Neutralisationsreaktion und Titration

Es gibt saure und alkalische Lösungen, dabei kann die Stärke der Säure bzw. Lauge variieren und je nach Stoffmengenkonzentration stärker oder schwächer ausfallen. Die Stärke richtet sich nach der Anzahl an Oxonium-Ionen ($$H_3O^+$$) bzw. Hydroxid-Ionen ($$OH^-$$​) in der Lösung. Durch Zugabe einer Säure zu einer Base und genauso andersherum, können die Oxonium-Ionen und die Hydroxid-Ionen sich ausgleichen, indem sie miteinander eine Verbindung eingehen, bei welcher Wasser entsteht. Bei dieser Reaktion wird Wärme frei, sie wird als exotherm bezeichnet. Da dabei beide Ionen verbraucht werden, entfernt sich die Mischlösung von der sauren bzw. basischen Eigenschaft und wird neutraler. Haben sich in der Lösung alle Oxonium-Ionen und Hydroxid-Ionen verbunden, so hat eine Neutralisation stattgefunden.

Findet eine chemische Reaktion zwischen einer sauren und einer alkalischen Lösung statt, die zu einem Ausgleich - einer Neutralisation -  führt, so entsteht eine neutrale Lösung. Mithilfe der Zugabe eines Indikators, kann diese Neutralisation durch einen Farbumschlag sichtbar gemacht werden.

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Neutralisation

Die Neutralisation ist eine chemische Reaktion, bei welcher Energie in Form von Wärme frei wird. Sie lässt sich deshalb als exotherm bezeichnen. Werden beispielsweise Natronlauge (Base) und Salzsäure (Säure) miteinander vermengt, so ist ein Temperaturanstieg der vermischten Lösung zu verzeichnen. Die entstehende Wärme entstammt der Reaktion durch die Hydroxid-Ionen (negative Ladung) der Natronlauge und der Oxonium-Ionen (positive Ladung) der Salzsäure, die beide zu Wasser reagieren. In der Lösung verbleiben das Natrium-Ion der Natronlauge und das Chlorid-Ion der Salzsäure, welche eine Salzlösung bilden, die nach Verdunstung oder Verdampfung des Wassers als das Salz Natriumchlorid verbleibt.

​$$alkalische Lösung + saure Lösung \rightarrow Salzlösung + Wasser$$​​

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Beispiel mit Natronlauge und Salzsäure

Dabei ist die Reaktion der Wasserentstehung exotherm! ​

Neutralisation im Detail

Zwischen dem Oxonium-Ion der Salzsäure und dem Hydroxid-Ion der Natronlauge findet eine Protonenübertragung statt. Dabei wird ein Proton ($$H^+$$​) vom Oxonium-Ion $$H_3O^+$$​ an das Hydroxid-Ion $$OH^-$$​übertragen. Es bildet sich ein $$H_2O$$ Molekül für aus dem Oxonium-Ion und eines aus dem Hydroxid-Ion. Dies ist die Neutralisation.

Hinweis: Dieses Prinzip der Übertragung von Teilchen durch die Stoffe untereinander wird Donator-Akzeptor-Prinzip genannt.

Anwendung der Neutralisation

• Neutralisation saurer Abwasser mit Natronlauge oder Calciumhydroxid
• Neutralisation alkalischer Abwasser mit Salzsäure oder Schwefelsäure
  
• Spülmaschine: Neutralisation des alkalischen Spülmittels mit saurem Klarspüler
• Landwirtschaft: Neutralisation saurer Böden durch Kalkdünger
  

Titration

Ist die Stoffmengenkonzentration einer sauren oder alkalischen Lösung nicht bekannt, so kann diese durch Titration ermittelt werden. Es wird sich dabei das Grundprinzip der Neutralisation der Oxonium-Ion $$H_3O^+$$ mit den Hydroxid-Ion $$OH^-$$zu Wasser zunutze gemacht.

Es wird angenommen, eine saure Lösung (enthält Oxonium-Ionen $$H_3O^+$$) liegt vor, es ist jedoch nicht bekannt, wie hoch die Stoffmengenkonzentration ist. Dies stellt die Analyselösung dar, denn ihre Konzentration ist zu analysieren. In sie wird ein Indikator gegeben.

Eine sogenannte Masslösung (enthält Hydroxid-Ionen $$OH^-$$), deren exakte Stoffmengenkonzentration bekannt ist, wird tröpfchenweise zur Analyselösung hinzu titriert (getropft).

Nach einer bestimmten Menge zeigt der in der Analyselösung vorhandene Indikator plötzlich einen Farbumschlag an, dieser bedeutet, dass nun eine neutrale Lösung vorliegt. Die Titration wird an dieser Stelle beendet.

Das Volumen der hinzugegebenen Masslösung wird notiert und mit der bekannten Stoffmengenkonzentration der Masslösung, sowie dem Volumen der zu Beginn vorhandenen Analyselösung kannst Du die Stoffmengenkonzentration der Analyselösung herausfinden.

Beispielrechnung Titration

In einem Becherglas befindet sich 50 ml einer Salzsäure ($$HCl$$​) Lösung, deren Stoffmengenkonzentration​ $$c(HCl)$$ nicht bekannt ist. Da Du die Stoffmengenkonzentration jedoch wissen möchtest, titrierst Du Natronlauge ($$NaOH$$) tröpfchenweise so lange in die mit einem Indikator versetzte Salzsäure ($$HCl$$​) bis ein Farbumschlag die Neutralisation der Mischlösung aus $$HCl$$​ und $$NaOH$$​ anzeigt. Insgesamt wurde 25 ml $$NaOH$$​ mit der Stoffmengenkonzentration $$c(NaOH)$$ von 0.5 $${mol \over l}$$ verwendet.

Die Reaktionsgleichung

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Ausgangslage

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Formel zur Berechnung

Umstellung der Formel

Einsetzen der Werte

Die Stoffmengenkonzentration der Salzsäure vor Titration war 0.25 $${mol \over l}$$​.

Mehrprotonige Säuren

Achtung! Es gibt auch Säuren, die mehr als nur ein Proton übertragen können. Schwefelsäure $$(H_2SO_4)$$ zum Beispiel ist nach Abgabe ihres ersten Protons immer noch sauer und kann ihr zweites Proton auch abgeben. Du kannst sie auch als diprotische Säure bezeichnen. Bei Phosphorsäure $$(H_3PO_4)$$ sind es sogar drei Protonen. Wenn Du mit diesen Säuren eine Neutralisationstitration durchführst, musst Du darauf achten, dass Säure und Base nicht immer im Verhältnis 1:1 reagieren. Für Schwefelsäure schaut die Reaktionsgleichung für die Neutralisation mit Natronlauge beispielsweise so aus:

​$$H_2SO_4 + 2NaOH \rightarrow Na_2SO_4 + 2H_2O$$​​

Es werden also für jedes Molekül Schwefelsäure zwei Nationalaugenmoleküle gebraucht, um sie vollständig zu neutralisieren. Dieses Verhältnis musst Du natürlich auch in Deinen Berechnungen berücksichtigen.