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Die konduktometrische Titration, auch Leitfähigkeitstitration genannt, ist eine Analysemethode, die auf der Änderung der Leitfähigkeit bei Zugabe eines Titriermittels beruht. Die Änderung der Leitfähigkeit der Lösung wird nach jeder Zugabe eines Titriermittels gemessen. Dies geschieht mit einem Leitfähigkeitssensor. Die Prinzipien, Vorteile und einige Beispiele der konduktometrischen Titration werden in diesem Blogartikel vorgestellt.
Einführung
Verschiedene Industriezweige, darunter die Lebensmittelindustrie und die Petrochemie, nutzen die Leitfähigkeitstitration. Diese Methode ermöglicht die Bestimmung von Parametern in Proben, die mit anderen Titrationsverfahren oft schwer zu quantifizieren sind. Die konduktometrische Titration bietet eine wertvolle Lösung für diese analytischen Herausforderungen.
Die konduktometrische Titration kann in folgenden Situationen eingesetzt werden:
- Säure-Base-Titrationen: sowohl wässrig als auch nichtwässrig
- Niederschlagstitrationen: Cl-, Br-, I-, SO42-, R–S–R, R–SH
- Komplexometrische Titrationen
Was ist die konduktometrische Titration?
Die Analysemethode, die auf der Änderung der Leitfähigkeit einer Lösung bei Zugabe eines Titriermittels beruht, heißt konduktometrische Titration.
Die Gesamtleitfähigkeit einer Probe ist gleich der Summe der Leitfähigkeiten der einzelnen dissoziierten Ionen in der Messlösung. Während der Titration ändert sich die Leitfähigkeit durch die Zugabe des Titriermittels und die Reaktion zwischen Titriermittel und Analyt. Der Endpunkt der Titration wird durch ein Abknicken der Titrationskurve angezeigt. Entsprechende Beispiele werden weiter unten im Artikel gezeigt.
Weitere Informationen über die Bestimmung von Endpunkten finden Sie in unserem Blogbeitrag hier.
Wie läuft eine konduktometrische Titration ab?
Die Leitfähigkeitstitration ist eine monotone Endpunkttitration. Das bedeutet, dass das Titriermittel in festen Volumenschritten zugegeben wird.
Zur Durchführung dieser Aufgabe werden ein Magnet- oder Überkopfrührer, eine Dosierspitze und der Leitfähigkeitssensor verwendet. Ein wichtiger Aspekt bei der Durchführung von Leitfähigkeitstitrationen ist eine schnelle Ansprechzeit des Sensors (weitere Informationen finden Sie im Abschnitt über Sensoren für Leitfähigkeitstitrationen).
Bei allen Sensoren mit abnehmbarer Hülse werden diese abgenommen. Außerdem wird das Rühren auf eine hohe Geschwindigkeit eingestellt. Die Beschränkung der Rührgeschwindigkeit besteht darin, dass keine Luft in die Probe gelangen darf. Luftblasen auf dem Sensor führen zu einem instabilen Signal.
Die OMNIS-Software von Metrohm wertet die typischen Leitfähigkeitstitrationskurven aus, die mit Hilfe des Leitfähigkeitssensors in der Lösung gemessen hat.
Die Leitfähigkeit variiert für jede Ionenart
Die Ionen H+ und OH- weisen beide eine hohe ionische Leitfähigkeit auf. Die Ionen selbst bewegen sich nicht, sondern transportieren ein Proton oder eine Protonenlücke über die Wasserstoffbrückenbindung (Abbildung 1). Daher haben Oxoniumionen und Hydroxidionen eine viel höhere Ionenleitfähigkeit als die meisten anderen Ionen.
Zählen der Ionen
Nehmen wir das Beispiel einer konduktometrischen Titration von Salzsäure mit Natriumhydroxid. Die chemische Reaktionsgleichung lautet wie folgt:
Salzsäure, eine starke Säure, dissoziiert vollständig in Wasser. Natriumhydroxid, eine starke Base, dissoziiert ebenfalls vollständig in Wasser. Wie bereits erwähnt, ist die gemessene Leitfähigkeit die Summe aller dissoziierten Ionen in den Lösungen. Um den Leitfähigkeitswert einer Probe zu erhalten, berechnet man die Konzentration der Ionen und ihre Dissoziationskonstanten unter Verwendung der molare Leitfähigkeit jedes Ions.
Wie in Abbildung 2 dargestellt, sind zu Beginn der Titration (links) viele H+- und Cl- Ionen vorhanden. Die Konzentration der Cl--Ionen ändert sich während der Titration nicht. Die Anwesenheit der Chloridionen trägt zur Gesamtleitfähigkeit bei, bleibt aber während der Titration unverändert.
Dann wird der Probe Natriumhydroxid zugesetzt. Dadurch werden Na+-Ionen in die Probe eingebracht, wodurch sich ihre Leitfähigkeit erhöht. Die Menge der Natriumionen nimmt im Laufe der Titration kontinuierlich zu. Die Hydroxid-Ionen aus NaOH haben ebenfalls eine Wirkung. Die OH--Ionen neutralisieren die Hydronium-Ionen und bilden Wasser, wie in der obigen Gleichung dargestellt.
Der Leitfähigkeitswert nimmt deutlich ab, wenn die Hydroniumionen aus der Gesamtleitfähigkeit herausgerechnet werden. Die niedrigste Leitfähigkeit ist am Endpunkt der Titration zu finden, wenn keine Hydronium- oder Hydroxidionen vorhanden sind (Abbildung 2, Mitte).
Unmittelbar nach dem Endpunkt steigt die Leitfähigkeit wieder steil an. Wenn mehr Natriumhydroxid hinzugefügt wird, sind OH--Ionen vorhanden, die nicht mehr mit den Hydroniumionen reagieren (weil keine mehr vorhanden sind).
Die folgenden drei Beispiele erläutern verschiedene Situationen, die bei der Durchführung konduktometrischer Säure-Base-Titrationen häufig auftreten: Titration einer starken Säure mit einer starken Base, Titration einer starken Säure mit einer schwachen Base, und Titration einer schwachen Säure mit einer starken Base.
Dies ist eine typische konduktometrische Titrationskurve einer starken Säure, die mit einer starken Base titriert wird. Die Abnahme der Leitfähigkeit bei der Neutralisierung der H+-Ionen entspricht der Erklärung im vorherigen Abschnitt. Nach Erreichen des Endpunkts (Leitfähigkeitsminimum) tragen die OH--Ionen der überschüssigen Base zur Gesamtleitfähigkeit bei, so dass die Kurve wieder ansteigt.
Konduktometrische Titration einer starken Säure mit einer schwachen Base
In diesem Beispiel wird eine starke Säure (z. B. Salzsäure, HCl) mit einer schwachen Base (z. B. Ammoniak, NH3) titriert.
Zu Beginn ist die Leitfähigkeit der Lösung hoch, da die starke Säure vollständig dissoziiert ist. Bei Zugabe der schwachen Base wird eine Reaktion ausgelöst, bei der sich Ammoniumionen (NH4+) bilden. Da die schwache Base weiterhin mit den H+-Ionen reagiert, nimmt die Leitfähigkeit der Lösung allmählich ab. Dies geschieht, weil die molare Leitfähigkeit von NH4+ viel geringer ist als die von H+.
Der Äquivalenzpunkt ist erreicht, wenn alle freien Wasserstoffionen neutralisiert sind. Danach steigt die Leitfähigkeit nur allmählich wieder an, da das schwach basische Titriermittel nur teilweise dissoziiert.
Leitfähigkeitstitration einer schwachen Säure mit einer starken Base
In diesem Fall wird die Titration einer schwachen Säure (z. B. Essigsäure, CH3COOH) mit einer starken Base (z. B. Natriumhydroxid, NaOH) durchgeführt.
Zu Beginn der Titration ist die Leitfähigkeit der Lösung gering. Das liegt daran, dass die schwache Säure nicht vollständig dissoziiert. Wenn eine starke Base wie Natriumhydroxid zugegeben wird, kommt es zu einer Reaktion mit der undissoziierten Essigsäure unter Bildung von Wasser. Die Freisetzung von Natrium- und Acetat-Ionen erhöht die Leitfähigkeit.
Der Äquivalenzpunkt ist erreicht, wenn die Essigsäure vollständig mit dem Natriumhydroxid reagiert hat. Sobald dies der Fall ist, steigt die Leitfähigkeit durch die Hydroxid-Ionen (Hauptbeitrag) und die Natrium-Ionen (Nebenbeitrag) nach Zugabe von mehr Natriumhydroxid erheblich an.
Die molare Leitfähigkeit ist die elektrische Leitfähigkeit eines vollständig dissoziierten Ions im Verhältnis zur Molarität. Da jede Ionenart Elektrizität anders leitet, ist die molare Leitfähigkeit ein einzigartiges Merkmal für jedes Ion (Tabelle 1).
Tabelle 1. Die molare Leitfähigkeit verschiedener Ionen bei unendlicher Verdünnung.
Sensoren für Leitfähigkeitstitrationen
Der wichtigste Parameter, der bei der Auswahl eines Sensors für die Leitfähigkeitstitration zu berücksichtigen ist, ist seine Ansprechzeit. Da wir uns für die Änderung der Leitfähigkeit interessieren, spielt der absolute Messwert keine so große Rolle.
Aus diesem Grund sind die 4-Draht-Leitfähigkeitsmesszelle c = 0,5 cm-1 mit Pt1000 (Abbildung 3, links) und die 5-Ring-Leitfähigkeitsmesszelle c = 0,7 cm-1 mit Pt1000 (Abbildung 3, rechts) von Metrohm am besten geeignet. Die Hülse des 5-Ring-Sensors wird vor der Messung abgezogen.
Beide Sensoren sind ideal für die konduktometrische Titration - sie sind sehr langlebig und äusserst robust.
Vorteile der konduktometrischen Titration
Die Leitfähigkeitstitration hat mehrere Vorteile. Erstens wird kein Farbindikator benötigt, so dass es möglich ist, gefärbte und trübe Proben zu titrieren. Zweitens kann ein einziger Sensor für alle Titrationen verwendet werden. Drittens können sogar schwache Säuren titriert werden, da diese Methode scharfe Endpunkte für diese Art von Proben liefert, wie im obigen Beispiel gezeigt.
Vorteile der konduktometrischen Titration
- Einfache Handhabung
- Wartungsfreie Elektrode
- Keine Referenzelektrode erforderlich
- Kein Indikator erforderlich
- Möglichkeit, sehr verdünnte Lösungen bis zu 0,001 mol/L zu titrieren
Die konduktometrische Titration in OMNIS ist einfach zu handhaben. Je nach Reaktion kann der Benutzer die Titrationsparameter leicht anpassen, um zuverlässige Ergebnisse zu erzielen.
Wenn eine Kurve schwierig auszuwerten ist, bietet OMNIS dem Benutzer eine umfassende Toolbox. Die Software erlaubt es, die Kurve mit optimalen Tangenten (Geraden) zu versehen. Außerdem kann der Benutzer ein Messfenster einrichten, um den Bereich, in dem der Endpunkt identifiziert werden soll, genau festzulegen. Dies kann sowohl für die Leitfähigkeit als auch für das Volumen flexibel eingestellt werden.
Fazit
Insgesamt ist die Leitfähigkeitstitration eine wertvolle Analysemethode zur Bestimmung der Konzentration von Ionenverbindungen in Lösungen. Sie bietet eine schnelle und präzise Alternative zu herkömmlichen Titrationsmethoden und ermöglicht die Untersuchung einer Vielzahl von Proben auf ihren Ionengehalt.
Außerdem bietet sie einige Vorteile gegenüber der klassischen potentiometrischen Titration. Der Leitfähigkeitssensor weist eine hohe Haltbarkeit auf, benötigt keine Vorkonditionierung und kann mühelos mit einem Tuch gereinigt werden. Der Sensor muss nicht gewartet werden. Da die an der Reaktion beteiligten Ionen direkt gemessen werden, kann auf einen Indikator verzichtet werden.
Die OMNIS-Software von Metrohm verbessert die Effizienz und Genauigkeit der konduktometrischen Titration.
Mit Funktionen wie Glättung, Definition des linearen Bereichs, Anpassung der Gewichtungsfaktoren und flexibler Endpunktauswertung hat der Anwender die ultimative Kontrolle und Präzision über die Analyse. Diese Funktionen gewährleisten eine zuverlässige Durchführung von Leitfähigkeitstitrationen und die Erfassung genauer Ergebnisse. Die OMNIS-Software ist daher eine wertvolle Lösung für Labors, die konduktometrische Titrationen durchführen möchten.
