Konduktometrie

Guten Tag und herzlich Willkommen. In diesem Video geht es um die Konduktometrie. An Vorkenntnissen aus der Physik solltest du besitzen: Spannung, Stromstärken, Widerstand und das Ohm‘sche Gesetz. In der Chemie solltest Du mit den Basen, Säuren, Salzen, der Neutralisation und der Titration vertraut sein. Nach dem Video solltest Du über die Verwendung und die Grenzen der Konduktometrie Bescheid wissen. Der Film besteht aus sieben Abschnitten. Erstens: Titration ohne Indikator. Zweitens: Physikalische Grundlagen. Drittens: Prinzip der Konduktometrie. Viertens: Anwendungen. Fünftens: Konduktometrische Titration. Sechstens: Mögliche Probleme bei der konduktometrischen Titration. Und Siebtens: Zusammenfassung. Erstens: Titration ohne Indikator. Den Versuch kennt ihr alle. Wir titrieren Salzsäure mit Natriumhydroxid. Zu den Ionen der Salzsäure H+ und Cl- gelangen die Ionen vom Natriumhydroxid. Na+ und OH-. Bei der Titrationen bleiben die Chlorid-Ionen Cl- und die Natrium-Ionen Na+ unverändert. Aus den Wasserstoff-Ionen H+ und den Hydroxid-Ionen OH- bilden sich Wassermoleküle. H₂O. Der Äquivalenzpunkt wird durch einen kleinen Überschuss an Hydroxid-Ionen mit dem Indikator Phenolphthalein angezeigt. Soweit so gut. Und nun können wir fragen: Titration ohne Indikator? Wir stellen folgende Überlegung an. Wie schon gezeigt, wird bis zum Äquivalenzpunkt die Ionenzahl geringer. Denn Wasserstoff-Ionen reagieren mit Hydroxid-Ionen und sie verschwinden aus dem Gemisch. Es bildet sich Wasser. Nachdem der Äquivalenzpunkt erreicht ist, steigt die Ionenzahl wieder an. Diesen Umstand verdanken wir den Hydroxid-Ionen OH-, weil sie keine Wasserstoff-Ionen H+ für die Reaktion mehr vorfinden. Tragen wir einmal die Ionenzahl gegen das zugegebene Volumen an Natriumhydroxid auf. Zuerst fällt die Kurve annähernd linear. Am Äquivalenzpunkt erhält sie einen Knick und beginnt zu steigen. Ebenfalls wieder annähernd linear. Frage: Wie kann man die Ionenzahl oder, was praktisch das Gleiche ist, die Konzentration an Ionen messen? Zum einen muss man sich darüber im Klaren sein, dass häufig Absolutwerte nicht bestimmt werden brauchen. Dass man mit Relativwerten gute Aussagen erhalten kann. Manchmal ist es auch notwendig anstelle eines individuellen Messwertes die Veränderung desselben zu ermitteln. Führen wir uns einmal vor Augen. Wir haben es hier mit gelösten Ionen zu tun und das sind schließlich Ladungsträger. Daher ist es sicher sinnvoll Messungen mit elektrischem Strom vorzunehmen. Die physikalischen Größen Spannung U, Widerstand R und Stromstärke I sollten hier eine entscheidende Rolle spielen. Zweitens: Physikalische Grundlagen. Gehen wir einmal gedanklich von einem elektrischen Leiter aus. Wichtig dabei ist eine vorgegebene Form. Dabei kann es sich sowohl um ein Metall als auch um Ionen in Lösung handeln. Zunächst erinnern wir uns an diese Beziehung: R = U / I. R, U, und I sind, wie schon erwähnt, der elektrische Widerstand, Spannung und Stromstärke. Die Formel verbindet sie zum Ohm‘schen Gesetz. Man kann R aber auch anders ausdrücken. Es ist nämlich proportional zur Länge und indirekt proportional zur Querschnittsfläche des oben angegebenen Leiters. Wir notieren die Länge l und die Querschnittsfläche A. Der Proportionalitätsfaktor Rho ist der spezifische Widerstand. Der reziproke Wert 1 / Rho heißt Kappa. Kappa ist die spezifische elektrische Leitfähigkeit. Wir notieren Kappa als signifikante Größe. Wir schreiben nun die mittlere Gleichung um. Wir bilden links und rechts die Kehrwerte und stellen nach 1 / Rho um. 1 / Rho = 1 / R * l / A. In Verbindung mit ϰ = 1 / Rho, erhält man: Kappa = 1 / R * l / A. Andererseits wird der Kehrwert von R auch als G bezeichnet. Sein Name ist Leitwert. Die Einheit Siemens. l durch A ist charakteristisch für die Mess-Apparatur. Daher schreiben wir l / A = C. Die sogenannte Zellkonstante. Wir notieren G und C als merkenswert. Aus den beiden Definitionen unten halblinks ergibt sich kurz und bündig: Kappa = G * C. Zum Einprägen noch einmal: Kappa ist die spezifische Leitfähigkeit. G der Leitwert und C die Zellkonstante. Kappa ist somit ein Maß für die Ionenzahl oder, was praktisch das Gleiche ist, die Ionenkonzentration. Kappa ist annähernd proportional zur Konzentration aller Ionen. Drittens: Prinzip der Konduktometrie. Bei der Konduktometrie untersucht man Ionen in Lösung, meistens in wässriger Lösung. In die Lösung tauchen Messelektroden ein. Aus einem edlen Metall, vorzugsweise Platin. In der Schule wird man mit Sicherheit Kupfer verwenden. An die Messzelle wird nun eine Spannung angelegt. Wichtig ist Wechselspannung, um Wechselstrom zu erhalten. Warum? Darüber werden wir noch sprechen. Nun wird der Strom gemessen, mit Hilfe eines Amperemeters. Das Amperemeter kann durchaus ein inzwischen in die Jahre gekommenes Gerät sein. Möglich ist auch, ein Multimeter einzusetzen, um zum Beispiel den elektrischen Widerstand oder den elektrischen Leitwert zu bestimmen. Wir können so zum Beispiel I oder R bestimmen. Oder auch den Leiterwert G. Dabei ist es möglich, dass wir uns a) mit einem Absolutwert zufriedengeben. Bei Titrationen b) ist es wichtig, dass wir die Änderung der physikalischen Größe messen. Viertens: Anwendungen. Die Methode der Konduktometrie ist gut einsetzbar bei allen Systemen und Prozessen, an denen Ionen in Lösungen beteiligt sind. Für die Messung können wir I, Kappa oder G verwenden und auch R ist möglich. Mit Hilfe der Konduktometrie kann man schnell und günstig die Wasserreinheit bestimmen. Auch für die Bestimmung der Wasserhärte ist sie gut geeignet. Konduktometrie ist eine gute Detektionsmethode bei der Ionenaustauschchromatographie. Und selbst solche Probleme, wie die Untersuchung von Pflanzenasche können damit bewältigt werden. Und schließlich das für uns und in der Schule vielleicht Bedeutsamste. Anwendungen bei Titrationen. Speziell bei der Säure-Base-Titration. Fünftens: Konduktometrische Titration. Kehren wir zu dem eingangs erwähnten Beispiel, Salzsäure wird mit Natronlauge titriert, zurück. Wir tragen hier I, respektive Kappa oder G, gegen das Volumen von zugegebenem Natriumhydroxid auf. Bis zum Äquivalenzpunkt fällt die Kurve. Die Menge an Wasserstoff-Ionen fällt. Ein Minimum an Ionen hat man am Äquivalenzpunkt. Nach dem Äquivalenzpunkt steigt die Kurve wieder an. Den Anstieg verdanken wir nun Hydroxid-Ionen OH-, die nicht mehr mit Wasserstoff-Ionen reagieren. In der Regel wird der Äquivalenzpunkt extrapoliert, graphisch bestimmt. Auch bei einer Fällungstitrationen ist die Konduktometrie gut einsetzbar. Kalium-Chlorid liegt in der Lösung als Ionen vor. Wir geben dazu Ionen aus dem Silbernitrat: Silber-Ionen und Nitrat-Ionen. Es fällt Silberchlorid als festes AgCl aus. Die Kalium-Ionen bleiben bei der Titrationen unverändert. Bis zum Äquivalenzpunkt werden die Chlorid-Ionen durch die Nitrat-Ionen ausgetauscht. Die Wirkung als Ladungsträger beider Ionen ist etwa gleich. So kommt es, dass sich die Stromstärke, respektive Kappa oder G bis zum Äquivalenzpunkt kaum ändert. Nach Erreichen des Äquivalenzpunktes werden dem System Nitrat und Silber-Ionen zugeführt. Das führt zu einer Steigung der Kurve. Wir halten fest: Im Gegensatz zum vorherigen Beispiel kommt es hier kaum zu einer Änderung von I, respektive Kappa, G bis zum Äquivalenzpunkt. Und nun ein Beispiel für eine Fällungstitration. Magnesiumsulfat wird mit Bariumhydroxid titriert. Bemerkenswert hier ist, dass sowohl Bariumsulfat als auch Magnesiumhydroxid ausfallen. Das bedeutet die Stromstärke, respektive Kappa oder G fallen und zwar bis zum Äquivalenzpunkt. Die Konzentration der Ionen Mg₂+ und SO₄₂- vermindert sich. Ab dem Äquivalenzpunkt führen die Ionen Ba2+ und Hydroxid-Ionen dazu, dass die Leitfähigkeit wieder ansteigt. Die Kurve geht nach oben. Beachtet bitte die Analogie zur Säure-Base-Titration. Sechstens: Mögliche Probleme bei der Titration. Bei der Titration schwacher Säuren oder Basen, wie zum Beispiel von Essigsäure mit Natriumhydroxid kann es zu unscharfen Äquivalenzpunkten kommen. Auf eine Erklärung möchte ich an dieser Stelle verzichten. Probleme kann man erhalten, wenn man Gleichstrom verwendet. Es kann zu Elektrolyse Prozessen kommen. Daher bitte immer Wechselspannung, Wechselstrom verwenden. Probleme können Neutral-Ionen bereiten. Das sind Ionen, die an den Reaktionen einer Titration nicht teilnehmen. Ist ihre Konzentration sehr hoch, so kann es sein, dass der Äquivalenzpunkt nicht festgestellt werden kann, weil an dieser Stelle der Winkel zwischen beiden Geraden annähernd 180 Grad beträgt. Wichtig ist, dass die Messgeräte über einen geeigneten Messbereich für die vorgesehenen Versuche verfügen. Siebtens: Zusammenfassung. Die Konduktometrie ist ein wichtiges qualitatives und quantitatives Analyseverfahren. Ihr Wirkprinzip ist die Ionen-Bestimmung über die elektrische Leitfähigkeit. Konduktometrie ist ein unspezifisches Verfahren. Das ist gut. Dadurch ist die Konduktometrie breit einsetzbar. Quantitative Nachweise sind nach Kalibrierung möglich. Für die Konduktometrie verwendet man sinnvoll Wechselstrom. Die Methode ist einfach und kostengünstig. Naja, von Platinelektroden vielleicht einmal abgesehen. Das war es schon wieder für heute. Danke, dass Ihr so schön mitgemacht habt. Ich wünsche euch alles Gute und viel Erfolg. Tschüss!