pH-Kurven im virtuellen Labor: Ammoniak und Phosphorsäure

Diese pH-Kurven im virtuellen Labor folgen dem Versuch aus A-Level und IB, bei dem die Lernenden eine Titrationskurve mit einem pH-Meter aufnehmen. Sie kalibrieren die Elektrode mit Pufferlösungen von pH 4, 7 und 10, titrieren Ammoniak mit Salzsäure, notieren nach jeder Zugabe den pH-Wert und bestimmen den Äquivalenzpunkt aus ΔpH/ΔV. Am Halbäquivalenzpunkt liefert die Kurve den pKb-Wert von Ammoniak und zeigt, welche Indikatoren geeignet wären. Phosphorsäure ergibt anschließend zwei Sprünge in einer Kurve. Jeder Wert unten stammt aus der Simulation.

Lehrplanbezug

• AQA A-level Chemistry 7405, 3.1.12.5 (pH-Kurven, Titrationen und Indikatoren) und Pflichtversuch (required practical) 9: wie sich der pH-Wert ändert, wenn eine schwache Säure mit einer starken Base und eine starke Säure mit einer schwachen Base reagiert.
• IB Chemistry (erste Prüfung 2025), R3.1: pH-Kurven für starke und schwache Säuren und Basen und die Wahl des Indikators.
• AP Chemistry Unit 8, topic 8.5 Acid–Base Titrations (SAP-9.E), einschließlich mehrprotoniger Säuren.

Simulic ist weder mit AQA noch mit dem International Baccalaureate oder dem College Board verbunden und wird von ihnen nicht unterstützt.

Vor dem Experiment (5 min)

Lassen Sie die Lernenden sich auf eine Vorhersage festlegen, auf Papier oder als Frage 1 des Klassenlinks:

„20 mL Ammoniak mit 0,10 mol/L werden mit HCl mit 0,10 mol/L titriert. Liegt der pH-Wert am Äquivalenzpunkt unter 7, genau bei 7 oder über 7?“

Lernende, die Kurven schwacher Säuren kennen, sagen oft „über 7“.

Durchführung in der Simulation

1. Stellen Sie Ansicht auf pH-Praktikum. Lassen Sie Kolben + Bürette auf NH₃ + HCl (schwache Base, starke Säure), c(NH₃) 0,10 mol/L, V(NH₃) 20 mL und c(HCl) 0,10 mol/L.
2. Kalibrieren: Klicken Sie auf Puffer pH 4, Puffer pH 7 und Puffer pH 10, notieren Sie jeweils die Anzeige und klicken Sie dann auf Kalibrieren.
3. Klicken Sie bei 0 mL auf Messwert notieren. Geben Sie HCl mit +1 mL zu und klicken Sie nach jeder Zugabe auf Messwert notieren. Zwischen 19 und 21 mL geben Sie mit dem Schieberegler V(HCl) zugegeben jeweils 0,5 mL zu.
4. Lesen Sie die Auswertung unter der Messwerttabelle ab: den Äquivalenzpunkt und den pH-Wert beim halben Volumen. Prüfen Sie die Indikatortabelle.
5. Stellen Sie Kolben + Bürette auf H₃PO₄ + NaOH (dreiprotonige Säure) (die Elektrode bleibt kalibriert) und notieren Sie Messwerte bei 0, 10, 19, 20, 21, 30, 39, 40, 41 und 50 mL.

V(HCl) (mL)	0	5	10	15	19	19,5	20	20,5	21	25	30
pH (NH₃)

Erwartete Ergebnisse

Kalibrierung. Die nicht kalibrierte Elektrode zeigt in den Puffern 4,46, 7,28 und 10,10. Nach Kalibrieren stimmen die Anzeigen.

Ammoniak mit HCl:

V(HCl) (mL)	0	5	10	15	19	19,5	20	20,5	21	25	30
pH	11,12	9,73	9,25	8,77	7,97	7,66	5,28	2,91	2,61	1,95	1,70

• Der Äquivalenzpunkt liegt bei 20,00 mL und pH 5,28: NH₄⁺ ist eine schwache Säure, daher reagiert die Lösung sauer.
• Am Halbäquivalenzpunkt (10,00 mL) ist pH = 9,25 = pKs(NH₄⁺), also pKb(NH₃) = 14 − 9,25 = 4,75. Aus den Messwerten oben gibt die Auswertungszeile einen Äquivalenzpunkt von 19,75 mL und pKb ≈ 4,74 an.
• Indikatortabelle: Methylrot schlägt bei 20,00 mL um (0,0 %) und Methylorange bei 20,02 mL (+0,1 %), Phenolphthalein aber bei 18,36 mL (−8,2 %).

Phosphorsäure mit NaOH: 1,63 bei 0 mL, 2,29 bei 10, 3,49 bei 19, 4,70 bei 20, 5,92 bei 21, 7,20 bei 30, 8,48 bei 39, 9,66 bei 40, 10,83 bei 41 und 11,86 bei 50 mL. Es gibt zwei Sprünge, bei 20 und 40 mL. In der Mitte dazwischen, bei 30 mL, ist pH = 7,20 = pKs₂. Einen dritten Sprung gibt es nicht: HPO₄²⁻ (pKs 12,35) ist eine zu schwache Säure.

Fragen für die Lernenden

1. (Vorhersage, nach dem Experiment erneut gestellt) Liegt der pH-Wert am Äquivalenzpunkt für NH₃ mit HCl unter 7, bei 7 oder über 7?
2. Welche Größe ist eine Kontrollvariable?
3. Was zeigt die kalibrierte Elektrode nach 10,00 mL HCl an?
4. Wie groß ist der pH-Wert bei 30,00 mL in der Titration von H₃PO₄?
5. Warum ist Methylrot für NH₃ mit HCl ein besserer Indikator als Phenolphthalein?

Antworten für Lehrkräfte: (1) Unter 7 (5,28). (2) Die Konzentration der HCl. (3) 9,25 (9,20–9,30 akzeptieren), also pKb = 4,75; nicht kalibriert zeigt sie 9,39. (4) 7,20 (7,15–7,25 akzeptieren), gleich pKs₂. (5) Der Sprung reicht von etwa pH 7,7 bis 2,9. Methylrot schlägt bei etwa pH 5 um, also innerhalb des Sprungs (20,00 mL); Phenolphthalein schlägt bei 8,2 um, vor dem Sprung (18,36 mL, 8 % zu früh).

Häufige Fehlvorstellungen

• „Ein pH-Meter zeigt immer den wahren pH-Wert.“ Nicht kalibriert zeigt es am Halbäquivalenzpunkt 9,39 statt 9,25, was pKb 4,61 ergibt.
• „Jede schwache Spezies ergibt einen Äquivalenzpunkt über 7.“ Nur eine schwache Säure mit einer starken Base. Eine schwache Base mit einer starken Säure ergibt 5,28.
• „Eine dreiprotonige Säure ergibt drei Sprünge.“ H₃PO₄ ergibt zwei und Citronensäure nur einen, weil ihre pKs-Werte (3,13, 4,76, 6,40) zu nah beieinanderliegen.

Erweiterung

• Natriumcarbonat: Wählen Sie Na₂CO₃ + HCl (zwei Äquivalenzpunkte). Phenolphthalein zeigt den ersten Äquivalenzpunkt an (20,13 mL) und Methylorange den zweiten (39,80 mL).

Häufige Fragen

Was unterscheidet diesen Versuch von der Säure-Base-Titration im virtuellen Labor?

Die Säure-Base-Titration im virtuellen Labor nutzt die Ansicht Klassische Titration (HCl oder Essigsäure mit NaOH). Dieser Versuch nutzt die pH-Elektrode, eine schwache Base und mehrprotonige Säuren.

Kann der Klassenlink im pH-Praktikum öffnen?

Ja. Stellen Sie in den Startwerten des Links Ansicht auf Praktikum mit pH-Elektrode (mehr Systeme, Messwerttabelle) und Titrationssystem (Praktikumsansicht) auf NH₃ + HCl (schwache Base, starke Säure). Die Kalibrierung ist kein Startwert, daher kalibrieren die Lernenden zu Beginn selbst.

Warum wirkt der Sprung kleiner als bei HCl mit NaOH?

Der Pufferbereich NH₃/NH₄⁺ hat den pH-Wert bei 19 mL bereits auf 7,97 gesenkt. Von 19 bis 21 mL fällt er um 5,4 Einheiten, bei HCl mit NaOH dagegen um 8,8 Einheiten (2,59 bis 11,39).

Verwandte Simulationen und Leitfäden

Pufferlösungen – warum ändert sich der pH-Wert kaum? Säure-Base-Indikatoren – Lackmus, Phenolphthalein, Rotkohl, Universalindikator

Zu Puffern siehe Pufferlösungen im virtuellen Labor; zu unbekannten Konzentrationen Titration unbekannter Proben im virtuellen Labor.