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Versuche

Experimentelle Bestimmung des \(\pu{pK_s}\)-Wertes von Essigsäure

Zielsetzung

Mit diesem Experiment lernst du eine Möglichkeit kennen, wie du den \(\rm{pK_s}\)-Wert von Säuren im Labor bestimmen kannst.

Hinweise zum Experiment

Damit in Chemie bzw. beim Experimentieren keine Unfälle passieren, musst du auf die Sicherheit achten. Die Sicherheit ist immer wichtig, wenn du in einem Fachraum oder Labor bist. Bitte beachte bei allen Experimenten die Hinweise zur Sicherheit im LaborDie Durchführung des Experiments erfordert eine Gefährdungsbeurteilung durch die Lehrkraft.

CC-BY-NC 4.0 / Joachim Herz Stiftung; Hanne Rautenstrauch
Abb. 1 Versuchsmaterial

Material

  • Bürette
  • Stativ
  • Bürettenhalter
  • 2 Bechergläser
  • Trichter
  • pH-Meter
  • Messpipette oder Messzylinder \(\ce{(25 ml)}\)

Chemikalien

  • Essigsäure \(\ce{(c\,=\,0,1 mol/l)}\)
  • Natronlauge \(\ce{(c\,=\,0,1 mol/l)}\)
  • Phenolphthalein-Lösung
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Edukte

Stoffname Summenformel Gefahrenhinweise
Phenolphthalein \(\ce {C20H14O4}\)
GHS08 - Systemische Gesundheitsgefährdungen
H341: Kann vermutlich genetische Defekte verursachen. H350: Kann Krebs erzeugen. H361f: Kann vermutlich die Fruchtbarkeit beeinträchtigen.
P201: Vor Gebrauch besondere Anweisungen einholen. P280: Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/Augenschutz/Gesichtsschutz tragen. P308+P313: BEI Exposition oder falls betroffen: Ärztlichen Rat einholen/ärztliche Hilfe hinzuziehen.
Link zur GESTIS-Stoffdatenbank
Essigsäure \(\ce{(c\,=\,0,1 mol/l)}\) \(\ce{C_2H_4O_2}\)
GHS05 - Ätzend etc. Kat. 1
H290 Kann gegenüber Metallen korrosiv sein.
P234 Nur in Originalverpackung aufbewahren. P390 Verschüttete Mengen aufnehmen, um Materialschäden zu vermeiden.
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Natriumhydroxid-Lösung \( \pu {({\it c} = 0,1 \frac{mol}{L})} \) \(\ce{NaOH}\)
GHS05 - Ätzend etc. Kat. 1
H290: Kann gegenüber Metallen korrosiv sein. H314: Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere Augenschäden.
P280: Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/Augenschutz/Gesichtsschutz tragen. P303+P361+P353: BEI BERÜHRUNG MIT DER HAUT (oder dem Haar): Alle kontaminierten Kleidungsstücke sofort ausziehen. Haut mit Wasser abwaschen/duschen. P305+P351+P338: BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser spülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter spülen.
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Phenolphthalein
\(\ce {C20H14O4}\)
GHS08 - Systemische Gesundheitsgefährdungen
H341: Kann vermutlich genetische Defekte verursachen. H350: Kann Krebs erzeugen. H361f: Kann vermutlich die Fruchtbarkeit beeinträchtigen.
P201: Vor Gebrauch besondere Anweisungen einholen. P280: Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/Augenschutz/Gesichtsschutz tragen. P308+P313: BEI Exposition oder falls betroffen: Ärztlichen Rat einholen/ärztliche Hilfe hinzuziehen.
Essigsäure \(\ce{(c\,=\,0,1 mol/l)}\)
\(\ce{C_2H_4O_2}\)
GHS05 - Ätzend etc. Kat. 1
H290 Kann gegenüber Metallen korrosiv sein.
P234 Nur in Originalverpackung aufbewahren. P390 Verschüttete Mengen aufnehmen, um Materialschäden zu vermeiden.
Natriumhydroxid-Lösung \( \pu {({\it c} = 0,1 \frac{mol}{L})} \)
\(\ce{NaOH}\)
GHS05 - Ätzend etc. Kat. 1
H290: Kann gegenüber Metallen korrosiv sein. H314: Verursacht schwere Verätzungen der Haut und schwere Augenschäden.
P280: Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/Augenschutz/Gesichtsschutz tragen. P303+P361+P353: BEI BERÜHRUNG MIT DER HAUT (oder dem Haar): Alle kontaminierten Kleidungsstücke sofort ausziehen. Haut mit Wasser abwaschen/duschen. P305+P351+P338: BEI KONTAKT MIT DEN AUGEN: Einige Minuten lang behutsam mit Wasser spülen. Eventuell vorhandene Kontaktlinsen nach Möglichkeit entfernen. Weiter spülen.

Produkte

Stoffname Summenformel Gefahrenhinweise
Natriumacetat $\ce{C2H3NaO2}$ Link zur GESTIS-Stoffdatenbank
Wasser \(\ce {H2O} \)
Kein gefährlicher Stoff nach GHS.
Kein gefährlicher Stoff nach GHS.
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Phenolphthalein \(\ce {C20H14O4}\)
GHS08 - Systemische Gesundheitsgefährdungen
H341: Kann vermutlich genetische Defekte verursachen. H350: Kann Krebs erzeugen. H361f: Kann vermutlich die Fruchtbarkeit beeinträchtigen.
P201: Vor Gebrauch besondere Anweisungen einholen. P280: Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/Augenschutz/Gesichtsschutz tragen. P308+P313: BEI Exposition oder falls betroffen: Ärztlichen Rat einholen/ärztliche Hilfe hinzuziehen.
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Essigsäure \(\ce{(c\,=\,0,1 mol/l)}\) \(\ce{C_2H_4O_2}\)
GHS05 - Ätzend etc. Kat. 1
H290 Kann gegenüber Metallen korrosiv sein.
P234 Nur in Originalverpackung aufbewahren. P390 Verschüttete Mengen aufnehmen, um Materialschäden zu vermeiden.
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Natriumacetat
$\ce{C2H3NaO2}$
Wasser
\(\ce {H2O} \)
Kein gefährlicher Stoff nach GHS.
Kein gefährlicher Stoff nach GHS.
Phenolphthalein
\(\ce {C20H14O4}\)
GHS08 - Systemische Gesundheitsgefährdungen
H341: Kann vermutlich genetische Defekte verursachen. H350: Kann Krebs erzeugen. H361f: Kann vermutlich die Fruchtbarkeit beeinträchtigen.
P201: Vor Gebrauch besondere Anweisungen einholen. P280: Schutzhandschuhe/Schutzkleidung/Augenschutz/Gesichtsschutz tragen. P308+P313: BEI Exposition oder falls betroffen: Ärztlichen Rat einholen/ärztliche Hilfe hinzuziehen.
Essigsäure \(\ce{(c\,=\,0,1 mol/l)}\)
\(\ce{C_2H_4O_2}\)
GHS05 - Ätzend etc. Kat. 1
H290 Kann gegenüber Metallen korrosiv sein.
P234 Nur in Originalverpackung aufbewahren. P390 Verschüttete Mengen aufnehmen, um Materialschäden zu vermeiden.

Versuchsaufbau/Durchführung

  1. Befestige eine Bürette an einem Stativ (Abb. 2.1).
  2. Befülle die Bürette mit Natriumhydroxid-Lösung \(\ce{(c\,=\,0,1 mol/l)}\) (Abb.2.2).
  3. Stelle ein kleines sauberes Becherglas unter die Bürette und lasse eine kleine Menge Natriumhydroxid-Lösung herauslaufen, damit auch der Hahn der Bürette vollständig mit Natriumhydroxid-Lösung gefüllt ist.
  4. Gib in ein Becherglas 25 ml Essigsäure-Lösung \(\ce{(c\,=\,0,1 mol/l)}\) (Abb. 2.3).
  5. Füge in das Becherglas ein paar Tropfen des Indikators Phenolphthalein hinzu (Abb. 2.4).

  1. Titriere nun die Essigsäure-Lösung mit der Natriumhydroxid-Lösung bis zum Farbumschlag (Abb. 3.1). Denke dabei daran, das Becherglas regelmäßig zu schwenken, damit sich die Stoffe im Becherglas gut miteinander vermischen.
  2. Lies deinen Verbrauch an Natriumhydroxid-Lösung in \(\ce{ml}\) ab und notiere ihn dir (Abb. 3.2).
  3. Gib nun in ein neues Becherglas \(\ce{25 ml}\) Essigsäure-Lösung (Abb. 3.3).
  4. Füge in das Becherglas nun die Hälfte der Menge Natriumhydroxid-Lösung  \(\ce{(c\,=\,0,1 mol/l)}\)  hinzu, die du bei deiner ersten Titration verbraucht hast (Abb. 3.4).

Ein Beispiel: Wenn du bei deiner ersten Titration \(\ce{24 ml}\) Natronlauge verbraucht hast, gibst du nun die Hälfte dieser Menge, also \(\ce{12 ml}\) Natriumhydroxid-Lösung, zu der Essigsäure-Lösung hinzu.

  1. Miss nun mit einem pH-Meter den \(\ce{pH-Wert}\) in der Lösung (Abb. 3.5).
Aufgabe
Aufgabe
  1. Führe das Experiment durch und notiere deine Beobachtungen.
  2. Erläutere, wieso der gemessene \(\pu{pH-Wert}\) dem \(\pu{pKs-Wert}\) von Essigsäure entspricht. Tipp: Zur Erläuterung solltest du dir die Henderson-Hasselbalch-Gleichung ("Puffergleichung") anschauen.

Lösung

Beobachtung

  1. Essigsäure-Lösung und Phenolphthalein ergeben eine klare, farblose Lösung.
  2. Nach der Zugabe von \(\ce{25 ml}\) Natriumhydroxid-Lösung kannst du einen Farbumschlag nach pink erkennen.
  3. Nachdem du das zweite Becherglas mit \(\ce{25 ml}\) Essigsäure-Lösung befüllt und anschließend \(\ce{12,5 ml}\) Natriumhydroxid-Lösung dazu gegeben hast, kannst du einen \(\pu{pH-Wert}\) von ca. \(\ce{4,76}\) messen.

Erklärung

  1. Bei dem ersten Versuchsdurchgang titrierst du vollständig bis zum Äquivalenzpunkt. Dies wird durch den Farbumschlag des Indikators Phenolphthalein deutlich. Am Äquivalenzpunkt wurde die Essigsäure vollständig durch Natriumhydroxid neutralisiert. Es sind Natriumacetat und Wasser entstanden.

\(\ce{CH_3COOH + NaOH <--> CH_3COONa + H_2O}\)

  1. Beim zweiten Versuchsdurchgang hast du nur die Hälfte der Menge an Natriumhydroxid-Lösung zur Essigsäure-Lösung hinzugegeben, die zur Neutralisation nötig wäre. Dadurch ist nur die Hälfte der Essigsäure neutralisiert und die andere Hälfte nicht. Diesen Punkt nennen wir den Halbäquivalenzpunkt. Am Halbäquivalenzpunkt liegt eine gleiche Konzentration an Säure \(\ce{(HA)}\) und Säurerest-Ionen \(\ce{(A^-)}\) vor. Nun betrachten wir die Henderson-Hasselbalch-Gleichung, auch Puffergleichung genannt. Denn in unserer Lösung liegen nun sowohl eine Säure (Essigsäure) als auch ihre konjugierte Base (Natriumacetat) zu gleichen Teilen vor. Unsere Lösung ist am Halbäquivalenzpunkt also eine Pufferlösung. Die Henderson-Hasselbalch-Gleichung lautet wie folgt: \(\pu{pH = pKs-lg \frac{c(HA)}{c(A^-)} }\). Am Halbäquivalenzpunkt sind die Konzentrationen der Säure- und der Säurerest-Ionen gleich groß. Werden für \(\ce{c(HA)}\) und \(\ce{c(A^-)}\) die gleichen Werte eingesetzt, erhalten wir: \(\pu{pH = pKs-lg 1 }\). Der Logarithmus von 1 ist gleich 0. Daher gilt am Halbäquivalenzpunkt \(\pu{pH = pKs}\). Dein gemessener \(\pu{pH-Wert}\) entspricht somit ungefähr dem \(\pu{pKs-Wert}\) der Essigsäure. Durch ungenaues Ablesen oder Abmessen kann es zu kleinen Abweichungen kommen. Der \(\pu{pKs-Wert}\) von Essigsäure liegt laut Literatur bei 4,76. In unserem Versuchsvideo (Abb. 4) liegt der experimentell bestimmte \(\pu{pKs-Wert}\) leicht abweichend bei 4,84.