Durchführung einer Säure-Base-Titration mit einem pH-Sensor
Die Durchführung einer Titration gehört im Themenbereich Säuren und Base zu den Standartversuchen, um die unbekannte Konzentration einer Säure oder Base zu ermitteln. Mit Hilfe eines pH-Sensors kann die Titration graphisch verfolgt und ausgewertet werden. Zum einen erhalten die Lernenden eine Titrationskurve, die sie im Anschluss mit Fachbegriffen beschriften können und zum anderen können sie die Titrationskurven mit anderen Titrationen vergleichen. Dazu können weitere Titrationen durchgeführt werden, indem die stärke der Säure und Base variiert werden. Auch die Titration einer mehrprotonigen Säure ist möglich.
Für die Durchführung im Unterricht wurden zwei Arbeitsmaterialien entwickelt. Das erste Material erläutert den theoretischen Hintergrund einer Titration und stellt exemplarisch den Rechenweg für die fehlende Angabe der Konzentration dar. Das zweite Material erläutert die praktische Durchführung einer Titration und fordert dazu auf, die Konzentration einer unbekannten Natronlauge zu bestimmen.
Abbildung 1: Versuchsaufbau zur Titration.
⬤ Verbindungsaufbau zwischen pH-Wert-Sensor und App herstellen
Ein Verbindungsaufbau zwischen einem Vernier Sensor und der App “Graphical” lässt sich immer auf die gleiche Weise herstellen. Aus diesem Grund ist der Verbindungsaufbau exemplarisch an einem Temperatur-Sensor auf dieser Seite dargestellt.
⬤ Beispiel einer Titrationskurve (pH-Wert gegen Zeit)
Die Abbildung 1 zeigt eine Titrationskurve einer starken Säure mit einer starken Base. Auf der y‑Achse ist der pH-Wert aufgetragen und auf der x‑Achse die Zeit. Dieses Vorgehen ermöglicht keine detallierte Auswertung einer Säure-Base-Titration, sondern ermöglicht nur einen Überblick über eine Titrationskurve zu erhalten. Der Äquivalenzpunkt kann grob bestimmt werden, indem die Schüler:innen während der Titration die Titrationskurve und die Menge der verbrauchten Maßlösung im Blick behalten und während des pH-Spungs die verbrauchte Menge der Maßlösung notieren.
Abbildung 2: Darstellung der Titrationksurve. Der Begriff Äquivalenzpunkt wurde nachträglich eingefügt.
Es ist wichtig, vor der Durchführung der Titration die Einstellungen der Messwerterfassung zu überprüfen. Die Standardeinstellung der Messwerterfassung ist so eingestellt, dass die Messwerterfassung nach 180 Sekunden automatisch beendet wird. Dies würde jedoch zur Unterbrechnung der Messung führen, bevor die Titration abgeschlossen ist. Aus diesem Grund muss die Messwerterfassung auf “Manuell” beenden eingestellt werden. Die folgenden drei Abbildungen (3–5) zeigen das Vorgehen.
Abbildung 3: Als Erstes unten links auf “Betriebsart” tippen.
Abbildung 4: Als Zweites im Abschnitt “Sammlung beenden” die Option auf “Manuell” ändern.
Abbildung 5: Als Drittes auf “Erledigt” tippen. Somit kann die Meswerterfassung nur “Manuell” beendet werden.
⬤ Titrationskurve (pH-Wert gegen das Volumen) mit manueller Volumenerfassung
Mit Hilfe einer manuellen Volumenrfassung lässt sich eine Titration durchführen, in der das Volumen der verbrauchten Maßlösung manuell abgelesen und in der Vernier-App zusammen mit dem dazugehörigen pH-Wert notiert wird. Die Durchführung der Titration erfordert ein hohes Maß an Genauigkeit. Die Abbildung 6 und 7 wurden beide durch manuelle Volumeneingabe der Maßlösung erstellt. Es fällt auf, dass in Abbildung 4 der Äquivalenzpunkt verpasst wurde und keine pH-Werte zwischen 2,5 und 11,5 gemessen wurden. Der pH-Wert wurde alle 0,5 mL notiert. Ein besseres Ergebnis kann erreicht werden, wenn vor dem Äquivalenzpunkt die Volumenzugabe auf 0,2 mL oder 0,1 mL verringert wird und dadruch mehr Messwerte in der Titrationskurve vorhanden sind (Abbildung 7).
Abbildung 6: Titrationskurve (blau) mit Volumenangabe auf der x‑Achse. Die Messwerte wurden nach 0,5 mL Maßlösung erfasst.
Abbildung 7: Titrationskurve (blau) mit Volumenangabe auf der x‑Achse. Die Messwerte wurden in dem Bereich vor dem Äquivalenzpunkt nach 0,2 mL Maßlösung erfasst.
Die folgenden Abbildungen 8–11 zeigen die Einstellungen die vor der Titration in der App vorgenommen werden müssen.
- In Abbildung 8 wird ein leeres Datenblatt angezeigt. In der Ecke unten rechts kann überprüft werden, ob eine Verbindung zum pH-Sensor vorhanden ist. In diesem Beispiel liegt ein pH-Wert von 0,91 vor. Falls kein pH-Wert angezeigt wird, kann die Verbindung an dieser Stelle überprüft werden. Als nächstes muss die “Betriebsart” von “Zeitbasiert” auf “Eingabe nach Ereignis umgestellt werden. Zu diesem Zweck muss auf den Bereich “Betriebsart” unten links getippt werden.
- In Abbildung 9 hat sich ein Fenster geöffnet, in der die “Betriebsart” umgestellt werden kann.
- In Abbildung 10 wird der “Ereignis Name” und “die Einheiten” eingetragen und im Anschluss auf “Erledigt” getippt.
- Die Abbildung 11 verdeutlicht die erste manuelle Messwerterfassung vor der Zugabe der Maßlösung. Dieses Fenster wird erreicht, indem vorher auf dem Datenblatt auf “Erfassen” getippt wird und im Anschluss auf “Behalten”. In das Feld Volumen wird die verbrauchte Menge an Maßlösung eingegeben.
Abbildung 8: Leeres Datenblatt vor der Durchführung einer Titration. Die manuelle Volumenerfassung muss eingestellt werden. Dies gelingt durch Tippen auf den Bereich “Betriebsart” unten links.
Abbildung 9: Die Betriebsart wird auf “Eingabe nach Ereignis” umgestellt.
Abbildung 10: In diesem Schritt muss die Zeile “Ereignis Name” in Volumen geändert werden und die “Einheit” in mL geändert werden. Im Anschluss wird auf “Erledigt” getippt.
Abbildung 11: Notieren der verbrauchten Menge an Maßlösung. Zu diesem Zweck wird vorher auf “Erfassen” getippt und dann auf “Behalten”. Im Anschluss kann im Feld Volumen die verbrauchte Maßlösung hinzugefügt werden. Das Feld wird mit dem Button “Punkt merken” beendet.
Das folgende Video verdeutlicht die Bediendung der App zur Erfassung von manuellen Volumenangaben.
Video 1: Screencast während der Erfassung von manuellen Volumenangaben.
⬤ Titration mit einem Tropfenzähler und automatisierter Volumenerfassung
Mit Hilfe von einem Tropfenzähler lässt sich der Prozess der Volumenerfassung automatisieren. Zu diesem Zweck wird der Tropfenzähler und der pH-Sensor mit der App “Graphical” verbunden. Durch den Tropfenzähler wird die Anzahl an Messwerten deutlich erhöht und die Titration genauer. Die Abbildung 13 zeigt ein Beispiel für eine solche Titrationskurve.
Abbildung 12: Titration mit einem Tropfenzähler.
⬤ Datentabelle und Berechnung der ersten Ableitung
Der Äquivalenzpunkt lässt sich mit Hilfe der ersten Ableitung ermitteln. In der App lässt sich eine weitere Spalte einfügen, in der die erste Ableitung für die einzelnen Messwerte berechnet werden kann. Die erste Ableitung kann graphisch angezeigt werden (Abb. 14). An der Wendestelle der Titrationskurve (Äquivalenzpunkt) liegt in der ersten Ableitung eine Extremstelle vor. Auf diese Weise lässt sich der Äquivalenzpunkt sehr gut ablesen und bestimmen.
Abbildung 13: Titrationskurve (blau) mit Volumenangabe auf der x‑Achse.
Abbildung 14: Titrationskurve mit der Darstellung der ersten Ableitung (rot). Die Extremstelle befindet sich bei einem Wert von 17,9, während der dazugehörige pH-Wert 7,37 (entspricht dem Äquivalenzpunkt) anzeigt. Die beiden Werte sind in der Abbildung hervorgehoben.
Die folgenden Abbildungen 15–18 zeigen schrittweise, wie die erste Ableitung berechnet und angezeigt werden kann. Das Vorgehen wird auch in dem Video 1 am Ende des Videos dargestellt.
Abbildung 15: Tippe auf die drei Punkte neben dem pH-Wert im Datensatz 1 und tippe auf “Berechnete Spalte hinzufügen”.
Abbildung 16: Benenne die Spalte mit dem Namen “1. Ableitung” und tippe auf “Ausdruck einfügen”.
Abbildung 17: Wähle den Ausdruck “Erste Ableitung (Y, X).
Abbildung 18: Zeige die erste Ableitung (rot) im Diagramm an. Tippe dafür auf der linken Seite auf pH und aktiviere den Schalter bei der 1. Ableitung.
Downloads und Links
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Arbeitsmaterial
Theoretischer Hintergrund zur Titration
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Arbeitsmaterial
Praktische Durchführung (pH-Wert gegen die Zeit)
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Arbeitsmaterial
Durchführung einer Titration mit manueller Volumenerfassung