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Konduktometrie

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Konduktometrie

Bei der Konzentrationsbestimmung von Stoffen sollte das Ergebnis so genau wie möglich sein. Ein genaues Ergebnis ist dabei sowohl von exaktem Arbeiten als auch von dem jeweiligen Verfahren abhängig. Ein Verfahren, mit dem Du die Konzentration einer Säure, Base oder eines Salzes sehr exakt bestimmen kannst, ist die sogenannte Konduktometrie.

Prinzip der Konduktometrie

Die Konduktometrie ist eine quantitative Analysemethode. Dies bedeutet, dass Du mithilfe der Konduktometrie bestimmen kannst, wie groß die Konzentration des Stoffs ist, der in der Probelösung vorliegt. Die Konduktometrie gehört zu den Titrationsverfahren. Während man bei einer Säure-Base-Titration die Konzentration mithilfe eines Indikators bestimmt, benutzt man bei der Konduktometrie eine andere Methode.

Die Konzentration einer Säure-, Base- oder Salzlösung wird bei einer Konduktometrie mithilfe des elektrischen Leitwerts (G) der Lösung bestimmt. Aufgrund dessen wird die Konduktometrie auch als Leitfähigkeitstitration bezeichnet.

Der Leitwert einer Probelösung wird mithilfe des elektrischen Widerstands der Lösung berechnet. Du erhältst den Leitwert, indem Du den Kehrbruchs des gemessenen Widerstands bildest (Konduktometrie Formel zur Berechnung des Leitwerts StudySmarter). Mithilfe der Konduktometrie lassen sich nur Säuren, Basen und Salze untersuchen, da diese Stoffe in wässriger Lösung Ionen bilden. Durch diese frei beweglichen Ionen kann die Lösung den elektrischen Strom leiten. Wie hoch die Leitfähigkeit der Lösung ist, hängt dabei von folgenden Faktoren ab:

  • die Konzentration der Lösung
  • die Ionenladungszahl
  • die Beweglichkeit der Ionen

Abhängigkeiten der Ionenleitfähigkeit

Die Leitfähigkeit der Probelösung hängt unter anderem von der Konzentration der Probelösung ab. So liegen bei einer höheren Konzentration mehr gelöste Ionen pro Volumen in der Lösung vor, die den elektrischen Strom leiten können. Ist die Konzentration der Probelösung geringer, so enthält sie weniger gelöste Ionen pro Volumen, wodurch die Leitfähigkeit der Lösung kleiner ist.

Wie schnell sich ein Ion in einer wässrigen Lösung bewegen kann, hat ebenfalls Auswirkungen auf die Leitfähigkeit. Die Bewegungsgeschwindigkeit von Ionen wird auch als Ionenäquivalentleitfähigkeit (λ, gesprochen: "Lambda") bezeichnet. Besonders schnell können sich Hydroxidionen und Oxoniumionen im Wasser fortbewegen.

Ionen (außer Oxoniumionen und Hydroxidionen) werden aufgrund ihrer Ladung von dem negativen oder positiven Pol der Elektroden angezogen. Da sie frei beweglich sind, bahnen sie sich einen Weg durch die Lösung zum jeweiligen Pol. Die Ladung der Oxoniumionen und der Hydroxidionen wandert stattdessen über eine Kette von Wassermolekülen. Wie sehr sich die Ionenäquivalentleitfähigkeit der beiden Ionen von anderen Ionen bei einer Temperatur von 25 °Celsius unterscheiden, kannst Du in der folgenden Tabelle erkennen.

Kationλ+Anionλ-
H+349,8OH-198,6
Li+38,7F-55,4
Na+50,1Cl-76,4
NH4+73,4CH3COO-40,9
Ca2+59,5SO42-80,0

Bei der "Bewegung" eines Oxoniumions wird einmalig ein Proton von einem Oxoniumion abgespalten und von dem nächsten Wassermolekül aufgenommen. Dieses Wassermolekül gibt wiederum ein Proton ab und überträgt es auf das nächste Wassermolekül.

Die Ionenbeweglichkeit eines Hydroxidions ähnelt der Bewegung eines Oxoniumions. Dabei nimmt ein Hydroxidion aber ein Proton des nächsten Wassermoleküls auf, wodurch dieses zum negativ geladenen Hydroxidion wird. Dieses Hydroxidion nimmt wiederum ein Proton des nächstgelegenen Wassermoleküls auf und so weiter. Diese Kettenreaktion läuft im Gegensatz zu dem Oxoniumion in Richtung der positiv geladenen Elektrode, auch Anode genannt, ab.

Aufbau der Konduktometrie

Der Aufbau der Konduktometrie unterscheidet sich nicht allzu sehr von dem Aufbau anderer Titrationsmethoden, wie der Säure-Base-Titration. Auch bei der Konduktometrie findest Du ein Gefäß, in dem sich der zu untersuchende Stoff in gelöster Form befindet. Das Gefäß kann etwa ein Becherglas oder ein Erlenmeyerkolben sein. Dabei ist die Konzentration des Stoffs unbekannt.

Mithilfe einer Bürette kannst Du tropfenweise die geeignete Maßlösung in die Probelösung geben. Die verwendete Menge kann dabei an der Maßskala der Bürette abgelesen werden. Anders als bei der Probelösung ist die Konzentration der Maßlösung bekannt. Zusätzlich kann die Probelösung mithilfe eines Magnetrührers und einem Magnetrührstäbchen dauerhaft vermischt werden, sodass sich die Maßlösung gleichmäßig in der Probelösung verteilt und die Messergebnisse nicht verfälscht werden.

Anders als bei der Säure-Base-Titration wird die Probelösung nicht mit einem Indikator versetzt. Du gibst stattdessen eine Tauchzelle, auch Leitfähigkeitsmesszelle oder Konduktometer genannt, in die Probelösung. Diese besteht aus einer Anode und einer Kathode, die an eine Wechselstromquelle angeschlossen und parallel zueinander angeordnet sind. Der Konduktometer kann den Widerstand der Probelösung messen.

Bei der Konduktometrie wird nicht mit Gleichstrom gearbeitet, um eine Elektrolyse zu verhindern. Eine Elektrolyse ist eine, durch elektrischen Gleichstrom, erzwungene chemische Reaktion, bei der elektrische Energie in chemische Energie umgewandelt wird.

Ablauf der Konduktometrie

Bei der Konduktometrie gibst Du kontinuierlich Maßlösung zur Probelösung hinzu. Die Änderung des Leitwerts kannst Du dabei mit dem Konduktometer überwachen. Dieser nimmt bei der Zugabe der Maßlösung fortlaufend ab, bis er ein Minimum erreicht hat. Dieser Punkt wird auch als Äquivalenzpunkt bezeichnet. Gibt man nach dem Erreichen des Äquivalenzpunktes weiter Maßlösung zur Probelösung hinzu, so steigt der Leitwert der Probelösung wieder an.

Weshalb der Leitwert einer Konduktometrie zuerst abnimmt und dann wieder ansteigt, wird im nächsten Absatz dieser Erklärung genau erläutert.

Der Äquivalenzpunkt beschreibt den Punkt einer Titrationsreaktion, bei dem die Stoffmenge der Maßlösung gleich der Stoffmenge der Probelösung ist. Es herrscht ein Stoffmengengleichgewicht.

Wichtig: Während des Versuches darf sich die Temperatur der Probelösung nicht verändern, da sich die Leitfähigkeit schon bei einer Temperaturänderung von 1 °C um etwa zwei Prozent ändert. Dieses Problem besteht bei professionelleren Konduktometern nicht, da sie eine integrierte Temperaturkompensation besitzen.

Beobachtung der Konduktometrie

In der Probelösung sind Ionen vorhanden, die den Wechselstrom des Konduktometers weiterleiten. Durch die Zugabe der Maßlösung reduziert sich die Anzahl an Ionen in der Probelösung, da die Ionen der Maßlösung mit den Ionen der Probelösung reagieren und die Probelösung somit neutralisiert wird. Dies ist der Grund, warum der Leitwert der Probelösung bei der kontinuierlichen Zugabe der Maßlösung abnimmt. Wie viel Menge an Maßlösung zur Probelösung hinzugegeben werden muss, um den Äquivalenzpunkt zu erreichen, hängt von der jeweiligen Konzentration der Probelösung und der Maßlösung ab. Der Äquivalenzpunkt muss sich also erst einstellen.

Die Ionenkonzentration minimiert sich natürlich nur, falls die in der Probelösung vorhandenen Ionen auch mit den Ionen der Maßlösung reagieren. Ist dies nicht der Fall, so sinkt der Leitwert der Probelösung zu keinem Zeitpunkt.

Am Äquivalenzpunkt sind alle Ionen der Probelösung neutralisiert, wodurch der Leitwert sein Minimum erreicht. Gibt man weiter Maßlösung zur Probelösung hinzu, steigt der Leitwert wieder an. Grund dafür sind die nun fehlenden Ionen der Probelösung, sodass die Ionen der Maßlösung nicht mehr neutralisiert werden können. Die Konzentration an Ionen nimmt folglich wieder zu.

Auswertung der Konduktometrie

Der Äquivalenzpunkt einer Konduktometrie muss grafisch, mithilfe der sogenannten Extrapolation, bestimmen. Dabei erstellt man aus den gemessenen Leitwerten ein Diagramm und verbindet die einzelnen Punkte. Dieses Diagramm stellt die Leitfähigkeit in Abhängigkeit zum Volumen der hinzugefügten Maßlösung bei. Der Verlauf einer Leitfähigkeitstitration besitzt typischerweise eine V-Form. Du kannst die einzelnen Messpunkte also durch zwei Geraden verbinden. Der Tiefpunkt des "Vs" ist dabei der Äquivalenzpunkt der Titration.

Anwendung der Konduktometrie

Die Konduktometrie hat eine große Bedeutung bei Säure-Base-Titrationen, sowie Fällungstitrationen. Dabei kann der Äquivalenzpunkt von starken Säuren und Basen auch bei sehr großen Verdünnungen sehr exakt bestimmt werden. Dies ist bei anderen Titrationsverfahren wie der Säure-Base-Titration schwierig. Bei Fällungstitrationen spielt die Konduktometrie eine wichtige Rolle, da hier teilweise geeignete Indikatoren fehlen, um den Äquivalenzpunkt durch andere Verfahren zu bestimmen.

Beispiel einer Konduktometrie

In diesem Beispiel handelt es sich um eine konduktometrische Säure-Base-Titration, bei der eine starke Säure durch eine starke Base neutralisiert wird. Dabei wird in 50 ml Salzsäure (HCl) mit Natronlauge der Konzentration 1 titriert.

Konduktometrie Probelösung und Maßlösung einer konduktometrischen Titration StudySmarter

Konduktometrie Neutralisationsreaktion einer konduktometrischen Titration StudySmarter

Vor dem Erreichen des Äquivalenzpunktes

Die Oxoniumionen (H3O+) werden vor dem Erreichen des Äquivalenzpunktes mit den in der Maßlösung enthaltenen Hydroxidionen (OH-) neutralisiert. Wie Du anhand der Reaktionsgleichung erkennen kannst, enthält die Probelösung durch die Zugabe der Maßlösung auch Natriumionen. Da diese die Leitfähigkeit der Probelösung aber nicht so stark wie die Oxonium- und Hydroxidionen beeinflussen, sinkt die Leitfähigkeit trotz der ansteigenden Konzentration an Natriumionen.

In der Ionenäquivalentleitfähigkeit-Tabelle, die am Anfang der Erklärung abgebildet ist, kannst Du erkennen, dass die Ionenäquivalentleitfähigkeit der Natriumionen deutlich geringer ist, als die Ionenäquivalentleitfähigkeit der freien Protonen (H+).

Der Äquivalenzpunkt

Ist der Äquivalenzpunkt erreicht, so entspricht die Probelösung, wie Du an der oben abgebildeten Reaktionsgleichung erkennen kannst, einer reinen Kochsalzlösung (NaCl(aq)).

Nach dem Erreichen des Äquivalenzpunktes

Gibt man nach dem Erreichen des Äquivalenzpunktes weiter Natronlauge zur Probelösung hinzu, so steigt die Anzahl an Hydroxidionen in der Probelösung an. Die Hydroxidionen können ab dem Erreichen des Äquivalenzpunktes nicht mehr neutralisiert werden, da dazu keine Oxoniumionen mehr vorhanden sind. Dadurch steigt die Leitfähigkeit der Probelösung wieder an.

Bestimmung der Konzentration der Salzsäure

Möchtest Du nun die Konzentration der Salzsäure aus dem Versuch berechnen, musst Du den Äquivalenzpunkt der Titration grafisch bestimmen. An diesem Punkt sind die Stoffmengen der Natronlauge und der Salzsäure äquivalent:

n(NaOH) = n(HCl)

Da die Konzentration und das Volumen der hin zu gegebenen Natronlauge bekannt ist, kannst Du die Stoffmenge der Natronlauge mithilfe folgender Formel berechnen:

Konduktometrie Konzentrationsberechnung Beispiel StudySmarter

Am Äquivalenzpunkt der konduktometrischen Titration wurde insgesamt eine Stoffmenge von 0,005 mol der Natronlauge zur Probelösung hinzugegeben. Mit diesem Wissen kannst Du nun die ursprüngliche Konzentration der Salzsäure berechnen:

Konduktometrie Konzentrationsberechnung Beispiel StudySmarter

Die Konzentration der Salzsäure lag zu Beginn der Titration also bei 0,01 .

Konduktometrische Säure-Base-Titration

Der Verlauf einer Konduktometrie einer Säure oder Base hängt von deren Stärke ab. Im Beispiel hast Du den Verlauf einer Konduktometrie einer starken Säure gesehen. Titriert man jedoch eine schwache Base oder Säure so sie der Verlauf anders aus.

Du kannst anstatt Salzsäure auch Essigsäure (CH3COOH) mit Natronlauge titrieren. Essigsäure ist im Gegensatz zur Salzsäure eine schwache Säure. Die Reaktionsgleichung dieser Titration lautet folgendermaßen:

Konduktometrie, Reaktion schwache Säure, StudySmarter

Bei der Titration bilden sich sogenannte Acetat-Ionen (CH3COO-), die gemeinsam mit der Essigsäure eine Pufferlösung bilden. Dadurch reagiert die Natronlauge nicht mit den Oxoniumionen, sondern direkt mit den nicht dissoziierten Molekülen der Essigsäure. Aufgrund dessen bleibt die Konzentration der Oxoniumionen und somit der Leitwert bis zum Äquivalenzpunkt nahezu konstant. Wird der Äquivalenzpunkt überschritten, so steigt die Leitfähigkeit, durch die weitere Zugabe von Hydroxidionen, an.

Pufferlösungen sind Lösungen, die aus einer schwachen Säure oder einer schwachen Base bestehen. Da schwache Säuren in wässriger Lösung unvollständig dissoziieren, also nur wenige Protonen abgeben, liegen sowohl Moleküle der Säure als auch der konjugierenden Base vor. Eine schwache Base, die in Wasser gelöst ist, entzieht dem Wasser nur wenige Protonen, sodass auch hier sowohl Moleküle der Base, sowie der konjugierenden Säure vorliegen. Durch diese Eigenschaft verändert sich der pH-Wert der Pufferlösung bei der Zugabe von Säure oder Base nur sehr gering bis gar nicht.

Varianten der Konduktometrie

Bei Konduktometrie unterscheidet man zwischen zwei verschiedenen Verfahren. Dabei handelt es sich um das Bestimmungsverfahren und das Indikationsverfahren. Beide Verfahren fokussieren sich auf die Änderung der Leitfähigkeit der Probelösung.

Das Indikationsverfahren beschreibt das Verfahren, bei dem Du mithilfe der Leitfähigkeitsänderung den Äquivalenzpunkt einer Titration bestimmen kannst. Das Indikationsverfahren ist die Variante der Konduktometrie, die Du in dieser Erklärung schon kennengelernt hast. Beim Bestimmungsverfahren hingegen misst Du die Leitfähigkeit der Probelösung und bestimmst anschließend mithilfe von Eichkurven die Konzentration der Probelösung.

Konduktometrie – Das Wichtigste

  • Die Konduktometrie ist eine quantitative Analysemethode der Chemie, mit der man mithilfe eines Titrationsverfahren die Konzentration der Probelösung bestimmen kann.
  • Ein Konduktometer, auch Tauchzelle genannt, misst durch zwei Elektroden den Widerstand der Probelösung. Dieser wird dann in den Leitwert G umgerechnet (G = Kehrbruch des Widerstands).
  • Mithilfe der Leitwerte der Titration kann man den Äquivalenzpunkt der Titration grafisch bestimmen.
  • Bei der Konduktometrie unterscheidet man zwischen zwei Verfahren:
    • Bestimmungsverfahren
    • Indikationsverfahren
  • Die Konduktometrie wird häufig bei Säure-Base-Titrationen angewendet, aber auch bei Fällungstitrationen.

Nachweise

  1. Chemie.de: Konduktometrie. (04.07.2022)
  2. Konduktometrie - Messund der elektrischen Leitfähigkeit. Kappenberg.com. (04.07.2022)
  3. Sartorius AG. Handbuch der Elektroanalytik 3 - Die elektrische Leitfähigkeit.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Konduktometrie

Eine Leitfähigkeitstitration wird auch als Konduktometrie bezeichnet. Es handelt sich dabei um eine quantitative Analysemethode, bei der ein elektrischer Leitwert oder ohmscher Widerstand als Maß zur Änderung der Konzentration der Elektrolytlösung gilt.

Die spezifische Leitfähigkeit steigt sowohl für starke, wie für schwache Elektrolyte mit zunehmender Konzentration, weil die Konzentration der Ionen ansteigt. Bei schwachen Elektrolyten steigt die Konzentration jedoch erst nach dem Äquivalenzpunkt an.

Das Konduktometer besteht aus zwei parallelen Elektroden, denen eine Wechselspannung angelegt wird. Diese werden in die Elektrolylösung getaucht. Gemessen wird der elektrische Stromfluss zwischen den beiden Elektroden. Die Ionen dienen als bewegliche Landungsträger, von denen nun die Leitfähigkeit gemessen wird.

Finales Konduktometrie Quiz

Frage

Was ist das Bestimmungsverfahren?

Antwort anzeigen

Antwort

Beim Bestimmungsverfahren misst man die Leitfähigkeit der Probelösung und bestimmt anschließend mithilfe von Eichkurven die Konzentration der Probelösung.

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Frage

Mithilfe welches mathematischen Verfahrens bestimmt man den Äquivalenzpunkt einer Konduktometrie?

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Antwort

Den Äquivalenzpunkt einer Konduktometrie bestimmt man grafisch, mithilfe der sogenannten Extrapolation.

Frage anzeigen

Frage

Was beschreibt der Äquivalenzpunkt?

Antwort anzeigen

Antwort

Der Äquivalenzpunkt beschreibt den Punkt einer Titrationsreaktion, bei dem die Stoffmenge der Maßlösung gleich der Stoffmenge der Probelösung ist.

Frage anzeigen

Frage

Was ist die Konduktometrie?

Antwort anzeigen

Antwort

Bei der Konduktometrie bestimmt man die Konzentration einer Säure-, Base- oder Salzlösung mithilfe der elektrischen Leitfähigkeit der Lösung.

Frage anzeigen

Frage

Wie wird die Konduktometrie noch genannt?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Konduktometrie wird auch als Leitfähigkeitstitration bezeichnet.

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Frage

Wozu dient das konduktometrische Titrationsverfahren?

Antwort anzeigen

Antwort

Durch das Titrationsverfahren kann der Äquivalenzpunkt einer Titration genauer bestimmt werden.

Frage anzeigen

Frage

Wie liegt die zu titrierende Substanz in der Probelösung vor?

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Antwort

Der zu untersuchende Stoff liegt in Form von frei beweglichen Ionen vor, die als Ladungsträger dienen können.

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Frage

Was passiert beim Zuführen einer Maßlösung?

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Antwort

Die Probelösung wird neutralisiert, wodurch die Anzahl der beweglichen Ladungsträger verringert wird.

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Frage

Wann ist das Minimum der Leitfähigkeit erreicht?

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Antwort

Sind die Ionen vollständig neutralisiert, so erreicht die Probelösung das Minimum der Leitfähigkeit. Dort befindet sich der Äquivalenzpunkt.

Frage anzeigen

Frage

Welche Parameter sind für die Leitfähigkeit von Bedeutung?

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Antwort

  • die Konzentration der Lösung
  • die Ionenladungszahl
  • die Beweglichkeit der Ionen

Frage anzeigen

Frage

Was ist das Besondere am Aufbau der Konduktometrie?

Antwort anzeigen

Antwort

Bei der Konduktometrie kommt im Gegensatz zum grundlegenden Aufbau einer Titration ein Konduktometer zum Einsatz. Mithilfe des Konduktometers, auch Tauchzelle genannt, kann die Leitfähigkeit der Probelösung gemessen werden.

Frage anzeigen

Frage

Welche Form hat der grafische Verlauf einer Konduktrometrie?

Antwort anzeigen

Antwort

Der typische Verlauf ist V-förmig.

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Frage

Wieso wird bei der Konduktometrie mit Wechselstrom und nicht mit Gleichstrom gearbeitet?

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Antwort

Bei der Konduktometrie wird mit Wechselstrom gearbeitet, um eine Elektrolyse zu verhindern.

Frage anzeigen

Frage

Was ist das Indikationsverfahren?

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Antwort

Bei dem Indikationsverfahren bestimmt man mithilfe der Konduktometrie den Äquivalenzpunkt einer Titration.

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Frage

Welche Varianten der Konduktometrie gibt es?

Antwort anzeigen

Antwort

Bei der Konduktometrie unterscheidet man zwischen zwei verschiedenen Verfahren. Dabei handelt es sich um das Bestimmungsverfahren und das Indikationsverfahren.

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