Conductometrie als alternatief voor zuur-basetitraties

Conductometrie als alternatief voor zuur-basetitraties Een conductometrische titratie is een volumetrische concentratiebepaling waarbij de geleidbaarheid van het reactiemengsel in functie van het volume toegevoegd titrant wordt gemeten. Deze waarden worden uitgezet in een titratiecurve. Als de te bepalen oplossing is weggereageerd, d.i. het equivalentiepunt (EP) van de titratie, dan zal de titratiecurve een knik vertonen wegens een veranderde evolutie in de geleidbaarheid van het reactiemengsel. Conductometrie is vooral geschikt om de concentratie van zuren en basen te bepalen. een eenvoudig alternatief voor de op pH gebaseerde zuur-basetitratie.

Geleidbaarheid van oplossingen

Soortelijke (of specifieke) geleidbaarheid of conductiviteit

Een oplossing die elektrolyten bevat, dit zijn chemische stoffen welke in oplossing geheel of gedeeltelijk in ionen splitsen, zal elektrische stroom geleiden. Als er twee inerte platina elektroden, verbonden met een spanningsbron, in zon elektrolytische oplossing worden gebracht, dan zal er een elektrische stroom met een bepaalde sterkte (I) door de oplossing vloeien. De grootte van deze stroomsterkte is enerzijds afhankelijk van de grootte van de spanning (U) geleverd door de spanningsbron en anderzijds is deze ook afhankelijk van de weerstand (R) van de elektrolytische oplossing die zich tussen de twee elektroden bevindt.
Net als bij metalen geleiders wordt ook voor elektrolytische oplossingen de relatie tussen de stroomsterkte, de spanning en de weerstand gegeven door de wet van Ohm.

I = U/R

met:
  • R = weerstand tussen de 2 elektroden
  • U = spanning
  • I = stroomsterkte

Ook de wet van Pouillet is van toepassing voor elektrolytische oplossingen.

R = ρ × l/A

met
  • R = weerstand tussen de 2 elektroden
  • ρ = soortelijke (of specifieke) weerstand of resistiviteit, afhankelijk van de soort elektrolyt tussen de elektroden
  • l = afstand tussen de elektroden in cm
  • A = oppervlakte van de elektroden in cm2

De soortelijke of specifieke weerstand ρ (ohm/cm) is de weerstand van de elektrolytische oplossing die zich bevindt tussen 2 elektroden die elk een oppervlakte hebben van 1 cm2 en op 1 cm van elkaar zijn geplaatst.

De geleidbaarheid is het omgekeerde van de weerstand en heeft als eenheid Siemens (S)
G = 1/R

De soortelijke of specifieke geleidbaarheid κ (S.cm) is de omgekeerde waarde van de soortelijke weerstand of resistiviteit.
κ = 1/ρ

Equivalente geleidbaarheid Λ

De specifieke geleidbaarheid van een ion geldt voor het gehele ion maar omdat niet alle ionen dezelfde lading dragen, kunnen specifieke geleidbaarheden niet rechtstreeks met elkaar worden vergeleken. Bijvoorbeeld K+, Ca2+ en Al3+ hebben respectievelijk lading +1, +2 en +3. Daarom werd de equivalente geleidbaarheid ingevoerd. De equivalente geleidbaarheid is de specifieke geleidbaarheid wiskundig herleid naar een concentratie van 1 mol lading/L.

Voorbeelden van equivalente geleidbaarheden
Stel een Na+-oplossing met een concentratie van 1 mol/L. 1 mol komt overeen met 6.023 ×1023 Na+-ionen. Een Na+-ion heeft lading +1. Een Na+-oplossing met een concentratie van 1 mol/l bevat dus ook 1 mol/L ladingen.

Stel een Ca2+-oplossing met een concentratie van 1 mol/L. Een Ca2+-ion heeft lading +2. Een Ca2+-oplossing met een concentratie van 1 mol/L bevat dus 2 mol/L ladingen.

De equivalente geleidbaarheid van een oplossing is dus de experimenteel bepaalde specifieke geleidbaarheid gedeeld door de concentratie aan ladingen in deze oplossing.

In volgende tabel worden de equivalente geleidbaarheden (geëxtrapoleerd naar oneindige verdunning) van de voornaamste kationen en anionen gegeven bij een temperatuur van 25 °C. Merk op dat men voor meerwaardige ionen een breuk plaatst om te benadrukken dat de eenheid van concentratie uitgedrukt wordt in mol lading per liter.

KationΛAnionΛ
Na+ 50.8Cl- 75.8
K+ 74.8Br- 77.7
Ag+ 63.4I- 73.0
H+ 250.0OH- 198
NH4+ 74.9CH3COO- 40.8
Li+ 41.71/2 SO42- 80.0
1/2 Mg2+ 55.0ClO3- 63.3
1/2 Ba2+ 65.2NO3- 71.4
1/2 Ca2+ 61.0BrO3- 55.3
1/2 Pb2+ 71.0IO3- 39.6
1/2 Ni2+ 53.61/2 C2O42- 73.5
1/2 Fe2+ 54.01/3 Fe(CN)63- 97.3
1/3 Fe3+ 68.41/4 Fe(CN)64- 100.8
1/3 La3+ 69.61/2 CO3- 69.3

De equivalente geleidbaarheid is een maat voor de capaciteit van een ion om stroom te vervoeren. Stel bijvoorbeeld een oplossing van kaliumchloride (KCl). KCl is in oplossing volledig gesplitst in K+- en Cl--ionen. Beide ionen hebben een vergelijkbare equivalente geleidbaarheid namelijk 74.8 en 75.8. K+ en Cl- zullen in deze oplossing dus ongeveer even verantwoordelijk zijn voor de geleidbaarheid van de oplossing.

Maar stel een zoutzuur-oplossing (HCl). In oplossing is HCl volledig opgesplitst in H+- en Cl--ionen. Nu zal de geleidingsbijdrage van beide ionen sterk verschillen. H+-ionen hebben immers en veel hogere equivalente geleidbaarheid (250.0) dan Cl--ionen (75.8).

Titratieopstelling

TitratieopstellingTitratieopstelling
De opstelling bestaat uit een geleidbaarheidsmeter welke ondergedompeld wordt in de te titreren oplossing. Een geleidbaarheidsmeter is een toestel met twee platina elektroden en een inwendig spanningsbron. De geleidbaarheid kan gevolgd worden in functie van het toegevoegd volume titrant (de oplossing uit de buret). Uit de titratiecurve kan het equivalentiepunt worden bepaald en kan dus de concentratie van de te bepalen oplossing worden berekend.

Principe van de meting

Een conductometrische titratie is vooral geschikt om de concentratie van zuren en basen te bepalen daar H-- en OH--ionen een grote equivalente geleidbaarheid vertonen namelijk 250.0 en 198. Een verandering in de concentratie van deze ionen resulteert dus in een grote verandering van de geleidbaarheid van het reactiemengsel. De titratiecurven geven dus een duidelijke evolutieverandering bij het equivalentiepunt.

Uitgewerkte voorbeelden

Titratie van een sterk zuur met een sterke base

Bepaling van de concentratie van een HCl-oplossing door titratie met een NaOH-oplossing met gekende concentratie
Voor deze titratie wordt een bepaald volume (VHCl) van de ongekende HCl-oplossing in het bekerglas gebracht en de NaOH-oplossing met gekende concentratie (cNaOH) in de buret.

De titratiereactie: HCl + NaOH → H2O + NaCl

Omdat HCl en NaCl in oplossing volledig als ionen voorkomen, kan de titratiereactie ook als volgt worden genoteerd.

De titratiereactie in ionvorm: H+ + Cl- + Na+ + OH- → H2O + Na+ + Cl-

Voor het equivalentiepunt (EP) zijn volgende ionen aanwezig in de beker: H+, Cl- en Na+. Er zijn geen OH--ionen aanwezig omdat deze wegreageren met de aanwezige H+-ionen.

  • H+: De concentratie zal dalen tijdens de titratie want H+ reageert weg met het toegevoegde OH-.
  • Cl-: Tijdens de titratie zal er met dit ion niets gebeuren waardoor de concentratie aan dit ion constant blijft.
  • Na+: De concentratie aan dit ion zal toenemen daar het samen met OH- wordt toegevoegd en niet wegreageert.

Voor het EP zal de concentratie aan H+-ionen dus dalen en de concentratie aan Na+-ionen toenemen. Omdat H+-ionen een veel hogere equivalente geleidbaarheid hebben dan Na+-ionen, zal de geleidbaarheid van het reactiemengsel tijdens het titreren dus duidelijk afnemen.

Bij het EP zullen alle H+-ionen zijn weggereageerd.

Na het EP zijn volgende ionen aanwezig in de beker: Na+, OH- en Cl-. Er zijn geen H+-ionen meer aanwezig daar deze allen zijn weggereageerd. Er zijn na het EP nu wel OH--ionen aanwezig omdat er geen H+-ionen meer aanwezig zijn waarmee de toegevoegde OH--ionen kunnen reageren.

  • Na+: De concentratie aan dit ion zal stijgen want ze worden nog steeds toegevoegd samen met de OH--ionen en reageren niet weg.
  • Cl-: De concentratie blijft ook na het EP constant omdat de Cl--ionen niet reageren en niet extra worden toegevoegd.
  • OH-: De concentratie aan dit ion stijgt daar OH- nu niet meer weg kan reageren.

Zowel de concentratie aan Na+ als de concentratie aan OH--ionen zal dus stijgen wat resulteert in een stijging van de geleidbaarheid van het reactiemengsel in de beker.

Titratie van een sterk zuur met een sterke baseTitratie van een sterk zuur met een sterke base
Voor het EP daalde de geleidbaarheid en na het EP stijgt de geleidbaarheid. Je krijgt dus een duidelijke knik in de titratiecurve, d.i. het EP. Met het volume NaOH-oplossing dat werd toegevoegd bij het EP (VNaOH), kan de concentratie van de HCl-oplossing (cHCl) worden berekend.

cHCl = (cNaOH × VNaOH) / VHCl

Titratie van een sterk zuur met een zwakke base

Bepaling van de concentratie van een HCl-oplossing door titratie met een NH4OH-oplossing met gekende concentratie
NH4OH is een waterige oplossing van NH3: NH3 + H2O → NH4OH
Voor deze titratie wordt een bepaald volume van een ongekende HCl-oplossing (VHCl) in het bekerglas gebracht en de NH4OH-oplossing met gekende concentratie (cNH4OH) in de buret.

De titratiereactie: HCl + NH4OH → H2O + NH4Cl

HCl zal volledig als ionen in de oplossing voorkomen terwijl NH4OH slechts weinig tot niet ioniseert. NH4Cl valt wel gemakkelijk uit elkaar in ionen.

De titratiereactie in ionvorm: H+ + Cl- + NH4OH-→ H2O + NH4+ + Cl-

Voor het EP zijn volgende ionen aanwezig: H+, Cl- en NH4+. Er zijn geen OH--ionen aanwezig omdat deze wegreageren met de aanwezige H+-ionen in de beker.

  • H+: De concentratie zal dalen tijdens de titratie want H+ reageert weg met het toegevoegde OH- van NH4OH.
  • Cl-: De concentratie aan dit ion zal constant blijven tijdens de titratie want het blijft ongewijzigd in het reactiemengsel.
  • NH4+: De concentratie zal toenemen daar het samen met de OH- wordt toegevoegd en niet reageert.

Voor het EP zal de concentratie aan H+-ionen dus dalen en de concentratie aan NH4+-ionen toenemen. Omdat H+-ionen een veel hogere equivalente geleidbaarheid hebben dan NH4+-ionen, zal de geleidbaarheid van het reactiemengsel afnemen.

Bij het EP zullen alle H+-ionen zijn weggereageerd.

Na het EP is vooral volgend ion aanwezig in de beker: Cl-. Er zijn geen H+-ionen meer aanwezig daar deze allen zijn weggereageerd. Er is nu ook een overmaat NH4OH aanwezig maar deze zal dus weinig tot niet ioniseren.

  • Cl-: De concentratie blijft ook na het EP constant omdat de Cl--ionen niet reageren en ook niet worden toegevoegd.
  • NH4OH: De concentratie aan deze verbinding zal stijgen maar omdat deze stof weinig tot niet ioniseert, zal dit weinig tot niks veranderen aan de geleidbaarheid van het reactiemengsel.

Er zijn na het EP dus geen ionen die een beduidende stijging in concentratie kennen.

Titratie van een sterk zuur met een zwakke baseTitratie van een sterk zuur met een zwakke base
Voor het EP daalde de geleidbaarheid en na het EP zal de geleidbaarheid niet tot heel weinig veranderen. Je krijgt dus een duidelijke knik in de titratiecurve, het EP. Met het volume NH4OH-oplossing dat werd toegevoegd bij het EP (VNH4OH), kan de concentratie van de HCl-oplossing (cHCl) worden berekend.

cHCl = (cNH4OH × VNH4OH) / VHCl

Titratie van een zwak zuur met een sterke base

Bepaling van de concentratie van een CH3COOH-oplossing door titratie met een NaOH-oplossing met gekende concentratie
Voor deze titratie wordt een bepaald volume van de ongekende CH3COOH-oplossing (VCH3COOH) in het bekerglas gebracht en de NaOH-oplossing met gekende concentratie (cNaOH) in de buret.

De titratiereactie: CH3COOH + NaOH → H2O + CH3COONa

Daar CH3COOH een zwak zuur is, zal dit maar beperkt ioniseren:
CH3COOH ← CH3COO- + H+

De titratiereactie in ionvorm: CH3COOH + (CH3COO- + H+) + Na+ + OH- → CH3COO- + Na+ + H2O

Er zal aan het begin dus slechts een kleine hoeveelheid CH3COO- en H+ aanwezig zijn.
Voor het EP zijn volgende ionen aanwezig: H+, CH3COO- en Na+. Er zijn geen OH--ionen aanwezig. Deze zullen aan het begin van de titratie wegreageren met de aanwezig H+-ionen en zullen bij het verdere verloop van de titratie rechtstreeks H+-ionen afnemen van CH3COOH.

  • H+: De kleine hoeveelheid die in het begin aanwezig is, zal onmiddellijk volledig wegreageren.
  • Na+: De concentratie zal stijgen, daar deze ionen worden toegevoegd samen met de OH--ionen en niet reageren.
  • CH3COO-: De concentratie aan dit ion zal stijgen daar dit wordt gevormd tijdens de titratiereactie.

Voor het EP zal de kleine hoeveelheid aanwezige H+-ionen dus onmiddellijk wegreageren, wat de kleine daling aan het begin van de titratiecurve verklaart. Vervolgens zal de geleidbaarheid van het reactiemengsel stijgen daar de concentraties van zowel de Na+-ionen als de CH3COO--ionen stijgen.

Bij het EP zal al het CH3COOH zijn weggereageerd.

Na het EP zijn volgende ionen aanwezig in de beker Na+, CH3COO- en OH-.

  • Na+: De concentratie blijft ook na het EP stijgen daar het blijft worden toegevoegd en het niet reageert.
  • CH3COO-: De concentratie aan deze verbinding zal na het EP constant blijven omdat er geen CH3COOH meer is waaruit dit ion kan worden gevormd.
  • OH-: De concentratie stijgt omdat er geen CH3COOH meer is om mee te reageren.

Titratie van een zwak zuur met een sterke baseTitratie van een zwak zuur met een sterke base
Zowel voor als na het EP zal de geleidbaarheid van de oplossing in de beker toenemen maar na het EP zal deze stijging sterker zijn. Voor het EP is er een stijging van het aantal CH3COO-- en Na+-ionen en na het EP is er een stijging van het aantal Na+- en OH--ionen. Omdat OH- een veel grotere equivalente geleidbaarheid heeft in vergelijking met CH3COO- is de stijging na het EP dus groter dan ervoor. Met het volume NaOH-oplossing dat werd toegevoegd bij het EP (VNaOH), kan de concentratie van de CH3COOH-oplossing (cCH3COOH) worden berekend.

cCH3COOH = (cNaOH × VNaOH) / VCH3COOH

Titratie van een zwak zuur met een zwakke base

Bepaling van de concentratie van een CH3COOH-oplossing door titratie met een NH4OH-oplossing met gekende concentratie
Voor deze titratie wordt een bepaald volume van de ongekende CH3COOH-oplossing (VCH3COOH) in het bekerglas gebracht en de NH4OH-oplossing met gekende concentratie (cNH4OH) in de buret.

De titratiereactie: CH3COOH + NH4OH → H2O + CH3COONH4

Net als in voorbeeld 2 en voorbeeld 3 vermeld, komen CH3COOH en NH4OH voor als weinig tot niet geïoniseerde verbindingen.

De titratiereactie in ionvorm: CH3COOH + (CH3COO- + H+) + NH4OH → CH3COO- + NH4+ + H2O

H+: De kleine hoeveelheid die in het begin aanwezig is, zal onmiddellijk volledig wegreageren wat hier ook resulteert in een kleine afname van de geleidbaarheid bij de aanvang van de titratie.

Voor het EP zijn volgende ionen aanwezig in de beker: NH4+ en CH3COO-.

  • NH4+: De concentratie aan dit ion zal stijgen, daar deze ionen worden toegevoegd samen met de OH--ionen welke telkens wegreageren.
  • CH3COO-: De concentratie aan dit ion zal stijgen daar dit wordt gevormd tijdens de titratiereactie.

Voor het EP zal buiten de kleine afname in het begin van de titratie de geleidbaarheid van het reactiemengsel stijgen daar de concentraties van zowel NH4+ als CH3COO- stijgen.

Bij het EP zal al het CH3COOH zijn weggereageerd.

Na het EP zijn nog steeds dezelfde ionen aanwezig in de beker: NH4+ en CH3COO-.

  • NH4+: De concentratie blijft ook na het EP constant. De extra NH4OH die zal worden toegevoegd, blijft onveranderd daar er geen CH3COOH meer aanwezig is om mee te reageren.
  • CH3COO-: Ook van dit ion zal de concentratie constant blijven daar er geen CH3COOH meer aanwezig is om extra CH3COO- te vormen

Titratie van een zwak zuur met een zwakke baseTitratie van een zwak zuur met een zwakke base
Voor het EP zal de geleidbaarheid van het reactiemengsel dus stijgen en na het EP zal de geleidbaarheid constant blijven. Je krijgt dus een duidelijke knik in de titratiecurve, het EP. Met het volume NH4OH-oplossing dat werd toegevoegd bij het EP (VNH4OH), kan de concentratie van de CH3COOH -oplossing (cCH3COOH) worden berekend.

cCH3COOH = (cNH4OH × VNH4OH) / VCH3COOH

Conductmetrie bij neerslagreacties

Conductometrische methoden gebaseerd op neerslagreacties zijn weinig nauwkeurig en dus niet zo bruikbaar als die waarbij zuur-basereacties betrokken zijn. Dit komt omdat de veranderingen in geleidbaarheid bij neerslagtitraties niet zo groot zijn als deze die men kan waarnemen bij zuur-basetitraties. Immers, er zijn geen andere ionen die de geleidbaarheid van H+-ionen en OH--ionen benaderen.
© 2020 Guust2016, het auteursrecht (tenzij anders vermeld) van dit artikel ligt bij de infoteur. Zonder toestemming van de infoteur is vermenigvuldiging verboden.
Gerelateerde artikelen
Titratiecurven in Excel: zwak zuur met sterke baseTitratiecurven in Excel: zwak zuur met sterke baseTitratiecurven geven een goed inzicht in de verandering van de pH tijdens de titratie. Rondom het equivalentiepunt treed…
Titratiecurven in Excel: sterk zuur met sterke baseTitratiecurven in Excel: sterk zuur met sterke baseBij de titratie van een zuur met een base is het equivalentiepunt zichtbaar te maken met een indicator. Dat komt omdat i…
De werking van een redoxindicatorDe werking van een redoxindicatorOm het equivalentiepunt bij een redoxtitratie met kleurloze of weinig gekleurde oplossingen te kunnen zien, dient een re…
Jodo-jodimetrie, een veelzijdige techniekJodo-jodimetrie, een veelzijdige techniekJodo-jodimetrie is een redoxmethode gebaseerd op titrimetrie. De methode kan worden gebruikt voor tal van toepassingen w…

Benzeen versus cyclohexeen en cyclohexa-1,4-dieenBenzeen versus cyclohexeen en cyclohexa-1,4-dieenDe systematische naam van benzeen is cyclohexa-1,3,5-trieen en deze verbinding lijkt wat betreft de moleculaire structuu…
Absorptie en emissie door elektronenAbsorptie en emissie door elektronenNiels Bohr was een Deens wetenschapper die aan het begin van de 20ste eeuw een verband legde tussen de kleureffecten bij…
Bronnen en referenties
  • Inleidingsfoto: OpenClipart-Vectors, Pixabay
  • Binas, R. Brouwens, P. de Groot en W. Kranendonk

Reageer op het artikel "Conductometrie als alternatief voor zuur-basetitraties"

Plaats als eerste een reactie, vraag of opmerking bij dit artikel. Reacties moeten voldoen aan de huisregels van InfoNu.
Meld mij aan voor de tweewekelijkse InfoNu nieuwsbrief
Ik ga akkoord met de privacyverklaring en ben bekend met de inhoud hiervan
Infoteur: Guust2016
Gepubliceerd: 19-05-2020
Rubriek: Wetenschap
Subrubriek: Scheikunde
Bronnen en referenties: 2
Schrijf mee!