Konduktometrie

Antwort E ist korrekt

Der Leitwert ist abhängig von der Konzentration c, der Ladungszahl z*, der Wanderungsgeschwindigkeit v und der Ionenbeweglichkeit u, da ⚠ $ Λ = \frac{1000 \cdot k}{c \cdot z \cdot n}\ $ gilt.

Die Temperatur T soll während der Messung konstant bleiben, da diese die Wanderungsgeschwindigkeit und Ionenbeweglichkeit bzw. die Grenzionenäquivalentleitfähigkeit beeinflusst. Sonst ist das für die Richtigkeit der Messung notwendige lineare Verhältnis zwischen c und G (Leitwert), bzw c und k (Leitfähigkeit) nicht mehr gegeben. ²

Antwort A ist korrekt

1. Vor dem Äquivalenzpunkt wird ⚠ $H_{3}O^{+}$ durch die Natriumionen der Natronlauge ersetzt, dessen Leitfähigkeit deutlich schlechter ist. Dadurch sinkt die Gesamtleitfähigkeit. Nachdem der Äquivalenzpunkt erreicht ist, steigt die Gesamtleitfähigkeit aufgrund der Zugabe der gut leitenden ⚠ $OH^{-}$ Ionen wieder an. ⁴

2. Bei der Titration des Natriumacetats treten an die Stelle der Acetationen die etwas besser leitenden Chloridionen. Die dadurch entstehende Essigsäure liegt weitgehend undissoziiert vor (Bsp. ca. 5% bei 0,01 mol/L), sodass die Leitfähigkeit nur leicht ansteigen wird. Nachdem der Äquivalenzpunkt erreicht wird, gibt es einen starken Leitfähigkeitsanstieg durch die ⚠ $H_{3}O^{+}$ Ionen. ⁵

3. Die Titration von Salzsäure mit Ammoniak ist eine Titration starker Säure mit schwacher Base. Zunächst fällt die Gesamtleitfähigkeit durch Neutralisation der ⚠ $H_{3}O^{+}$ Ionen, nach dem Äquivalenzpunkt wird die Gesamtleitfähigkeit kaum beeinflusst. Ammoniak dissoziiert im Wasser nur zum geringen Anteil. ⁶

4. Bei der Titration von Ammoniumchlorid ersetzen die schlechter leitenden Natrium-Ionen die Ammonium-Ionen. Dadurch sinkt zunächst leicht die Leitfähigkeit, bis der Äquivalenzpunkt erreicht wird. Der Abfall der Leitfähigkeit ist dabei deutlich flacher im Vergleich zum Anstieg nach dem Äquivalenzpunkt. ⁷

5. Die Essigsäure liegt nur schwach dissoziiert vor, und kann keinen so hohen Leitwert zu Beginn haben. Der Leitwert wäre deutlich geringer und würde langsam ansteigen. Nachdem der Äquivalenzpunkt erreicht wird, gibt es einen starken Leitfähigkeitsanstieg durch die ⚠ $OH^{-}$ Ionen.⁸

Antwort C ist korrekt

1. Der Widerstand wird von der Polarisationsspannung beeinflusst: ⚠ $ R = \frac{U-U_{p}}{I}\ $ ⁹

2. Es handelt sich um die Definition der elektrischen Polarisation. ¹⁰

3. Durch Einsatz von Wechselspannung, wechselt ständig die Polarität der Spannung. Die kurze Zeit zwischen der Umpolung reicht dabei nicht aus, um eine Polarisation der Elektroden zuzulassen. ¹¹

4. Die Verwendung großflächiger Elektroden erschwert die Polarisation, da hier eine größere Fläche polarisiert werden muss. ¹²

5. Die Ladungszahl des Elektrodenmaterials beeinflusst die Polarisation nicht. Die Polarisation entsteht unabhängig von der Ladungszahl. ¹³

Antwort D ist korrekt

1. Essigsäure liegt in Wasser dissoziiert vor und ist somit nachweisbar. ¹⁴

2. Natriumchlorid ist ein wasserlösliches Salz. ¹⁵

3. Aceton liegt nicht geladen vor. ¹⁶

4. Harnstoff liegt im Wasser praktisch ungeladen vor. ¹⁷

5. Dihydrogencarbonat liegt im Wasser dissoziiert und geladen vor. ¹⁸

Da Aceton und Harnstoff in Wasser ungeladen vorliegen, führen beide Verunreinigungen zu keiner deutlichen Änderung des relativen Leitwerts.¹⁹

Antwort E ist korrekt

A.: Der Einfluss der Ionen auf den pH-Wert hat keinen Einfluss auf die Grenzleitfähigkeit. Die starke Verdünnung, die zur zuverlässigen konduktometrischen Indikation benötigt wird, lässt keine starke Abweichung vom pH-Wert 7 zu, was auch darauf hindeutet, dass diese keinen Einfluss nehmen kann.²⁰

B.: Auch andere Ionen haben die gleiche Ladungszahl (z*=1) wie ⚠ $H_{3}O^{+}$ und ⚠ $OH^{-}$, dafür aber eine deutlich geringere Grenzleitfähigkeit (z.B. ⚠ $Li^{+}$=38,7; ⚠ $H_{3}O^{+}$= 349,8).²¹

C.: Die Wechselwirkung verschlechtert die Grenzionenleitfähigkeit. Deswegen setzt man stark verdünnte Lösungen ein.²²

D.: Die Solvathülle verschlechtert die Grenzionenleitfähigkeit. Diese entsteht bei ⚠ $H_{3}O^{+}$ und ⚠ $OH^{-}$ nicht.²³

E.: Diesen Vorgang nennt man Tunneleffekt.²⁴

⚠ $ x_1 = \frac{U}{I}\ $

⚠ $ x_2= \frac{U-U_P}{I}\ $

⚠ $ x_3=ρ \cdot \left(\frac{L}{S}\right) $

⚠ $ x_4=\frac{1}{R}\ $

⚠ $ x_5=\frac{1}{ρ}\ $

⚠ $ x_6=G \cdot K_{Zelle} $

⚠ $ K_{Zelle}= \frac{L(Länge)}{S(Querschnitt)}\ $ ²⁶

26,7 mg/100mL.

Es gilt:

⚠ $ ß(HCl) = V(NaOH) \cdot c(NaOH) \cdot f(NaOH) \cdot M(HCl) $

⚠ $ ß(HCl) = 1,430 mL \cdot 0,5 mol/L \cdot 1,026 \cdot 36,4 g/mol = 26,7 mg/100mL $

Nein, da die Leitfähigkeit von mehreren Faktoren abhängt, die zum Teil nicht ionenspezifisch sind (Konzentration, Ladung, Beweglichkeit).²⁷

⚠ $ k = G \cdot K_{Zelle} = \frac{1}{R}\ \cdot \frac{L}{S}\ $

⚠ $ k= \frac{1}{3Ω}\ \cdot \frac{1,2cm}{2 \cdot 5cm^{2}}\ = 0,04 \frac{1}{Ω \cdot cm}\ = 0,04 \frac{S}{cm}\ $

Gleichspannung sollte hier nicht verwendet werden, da es sonst zur Ausbildung der unerwünschten Polarisation kommt. ²⁸

Bei der Grenzionenäquivalentleitfähigkeit ist berücksichtigt, dass Ionen unterschiedlich hohe Ladungszahlen haben. Zur besseren Vergleichbarkeit, sind alle mit der Ladungszahl +/- 1 angegeben. Bei einer idealen Lösung mit unendlicher Verdünnung geht man davon aus, dass zwischen den Ionen keine Wechselwirkungen stattfinden können.²⁹

Ausgangsstoffe: ⚠ $ HCl, CH_{3}COOH, NaOH $

Bis zum 1.ÄP: ⚠ $ HCl + NaOH → NaCl + H_{2}O $

Bis zum 2.ÄP: ⚠ $ CH_{3}COOH + NaOH → CH_{3}COONa + H_{2}O $ ³¹

Ein Konduktometer mit Leitfähigkeitsmesszelle, bestehend aus zwei planparallelen platinierten Platinblechen. ³²

In diesem Beispiel wurde der Maßlösungsverbrauch mithilfe von Ausgleichsgeraden berechnet, die durch ein Tabellenkalkulationsprogramm (Excel, Numbers, LibreOffice Calc) dargestellt wurden. Dadurch ergaben sich insgesamt drei Ausgleichsgeraden, von denen durch entsprechende Gleichsetzung die Schnittpunkte berechnet werden konnten. Eine weitere Möglichkeit ist die händische/grafische Bestimmung des Maßlösungverbrauchs. Hierbei werden die Äquivalenzpunkte, welche sich aus dem Kurvenverlauf ergeben, per Hand bestimmt, indem durch alle Werte, die jeweils nach Augenmaß eine Gerade ergeben, ein Strich gezogen wird. Insgesamt ergeben sich im obigen Beispiel somit drei Striche, welche das Pendant zu den Ausgleichsgeraden der Tabellenkalkulationsprogramme bilden. An den Schnittpunkten dieser Striche/Geraden werden dann Lote zur x-Achse gefällt. Die dabei entstehenden Schnittpunkte mit der x-Achse geben den Maßlösungsverbrauch am jeweiligen Äquivalenzpunkt an. Von den beiden genannten Verfahren ist die händische Methode, bei der ein Lot gefällt wird, am fehleranfälligsten und somit auch am ungenauesten. Das Verfahren der Ausgleichsgeraden ist von den Möglichkeiten die wohl effizienteste, sowohl was Genauigkeit als auch Bequemlichkeit/Schnelligkeit angeht. ³³

Bei dem ersten Äquivalenzpunkt wurde wie in der Reaktionsgleichung (siehe a) HCl komplett zu NaCl umgesetzt, dadurch wird hier der Verbrauch an Maßlösung für die Salzsäure dargestellt. Bei dem zweiten Äquivalenzpunkt wurde ⚠ $CH_{3}COOH$ komplett zu ⚠ $CH_{3}COONa$ umgesetzt, weshalb hier der Verbrauch an Maßlösung für die Essigsäure beschrieben wird. Da zuerst die stärkere Säure titriert wurde und somit keine parallele Umsetzung von HCl und ⚠ $CH_{3}COOH$ statt fand, ist zu beachten, dass lediglich die Differenz an Maßlösungsverbrauch zwischen dem ersten und zweiten Äquivalenzpunkt dem Verbrauch an NaOH für die Essigsäure entspricht. ³⁴

⚠ $ ß(HCl)=V(NaOH,1.ÄP) \cdot c(NaOH) \cdot M(HCl) \cdot f(NaOH) \cdot f(Verd.) $

⚠ $ ß(CH_{3}COOH)=[V(NaOH, 2.ÄP)-V(NaOH,1.ÄP)] \cdot c(NaOH) \cdot M(CH_{3}COOH) \cdot f(NaOH) \cdot f(Verd.) $

Nach den Berechnungen kann man darüber Auskunft geben, wieviel mg Substanz an HCl und an ⚠ $CH_{3}COOH$ sich in 100ml Analysenlösung befinden. Dadurch ist die Konduktometrie ein Verfahren, welches sich besonders gut zur Quantifizierung von Substanzen eignet, bei dem die Ausgangsstoffe bereits bekannt sind. Mögliche Einsatzgebiete sind außerdem auch Reinheitsprüfungen auf ionische Verunreinigungen von Wasser für den pharmazeutischen Gebrauch, als Detektor bei der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie(HPLC) und das Bestimmen der Titrationsendpunkte von: Säure-, Base-, Fällungs- und komplexometrischen Titrationen. ³⁵