Zuren en basen - CMA

Titratiecurve van
een aminozuur
Toelichting
SCHEIKUNDE
Zuren en
basen
Zuren en basen
Een zuur is een deeltje dat een waterstof-ion (proton, H+) kan afstaan. Als een zuur met
water wordt gemengd, wordt bovenstaand evenwicht verstoord door een grotere
aanwezigheid van H3O+ ionen. Er zijn meer H3O+ ionen dan OH- ionen. Een oplossing met
een dergelijke verhouding noemen we zuur
Een base is een deeltje dat een waterstof-ion (proton, H+) kan opnemen. Als een base
met water wordt gemengd, wordt bovenstaand evenwicht verstoord door een grotere
aanwezigheid van OH- ionen. De base neemt immers vrije protonen op, waardoor er
minder H3O+ gevormd kan worden. Er zijn meer OH- ionen dan H3O+ ionen. Een oplossing
met een dergelijke verhouding noemen we basisch.
Een amfolyt is een deeltje dat een waterstof-ion (proton, H+) kan opnemen en kan
afstaan. Het kan daardoor als zuur én als base reageren.
De pH schaal
De pH schaal is voorgesteld door de Deense biochemicus Sören Sörenson in 1909 als
een efficiënte notatiewijze voor de grote variatie in de concentratie H3O+ ionen die hij in
zijn experimenten vond. Hij definieerde pH als het negatieve logaritme (base 10) van de
concentratie H3O+-ionen.
𝑝𝐻 = −log⁡([𝐻3 𝑂+ ])
De concentratie H3O+-ionen kan berekend worden volgens:
[𝐻3 𝑂+ ] = 10−𝑝𝐻
In neutrale oplossingen (bij 298 K) geldt [H3O+] = [OH-] = 10-7mol/L → pH = 7,00
In zure oplossingen geldt [H3O+] > [OH-]
→ pH < 7.
In basische oplossingen geldt [H3O+] < [OH-]
→ pH >7.
Aminozuren
De naam voor de groep moleculen die we aminozuren noemen is afgeleid van de
structuur van de moleculen in die groep: ze bevatten allemaal een aminogroep (NH 2) en
een zuurgroep (COOH). Meestal worden ze ook op die manier getekend. Dat is echter niet
juist. Aminozuren blijken als vaste stof te bestaan uit zogeheten dubbelionen (zwitterions).
Een aanwijzing daarvoor is het relatief hoge smeltpunt van aminozuren. Deze zijn niet
alleen te verklaren door de aanwezigheid van vanderwaalskrachten en waterstofbruggen.
De relatief sterke ionbindingen tussen de moleculen zorgt voor een hoger smeltpunt.
Titratiecurve van een aminozuur – Toelichting
1
Dit dubbelion komt tot stand door een interne zuur-base reactie. De aminogroep is een
zwakke base en kan de zuurgroep deprotoneren. Het H +-ion (proton) springt daarbij over
van de zuurgroep naar de aminogroep. Hierdoor ontstaan er in het molecuul een positieve
lading aan de ene kant (een NH3+-groep) en een negatieve lading aan de andere kant
(een COO--groep). Het is netter om de structuur van een aminozuur als dubbelion weer te
geven. Netto is het molecuul nog steeds neutraal.
Als dubbelion kan elk aminozuur als zuur en als base reageren. Het is dus een amfolyt.
In een basisch milieu zal de NH3+-groep een H+ afstaan. Er ontstaat weer een NH2-groep
en het molecuul heeft netto een negatieve lading. Deze reactie (waarbij NH3+ een H+
afstaat) heeft een eigen Kz waarde.
In een zuur milieu zal de COO--groep een H+ opnemen. Er ontstaat weer een COOHgroep en het molecuul heeft netto een positieve lading. Deze reactie (waarbij COO - een H+
opneemt) heeft een eigen Kb waarde.
Table 1: pKz waarden aminozuren (via: http://www.cem.msu.edu/~cem252/sp97/ch24/ch24aa.html). De pKb waarden
kunnen berekend worden door uit te gaan van de relatie pK z + pKb = pKw bij standaard omstandigheden (298 K)
pKz
pKb
pKz
pKb
R-groep
COOH-groep COO--groep NH3+-groep NH2-groep
Alanine
2.35
9.87
Arginine
2.01
9.04
12.48
Asparagine
2.02
8.80
Aspartic Acid
2.10
9.82
3.86
Cysteine
2.05
10.25
8.00
Glutamic Acid
2.10
9.47
4.07
Glutamine
2.17
9.13
Glycine
2.35
11.65
9.78
4.22
Histidine
1.77
9.18
6.10
Isoleucine
2.32
9.76
Leucine
2.33
9.74
Lysine
2.18
8.95
10.53
Methionine
2.28
9.21
Phenylalanine
2.58
9.24
Proline
2.00
10.60
Serine
2.21
9.15
Threonine
2.09
9.10
Tryptophan
2.38
9.39
Tyrosine
2.20
9.11
10.07
Valine
2.29
9.72
Amino Acid
De zure of basische groepen die in het dubbelion, of in elke andere verschijningsvorm van
het aminozuur, voorkomen reageren allemaal als zwakke zuren en basen. Zodoende
kunnen aminozuren ook gebruikt worden als buffers.
2
CMA Lesmateriaal
Buffers
Een buffer is een mengsel van een zwak zuur en zijn geconjugeerde base. Een dergelijk
mengsel is in staat om kleine schommelingen in de pH op te vangen, waardoor de pH van
een oplossing nagenoeg constant kan worden gehouden.
Tijdens titraties van zwakke zuren of basen is er altijd een deel van de curve waar een
buffer is ontstaan. In die delen is een deel van het zwakke zuur of de zwakke base
omgezet tot de geconjugeerde partner, waardoor een buffermengsel ontstaat. In die
gebieden verandert de pH bijna niet wanneer er meer titratievloeistof wordt toegevoegd.
Dit zie je in de titratiecurve terug als een bijna horizontale lijn. Na het toevoegen van te
veel titratievloeistof verandert de verhouding van het zuur-base paar, waardoor uiteindelijk
de bufferende werking verdwijnt en een equivalentiepunt in de curve wordt bereikt.
Titratie
Een titratie is een analytische methode waarbij een gestandaardiseerde oplossing met een
bekende concentratie (de titratievloeistof) wordt gebruikt om de onbekende concentratie
van een andere oplossing te bepalen. Er vindt tijdens een titratie een chemische reactie
tussen beide oplossingen plaats. Vaak is dit een zuur-base reactie, maar dit hoeft niet.
Tijdens de titratie wordt de titratievloeistof langzaam aan de oplossing met onbekende
concentratie toegevoegd met behulp van een buret. Het eindpunt van de titratie wordt
bepaald door gebruik te maken van een indicator of door de pH van de oplossing te meten
(in het geval van een zuur-base titratie).
Op dit eindpunt is er net genoeg van de titratievloeistof toegevoegd om de oplossing met
onbekende concentratie volledig te laten reageren.
Uit de reactievergelijking en de hoeveelheid toegevoegde titratievloeistof kan de
onbekende concentratie berekend worden:
Aantal moltitrant = Vtitrant * concentratietitrant
Vervolgens kan uit de reactievergelijking de hoeveelheid mol in de onbekende oplossing
bepaald worden, waarna de concentratie berekend kan worden volgens:
Concentratieonbekend = aantal molonbekend / Volumeonbekend
Stappenmotor
De stappenmotor (titrator) is een actuator waarmee
automatisch met relatieve
nauwkeurigheid een bepaald volume van een vloeistof kan worden toegevoegd. Op die
manier kan er nauwkeurig een bepaald volume van een titrant met een constante snelheid
worden toegevoegd . Daarmee wordt het maken van een pH vs. volume diagram een stuk
eenvoudiger dan wanneer dat met een druppelteller en lichtpoort gedaan moet worden.
Meer informatie over de werking van de titrator, het aansluiten van de titrator of tips over
het gebruik vindt u in de handleiding.
Titratiecurve van een aminozuur – Toelichting
3