Diffusie van zout door een membraan (CoachLab)

• CMA Coachlab II
• Temperatuursensor (0511BT)
• Vernier Conuctivity Probe (CON-BTA)
• Probe ijkoplossing (zoutoplossing)
• PC met Coachlab software en Excel
• Zout (NaCl)
• Bekerglazen
• Weegschaal
• Dialysemembraan
• Afsluitklemmen
• Gedemineraliseerd water
• Roermotor
• Roerboon
• Statief met klemnen
• Maatcylinders
• Schaar

• Zet de geleidbaarheidssensor op 0-2000 µS/cm
• Verbindt de temperatuursensor en de geleidbaarheidssensor met het CoachLab Interface
• Start de Coachlabsoftware op en stel een tijdsmeting in op een meettijd van 120 seconden met 0.5 metingen/seconde
• Neem een stukje dialysemembraan voldoende groot om ca. 10 ml vloeistof in te stoppen en af te klemmen.
• Bevochtig het membraan en klem een zijde af.
• Maak een oplossing van 5% NaCl in water in een 50 ml bekerglas
• Breng 10 ml van deze oplossing over in het dialysemembraan en klem het open einde af.
• Was de buitenzijde van het membraan af met demi-water
• Neem een bekerglas van 400 ml en vul dit met 250 ml demi-water
• Plaats het bekerglas op de roermotor en
• Positioneer de sondes in het midden van het bekerglas
• Plaats het dialysemembraan in het bekerglas.
• Noteer de positie. Het membraan en de geleidbaarheidssensor moeten in de volgende experimenten op exact dezelfde afstand geplaatst worden
• Roer het water gedurende 15 seconden, start dan de meting.
• Blijf rustig roeren.
• Herhaal dit experiment met zoutoplossingen van 5%, 10%, 15%, 20% en 30%
• Het dialysembraan kan men hergebruiken door het te legen en te spoelen met kraanwater

Alle metingen zij weergegeven in onderstaande grafiek die binnen Coachlab weergegeven wordt.

Zoals in Achtergrondinformatie meer formeel beschreven wordt is diffusie de verplaatsing van een stof van een plaats met een hoge concentraties naar een plaats met een lage concentratie van die stof. In gassen en vloeistoffen in evenwicht bewegen zich deeltjes (moleculen) volledig willekeurig, de zogenaamde Brownse beweging. Diffusie komt tot stand doordat in een systeem dat niet in evenwicht is, er een concentratie gradiënt aanwezig is, waardoor zich gemiddeld genomen meer moleculen richting de lagere concentratie bewegen, totdat het systeem weer in evenwicht is (concentratie gelijk is).

Een manier om een geconcentreerde oplossing in een minder geconcentreerde oplossing te plaatsen zonder dat deze onmiddellijk gaan mengen is door gebruik te maken van een membraan. Het membraan fungeert als scheidingswand tussen twee fases en als selectiemiddel voor het al dan niet doorlaten van deeltjes. Het dialysemembraan, een semi-permeabel membraan, zoals we het in dit experiment gebruikt hebben filtert als het ware op grootte. Water, Natrium en Chloride ionen passen door de poriën in het membraan. Door diffusie zullen de natrium en chloride ionen zich door het membraan verplaatsen van de hoge concentratie binnen het membraanzakje naar de lage concentratie binnen het bekerglas. Door nu de concentratie van het zout in het dialysemembraan te variëren kunnen we bepalen hoe de diffusiesnelheid beïnvloed wordt door de concentratie.

In het experiment bepalen we de snelheid van het diffusieproces door het meten van de ionen concentratie in de oplossing gedurende een bepaalde tijdsperiode. Ionen zijn geladen deeltjes die ervoor zorgen dat een waterige oplossing elektriciteit kan geleiden en ontstaan in dit experiment door het oplossen van Natriumchloride in water volgens:
 

NaCl(s)  + H₂O --> Na⁺(aq) + Cl^-(aq) + H₂O
 

Dit geleidingsvermogen kunnen we meten met een geleidbaarheidssensor (Zie Achtergrondinformatie). Als de geleidbaarheid van de oplossing toeneemt geeft dit aan dat de ionconcentratie toeneemt hetgeen weergegeven wordt door de stijgende lijn in een meting. De meting laat een rechte lijn zien hetgeen aangeeft dat de snelheid waarmee de ionen door het membraan bewegen constant is. De toename in hellingshoek laat dan weer zien dat deze snelheid toeneemt als de concentratie toeneemt. Aangezien we steeds hetzelfde membraan gebruiken en daar ook steeds dezelfde hoeveelheid zoutoplossing instoppen is het oppervlak dat blootgesteld wordt aan het water constant. Het gebruik van een roerboon zorgt ervoor dat ionen die door het membraan migreren gelijk door de oplossing verspreid worden. Hierdoor reduceren we extra variatiefactoren in de meting waardoor we een redelijke correlatiecoëfficiënt krijgen. De grafiek gaat niet door nul hetgeen we kunnen verklaren door de 15 s die we wachten voordat we de meting opstarten, ionen zijn dan al door het membraan gemigreerd.

• Dialysemembraan. Semi-permeabel gemaakt van celluloseacetaat
• Coachlabfile: Membrane_20240611.cmr7
• Excelfile: Resultaten.xlsx
• Men kan het rekenwerk ook in CoachLab uitvoeren maar ik vind het voor mezelf gemakkelijker om in Excel te werken.
• Als je data importeert in Excel wordt deze vaak als tekst weggeschreven. Om deze te converteren naar getalleen selecteer je in Excel binnen een kolom de getallen en klik onder DATA op "Text to Columns"

• "Membranen"; Chemische Feitelijkheden; 58 #253 april  2009
• R.B. Byrd, W.E. Stewart, E.N. Lightfoot; "Transport Phenomena"; John Wiley&Sons; 1960; ISBN 04741073954
• R. P. Sing, D.R. Heldman; "Intrdouction to Food Engineering"; 3rd Ed; Academic Press; 2003; ISBN 0126463840; p. 529-556.

Relevante websites:

• Diffusie - Wikipedia
• Dialyse - Wikipedia
• Conductometrie - Wikipedia

Minder relevante websites:

• Dialysemembraan - Thuis Experimenteren

Achtergrondinformatie:

Componenten die zich binnen een fase bewegen doen dit onder invloed van een concentratieverschil. Er ontstaat dus een stroom als gevolg van een oorzaak, de “drijvende kracht”. Voor een korte lengte Dx kunnen we dan een debietvergelijking opstellen:

(kg.s^-1)

Herdefiniëren we deze in termen van eendimensionaal stationair transport dan krijgen we de wet van Fick waarin we de fluxvergelijking opstellen:

(kg.m².s^-1)

Volgens deze wet is de diffusiesnelheid rechtevenredig met het concentratieverval. Hierin is D de diffusiecoëfficiënt in m²s^-1. Het is een temperatuurafhankelijke stofeigenschap en is een maat voor de snelheid waarmee in het betreffende medium stof diffundeert.

Voor de diffusiecoëfficiënten in vloeistoffen vindt men bij kamertemperatuur waarden in de orde van 10-8 a 10-9 m²s^-1; voor andere temperaturen kan men een bij een temperatuur gegeven diffusiecoëfficiënt omrekenen met de relatie van Einstein-Nernst-Eyring: Dh/T (h is de viscositeit van het oplosmiddel). Beschouwen we nu een materiaalbalans over een schijfje met dikte dx en met als oppervlak de eenheid van oppervlak (het volume van het schijfje is dus dx).

De balans luidt:

in = uit + accumulatie

Hetgeen de tweede wet van Fick is die informatie geeft over de concentratieverandering in de tijd.

Hoe kleiner de weerstand des te hoger het geleidend vermogen (=geleidbaarheid) en omgekeerd. Stoffen, zoals in water opgelost zout, verlagen de elektrische weerstand en verhogen daarmee de geleidbaarheid.

Bijvoorbeeld keukenzout Indien water met keukenzout (NaCl) wordt vermengd, dan valt deze stof uitéén in zijn bestanddelen (ionen) Na⁺ en CI^–. Deze ionen zijn geladen deeltjes en daarmee verantwoordelijk voor de mate van geleidbaarheid van het water.

De geleidbaarheid geeft dus informatie over de som van opgeloste, geladen bestanddelen. De geleidbaarheid is een maatstaf voor de ionenactiviteit in water of voor de aanwezigheid van gedissocieerde stoffen in een waterige oplossing. Oplossingen van de meeste anorganische zuren, basen en zouten zijn relatief goede geleiders. Organische bestanddelen, niet gedissocieerd in waterige oplossingen, zijn zwakke stroomgeleiders.

Een grafiek om de conductormetrische meetresultaten om uit te zetten is het gebruikelijk om op de verticale as het geleidingsvermogen in Ohm^-1 uit te zetten en op de horizontale as het aantal toegevoegd zuur/base in ml.

Het (elektrische) geleidingsvermogen G van een oplossing wordt gedefinieerd als het omgekeerde van de weerstand van de oplossing en wordt uitgedrukt in siemens (S = Ohm-1)

Het geleidingsvermogen en daarmee de geleidbaarheid is een grootheid die afhangt van:

• de aard van de ionen
• de concentratie van de ionen
• de lading van de ionen
• de temperatuur van het water
• de viscositeit van het water.

De geleidbaarheid is sterk afhankelijk van de temperatuur van de oplossing. De toename van de geleidbaarheid met stijgende temperatuur bedraagt ongeveer 1,9 % / °C. De meetwaarde dient gecorrigeerd te worden zelfs bij geringe verschillen van de meettemperatuur en de referentietemperatuur (25°C). De geleidbaarheidsmeting kan gestoord worden door de aanwezigheid van onopgeloste stoffen (vetten, oliën, minerale stoffen, metaaldeeltjes, enz.). Eventuele luchtbellen tussen de elektroden kunnen de meting storen (verwarmen van het monster tot de meettemperatuur). Bij monsters waarvan de geleidbaarheid kleiner is dan 10 µS/cm wordt de meting gestoord door de invloed van de lucht (eventuele opname van CO₂).

De geleidbaarheid van een oplossing kunnen we als volgt formuleren:

Waarin:

• G = geleidbaarheid (eenheid Siemens, S)

• R = weerstand (eenheid Ohm)

• k = specifieke geleidbaarheid (eenheid S.cm-1)
  De geleidbaarheid in siemens van een buisje van 1 cm lengte en 1 cm² doorsnede gevuld met de oplossing.

De specifieke geleidbaarheid van een oplossing hangt af van de samenstelling. De specifieke geleidbaarheid van een oplossing van een zuiver elektrolyt hangt af van de concentratie. Om de geleidbaarheid van oplossingen van verschillende elektrolyten te kunnen vergelijken moeten we de concentraties in een maat uitdrukken die vergelijking mogelijk maakt.

Onder de equivalentgeleidbaarheid L verstaan we de specifieke geleidbaarheid van een (hypothetische) oplossing die 1 equivalent per cm³ bevat. Dus: