Conductometrische titratie van azijnzuur met natronloog

Datum : 1-8-2002

Principe:

Het gehalte van azijnzuur (HAc) bepalen d.m.v. een zuur-base reactie met natronloog. I.p.v. een indicator gebruiken we de elektrische geleidbaarheid van de oplossing om het equivalentiepunt te bepalen: 

De zuur-base reactie: NaOH + HAc --> H2O + Na+ + Ac-

Benodigd:

  • Multimeter die weerstand kan meten
  • Spuit (5 of 10 ml - 0.5 ml nauwkeurig
  • Weegschaal
  • Grafietstaafjes (vulpotloodstaafjes)

Werkwijze:

  • Breek twee grafietstaafjes af zodat ze ongeveer een gelijke lengte hebben. 
  • Fixeer de elektrodes mbv een plastic pijpje (geknipt uit een plastic pipetje) of op aan analoge manier. Zie de foto hiernaast
  • Weeg 30 g Schoonmaakazijn af in een bekerglas van 100 ml.
  • Weeg in een ander bekerglas 10 g natronloog (=ontstopper) af en voeg 100 ml gedemineraliseerd water toe. Meng goed en wacht tot de oplossing afgekoeld is.

 

  • Plaats de elektroden in de azijnzuuroplossing en verbind ze met de multimeter (die in gesteld staat op weerstandsmeting). Zie de foto hiernaast.
  • Meet de weerstand en noteer deze. 
  • Voeg 0.5 ml loogoplossing, meng goed en noteer de weerstandswaarde.
  • Herhaal dit totdat een overmaat loog is toegevoegd hetgeen gekenmerkt wordt door een dalende weerstandswaarde. 

 

Meetresultaten:

ml NaOH Weerstand - R 
(Ohm)
mmol NaOH Geleidbaarheid - S ((S=1/R) * 1E6)
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
5,5
6
6,5
7
7,5
8
8,5
9
9,5
10
10,5
11
11,5
12
12,5
13
13,5
14
14,5
15
8100000
7600000
7400000
7500000
7400000
7400000
7400000
7400000
7400000
7400000
7400000
7400000
7350000
7300000
7230000
7130000
7010000
6830000
6650000
6270000
6300000
560000
490000
410000
390000
234000
230000
230000
230000
230000
230000

 

0,00
1,25
2,50
3,75
5,00
6,25
7,50
8,75
10,00
11,25
12,50
13,75
15,00
16,25
17,50
18,75
20,00
21,25
22,50
23,75
25,00
26,25
27,50
28,75
30,00
31,25
32,50
33,75
35,00
36,25
37,50

 

0,123
0,132
0,135
0,133
0,135
0,135
0,135
0,135
0,135
0,135
0,135
0,135
0,136
0,137
0,138
0,140
0,143
0,146
0,150
0,159
0,159
1,786
2,041
2,439
2,564
4,274
4,348
4,348
4,348
4,348
4,348

 

Discussie en conclusie:

Azijnzuur (HAc): 60 g/mol
Natronloog (NaOH): 40 g/mol

Voor de loogoplossing: 10 g/100 ml = 2.5 mmol/ml
Uit de meetresultaten kunnen we halen dat het equivalentiepunt tussen de 25 en 26.25 mmol NaOH zit.
Het equivalentiepunt  bepalen we dan op: 25,625 mmol NaOH.
In 30 g Azijnzuuroplossing zit dan ook 25.625 mmol HAc.
In 100 g zit dan : 100/30 * 25.625 / 1000 = 5.1 g HAc. 
Het percentage azijnzuur in de schoonmaakazijn oplossing is dan ca 5.1 %.

Voor schoonmaakazijn verwachten we een gehalte van ca. 8 %. Daar zitten we dus ver onder.

Uiteraard is dit niet een zeer nauwkeurige analysemethode, de loog is bv niet gesteld, dus de concentratie kan afwijken van hetgeen we op basis van de wegcijfers verwachten. We weten bv dat loog reageert met het water en CO2 uit de lucht. Desalniettemin krijgen we zelfs bij een fout van 20% een gehalte van ca 6%, nog altijd ver beneden het verwachte resultaat. Ik denk echter niet dat de fout in de bepalingsmethode dermate groot is. 

We kunnen daarom alleen maar concluderen dat de reclamekreet op de fles 'dubbele geconcentreerd', niet klopt. Het gehalte licht meer in de buurt van huishoudazijn (4%). 

Kunnen we de meetcurve verklaren?

Gegevens:

Ac = acetaat
HAc = azijnzuur
pKa = 4.7
c = concentratie HAc (M)
 x = [H3O+]
 y = [OH-]

Reaktievergelijkingen:

De reactie van azijnzuur (HAc, formule: CH3COOH) met natronloog kunnen we als volgt uitschrijven:

1. Evenwichtsdissociatie van azijnzuur:  HAc + H2O <=> Ac- + H3O+
2. Dissociatie van NaOH: NaOH -> Na+ + OH-
3. Neutralisatiereaktie: H3O+ + OH- <=> 2H2O
Bruto reaktievergelijking: HAc + NaOH <=> Ac- + Na+ + H2O

Vergelijkingen:

(1)   c = [HAc] + [Ac-] => [HAc] = c - [Ac-]
(2) 
(3)  elektroneutraliteitsvergelijking: [Ac-] + y = x + [Na+]

De elektroneutraliteitsvergelijking is het uitgangspunt van de berekeningen.

(1) + (2) (4)
(4) in (3) (5)

Onder de omzettingsgraad l verstaan we de toegevoegde hoeveelheid reagens in mol gedeeld door de te bepalen hoeveelheid stof in mol. Voor de titratie van een eenwaardig zuur met een eenwaardige base ligt het equivalentiepunt dus bij l =1.

Bij de nu volgende theoretische afleiding van de titratiecurve wordt de aanname gemaakt dat het volume tijdens de titratie niet verandert.

Dus:

  (6)
(6) in (5) (7)

Alhoewel we deze vergelijking nog verder kunnen vereenvoudigen om de titratievergelijking in stukjes te knippen en op deze manier uit te rekenen is dat niet nodig. M.b.v. excel is eenvoudig een tabel samen te stellen die de l bij verschillende pH's uitrekent. Uiteraard kan deze tabel weer gebruikt worden om de titratiecurve te tekenen.

Met pKa=4.7, c=0.85 M en de titratievergelijking hebben we voldoende informatie om een titratiecurve af te leiden.

Om een conductometrische titratie te kunnen beschrijven moeten we de hierboven afgeleide vergelijking nu herschrijven in termen van geleidbaarheid.

Uitgaande van de geleidbaarheid van een oplossing:

 (8)

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:

(9)

Het is belangrijk om zich te realiseren dat de equivalentgeleidbaarheid kan worden opgesplitst in bijdragen van de afzonderlijke ionen.

Hetgeen in het geval van een titratie betekent dat:

  (10)
(6) en (4) in (10) (11)

In combinatie met de equivalentgeleidbaarheden uit de tabel en de titratievergelijking (7) hebben we nu voldoende informatie om de geleidbaarheid uit te rekenen.

M.b.v. Ka, c en de pH rekenen we l uit m.b.v. de titratievergelijking. Deze gegevens vullen we dan in de geleidbaarheidsvergelijking (11) in om k te berekenen.

Tabel : Equivalentgeleidbaarheden (f) bij 25 C

Kationen Anionen 
H3O+ 349.82 OH- 198.0
Na+ 50.11 Ac- 40.9

Combineren we de praktische meetwaardes met de theorie, waarbij we corrigeren voor de verdunning, dan kunnen we de volgende grafiek samenstellen.

Ondanks het gegeven dat we voor de azijnzuur concentratie die in de berekeningen gebruikt is een getal gebruiken dat we praktisch bepaald hebben kunnen we aan deze grafiek mooi zien hoe theorie en praktijk met elkaar overeenkomen. Hoe mooi een en ander overeenkomt wordt benadrukt door het gegeven dat je alleen maar de concentratie azijnzuur gematched hebt, de rest is allemaal theorie of tabellaire waarde.

De grootste afwijking wordt niet veroorzaakt door het equivalentpunt maar door het verschil tussen de berekende geleidbaarheden en de gemeten geleidbaarheden (of eigenlijk de uit de gemeten weerstand berekende geleidbaarheid). De verschil is terug te voeren naar de manier waarop we de elektrodes hebben uitgevoerd en de manier waarop we de weerstand van de oplossing gemeten hebben mbv die electrodes.

De meting zoals hij hierboven beschreven is niet helemaal correct uitgevoerd. Bij elektrolyse kan men zien dat er door elektrodeprocessen een tegen-EMK ontstaat, waardoor de wet van Ohm (V=I*R) niet zonder correctie opgaat. Dit geeft moeilijkheden als we de weerstand van de cel op eenvoudige wijze met een brug van Wheatstone willen bepalen (hetgeen het principe van een multimeter is). Indien men bij de meting gebruik maakt van  een wisselstroom van hoge frequentie (bv 1000 Hz) krijgt het tegenwerkende element geen tijd om zich te vormen. De wet van Ohm wordt dan weer zonder complicaties gevolgd.  

Opmerkingen:

Om het omslagpunt zichtbaar te maken kan men een zuur-base indicator toevoegen (in dit geval heb ik methylrood toegevoegd).

Literatuur:

Relevante websites:

Achtergrondinformatie:

Conductometrie betekend geleidbaarheidsmeting.

Bij elektrische geleidbaarheid meet men de elektronische weerstand tussen twee elektroden in bv. vloeistoffen.

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 uitn 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 (25C).  
De geleidbaarheidsmeting kan gestoord worden door de aanwezigheid van onopgeloste stoffen (vetten, olin, 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 S/cm wordt de meting gestoord door de invloed van de lucht (eventuele opname van CO2).


18-01-2017