Neutralisation und Titration

Gibt man 0.100 M Natriumhydroxid zu 25.00 mL 0.100 M Salzsäure, springt der pH-Wert zwischen 24.9 mL und 25.1 mL Zugabe von 3.70 auf 10.30.

Trifft eine Säure auf eine Base, verbinden sich die Oxoniumionen der Säure mit den Hydroxidionen der Base zu Wasser: H₃O⁺ + OH⁻ → 2H₂O. Die übrigen Ionen bleiben als Salz zurück. Salzsäure und Natriumhydroxid ergeben Natriumchlorid und Wasser: HCl + NaOH → NaCl + H₂O. Schwefelsäure kann zwei Protonen abgeben und benötigt deshalb zwei Formeleinheiten Natriumhydroxid: H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O. Eine solche Reaktion heißt Neutralisation.

Säurebinder im Magen

Der Magen enthält ungefähr 0.03 M Salzsäure, die bei der Verdauung hilft. Allein daraus ergäbe sich ein pH-Wert von etwa 1.5. Sodbrennen entsteht, wenn etwas davon in die Speiseröhre aufsteigt, deren Schleimhaut nicht gegen die Säure geschützt ist. Antazida sind Basen, die den Überschuss neutralisieren. Magnesiamilch ist eine Suspension von Magnesiumhydroxid: Mg(OH)₂ + 2HCl → MgCl₂ + 2H₂O. Jede Formeleinheit Mg(OH)₂ neutralisiert zwei Formeleinheiten HCl. Laut OpenStax können magnesiumhaltige Antazida abführend wirken, während Aluminiumhydroxid eher Verstopfung verursacht. Manche Präparate kombinieren deshalb beide. Dies sind allgemeine Informationen, keine medizinische Beratung.

Titration: eine unbekannte Säurekonzentration messen

Durch Neutralisation können Chemiker Konzentrationen bestimmen. Bei einer Titration gibt man eine Lösung bekannter Konzentration, die Maßlösung, aus einer Bürette schrittweise zu einem abgemessenen Volumen der unbekannten Lösung. Man stoppt, wenn beide genau im Verhältnis der Reaktionsgleichung umgesetzt sind. Dieser Zustand heißt Äquivalenzpunkt. 25.00 mL 0.100 M HCl enthalten 0.100 × 0.02500 = 0.00250 mol Säure. Zur Neutralisation braucht man genau 0.00250 mol NaOH, also 25.00 mL einer 0.100-M-NaOH-Lösung.

Beobachte im Labor den pH-Wert beim Zugeben der Base. Anfangs steigt er langsam: Nach 20.0 mL liegt er erst bei 1.95. Kurz vor dem Äquivalenzpunkt steigt er dann steil an. Zwischen 24.9 mL und 25.1 mL, einem Unterschied von wenigen Tropfen, springt er von 3.70 auf 10.30. Bei einer starken Säure und einer starken Base liegt der Äquivalenzpunkt bei pH 7.00, weil Natriumchlorid nicht mit Wasser reagiert. Danach bestimmt das überschüssige Hydroxid den pH-Wert. Die Kurve flacht ab und erreicht bei 50.0 mL den Wert 12.52.

Schwache Säuren und die Indikatorwahl

Stelle das Labor auf Essigsäure um. Die Kurve beginnt höher, bei pH 2.87, und steigt flacher an. Auf halbem Weg zum Äquivalenzpunkt, bei 12.50 mL, ist die Hälfte der Säure zu Acetat geworden. Dann entspricht der pH-Wert dem pKa-Wert, etwa 4.74. Am Äquivalenzpunkt enthält der Kolben Natriumacetat. Acetat ist eine schwache Base, deshalb liegt der pH-Wert bei 8.72 und nicht bei 7. Das ist für die Indikatorwahl entscheidend. Der Umschlagsbereich von Phenolphthalein zwischen 8.3 und 10 liegt im steilen Abschnitt beider Kurven. Methylorange würde bei Essigsäure schon während der ersten Milliliter und damit viel zu früh umschlagen. Das Ergebnis wäre falsch.