Urtiter für Salzsäure-Maßlösung
Welche basischen Urtiter Salzsäure-Maßlösung einstellen, wie sie mit HCl reagieren und wie man Natriumcarbonat reinigt und titriert.
Das Wichtigste in Kürze
- Zur Einstellung von Salzsäure-Maßlösung dienen basische Urtiter: Natriumcarbonat, Kaliumhydrogencarbonat und Trometamol.
- Ein mol \(\ce{Na2CO3}\) verbraucht zwei Äquivalente HCl, ein mol \(\ce{KHCO3}\) oder Trometamol nur eines.
- Natriumcarbonat reinigt man durch Einleiten von \(\ce{CO2}\) in die gesättigte Lösung, Abfiltrieren von \(\ce{NaHCO3}\) und Erhitzen auf 270 bis 300 °C.
- Kurzes Aufkochen bei der Titration gegen Methylorange treibt \(\ce{CO2}\) aus und macht den zweiten pH-Sprung steiler.
- Kaliumhydrogencarbonat dient zur Einstellung von 0,1 M Salzsäure.
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Worum es geht
Eine Salzsäure-Maßlösung ist erst brauchbar, wenn ihr Faktor gegen eine genau eingewogene Base bestimmt ist. Die klassischen Urtiter dafür sind Natriumcarbonat, Kaliumhydrogencarbonat und Trometamol. Welche Eigenschaften ein Urtiter grundsätzlich braucht, steht unter Anforderungen an Urtitersubstanzen.
Natriumcarbonat
Natriumcarbonat (\(\ce{Na2CO3}\), \(M\) = 105,99 g/mol) ist eine zweibasige Base. Es nimmt nacheinander zwei Protonen auf. Deshalb eignet es sich zur Einstellung von Salzsäure-Maßlösung, wie der Ablauf unter Faktor und Einstellung von Maßlösungen beschreibt.
\[\ce{CO3^2- + H+ -> HCO3-}\]
\[\ce{HCO3- + H+ -> H2CO3 -> H2O + CO2 ^}\]
Insgesamt gilt:
\[\ce{Na2CO3 + 2 HCl -> 2 NaCl + H2O + CO2 ^}\]
Ein mol \(\ce{Na2CO3}\) verbraucht also zwei Äquivalente HCl. Die erste Stufe endet bei etwa pH 8,3, die zweite um pH 4. Für die Einstellung titriert man bis zur zweiten Stufe. Wie solche Kurven entstehen, erklärt Mehrstufige Titrationskurven.
Wird im Examen gerne gefragt: Ein mol \(\ce{Na2CO3}\) entspricht zwei mol HCl, nicht einem. Gereinigt wird es durch Einleiten von \(\ce{CO2}\) in die gesättigte wässrige Lösung.
Rechenbeispiel
Man wiegt 0,1325 g \(\ce{Na2CO3}\) ein. Das sind 1,250 mmol. Sie verbrauchen theoretisch 2,500 mmol HCl, also 25,00 mL einer 0,1 M Lösung. Verbraucht werden tatsächlich 24,50 mL. Der Faktor beträgt \(f = 25{,}00/24{,}50 = 1{,}020\). Weitere Fälle rechnet Faktor und Gehalt berechnen durch.
Reinigung
Handelsübliches Natriumcarbonat enthält Fremdsalze. Man leitet daher Kohlendioxid in die gesättigte wässrige Lösung. Das schwerer lösliche Natriumhydrogencarbonat fällt aus, die Verunreinigungen bleiben gelöst.
\[\ce{Na2CO3 + CO2 + H2O -> 2 NaHCO3 v}\]
Der abfiltrierte Niederschlag wird auf 270 bis 300 °C erhitzt. Dabei entsteht wieder reines Carbonat.
\[\ce{2 NaHCO3 ->[\Delta] Na2CO3 + H2O + CO2 ^}\]
Anders als bei vielen organischen Urtitern hilft Umkristallisieren aus verdünnter Essigsäure hier nicht. Jede Säure, auch Salzsäure, zersetzt Carbonat unter \(\ce{CO2}\)-Entwicklung. Übrig bliebe nur ein Salz der Säure.
Durchführung und Aufkochen
Das gebildete \(\ce{CO2}\) bleibt teilweise gelöst. Als Kohlensäure puffert es zusammen mit restlichem Hydrogencarbonat und flacht den zweiten pH-Sprung ab. Der Umschlag wird schleppend.
- Titrieren: Urtiter in Wasser lösen, Methylorange zusetzen und bis zum beginnenden Umschlag nach Rot titrieren.
- Aufkochen: Kurz kochen. Das gelöste \(\ce{CO2}\) entweicht, die Lösung wird wieder gelb.
- Abkühlen und fertig titrieren: Bis zum erneuten Umschlag weitertitrieren.
Das Aufkochen dient allein dem Austreiben von \(\ce{CO2}\). Dabei fällt nichts aus, denn Natriumcarbonat ist gut wasserlöslich. Danach verläuft der zweite Sprung deutlich steiler.
Natriumcarbonat ist eine Base und weder Oxidations- noch Reduktionsmittel. Es stellt deshalb nur Säuren ein. Für Natronlauge braucht man einen sauren Urtiter, siehe Urtiter für Natronlauge und Kalilauge. Thiosulfat und andere Redoxmaßlösungen behandelt Urtiter für Redoxmaßlösungen.
Kaliumhydrogencarbonat
Kaliumhydrogencarbonat (\(\ce{KHCO3}\), \(M\) = 100,12 g/mol) ist ebenfalls ein gebräuchlicher Urtiter der Acidimetrie. Besonders prüfungsrelevant ist, dass man damit 0,1 M Salzsäure einstellt. Es nimmt nur ein Proton auf:
\[\ce{KHCO3 + HCl -> KCl + H2O + CO2 ^}\]
Die Titration entspricht damit der zweiten Stufe des Carbonats. Auch hier entsteht \(\ce{CO2}\), das den Endpunkt verschleppen kann. Das Salz ist nicht hygroskopisch. Stark erhitzen darf man es aber nicht, sonst geht es in Kaliumcarbonat über.
Ein mol \(\ce{KHCO3}\) verbraucht ein mol HCl, ein mol \(\ce{Na2CO3}\) dagegen zwei. Beim Faktor ergibt eine falsche Stöchiometrie sofort einen doppelt oder halb so großen Wert.
Trometamol
Trometamol (Tris(hydroxymethyl)aminomethan, TRIS, \(M\) = 121,14 g/mol) ist eine organische Base. Ein zentrales Kohlenstoffatom trägt drei \(\ce{CH2OH}\)-Gruppen und eine primäre Aminogruppe. Diese nimmt ein Proton auf.
\[\ce{(HOCH2)3C-NH2 + HCl -> (HOCH2)3C-NH3+ + Cl-}\]
Die Reaktion läuft 1:1 und setzt kein \(\ce{CO2}\) frei. Trometamol stellt deshalb Säuremaßlösungen ein. Für Basemaßlösungen taugt es nicht, denn als Base reagiert es mit Lauge nicht.
Quiz
Aussage 1
Bei der Einstellung von Salzsäure verbraucht ein mol \(\ce{Na2CO3}\) bis zum Endpunkt zwei mol HCl.
Carbonat nimmt nacheinander zwei Protonen auf, bis \(\ce{H2CO3}\) bzw. \(\ce{CO2}\) und Wasser entstehen.
Aussage 2
Kaliumhydrogencarbonat eignet sich als Urtiter zur Einstellung von 0,1 M Salzsäure und reagiert mit HCl im Verhältnis 1:1.
\(\ce{KHCO3 + HCl -> KCl + H2O + CO2}\): ein Proton je Formeleinheit.
Aussage 3
Das kurze Aufkochen während der Titration von Natriumcarbonat mit Salzsäure soll ausgefallenes Natriumcarbonat wieder in Lösung bringen.
Es fällt nichts aus. Das Aufkochen treibt gelöstes \(\ce{CO2}\) aus, damit der zweite pH-Sprung steil wird.
Aussage 4
Trometamol ist ein geeigneter Urtiter zur Einstellung von Natronlauge-Maßlösung.
Trometamol ist eine Base mit primärer Aminogruppe und stellt nur Säuremaßlösungen ein.
Aussage 5
Beim Einleiten von \(\ce{CO2}\) in gesättigte Natriumcarbonatlösung fällt Natriumhydrogencarbonat aus, während Verunreinigungen gelöst bleiben.
\(\ce{NaHCO3}\) ist schwerer löslich als \(\ce{Na2CO3}\) und wird nach dem Abfiltrieren bei 270 bis 300 °C wieder zu reinem Carbonat.
Aussage 6
Natriumcarbonat für die Urtitereinstellung wird durch Umkristallisieren aus verdünnter Essigsäure gereinigt.
Säuren zersetzen Carbonat. Man leitet stattdessen \(\ce{CO2}\) in die gesättigte Lösung, filtriert \(\ce{NaHCO3}\) ab und erhitzt es zu \(\ce{Na2CO3}\).
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