Säure-Base-Titration nach Ionenaustausch
Wie Ionenaustauscher aufgebaut sind und wie man Salze nach Austausch gegen H⁺ oder OH⁻ als freie Säure oder Base titriert.
Das Wichtigste in Kürze
- Ein Ionenaustauscher ist ein vernetztes Harz, meist Polystyrol, mit fest gebundenen geladenen Gruppen, deren Gegenionen es gegen Ionen aus der Lösung tauscht.
- Kationenaustauscher tragen Sulfonsäure-, Phosphonsäure- oder schwach saure Carboxygruppen, Anionenaustauscher tragen quartäre Ammoniumgruppen.
- Die \(\ce{Na+}\)-Form wird mit Salzsäure in die \(\ce{H+}\)-Form regeneriert, Mischbetten trennt man vorher.
- \(\ce{Na2SO4}\) ergibt am \(\ce{H+}\)-Austauscher \(\ce{H2SO4}\): 2 mol NaOH je mol, 1 mL NaOH (1 mol/L) entspricht 71,0 mg.
- Die Austauscherkapazität wird in mmol Äquivalente pro Gramm angegeben, das Harz setzt man im Überschuss ein.
Dieses Kapitel ist für Supporter
Relaxed ins Stex ist ein kleines, unabhängiges Projekt. Mit einem Zugang unterstützt du uns und schaltest das ganze 1. Staatsexamen frei. ❤️
Bitte bestätige zuerst deine E-Mail-Adresse
Wir haben dir einen Link geschickt. Erst mit bestätigter E-Mail-Adresse kannst du einen Zugang freischalten und nutzen.
Worum es geht
Viele Salze wie Natriumsulfat oder Cholinchlorid haben selbst keine titrierbare saure oder basische Gruppe. Ein Ionenaustauscher macht aus ihnen eine äquivalente Menge Säure oder Base, die man klassisch titriert. Die Rechnung baut auf dem Titrationsäquivalent auf.
Aufbau von Ionenaustauschern
Ein Ionenaustauscher ist ein unlösliches Harz mit fest gebundenen geladenen Gruppen. Deren bewegliche Gegenionen tauscht es gegen Ionen gleicher Ladung aus der Lösung. Das Grundgerüst ist meist vernetztes Polystyrol.
Kationenaustauscher heißen auch saure Austauscher. Stark saure tragen Sulfonsäuregruppen (\(\ce{-SO3H}\)), weitere tragen Phosphonsäuregruppen. Schwach saure tragen Carboxygruppen. Halbester der Schwefelsäure kommen als Ankergruppe nicht vor, denn die Sulfonsäure hängt direkt am C-Atom des Rings. Anionenaustauscher tragen quartäre Ammoniumgruppen, die stark basischen Typen etwa \(\ce{-N(CH3)3+}\). Sie tauschen auch Anionen schwacher Säuren aus.
Das Harz bindet Ionen unterschiedlich fest. Höher geladene Ionen haften stärker, \(\ce{Na+}\) hat also eine geringere Affinität als \(\ce{Ca^2+}\). Weil der Austausch ein Gleichgewicht ist, verdrängt ein Überschuss an \(\ce{Na+}\) trotzdem gebundenes \(\ce{Mg^2+}\). Nach demselben Prinzip regeneriert man eine verbrauchte \(\ce{Na+}\)-Form mit Salzsäure zurück in die \(\ce{H+}\)-Form. Ein Mischbettaustauscher enthält beide Harze. Man trennt sie vor der Regeneration, damit das eine mit Säure in die \(\ce{H+}\)-Form und das andere mit Lauge in die \(\ce{OH-}\)-Form gebracht wird. Die chromatographische Anwendung steht unter Trennprinzipien.
Bestimmung von Salzen
Lässt man Natriumsulfat über einen stark sauren Kationenaustauscher in der \(\ce{H+}\)-Form laufen, bleibt \(\ce{Na+}\) am Harz. Im Eluat steht Schwefelsäure, die man alkalimetrisch titriert:
\[\ce{2 R-SO3H + Na2SO4 -> 2 R-SO3Na + H2SO4}\]
\[\ce{H2SO4 + 2 NaOH -> Na2SO4 + 2 H2O}\]
1 mol \(\ce{Na2SO4}\) verbraucht also 2 mol NaOH. Mit \(M = 142{,}04\) g/mol entspricht 1 mL NaOH (\(c = 1\) mol/L) daher 71,0 mg \(\ce{Na2SO4}\). Beispiel: 12,0 mL NaOH (0,1 mol/L) sind 1,20 mmol NaOH, also 0,60 mmol oder 85,2 mg Natriumsulfat.
Die Menge austauschbarer Ionen pro Masse Harz, angegeben in mmol Äquivalente pro Gramm. Für einen quantitativen Austausch setzt man das Harz im Überschuss ein, nicht nur in äquivalenter Menge.
Natriumacetat geht beide Wege. Am \(\ce{H+}\)-Austauscher entsteht Essigsäure, titriert mit NaOH. Am stark basischen \(\ce{OH-}\)-Austauscher entsteht NaOH, titriert mit Salzsäure. Quartäre Ammoniumsalze wie Cholinchlorid oder Tetramethylammoniumchlorid lassen sich nicht als Kationsäure titrieren, denn am Stickstoff sitzt kein abspaltbares Proton. Nach Austausch gelingt es dennoch: Der saure Austauscher liefert HCl für die Alkalimetrie, der basische liefert das Hydroxid für die Acidimetrie.
Quiz
Aussage 1
Cholinchlorid lässt sich nach Passage über einen stark sauren Kationenaustauscher in der \(\ce{H+}\)-Form durch Titration der freigesetzten Salzsäure mit NaOH bestimmen.
Das Cholin-Kation bleibt am Harz, im Eluat steht eine äquivalente Menge HCl. Direkt als Kationsäure ist es nicht titrierbar, da kein abspaltbares Proton am Stickstoff sitzt.
Aussage 2
Bei der alkalimetrischen Bestimmung von Natriumsulfat nach Kationenaustausch entspricht 1 mL NaOH (\(c = 1\) mol/L) 142,0 mg \(\ce{Na2SO4}\).
Die entstehende \(\ce{H2SO4}\) verbraucht 2 mol NaOH je mol Salz. 1 mL NaOH (1 mol/L) entspricht daher 71,0 mg \(\ce{Na2SO4}\).
Aussage 3
Schwach saure Kationenaustauscher tragen Carboxygruppen als funktionelle Gruppen.
Stark saure Kationenaustauscher tragen Sulfonsäuregruppen, schwach saure Carboxygruppen.
Fehler entdeckt oder eine Idee? Wir verbessern die Inhalte laufend. Melde es uns gerne über dieses Formular ❤️
Teile der Inhalte wurden mithilfe von KI-Systemen erstellt und werden fortlaufend redaktionell geprüft. Trotz Sorgfalt können Fehler enthalten sein. Wichtige Informationen bitte anhand offizieller Quellen prüfen. Relaxed ins Stex ist ein unabhängiges Angebot und steht in keiner Kooperation mit dem IMPP. Das Angebot ist weder vom IMPP autorisiert noch mit diesem verbunden.