Aantekeningen voor Docenten - CMA

Bepaling sulfaatgehalte
Aantekeningen voor Docenten
SCHEIKUNDE
Analysemethoden
Toegepaste Techniek: Meten i.c.m. sturen
Onderzoeksvraag:
Hoe bepaal je experimenteel door het Leerling Niveau: Bovenbouw havo/vwo
meten van de geleidbaarheid de
concentratie van sulfaat in
Duur: 1 tot 2 lesuren
afvalwater?
Aanbevolen Uitvoering: Uitvoering door leerling
Leerdoelen




Het opzetten en uitvoeren van een automatische titratie
Een curve van de geleidbaarheid tijdens een titratie aflezen en interpreteren en het
equivalentiepunt bepalen
Chemische berekeningen uitvoeren aan een titratie
Kennismaken met praktische toepassingen van het concept “geleidbaarheid”
Didactiek
In deze activiteit voert de leerling zelf een titratie uit om het sulfaatgehalte in een
watermonster te meten. Het equivalentiepunt kan worden bepaald uit de curve. Anders
dan bij een pH-curve (waar het equivalentiepunt bij de grootste verandering ligt) is dit bij
een curve van de geleidbaarheid het punt waarop de geleidbaarheid het laagst is. Immers
zijn er op het equivalentiepunt relatief weinig geladen deeltjes aanwezig, waardoor de
geleidbaarheid laag is. Als extra dimensie wordt in deze activiteit gebruik gemaakt van een
automatische titrator (een stappenmotor met spuit) waardoor de titrant met constante
snelheid kan worden toegevoegd. Daarmee gaat het in dit experiment vooral om het
opzetten en analyseren van het experiment. Het tussenliggende deel, de titratie zelf, wordt
automatisch uitgevoerd nadat binnen de lesactiviteit op Start gedrukt is.
In dit geval treedt het minimum in de geleidbaarheidsgrafiek op omdat er een neerslag
ontstaat uit het Ba2+ dat via de titrant wordt toegevoegd en het SO 42- dat in het
watermonster aanwezig is. In eerste instantie slaan ionen neer, waardoor de
geleidbaarheid daalt. Wanneer alle sulfaationen uit de oplossing verdwenen zijn, resulteert
het toevoegen van meer bariumchloride-oplossing in een toename van de
ionconcentraties en dus een toename van de geleidbaarheid.
Bepaling sulfaatgehalte – Aantekeningen voor Docenten
1
Aangeleerde concepten/begrippen:
–
–
–
–
Geleidbaarheid
Titratie
Chemische analyse
Rekenen aan reacties
Materiaal
In dit experiment gebruik je de volgende materialen:






Interface met stuurmogelijkheden;
Geleidbaarheidssensor;
Titrator;
Magneetroerder en roervlo;
Bekerglas (50 of 100 mL);
Statief en klemmen.
In dit experiment gebruik je de volgende chemicaliën:



Gedestilleerd water;
0,030 M bariumchloride-oplossing;
Watermonster met ongeveer 1*10-2 M SO42-.
Werkwijze





Eventueel kan de opstelling al (deels) klaargezet worden. Stel hiervoor de
geleidbaarheidssensor in op het middelste bereik en sluit de sensor aan op een
interface. Zet ook de stappenmotor al op de goede manier klaar.
- Aan de andere kant is het voor de praktische vaardigheden van de leerling ook
goed om hen dit zelf te laten uitzoeken. Voor de hogere klassen kan hier
makkelijk één tot twee lesuren mee gevuld worden.
Demonstreer hoe de leerlingen de sensor dienen te gebruiken/schoonmaken. De
sensor moet tijdens de meting voldoende ondergedompeld worden!
Demonstreer hoe de stappenmotor werkt en hoe deze aangesloten moet worden.
Vermeld ook de aanwezigheid van luchtbellen. In die zin is het gebruik van de
stappenmotor vergelijkbaar met een buret.
Laat de leerlingen zelf het experiment uitvoeren. Als zij op een “raar” resultaat
uitkomen, moeten ze zelf bepalen in welke stappen het mis gegaan kan zijn
Bespreek na afloop de resultaten met de hele klas.
Vragen en Opdrachten
1. Wat neem je tijdens het experiment waar?
a. Het mengsel wordt troebel. Er ontstaat een neerslag.
2. Geef de reactievergelijking van de reactie die tijdens de titratie plaatsvindt.
2
CMA Lesmateriaal
Ba2+ (aq) + SO42- (aq) → BaSO4 (s)
3. Hoe kun je in de resulterende grafiek zien waar het equivalentiepunt ligt? Bepaal
hoeveel mL bariumchloride-oplossing je hebt moeten toevoegen om het dit punt te
bereiken.
a. Het equivalentiepunt is het punt waar de geleidbaarheid minimaal is. Dit kun je
vinden door direct de grafiek van de geleidbaarheid af te lezen of eerst de
afgeleide te nemen en vervolgens te bepalen waar de afgeleide nul is.
4. Bereken het sulfaatgehalte in het onbekende watermonster in gram per liter.
a. In het gebruikte watermonster ligt de concentratie tussen de 0,03 en 0,04 mol
per liter. Dat is 2,9 tot 3,8 gram sulfaat per liter water
5. Vraag aan de docent wat de concentratie van de originele oplossing was. Klopt je
resultaat? Zo nee, waar kan dat dan aan liggen?
6. Licht de daling van het eerste deel van de curve toe. Maak hierbij gebruik van
gegevens uit Binas tabel 41.
a. Tijdens de titratie voeg je Ba2+ en Cl- toe. Ba2+ slaat direct neer en heeft geen
invloed op de geleidbaarheid. Cl- heeft een geleidbaarheid van 7,634*10-3 Ω-1
m2 mol-1 en zorgt voor een toename in de geleidbaarheid. Tegelijkertijd verdwijnt
er uit de oplossing SO42- door de neerslagreactie met Ba2+. De geleidbaarheid
voor ½SO42- is 7,98*10-3 Ω-1 m2 mol-1. Aangezien de verhouding Cl- : SO42- 2:1
is, is er netto nauwelijks verandering van geleidbaarheid. De daling kan dan
verklaard worden door het toenemende volume. Daardoor dalen de
concentraties en dus de geleidbaarheid (zie ook Garcia & Schultz, 2016)
7. Leg de stijging van het rechterdeel van de curve uit.
a. Na het omslagpunt slaat Ba2+ niet meer neer. Hierdoor wordt ook het toevoegen
van Cl- niet meer gecompenseerd door het neerslag van SO 42-. De
concentraties dalen nog wel, maar dat is niet genoeg om de stijging in
geleidbaarheid t.g.v. de extra ionen in de oplossing volledig te compenseren.
8. Voeg in de datatabel een nieuwe variabele als formule toe. Noem deze variabele
“Gecorrigeerde geleidbaarheid” en stel de formule op waarmee de gecorrigeerde
geleidbaarheid uitgerekend wordt
a. De formule moet zijn: Gecorrigeerde geleidbaarheid = Verdunningsfactor * C,
waarbij C = de gemeten geleidbaarheid.
9. Maak een diagram waarin de gecorrigeerde geleidbaarheid uitgezet wordt tegen de
tijd.
a. Zie data-analyse
10. Beschrijf de vorm van de grafiek. Welke verschillen zie je t.o.v. de originele grafiek?
a. De grafiek is t.o.v. de y-as gedraaid. Het eerste deel loopt nu (meer) horizontaal.
11. Leg uit waarom je in het eerste deel van de curve nu wel een nagenoeg rechte
(horizontale) lijn hebt. Verklaar je antwoord met behulp van Binastabel 41.
a. Door te compenseren voor de volumeverandering wordt de geleidbaarheid
alleen nog beïnvloed door het toevoegen en verdwijnen van ionen. Zie vraag 6:
de afname van SO42- compenseert voor de toename van ClNB: in latere vragen wordt opnieuw het equivalentiepunt bepaald waarna de concentratie
opnieuw uitgerekend kan worden.
Bepaling sulfaatgehalte – Aantekeningen voor Docenten
3
Data Analyse
Een voorbeeld van een curve is gegeven in figuur 1.
Figuur 1: Voorbeeldcurve van geleidbaarheid tijdens titratie. Zonder benadering (links) en met benadering (rechts,
voortschrijdend gemiddelde, filterbreedte 50)
Dit resultaat omvat twee metingen waarbij er 10 mL van een oplossing van 0,03 M K 2SO4oplossing gebruikt is. De bariumchloride-oplossing had een concentratie van ongeveer
0,033 M en was verkregen door 3 mL 0,1 M oplossing aan te vullen tot 100 mL. Het
omslagpunt ligt rond de 12 mL. Bij de in de lesactiviteit voorgestelde concentraties en
hoeveelheden zou het omslagpunt tussen de 5 en 10 mL moeten liggen. Uiteraard is dit
zelf te sturen door geschikte concentraties en hoeveelheden te kiezen.
Dit meetresultaat is verkregen door het toepassen van een benadering op het
meetresultaat. De toegepaste benadering is een voortschrijdend gemiddelde met
filterbreedte 50. Dit is gedaan om de ruis in de grafieken van de geleidbaarheid op te
schonen.
Het omslagpunt lag naar verwachting rond de 9 mL. In dit geval lijkt het omslagpunt rond
12 te liggen, dus er is een behoorlijke afwijking. Op basis van dit resultaat zou de
concentratie K2SO4 0,04 mol per liter zijn. Dit lijkt een kleine afwijking, maar is procentuele
afwijking van 33%.
Als verdere analyse zou ook de afgeleide van de geleidbaarheid genomen kunnen
worden. Dat kan eenvoudig via rechtermuisknop>Analyse/verwerking>Afgeleide. Er kan
dan een afgeleide van de curve gemaakt worden en deze kan in een apart diagram
weergegeven worden. De afgeleide van de curve in grafiek 1 is weergegeven in figuur 2.
Figuur 2: Afgeleide van de geleidbaarheid tegen het volume
Opvallend in deze grafiek is het bijna horizontale stuk tussen 10,5 en 12 milliliter. Dit stuk
4
CMA Lesmateriaal
maakt het erg moeilijk om het equivalentiepunt te vinden. Deels kan dit verklaard worden
door de vergelijkbare iongeleidbaarheidscoëfficiënten van chloride- en sulfaationen (zie
BINAS tabel 41) en de kleine verandering in geleidbaarheid door het vergroten van het
volume. Daardoor is er een relatief groot stuk in de grafiek waar de geleidbaarheid
nauwelijks verandert en de afgeleide horizontaal loopt. Dit maakt het bepalen van het
equivalentiepunt moeizaam. Als we uitgaan van de waarde aan het begin van dit bereik
(10,5 mL), zou de concentratie K2SO4 0,03 mol per liter zijn (binnen de significantie). Dat
is al een veel beter resultaat.
Een derde manier om het equivalentiepunt te bepalen is door twee raaklijnen te maken
(Garcia & Schultz, 2016). Dat levert een resultaat zoals hieronder weergegeven in figuur 3.
Figuur 3: Raaklijnen
De grafiek zou eigenlijk symmetrisch moeten zijn. Door het trekken van twee raaklijnen is
het extra duidelijk dat het equivalentiepunt moeilijk te bepalen is. Dit komt overeen met de
eerdere constatering dat er een groot horizontaal deel van de titratiecurve is, waardoor het
equivalentiepunt moeilijk te bepalen is. Volgens deze methode ligt het equivalentiepunt op
11,08 mL.
Tot slot is er de mogelijkheid om via een verdunningsfactor een correctie op de
geleidbaarheid uit te voeren. Een toename van het volume zorgt voor een afname van
concentratie en dus een afname van geleidbaarheid. Door hiervoor te compenseren via de
verdunningsfactor kun je het daadwerkelijke effect van de ionsoorten op de geleidbaarheid
bepalen. Dit effect is in figuur 4 weergegeven.
Figuur 4: Gecorrigeerde titratiecuve (verdunningsfactor)
Hierin is duidelijk terug te zien dat in het eerste deel van de grafiek de effecten van de
ionsoorten (verwijderen SO42- en toevoegen Cl-) elkaar opheffen.
Bepaling sulfaatgehalte – Aantekeningen voor Docenten
5
Bijbehorende Bestanden
Coach activiteit: Bepaling sulfaatgehalte.cma7
Coach resultaat: Bepaling sulfaatgehalte.cmr7
Coach activiteit: Volume-ijking van de titrator.cma7
Copyright
Auteurs: CMA Team
Bron: Garcia, J., & Schultz, L. D. (2016). Determination of Sulfate by Conductometric
Titration: An Undergraduate Laboratory Experiment. Journal of Chemical Education, 93(5),
910-914. doi:10.1021/acs.jchemed.5b00941
© CMA Dit werk valt onder een Creative Commons NaamsvermeldingNietCommercieel-GelijkDelen 4.0 Internationaal-licentie.
6
CMA Lesmateriaal