Stell dir vor, du findest eine Flasche mit der Aufschrift salzsaure Lösung. Du kannst daraus ableiten, dass es sich um eine Lösung von Hydrogenchlorid \(\ce{(HCl)}\) in Wasser \(\ce{(H_2O)}\) handelt. Es ist jedoch völlig unklar welche Konzentration an Hydrogenchlorid vorliegt. Mit der Säure-Base-Titration kannst du diese Konzentration sehr präzise bestimmen.
Die Säure-Base-Titration ist ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration einer Säure oder Base in einer wässrigen Lösung. Das Verfahren ist möglich, da Oxonium- und Hydroxid-Ionen Wassermoleküle bilden:
\(\ce{H3O+ + OH- -> H2O + H2O}\)
Bei der Durchführung der Titration wird immer eine Lösung bekannter Konzentration (Maßlösung) zu einem vorher bestimmten Volumen einer Lösung unbekannter Konzentration (Probelösung) bis zur Neutralisation zugegeben. Wo die basische und wo die saure Lösung verwendet wird, ergibt sich aus dem Kontext. Möchtest du zum Beispiel den Säuregehalt einer unbekannten sauren Lösung bestimmen, so ist das die Probelösung. Als Maßlösung muss somit eine basische Lösung bekannter Konzentration verwendet werden. Aus dem Volumen der verbrauchten Maßlösung, ihrer Konzentration und dem Volumen der vorgelegten Probelösung können die Stoffmenge, die Masse und die Konzentration des in der Probelösung gelösten Stoffes errechnet werden.
Der Endpunkt einer Säure-Base-Titration ist der Äquivalenzpunkt (auch stöchiometrischer Punkt genannt). Der Äquivalenzpunkt ist erreicht, wenn zu einer sauren Lösung gerade so viel basische Lösung hinzugegeben wurde, wie zur vollständigen Umsetzung der vorgelegten Säure erforderlich ist, wenn also äquivalente Mengen an Säuren und Basen in der Lösung vorliegen.
Vorsicht Verwechslungsgefahr Der pH-Wert des Systems am Äquivalenzpunkt stimmt nicht in jedem Fall mit dem Neutralpunkt (pH = 7) überein. Bei der Titration einer starken Säure mit einer starken Base ist der pH-Wert des Systems im Äquivalenzpunkt gleich 7. Dies gilt jedoch nicht im Fall der Titration einer schwachen Säure mit einer starken Base oder bei der Titration einer schwachen Base mit einer starken Säure. Beispielsweise entsteht bei der Neutralisation einer Essigsäure-Lösung mit einer Natriumhydroxid-Lösung eine Natriumacetat-Lösung, die wiederum basisch ist.
In der Abbildung (Abb. 1.1 und 1.2) siehst du die Änderung des pH-Wertes in Abhängigkeit vom Volumen der zugegebenen Maßlösung (Natriumhydroxid-Lösung) bei Salzsäure und Essigsäure verschiedener Konzentration. Es ist zu erkennen, dass der Wendepunkt (entsprechend dem Äquivalenzpunkt bei der Essigsäure im basischen Bereich liegt (pH = 8,85) (Abb. 1.1), während er bei der Salzsäure in den neutralen Bereich (pH = 7) (Abb. 1.2) fällt.
Um die Konzentration der Oxonium-lonen im neutralen Bereich um mehrere Potenzen zu verringern, wird also nicht viel basische Lösung benötigt. Zur Visualisierung der errechneten Werte empfiehlt es sich, den pH-Wert der Vorlage gegen den Verbrauch der Maßlösung grafisch darzustellen.
Visuelle Indikation
Das Erreichen beziehungsweise Überschreiten des Äquivalenzpunkts kann durch Indikatoren angezeigt werden (visuelle Indikation). Dabei ist es wichtig zu wissen, in welchem pH-Bereich der Äquivalenzpunkt des Systems liegt. Der pH-Wert des Äquivalenzpunktes sollte möglichst im Bereich des Farbumschlags des gewählten Indikators liegen.
Instrumentelle Indikation — Leitfähigkeitstitration
Die Leitfähigkeitstitration nutzt die Eigenschaft der Ionen, in wässriger Lösung den elektrischen Strom leiten zu können. Leitfähigkeitsprüfer sind zwei gleiche inerte Elektroden, an denen eine Wechselspannung angeschlossen ist. Der Leitfähigkeitsprüfer wird in die Probelösung getaucht. Während der Titration wird die Leitfähigkeit gemessen und gegen den Verbrauch an Maßlösung aufgetragen. Grundlage der Leitfähigkeitstitration ist die Tatsache, dass verschiedene Ionensorten einen unterschiedlichen Beitrag zur Leitfähigkeit des Systems liefern. Während der Titration ändern sich die Konzentrationsverhältnisse der einzelnen Ionensorten und damit auch die Leitfähigkeit. Dies wird am Beispiel der Titration einer Chlorwasserstoff-Lösung mit Natriumhydroxidlösung betrachtet. Bei der Titration läuft folgende bekannte Neutralisationsreaktion ab:
\(\ce{H3O+ + Cl- +Na+ + OH- <=> Na+ + Cl- + 2 H2O}\)
Joachim Herz Stiftung; Jonas Trautner
Vor Zugabe der Natriumhydroxid-Lösung liegen nur Oxonium-Ionen und Chlorid-Ionen in der Lösung vor. Bei Zugabe der Natriumhydroxid-Lösung bilden nun nach und nach Oxonium-Ionen mit Hydroxid-Ionen durch Protolyse Wassermoleküle. Die Anzahl an Ionen im System bleibt dabei gleich. Jedes Oxonium-Ion, das ein Proton an ein Hydroxid-Ion abgibt, wird durch ein Natrium-Ion „ersetzt". Allerdings sind Oxonium-lonen in wässriger Lösung etwa siebenmal beweglicher als Natrium-Ionen, sodass bei stetiger Zugabe von Natriumhydroxid-Lösung die Leitfähigkeit abnimmt. Bei Überschreiten des Äquivalenzpunkts findet nun keine Neutralisation mehr statt und die Gesamtanzahl an Ionen nimmt mit weiterer Zugabe von Natriumhydroxid-Lösung zu; die Leitfähigkeit des Systems steigt. Der Äquivalenzpunkt dieser Titration wird also durch den Wert der geringsten Leitfähigkeit bestimmt. Diesen Punkt kannst du auch sehr gut in Abbildung 2 erkennen. Die Leitfähigkeitstitration weist Vorteile auf, wenn die Probelösung bereits farbig ist und dadurch eine visuelle Indikation erschwert ist.