Was sind praktische Redoxtitrationen?

Praktische Redoxtitrationen sind analytische Verfahren in der Chemie, um die Konzentration eines Stoffes zu bestimmen. Dabei wird eine Redoxreaktion genutzt. Durch einen Farbumschlag, oft durch einen Indikator oder einen Selbstindikator wie bei der Permanganometrie, erkennt man den Äquivalenzpunkt, an dem die Reaktion abgeschlossen ist.

Wie funktioniert die Permanganometrie?

Die Permanganometrie ist eine direkte Redoxtitration, die oft im sauren Milieu stattfindet. Als Maßlösung dient Kaliumpermanganat, das tiefviolett ist. Es fungiert als Selbstindikator: Sobald der zu untersuchende Stoff (z. B. Oxalsäure) vollständig reagiert hat, entfärbt sich der nächste Tropfen nicht mehr und die Lösung bleibt dauerhaft blassviolett.

Was ist die Winkler-Methode in der Iodometrie?

Die Winkler-Methode ist ein iodometrisches Verfahren zur Bestimmung von gelöstem Sauerstoff in Wasser. Da Sauerstoff ein Gas ist, wird er zunächst als Feststoff fixiert und reagiert dann zu elementarem Iod. Dieses Iod wird anschließend mit einer Natriumthiosulfat-Maßlösung und Stärke als Indikator titriert, bis die blaue Farbe verschwindet.

Praktische Redoxtitrationen einfach erklärt

Woher wissen Biologen eigentlich, ob in einem See noch genug Sauerstoff für die Fische vorhanden ist? Oder wie viel Säure in einem Rhabarberkompott steckt? Die Antwort liegt in der analytischen Chemie und den praktischen Redoxtitrationen!

In dieser Lektion lernst du zwei faszinierende Labormethoden kennen, mit denen man unsichtbare Stoffe sichtbar machen und genau zählen kann. Wir nutzen dabei gezielt Farbumschläge aus, um zu erkennen, wann eine chemische Reaktion abgeschlossen ist. Du wirst lernen, wie man diese Experimente durchführt und wie man aus den Ergebnissen die genaue Konzentration der gesuchten Stoffe berechnet.

Vorwissen

Stoffmengenkonzentration ( $c$ ): Gibt an, wie viele Teilchen (in Mol) in einem bestimmten Volumen gelöst sind.
- Formel: $c = \frac{n}{V}$
- Beispiel: Wenn $0{,}5 \text{ mol}$ Salz in $1 \text{ l}$ Wasser gelöst sind, ist $c = 0{,}5 \text{ mol/l}$ .
Massenkonzentration ( $\beta$ ): Gibt an, wie viel Masse eines Stoffes in einem bestimmten Volumen gelöst ist.
- Formel: $\beta = \frac{m}{V}$
- Beispiel: $5 \text{ g}$ Zucker in $1 \text{ l}$ Wasser ergeben $\beta = 5 \text{ g/l}$ .

Aufgabentyp 1: Permanganometrie (Titration von Oxalsäure)

Die Permanganometrie ist eine direkte Redoxtitration. Wir nutzen sie hier, um die Konzentration von Oxalsäure (einem Reduktionsmittel mit der Struktur $\text{HOOC-COOH}$ ) zu bestimmen. Als Maßlösung verwenden wir Kaliumpermanganat ( $\text{KMnO}_4$ ).

Das Besondere an dieser Methode ist der Selbstindikator. Wir brauchen keinen extra Farbstoff hinzuzugeben! Das Permanganat-Ion ist von Natur aus tiefviolett. Wenn es in der sauren Lösung mit der Oxalsäure reagiert, wird es zu Mangan(II)-Ionen reduziert, welche praktisch farblos sind.

Solange noch Oxalsäure im Kolben ist, entfärbt sich jeder violette Tropfen sofort. Fällt jedoch ein Tropfen Permanganat in den Kolben und findet keine Oxalsäure mehr zum Reagieren vor, bleibt die Lösung dauerhaft blassviolett. Das ist der Äquivalenzpunkt!

Für die spätere Berechnung musst du dir nur dieses feste Verhältnis (die Stöchiometrie) merken: $2 \text{ Mol}$ Permanganat reagieren mit $5 \text{ Mol}$ Oxalsäure.

Versuch: Bestimmung von Oxalsäure

Zweck: Bestimmung der Konzentration einer Oxalsäurelösung durch Titration.

Materialien: $50 \text{ ml}$ Oxalsäurelösung (unbekannte Konzentration), ca. $10 \text{ ml}$ Schwefelsäure ( $w = 25\%$ ), Kaliumpermanganat-Maßlösung ( $c = 0{,}01 \text{ mol/l}$ ), Bürette, Erlenmeyerkolben.

⚠️ Sicherheitshinweis: Schwefelsäure ist ätzend. Kaliumpermanganat wirkt brandfördernd und ist gesundheitsschädlich. Schutzbrille und Handschuhe tragen!

Durchführung:

Fülle $50 \text{ ml}$ der Oxalsäurelösung in den Erlenmeyerkolben.
Gib etwa $10 \text{ ml}$ der Schwefelsäure hinzu. Dies ist zwingend nötig, damit die Reaktion im sauren Milieu ablaufen kann.
Tropfe die Kaliumpermanganat-Maßlösung aus der Bürette langsam unter Schwenken in den Kolben.

Stoppe die Zugabe, sobald die Lösung eine bleibende blassviolette Färbung annimmt.
Notiere das verbrauchte Volumen an der Bürette.

Beobachtung: Die violetten Tropfen entfärben sich zunächst sofort beim Auftreffen auf die Flüssigkeit. Am Ende reicht ein einziger Tropfen, um die gesamte Lösung dauerhaft blassviolett zu färben.

Erklärung: Die Schwefelsäure liefert die nötigen Protonen ( $\text{H}^+$ ) für die Redoxreaktion. Die bleibende Farbe zeigt an, dass die gesamte Oxalsäure verbraucht ist und nun überschüssiges Permanganat vorliegt.

Aufgabentyp 2: Iodometrie (Die Winkler-Methode)

Die Winkler-Methode ist ein iodometrisches Verfahren, um gelösten Sauerstoff in Wasser zu messen. Das Problem: Sauerstoff ist ein Gas und lässt sich im Wasser nur sehr schwer direkt titrieren.

Wir nutzen daher einen Trick: Eine indirekte Titration. Stell dir das wie einen Staffellauf vor. Der Sauerstoff übergibt seinen "Wert" an einen anderen Stoff, dieser übergibt ihn an Iod, und das Iod können wir am Ende ganz leicht messen. Das Ganze passiert in drei Schritten:

Schritt 1 – Sauerstofffixierung: Wir fangen den Sauerstoff ein. In einer verschlossenen Flasche reagiert er zu einem braunen Mangan(III)-hydroxid-oxid-Niederschlag. Der Sauerstoff ist nun als Feststoff am Boden "fixiert".
Schritt 2 – Iodbildung: Wir geben Phosphorsäure ( $\text{H}_3\text{PO}_4$ ) und Iodid-Ionen hinzu. Der braune Niederschlag löst sich auf. Dabei entsteht elementares Iod ( $\text{I}_2$ ). Die Lösung färbt sich braun-gelb. Die Menge an entstandenem Iod entspricht genau der Menge des ursprünglich vorhandenen Sauerstoffs!
Schritt 3 – Titration: Jetzt titrieren wir das freigesetzte Iod mit einer Natriumthiosulfat-Maßlösung ( $\text{Na}_2\text{S}_2\text{O}_3$ ).

Der Indikator: Um den Endpunkt genau zu sehen, geben wir kurz vor Schluss etwas Stärkelösung hinzu. Stärke färbt sich zusammen mit Iod tiefblau! Wir tropfen weiter Thiosulfat hinein, bis die blaue Farbe schlagartig verschwindet (farblos).

Für die Berechnung gilt hier diese feste Regel: $1 \text{ Mol}$ Sauerstoff entspricht am Ende genau $4 \text{ Mol}$ Thiosulfat.

Aufgabentyp 3: Titrationsberechnungen durchführen

Egal ob direkte oder indirekte Titration, die Berechnung folgt immer diesem Plan:

Schritt-für-Schritt-Anleitung

Stoffmenge der Maßlösung berechnen: Nutze das verbrauchte Volumen ( $V$ ) und die bekannte Konzentration ( $c$ ) der Maßlösung aus der Bürette. Formel: $n = c \cdot V$ . (Achtung: Volumen in Liter umrechnen!)
Stöchiometrisches Verhältnis anwenden: Schau dir das Verhältnis der Stoffe an. Bei der Permanganometrie gilt $n(\text{Oxalsäure}) = \frac{5}{2} \cdot n(\text{Permanganat})$ , bei der Iodometrie (Winkler) gilt $n(\text{Sauerstoff}) = \frac{1}{4} \cdot n(\text{Thiosulfat})$ .
Gesuchte Größe berechnen: Setze die berechnete Stoffmenge ( $n$ ) in die Zielformel ein. Entweder suchst du die Stoffmengenkonzentration ( $c = \frac{n}{V}$ ) oder die Massenkonzentration ( $\beta = \frac{m}{V}$ , wobei $m = n \cdot M$ ).

Durchgerechnete Beispiele

Beispiel 1

Aufgabe

Bei der Titration von $V = 50 \text{ ml}$ Oxalsäurelösung werden $V = 12 \text{ ml}$ Kaliumpermanganat-Maßlösung ( $c = 0{,}01 \text{ mol/l}$ ) verbraucht, bis die blassviolette Färbung bestehen bleibt. Berechne die Stoffmengenkonzentration ( $c$ ) der Oxalsäure.

Fortschritt

3 / 3

Schritt 1
Stoffmenge der Maßlösung berechnen
Wir berechnen zuerst die Stoffmenge ( $n$ ) des verbrauchten Permanganats. Wir rechnen $12 \text{ ml}$ in $0{,}012 \text{ l}$ um. $n(\text{MnO}_4^-) = c \cdot V$ $= 0{,}01 \text{ mol/l} \cdot 0{,}012 \text{ l}$ $= 0{,}00012 \text{ mol}$
Schritt 2
Stöchiometrisches Verhältnis anwenden
Das Verhältnis ist $5 \text{ Mol}$ Oxalsäure zu $2 \text{ Mol}$ Permanganat. $n(\text{Oxalsäure}) = \frac{5}{2} \cdot 0{,}00012 \text{ mol}$ $= 2{,}5 \cdot 0{,}00012 \text{ mol}$ $= 0{,}0003 \text{ mol}$
Schritt 3 · Ergebnis
Gesuchte Größe berechnen
Nun berechnen wir die Konzentration der Oxalsäure in den ursprünglichen $50 \text{ ml}$ ( $0{,}05 \text{ l}$ ). $c(\text{Oxalsäure}) = \frac{n}{V}$ $= \frac{0{,}0003 \text{ mol}}{0{,}05 \text{ l}}$ $= 0{,}006 \text{ mol/l}$

Ergebnis:

Die Stoffmengenkonzentration der Oxalsäure beträgt $0{,}006 \text{ mol/l}$ .

Quiz zu Praktische Redoxtitrationen: Teste dein Wissen

Löse eine kostenlose Quizfrage zu Praktische Redoxtitrationen und prüfe, ob du die wichtigsten Schritte verstanden hast.

Quizfrage 1 zu Praktische Redoxtitrationen

Mit welcher Formel lässt sich die Massenkonzentration eines gelösten Stoffes berechnen?

Quizfrage 2 zu Praktische Redoxtitrationen

Nur mit Account

Woran erkennt man bei der Permanganometrie, dass der Äquivalenzpunkt erreicht ist und die gesamte Oxalsäure reagiert hat?

Übungsaufgabe zu Praktische Redoxtitrationen

Nur mit Account

Wie groß ist die Masse des Sauerstoffs, wenn die berechnete Stoffmenge $0{,}00002 \text{ mol}$ beträgt und die molare Masse $32 \text{ g/mol}$ ist?

Tipp: Die Masse berechnet sich durch die Multiplikation der Stoffmenge mit der molaren Masse. Das exakte Produkt aus $0{,}00002 \text{ mol}$ und $32 \text{ g/mol}$ ergibt diesen Wert in Gramm.

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Beispiel 2

Aufgabe

Eine Wasserprobe von $V = 100 \text{ ml}$ wird nach der Winkler-Methode untersucht. Bei der Titration des freigesetzten Iods werden $V = 8 \text{ ml}$ Natriumthiosulfat-Lösung ( $c = 0{,}01 \text{ mol/l}$ ) verbraucht. Berechne die Massenkonzentration ( $\beta$ ) des gelösten Sauerstoffs in $\text{mg/l}$ . (Molare Masse von $\text{O}_2 = 32 \text{ g/mol}$ ).

Fortschritt

3 / 3

Schritt 1
Stoffmenge der Maßlösung berechnen
Wir berechnen die Stoffmenge des Thiosulfats ( $8 \text{ ml} = 0{,}008 \text{ l}$ ). $n(\text{Thiosulfat}) = c \cdot V$ $= 0{,}01 \text{ mol/l} \cdot 0{,}008 \text{ l}$ $= 0{,}00008 \text{ mol}$
Schritt 2
Stöchiometrisches Verhältnis anwenden
Bei der Winkler-Methode entspricht $1 \text{ Mol}$ Sauerstoff genau $4 \text{ Mol}$ Thiosulfat. $n(\text{O}_2) = \frac{1}{4} \cdot 0{,}00008 \text{ mol}$ $= 0{,}00002 \text{ mol}$
Schritt 3 · Ergebnis
Gesuchte Größe berechnen
Zuerst berechnen wir die Masse ( $m$ ) des Sauerstoffs: $m(\text{O}_2) = n \cdot M$ $= 0{,}00002 \text{ mol} \cdot 32 \text{ g/mol}$ $= 0{,}00064 \text{ g} = 0{,}64 \text{ mg}$

Nun berechnen wir die Massenkonzentration ( $\beta$ ) in der $100 \text{ ml}$ ( $0{,}1 \text{ l}$ ) Wasserprobe: $\beta(\text{O}_2) = \frac{m}{V}$ $= \frac{0{,}64 \text{ mg}}{0{,}1 \text{ l}}$ $= 6{,}4 \text{ mg/l}$

Ergebnis:

Die Massenkonzentration des gelösten Sauerstoffs beträgt $6{,}4 \text{ mg/l}$ .

Wichtige Erkenntnisse

Permanganometrie: Direkte Titration im sauren Milieu. Kaliumpermanganat ist sein eigener Indikator (Farbumschlag zu bleibend blassviolett).
Winkler-Methode: Indirekte Titration in drei Schritten zur Bestimmung von gelöstem Sauerstoff.
Indikator bei Winkler: Stärke wird hinzugegeben und färbt das Iod blau. Am Äquivalenzpunkt wird die Lösung farblos.
Stöchiometrie-Merksätze: Permanganat zu Oxalsäure ist $2:5$ . Sauerstoff zu Thiosulfat ist $1:4$ .

Praktische Redoxtitrationen einfach erklärt: Permanganometrie