Titration von Ameisensäure und Essigsäure

Arbeitsauftrag: Bestimme die Stoffmengenkonzentration c [mol/l] einer Ameisensäure- und Essigsäurelösung unbekannter Konzentration!

Geräte und Chemikalien: zwei 25-ml-Pipetten, Pileusball, 200- bzw. 250 ml-Weithals-Erlenmeyerkolben, Ameisensäure- bzw. Essigsäurelösung unbekannter Konzentration, Phenolphthalein-Lösung, 1 Becherglas, Magnetrührer, Rührmagnet, 1 Blatt weißes Papier, Stativ, Bürettenhalter, Muffe, Bürette;

Durchführung: Pipettiere 25 ml Ameisensäure- bzw. Essigsäurelösung aus der Vorratsflasche und gieße sie in den 200-ml-Weithalserlenmeyerkolben. Verdünne die Lösung mit dest. Wasser auf ca. 100 ml. Gib dazu einige Tropfen Phenolphthalein (Indikator).
Fülle dann die Bürette bis etwas über die oberste Marke mit Natronlauge der Konzentration c=1 mol/l. Die Bürette hat an der Hinterseite einen blauen Streifen (Schellbachstreifen). An der Stelle, an der er sich verjüngt, ist das Flüssigkeitsniveau abzulesen. Achte darauf, dass nichts daneben fließt. Stelle dann die Bürette genau auf 0 ml ein (Überschuss in ein Becherglas).Wahlweise kannst du auch zuerst die Bürette auffüllen.
Der Erlenmeyerkolben mit der Lösung unbekannter Konzentration wird dann auf den Magnetrührer gestellt. Der Magnet soll sich nur mit geringer Geschwindigkeit drehen! Die Natronlauge lässt du langsam, in tropfenweisen Portionen in die Säure-Lösung hineinlaufen.
Gegen Ende der Titration braucht der Farbumschlag des Phenolphthaleins immer länger, bis er verschwunden ist. Entsprechend lange musst du warten. Die Natronlauge gibst du dann nur noch einzeltropfenweise dazu. Wenn die schwachrosa Farbe sich nicht mehr ändert, lies den Verbrauch an Natronlauge ab.

Daten für die Auswertung:
1. Notiere den Verbrauch an Natronlauge V(NaOH)= : ___________ ml für Ameisensäure und V(NaOH)= : ___________ für Essigsäure
2. Die Konzentration der Natronlauge beträgt: c(NaOH) = 1 mol/l

Lösungen der Arbeitsaufträge:                im folgenden Text wird die Essigsäure/Ethansäure mit HAc abgekürzt

1. Genau 25 ml der Säure-Lösung unbekannter Konzentration werden verdünnt auf ca. 100 ml. Angenommen, bei der Titration werden 31 ml Natronlauge der Konzentration c(NaOH) = 1 mol/l verbraucht, dann beträgt die Stoffmenge
            n(NaOH) = c(NaOH) * V(NaOH) = 1 mol/l * 0,031 l = 0,031 mol.

2. Da Natronlauge und z.B. Essigsäure (Ethansäure) im Stoffmengen-Verhältnis n(NaOH) : n(HAc) = 1 : 1 reagieren, beträgt die Stoffmenge der eingesetzten Säure ebenfalls 0,031 mol.

Die Stoffmengenkonzentration ist das Verhältnis von Stoffmenge und dem Volumen, in dem sich diese Stoffmenge befindet und wird nach der Formel c = n/V berechnet.
Danach beträgt die Stoffmengenkonzentration an Essigsäure: c(HAc) = n(HAc) /V(HAc) = 0,031 mol/0,025 L
            n(HAc) = 1,223 mol/L

3. Die Reaktionsgleichung zeigt das Stoffmengenverhältnis: CH₃COOH(aq) + NaOH(aq) -----> CH₃COONa(aq)  + H₂O (l)
                                                                               n(Säure)   :   n(Lauge) = 1 : 1

4. Ameisensäure (Methansäure) mit der Formel HCOOH und Essigsäure (Ethansäure) mit der Formel CH₃COOH haben jeweils nur ein H-Atom, das zusammen mit dem Sauerstoff-Atom die Hydroxy-Gruppe der Carboxy-Gruppe bildet. Die Aufteilung der Carboxy-Gruppe -COOH in einen Carbonyl- und einen Hydroxy-Teil ist rein formaler Natur, tatsächlich bilden alle beteiligten Atome eine einzige funktionelle Gruppe nach dem Motto: Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile!
Aufgrund der Elektronenzugs des doppelt gebundenen Sauerstoff-Atoms (EN-Wert: 3,5) und der stark polaren Bindung zwischen dem Kohlenstoff-Atom der Carboxygruppe und dem Sauerstoff-Atom der Hxydroxy-Gruppe ist die Bindung zwischen dem Sauerstoff-Atom der Hydroxy-Gruppe und dem Wasserstoff-Atom ebenfalls stark polarisiert: sie ist die "Schwachstelle", von der ein Wasserstoff-Atom als Hydronium-H⁺-Ion losgelöst werden kann. Das ehemals gemeinsame Elektronenpaar verbleibt beim Sauerstoff-Atom, das vom Wasserstoff-Atom abgelöste ehemalige Bindungselektron wird zur negativen Ladung der Carboxygruppe: es bildet sich ein Carboxylat-Anion, in diesem Fall ein Acetat-Anion (Ethanat-Ion). 

Dieser Vorgang der Loslösung eines Protons (deswegen: Protolyse) funktioniert aber nur, wenn es einen Stoff gibt, der das Proton aufnehmen kann, ein Protonenakzeptor also existiert. Diese Rolle fällt dem Wasser-Molekül zu, das mit seinen zwei freien, nichtbindenden Elektronenpaaren am Sauerstoff-Atom genügend "Platz" (eigentlich: Ladung) bietet, das Proton zu binden. Dadurch wird aus dem neutralen Wasser-Molekül das positiv geladene Hydronium-Ion.

Das andere, am Kohlenstoff-Atom gebundene Wasserstoff-Atom der Ameisensäure bzw. die Wasserstoff-Atome der Methylgruppe bei der Essigsäure werden nicht in diesen Vorgang eingebunden, ihre Bindung ist zu wenig polar, um gespalten werden zu können.

6. Methansäure = Ameisensäure entsteht aus Methanal = Formaldehyd, dieses/r wieder aus Methanol;
Buttersäure entsteht aus Butanal = Butylaldehyd, dieser/s wiederum aus 1-Butanol.

Carbonsäuren besitzen  nun sogar zwei "Ansatzstellen" für Wasserstoffbrückenbindungen: das doppelt gebundene Sauerstoff-Atom des Carbonyl-Teils und die OH-Gruppe des Hydroxy-Teils, soweit sie in Wasser undissoziiert (nicht in Ionen gespalten) vorliegen. Ein geringer Teil der Carbonsäuren, der jedoch in Wasser dissoziiert (protolysiert), erhöht nun zusätzlich die Löslichkeit durch die Ausbildung von Ionen: geladene Teilchen wie das H⁺-Ion oder das negativ geladene Acetat-Ion/Methanat-Ion sind durch das polare Wassermolekül besser löslich als unpolare oder schwach polare Teilchen. Die Wassermoleküle umgeben die positiv oder negativ geladenen Ionen mit dem jeweils entgegengesetzt geladen Teil ihrer Struktur: dieser Vorgang wird als Hydration oder Hydratation bezeichnet. Ab vier C-Atomen wird jedoch auch hier der Einfluss der  hydrophoben Kohlenstoffkette so groß, dass die Wasserlöslichkeit rapide zurückgeht.