Was ist eine Standardlösung?

Eine Standardlösung ist jede Lösung, deren Konzentration mit einem akzeptablen Maß an Präzision und Genauigkeit bekannt ist . Dies sind Lösungen im täglichen Gebrauch auf dem Gebiet der analytischen Chemie und werden in vielen chemischen Analyseanwendungen verwendet, die von Titrationen oder Titrationen bis zur Erstellung von Kalibrierkurven für die instrumentelle Analyse reichen.

Grundsätzlich kann jede Lösung als Standardlösung angesehen werden, solange ihre Konzentration bekannt ist und hinreichend sicher ist, dass sie während der Verwendungsdauer annähernd konstant bleibt. Dies impliziert, dass die gelösten Stoffe in Standardlösungen ein Mindestmaß an Stabilität aufweisen müssen, das verhindert, dass sie sich zersetzen oder in eine andere Verbindung umwandeln, bevor die Lösung verwendet wird.

Eigenschaften von Standardlösungen

Zusätzlich zu einer bekannten Konzentration müssen Standardlösungen einige besondere Eigenschaften aufweisen, die weitgehend von der Art der chemischen Analyse abhängen, für die sie verwendet werden. Zum Beispiel im Fall von Standardlösungen, die in Titrationstechniken (Säure/Base-Titrationen, Redox usw.) verwendet werden, müssen die Standardlösungen:

• Sie bleiben über ausreichend lange Zeiträume stabil und stellen so sicher, dass ihre Konzentration während der Analyse konstant bleibt.
• Die Konzentration sollte mit der vermuteten Konzentration des Analyten (der zu testenden Substanz) vergleichbar sein. Andernfalls hat die Titration eine größere Fehlerspanne.
• Sie müssen quantitativ mit dem Analyten oder Stoff reagieren, dessen Konzentration bestimmt wird. Dies impliziert, dass die Reaktion vollständig sein muss.
• Es sollte nur eine chemische Reaktion auftreten, die durch eine ausgewogene chemische Gleichung darstellbar ist. Das heißt, es dürfen weder mit dem Analyten noch mit den anderen Bestandteilen der Probenmatrix unerwünschte Nebenreaktionen auftreten.
• Die Reaktion mit dem Analyten muss schnell sein.

Für andere Anwendungen von Standardlösungen wie Kalibrierungskurven für die instrumentelle Analyse (in Techniken wie Atomemissions- oder Absorptionsspektroskopie, UV-Vis-Absorption usw.) müssen diese Lösungen nicht unbedingt die gleichen Eigenschaften aufweisen.

Beispielsweise reagieren bei Eichkurven die Standardlösungen nicht mit dem Analyten, sondern enthalten den Analyten in bekannten Konzentrationen, um die instrumentelle Antwort für diese Konzentrationen (sog. Eichkurven) zu ermitteln und somit später bestimmen zu können die Konzentration des Analyten in der Probe durch Extrapolation. In diesen Fällen ist eine Reihe von Standardlösungen mit sowohl höheren als auch niedrigeren Konzentrationen als der erwarteten Konzentration des Analyten erforderlich.

Bei anderen Analyseverfahren, die zusammenfassend als Backup-Techniken bekannt sind, werden dem Analyten Standardlösungen in bekannten Mengen zugesetzt, damit die Substanzen miteinander reagieren können, und der Überschuss des zugesetzten Standards wird dann titriert oder auf andere Weise bestimmt. In diesen Fällen muss die Reaktion mit dem Analyten nicht schnell sein, da sie nur einmal vor der Überschussanalyse stattfinden muss und nicht nach jeder Zugabe des Titriermittels während der Titration selbst.

Arten von Standardlösungen

Abhängig von den Eigenschaften des gelösten Stoffes und seiner chemischen Stabilität im Laufe der Zeit können wir zwei Klassen von Standardlösungen unterscheiden, primäre und sekundäre Standardlösungen.

Primäre Standardlösung

Eine Primärstandardlösung ist eine Lösung, die aus einem Primärstandard hergestellt wird. Diese besteht aus einer hochreinen chemischen Substanz, die über die Zeit stabil bleibt, sodass die Konzentration ihrer Lösungen konstant ist. Primärstandards haben die folgenden allgemeinen Eigenschaften:

• Es handelt sich um hochreine Reagenzien, die nicht spontan mit in der Atmosphäre vorhandenen Substanzen kontaminiert werden.
• Sie haben eine genau bekannte Zusammensetzung, d. h. wir kennen ihre chemische Formel, ihre Reinheit sowie die Identität und Konzentration der Hauptverunreinigungen.
• Sie sind sowohl in reinem Zustand als auch in Lösung chemisch stabile Substanzen. Dies stellt sicher, dass stöchiometrische Berechnungen, die aus der Masse oder dem Volumen des reinen Reagenzes durchgeführt werden , genau sind und dass die so berechnete Konzentration aus den von uns hergestellten Lösungen (den primären Standardlösungen) konstant ist.
• Sie dürfen keinen Wasserdampf oder andere Gase aus der Atmosphäre aufnehmen und müssen in einem Ofen bis zur Gewichtskonstanz getrocknet werden können, ohne sich zu zersetzen, um Feuchtigkeitsspuren zu entfernen.
• Idealerweise haben sie ein hohes Äquivalentgewicht. Dies minimiert Wägefehler, da eine größere Masse an Reagenz für die gleiche endgültige Normalkonzentration gewogen werden muss.
• Sie müssen schnell und stöchiometrisch mit dem Analyten reagieren.

Primärstandardlösungen sind die idealen Lösungen für die chemische Analyse, da sie direkt durch Wiegen und Auflösen (und ggf. Verdünnen) hergestellt werden können und ihre Konzentration direkt aus der Masse des reinen Reagenzes und dem Endvolumen der Auflösung bestimmt werden kann. Dadurch können diese Lösungen direkt für die chemische Analyse verwendet werden, ohne dass zusätzliche Lösungen hergestellt oder andere Standardisierungsschritte durchgeführt werden müssen. Viele Primärstandards sind jedoch aufgrund des erforderlichen hohen Reinheitsgrades teuer.

Sekundäre Standardlösung

Primärstandards sind die idealen Reagenzien für die chemische Analyse, jedoch ist es nicht immer möglich, für bestimmte Analysemethoden einen geeigneten Primärstandard zu finden. Darüber hinaus sind in vielen Fällen, insbesondere bei der Routineanalyse von Proben, die Kosten des Primärstandards prohibitiv hoch, insbesondere wenn man bedenkt, dass es andere Substanzen gibt, die zwar nicht alle Bedingungen für Primärstandards erfüllen, aber die geeignete Chemikalie aufweisen Eigenschaften, aber zu einem viel geringeren Preis. Dies sind die sekundären Standards, und daraus hergestellte Lösungen werden als sekundäre Standardlösungen bezeichnet.

Sekundärstandards sind Substanzen, die schnell und quantitativ mit dem Analyten reagieren, aber die anderen Bedingungen für einen Primärstandard nicht erfüllen. In einigen Fällen können Sekundärstandards nicht mit einem ausreichenden oder sogar bekannten Reinheitsgrad erhalten werden, da sie in der Atmosphäre chemisch nicht vollständig stabil sind.

Ein typisches Beispiel ist Natriumhydroxid, ein kostengünstiges Reagenz, das Wasser und Kohlendioxid aus der Atmosphäre absorbiert und mit beiden zu Natriumcarbonat reagiert. Das bedeutet, dass Natriumhydroxid immer mit Natriumcarbonat verunreinigt ist, und dasselbe passiert mit seinen wässrigen Lösungen.

Im Fall von Salzsäure ist dies auch kein primäres Muster, da sowohl kommerzielle Lösungen als auch Standardlösungen, die in der chemischen Analyse verwendet werden, langsam gelösten Stoff in Form von Chlorwasserstoffgas verlieren.

Herstellung von Standardlösungen

Durch Auflösung reiner Reagenzien

Der einfachste und direkteste Weg zur Herstellung einer Standardlösung besteht darin, das reine Reagenz auf einer gut kalibrierten Analysenwaage (um eine gute Genauigkeit zu gewährleisten) und einer guten Abschätzung in der Größenordnung von 0,1 mg (10 -4 g) und ^dann abzuwiegen Auflösen in einer bekannten Endmenge der Lösung (durch Verwendung eines Ballons oder Messkolbens). Bei flüssigen Reagenzien werden diese meist mit Vollpipetten gemessen, können aber auch gewogen werden, solange sie nicht zu flüchtig sind.

Dann werden die entsprechenden Berechnungen durchgeführt, um die tatsächliche Konzentration der Lösung aus der tatsächlich gewogenen Masse des Reagens und nicht aus der zuvor berechneten Masse zu bestimmen. Mit anderen Worten, wenn wir berechnen, dass wir 0,1382 g Natriumcarbonat wiegen müssen, um 1 L 10 ^-3 molare Standardlösung herzustellen, aber wir wiegen 0,1389 g, sollten wir die letzte Masse (die, die wir tatsächlich wiegen) verwenden und nicht die erstens bei der Berechnung der Konzentration der Standardlösung.

Wie oben erwähnt, können nur Primärstandardlösungen direkt durch Wiegen und Auflösen hergestellt werden, da wir nur mit Primärstandards sicher sein können, dass die von uns gewogene Masse auch tatsächlich dem Reagenz entspricht.

Durch Verdünnung konzentrierter Lösungen

Eine zweite sehr gebräuchliche Methode zur Herstellung von Standardlösungen ist das Verdünnungsverfahren. Dabei wird ein abgemessenes Volumen mit einer Vollpipette in einen Ballon oder Messkolben geeigneten Fassungsvermögens überführt und mit Wasser oder dem aufzuarbeitenden Lösungsmittel bis zur Teilungsmarke verdünnt.

Konzentrierte Lösungen sind in einigen Fällen im Handel erhältlich oder können durch Abwiegen und direktes Auflösen hergestellt werden, wie im vorherigen Abschnitt erläutert.

Durch Standardisierung gegen ein primäres Muster

Bei sekundären Standardlösungen können diese aus den oben erläuterten Gründen nicht direkt durch Einwiegen und Auflösen des reinen Reagenzes hergestellt werden. Denn aufgrund des Vorhandenseins verschiedener Verunreinigungen und aufgrund der Instabilität des Reagenz bzw. seiner Lösungen kann die aus den gemessenen Mengen an Reagenz errechnete Konzentration erheblich von der tatsächlichen Konzentration der Lösung abweichen. Mit anderen Worten, obwohl wir die Reagenzien zur Herstellung der Lösung sehr genau und so genau wie möglich wiegen, kennen wir nicht die wahre Konzentration der Lösung. Dies impliziert, dass es sich noch nicht um Standardlösungen handelt.

Aus diesem Grund muss in diesen Fällen nach Herstellung der sekundären Standardlösung eine chemische Analyse durchgeführt werden, um die tatsächliche Konzentration dieser Lösung mit einer anderen Standardlösung (mit bereits bekannter Konzentration) zu bestimmen. Dieser Vorgang wird als Standardisierung bezeichnet, da die Lösung, sobald die tatsächliche Konzentration der Lösung bestimmt ist, zu einer Standardlösung wird. Da diese Lösung jedoch aus einer anderen Lösung standardisiert wurde, die aus einer primären Standardlösung besteht, werden die standardisierten Lösungen als sekundäre Standardlösungen bezeichnet.

Beispiele für Standardlösungen

Beispiele für gemeinsame Primärstandards

Es gibt eine große Anzahl von Primärstandards, die zur Herstellung von Primärstandardlösungen zur Verwendung in verschiedenen Arten von chemischen Analysen verwendet werden. Nachfolgend sind einige Beispiele dieser Reagenzien zusammen mit der Art der Analysemethode, für die sie verwendet werden, aufgeführt:

• Natriumcarbonat (Na ₂ CO ₃ ): Es ist ein sehr stabiles Salz, das als primärer Standard für die volumetrische Titration von Säuren dient.
• Kaliumsäurephthalat (KC ₈ H ₅ O ₄ ): Diese Substanz hat ein hohes Molekulargewicht von 204,22 g/mol und ist eine stabile, nicht hygroskopische Substanz, die als primärer Standard für die Basentitration dient.
• Kaliumdichromat (K ₂ Cr ₂ O ₇ ): Kaliumdichromat ist sowohl bei Raumtemperatur als auch bei hohen Temperaturen ein sehr stabiles Salz. Seine Lösungen sind über Jahre stabil, wenn die notwendigen Vorkehrungen getroffen werden, um das Verdunsten des Lösungsmittels zu verhindern. Diese Substanz ist ein starkes Oxidationsmittel, daher kann sie als Primärstandard bei der Redox-Titration von Reduktionsmitteln verwendet werden.
• Natriumoxalat (Na ₂ C ₂ O ₄ ): Auch dies ist ein primärer Standard für Redox-Titrationen. Oxalat ist ein Reduktionsmittel, das in Gegenwart eines Oxidationsmittels schnell zu Kohlendioxid oxidiert, was es zu einem geeigneten Primärstandard zur Bestimmung der Konzentration von Oxidationsmitteln macht.
• Silbernitrat (AgNO ₃ ): Silbernitrat ist ein Beispiel für einen Primärstandard, der üblicherweise bei der Bestimmung von Silber durch Atomemissionsspektroskopie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-AES) verwendet wird. Es wird hauptsächlich wegen seiner Reinheit, seiner Stabilität und seiner hohen Löslichkeit in Wasser verwendet.

Beispiele für gemeinsame sekundäre Standards

Jedes der oben genannten primären Muster kann verwendet werden, um eines der folgenden Beispiele für sekundäre Muster zu standardisieren:

• Natriumhydroxid (NaOH): Wie oben erläutert, reagiert Natriumhydroxid langsam mit Kohlendioxid in der Luft, um Natriumcarbonat zu bilden, sodass Lösungen nicht vollkommen stabil sind. Diese Substanz dient als Sekundärstandard bei der Titration sowohl starker als auch schwacher Säuren.
• Salzsäure (HCl): Salzsäurelösungen werden als Standards zur Bestimmung verschiedener starker und schwacher Basen verwendet. HCl-Lösungen sind jedoch ebenso wie NaOH nicht langzeitstabil und somit keine Primärstandards.
• Kaliumpermanganat (KMnO ₄ ): Permanganat ist ein sehr starkes Oxidationsmittel und eines der am häufigsten verwendeten Titriermittel für die Bestimmung reduzierender Spezies in Redox-Titrationen. Obwohl Permanganat selbst in der Atmosphäre nicht instabil ist und in guter Reinheit erhalten werden kann, ist es ein so starkes Oxidationsmittel, dass es Wasser zu molekularem Sauerstoff oxidieren kann, wodurch Permanganat zu festem Mangandioxid reduziert wird. Diese Reaktion ist sehr langsam, macht Permanganatlösungen jedoch nicht vollständig stabil, sodass sie nicht als Primärstandards geeignet sind.
• Natriumthiosulfat (Na ₂ S ₂ O ₃ ): Natriumthiosulfat ist ein Reduktionsmittel, das in Redox-Titrationen zur Bestimmung verschiedener oxidierender Analyten verwendet wird. Obwohl wässrige Lösungen sehr stabil sind, neigt das Handelssalz, das immer dem fünffach hydrierten Salz mit der Formel Na 2 _S 2 _O 3 _· 5 H ₂ O entspricht, dazu, das Hydratwasser zu verlieren, weshalb es auch so ist dient nicht als primäres Muster. Natriumthiosulfatlösungen werden üblicherweise mit einer Kaliumdichromatlösung oder andernfalls mit einer standardisierten Kaliumpermanganatlösung standardisiert.

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