Einführung

Zitronensäure ist eine benutzerfreundliche, preiswerte, wasserlösliche, kristalline feste Carbonsäure. Im Vergleich zur Verwendung von Salzsäurelösungen ist die Verwendung von fester Zitronensäure und ihren Lösungen in Wasser sicherer und bequemer. Für unerfahrene Schüler sind die Titrationen gegen starke Basen einfacher durchzuführen. In diesem Artikel wird eine Neutralisationstitration einer Zitronensäurelösung mit Natriumhydroxidlösung in einer für Anfänger geeigneten Form dargestellt. In einem zweiten Artikel werden Anwendungen desselben Experiments vorgeschlagen, die für erfahrene Titratoren geeignet sind.

Zitronensäure

Zitronensäure1 wird durch die Fermentation von Zuckern (> 1 Mio. Tonnen pro Jahr) für die Verwendung in Getränken und Lebensmitteln (70 %), in Waschmitteln (20 %) und in Kosmetika, Arzneimitteln und anderen Chemikalien (10 %) hergestellt. Es wird als kristalliner Feststoff, entweder wasserfrei oder als Monohydrat, hergestellt und ist in beiden Formen zu niedrigen Kosten erhältlich. Das feste Monohydrat verliert beim Erhitzen unter 100 °C Wasser und bildet den wasserfreien Feststoff, der bei 156 °C schmilzt und sich bei 175 °C zersetzt. Beide Feststoffe sind stabil und bleiben auch nach jahrelanger Lagerung in der Flasche frei fließend. Sie ist sehr gut in Wasser löslich. Zitronensäure kann kostengünstig als Reagenzchemikalie in beiden Formen in verschiedenen Reinheitsgraden2 oder noch kostengünstiger als Verbrauchsstoff in nicht spezifizierter Reinheit und meist nicht spezifizierter Form erworben werden.3

Titrieren von Zitronensäure gegen starke Basen

Zitronensäure hat drei Carbonsäuregruppen, drei ionisierbare, saure Wasserstoffatome und drei Ka/pKa-Werte. Die Neutralisationsreaktion mit Natriumhydroxid hat eine Stöchiometrie von 3 zu 1, wie die ausgeglichene vollständige Neutralisationsgleichung zeigt. Die Reaktion verläuft vollständig und eignet sich für analytische Titrationen:

3 NaOH (aq) + H3C6H5O7 (aq) –> Na2C6H5O7 (aq) + 3 H2O

Wenn eine Zitronensäurelösung mit einer starken Base wie 0,1 M NaOH-Lösung titriert wird, durchläuft sie einen Pufferbereich, in dem der pH-Wert der Lösung erst allmählich und dann immer steiler ansteigt. Von etwa einem zugegebenen Tropfen der 0,1 M NaOH-Lösung vor dem Äquivalenzpunkt der Titration bis etwa einem zugegebenen Tropfen nach dem Äquivalenzpunkt steigt der pH-Wert der Titrationslösung extrem steil von knapp unter 7 auf über 9 an.
Ein für die Titration gewählter visueller Säure-Base-Indikator muss im Bereich von 7 bis 9 von seiner Säurefarbe in seine Basenfarbe übergehen. Der Phenolphthalein-Indikator eignet sich hervorragend für diese Titration, da er von farblos über rosa zu rot wechselt. Im Vergleich zu Titrationen mit einer starken Säure wie Salzsäure „saugt“ die verdünnte schwache Säure die Base in den zugegebenen Tropfen Titriermittel langsamer auf. Dies führt dazu, dass bei Annäherung an den Äquivalenzpunkt selbst bei Schwenken die rosa-rote Farbe an der Stelle erscheint, an der die Tropfen des Titriermittels in den Titrierkolben gelangen, und zunächst für Sekundenbruchteile, dann immer länger anhält, bis eine schwache rosa Farbe in der gesamten Lösung zu sehen ist, die mindestens eine Minute lang anhält (siehe Frage 3). Aufgrund dieses Phänomens sind diese Titrationen sehr einfach durchzuführen und daher auch für Anfänger sehr gut geeignet.

Sicherheit, Abfallbeseitigung und Lagerung

Zitronensäure ist eine relativ starke schwache Säure, für deren Verwendung jedoch keine besonderen Vorsichtsmaßnahmen erforderlich sind. Zitronensäurepulver wird für den Hausgebrauch ohne Einschränkungen verkauft. Der pH-Wert von 0,033 M Zitronensäure liegt bei etwa 2,2 und ist damit etwas höher als der von Zitronensaft.4 Gefährlicher sind 0,1 M Natriumhydroxid und der Phenolphthalein-Indikator. Feste Zitronensäure ist wie festes Natriumhydroxid zu behandeln und zu entsorgen.

Titrierte Lösungen und überschüssige Reagenzlösungen können sicher in einem Waschbecken entsorgt werden. Am Mohawk College lagern wir die Tropfflaschen mit der Natriumhydroxidlösung über lange Zeiträume ohne erkennbare negative Auswirkungen. Die Lagerung von Zitronensäurelösung ist nicht ratsam, da sie mikrobiologisches Leben begünstigen kann.

Versuchsbeschreibung

Hier wird eine einfache, schnelle und kostengünstige Methode zur Durchführung von Titrationen von Zitronensäurelösung mit Natronlauge vorgestellt. Es wird davon ausgegangen, dass die Titrationen gravimetrisch unter Verwendung preiswerter, unzerbrechlicher, tropfenkontrollierter 60-mL-Polymer-Quetschflaschen durchgeführt werden.5a

Vorbereitung, Geräte und Zubehör

*Ein kleinerer Bohrungsdurchmesser ist besser für die Präzision.

Stelle die beiden Reagenzien annähernd so her, dass deine Vorversuche zeigen, dass eine 5-mL-Probe der Zitronensäurelösung durch etwa 5 g der Natronlauge neutralisiert wird. Beschriften Sie als Rechenbeispiel die eine oder andere Lösung mit einem „fiktiven“ Konzentrationswert und lassen Sie die Schüler die Konzentration der anderen Lösung durch Titration und Berechnung bestimmen. (Siehe Berechnungen unten.)

Die vollständige Methode und eine Beispieltitration sollten für Anfänger demonstriert werden. Geben Sie ein Präzisionskriterium für die erfolgreiche Durchführung an. Ein vernünftiger Standard wäre „drei Titrationsmassen innerhalb von ± 3% der mittleren Masse“. Bei Verwendung von 50-mL-Büretten sollte das Volumen der Zitronensäureproben von 5 mL auf 10 mL erhöht werden, um eine annähernd gleiche Präzision der Ergebnisse zu erreichen.

Gravimetrische Titration mit einer polymergesteuerten tropfenabgebenden Quetschflasche und einer 2-Platz-DigitalwaageGravimetrische Titration mit einer polymergesteuerten tropfenabgebenden QuetschflascheDosierflasche und einer 2-stelligen Digitalwaage

Anleitung für Schüler

1. Überführen Sie etwa 10 mL der Zitronensäurelösung in ein kleines Becherglas (100 oder 250 mL). Benutze diesen Teil der Lösung, um die Innenfläche des kleinen Bechers, den 10-mL-Messzylinder und die Tropfpipette zu spülen. Dieser Teil der Spüllösung ist Abfall. Wiederholen Sie die Spülung noch zweimal. Der 125-mL-Erlenmeyerkolben darf NICHT gespült werden, sondern nur mit destilliertem Wasser befeuchtet werden. (Siehe Frage 1.)

1. Gebe etwa 50 mL der Zitronensäurelösung in das gespülte kleine Becherglas. Diese Menge wird für die drei Versuche benötigt. Für Versuch 1 überführe einen Teil der Lösung so vorsichtig wie möglich in den 10-mL-Messzylinder bis zum 5,0-mL-Strich und benutze die Tropfpipette, um den Boden des Meniskus an den Strich anzupassen.

1. Überführe die 5,0-mL-Probe der Zitronensäurelösung für Versuch 1 vom Zylinder in einen 125-mL-Erlenmeyerkolben. Entleere den Zylinder vollständig, indem du wartest, bis die letzten Tropfen gefallen sind. Füge destilliertes Wasser aus der Quetschflasche hinzu, so dass das Gesamtvolumen des Kolbens zwischen 20 und 30 ml beträgt. Geben Sie 4 bis 5 Tropfen Phenolphthalein-Indikatorlösung in den Kolben. Schwenken Sie den Kolben vorsichtig, um den Inhalt vollständig zu mischen.

1. Drücken Sie die Null-/Tariertaste an der Digitalwaage mit zwei Plätzen. Stellen Sie die Tropfflasche mit der NaOH-Lösung auf die Waagschale. Die Waagschale, die Außenseite der Tropfflasche und Ihre Finger müssen stets trocken bleiben. (Siehe Frage 2.)

1. Nimm die Masse der Flasche und ihres Inhalts auf.
2. Titriere die Lösung im Erlenmeyerkolben, indem du Tropfen der Lösung aus der Tropfflasche hinzugibst. Halte die Flasche kopfüber über die Öffnung des Kolbens. Zähle die Tropfen. Schwenken Sie den Kolben vorsichtig. Der Endpunkt ist erreicht, wenn sich die Lösung im Kolben nach Zugabe eines Tropfens der Base von farblos nach rosa oder rot verfärbt und diese Farbe mindestens eine Minute lang anhält.

Wenn die Lösung nach Zugabe mehrerer Tropfen der Base tiefrot ist, ist der Endpunkt möglicherweise überschritten und das Titrationsergebnis darf nicht für Berechnungen verwendet werden. Wenn du während einer Titration einen Tropfen „verlierst“, darf die Titration nicht für Berechnungen verwendet werden.

1. Wiederhole die Schritte 4 und 5. Notiere die neue Masse der Flasche und ihres Inhalts. Subtrahiere deine Massenwerte, um die Titrationsmasse der 0,1 M NaOH-Lösung zu erhalten.

1. Wiederhole den Titrationsvorgang. Die Tropfenzahl kann als Anhaltspunkt dienen, um die Wiederholung der Titrationen zu beschleunigen. Fahren Sie fort, bis das Kriterium des erfolgreichen Abschlusses erreicht ist.

Berechnungen

Die Dichte einer 0,125 M NaOH-Lösung bei 20 °C beträgt 1,0039 g/mL.6 Für Schülerberechnungen ist die Dichte einer 0,1 M NaOH-Lösung in g/mL-Einheiten so nahe an der Einheit, dass die Massenwerte von Titrationen in g-Einheiten ohne signifikanten Fehler als Volumina in mL-Einheiten verwendet werden können.

Meine bevorzugte Methode für einführende Schüler ist eine dreiteilige Berechnung. Angenommen, wiederholte Titrationen von 5-mL-Proben einer Zitronensäurelösung ergaben ein mittleres Titrationsergebnis von 4,87 g 0,0989 M NaOH (= 4,87 mL 0,0989 M NaOH):

Fragen an die Schüler

1. Du wurdest angewiesen, das Becherglas, den Messzylinder und die Tropfpipette, aber nicht den Erlenmeyerkolben, mit der Zitronensäurelösung zu spülen. Erkläre.

1. Welche Fehler treten auf, wenn deine Finger, die Waagschale oder die Außenseite der Tropfflasche mit Wasser benetzt sind?

1. Das sehr langsame Verblassen der Farbe des Phenolphthalein-Indikators wird auf die Reaktion des Kohlendioxids in der Luft mit dem Hydroxidion in der Lösung zurückgeführt. Schreibe eine ausgeglichene chemische Gleichung für diese Reaktion und erkläre, warum sie die Farbe verblassen lässt.

Danksagung

Der Autor dankt Randy Travis, Technologe der Abteilung für Chemie, Umwelt- und Biotechnologie des Mohawk College, für seine unschätzbare Hilfe.

1. http://www.wikipedia.org für Säuredissoziationskonstanten von Zitronensäure.

1. Sigma-Aldrich Citric acid (99 %), Citric acid monohydrate (98 %)

3. Boreal Science: Zitronensäure-Monohydrat (unbestimmter %):

Fibre Garden: Zitronensäure (nicht spezifizierte Form oder %)

4. Engineering Toolbox: Säuren – pH-Werte Referenz 4 listet pH-Werte für Lösungen auf, deren Konzentrationen in Normalitätseinheiten angegeben sind. Für eine Zitronensäurelösung sind 0,033 M = 0,100 N. Es gibt einige Bereiche der Technik, in denen die Normalität immer noch verwendet wird. Industrieberater für Hochschulprogramme bestehen darauf, dass dieses Thema für unsere Absolventen wichtig ist.

5. Auf der Webseite verfügbare Artikel:

• Gravimetrische Titration 3:
• Gravimetrische Titration 2:

Oder kontaktieren Sie David Cash für editierbare Word®-Versionen dieser Artikel.

6. CRC Handbook (1973-74): Konzentrative Eigenschaften von wässrigen
Lösungen – Natriumhydroxid. ∎