protolysiert (höherer Start-pH, kein flacher Bereich mit \(\mathrm{pH} = \mathrm{p}K_S\)); am ÄP liegen nur \(\ce{Na+}\) und \(\ce{Cl-}\) vor, die nicht mit Wasser reagieren (pH 7). Das ÄP-Volumen ist gleich, da gleiche Stoffmengen vorliegen.