Toelichting - CMA

Bepaling sulfaatgehalte
Toelichting
SCHEIKUNDE
Analysemethoden
Sulfaatgehalte in water
Het sulfaation is van groot belang. Het komt in de natuur al relatief vaak voor: na natrium
en chloride komt het sulfaation het meest voor in onvervuild zeewater. Daarnaast komt het
sulfaation ook veel voor in de industriële chemie. Het wordt gebruikt als reactant, maar kan
ook in het afvalwater terechtkomen.
Veel van de analysemethoden zijn gebaseerd op de vorming van het slecht oplosbare
zout bariumsulfaat. Door een watermonster met een onbekende hoeveelheid sulfaationen
te mengen met een oplossing van bariumchloride ontstaat een neerslag volgens:
Ba2+ (aq) + SO42- (aq) → BaSO4 (s)
Een aantal analysemethoden (gravimetrische analyse, bepaling troebelheid) zijn
gebaseerd op het meten van de totale hoeveelheid neerslag die ontstaat. Door het
toevoegen van een overmaat bariumchloride-oplossing slaan alle sulfaationen neer. Door
bijvoorbeeld de massa van de neerslag te bepalen, kan de concentratie van sulfaat
bepaald worden. Deze methode is echter zeer foutgevoelig (Garcia & Schultz, 2016).
Als alternatief kan een geleidbaarheidstitratie van het watermonster met bariumchlorideoplossing worden uitgevoerd. Door druppelsgewijs bariumchloride-oplossing toe te voegen
(en neerslag te laten ontstaan) zal de geleidbaarheid afnemen, aangezien er ionen uit de
oplossing verdwijnen. Na een tijdje hebben alle sulfaationen gereageerd en zal door
toevoegen van meer bariumchloride-oplossing de geleidbaarheid van de oplossing weer
stijgen.
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
Geleidbaarheid
Geleidbaarheid is het vermogen van waterige oplossingen om elektrische stroom te
geleiden. Als zout en andere anorganische chemicaliën in water oplossen, vallen zij uiteen
in elektrisch geladen ionen. Ionen verhogen het vermogen van water om een elektrische
stroom te geleiden. Gebruikelijke ionen in water die de elektrische stroom geleiden zijn
natrium ­ , chloride ­ , calcium ­ en magnesiumionen. Moleculaire verbindingen zoals
suikers, olie en alcohol vormen in waterige oplossing geen ionen.
Het principe waarop de meting is gebaseerd, is eenvoudig: twee grafiet platen (cellen)
worden in de oplossing geplaatst en er wordt een potentiaalverschil over de platen gezet.
Eventueel resulterende stroom wordt gemeten. De Geleidbaarheidssensor meet feitelijk de
soortelijke geleiding van de oplossing (G*, de inverse van de weerstand R), die bepaald
wordt uit de spanning en stroom volgens de wet van Ohm (G = I/R = I/U).
Bepaling sulfaatgehalte – Toelichting
1
In formules:
𝑅=
𝑈
𝐼
1
𝐼
=
𝑅 𝑈
De weerstand hangt af van de afstand tussen de grafietplaatjes (l), de oppervlakte van de
grafietplaatjes (A) en de soortelijke weerstand (ρ) van de tussenliggende oplossing. In
formule:
𝑙
𝑅 = ∗𝜌
𝐴
Aangezien de verhouding tussen de l en A per sensor constant is (de afstand en
oppervlakte veranderen immers niet), kan hiervoor ook de celconstante K gesubstitueerd
worden:
𝐺∗ =
𝑅 = 𝐾∗ρ
De geleverde sensor heeft een nominale celconstante K van 1,0 cm-1. De geleidbaarheid
van de oplossing (C) kan vervolgens bepaald worden door de celconstante te
vermenigvuldigen met de gemeten soortelijke geleiding. In formule wordt dit:
𝐶 = 𝐺∗ ∗ 𝐾
De eenheid voor de soortelijke geleiding (G*) is Siemens (S). Aangezien de Siemens een
erg grote eenheid is, wordt meestal de eenheid µS gebruikt. De geleidbaarheid van de
oplossing wordt uitgedrukt in µS · cm-1. Dit volgt ook uit bovenstaande formule.
Enige typische geleidbaarheden van waterige oplossingen zijn:
2
Monster
Geleidbaarheid (μS/cm)
Zuiver water
0,055
Gedestilleerd water
0,5
Gedeionizeerd water
0.1 – 10
Regenwater
20 – 100
Drinkwater
50 – 200
Kraanwater
100 – 1500
Rivierwater
250 – 800
Brak water
1000 – 8000
0,01 M KCl
1410
MgSO4 (aq)
5810
0,1 M KCI
12900
Zeewater
53000
H2SO4 (aq)
82600
1,0 M KCl
112000
CMA Lesmateriaal
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 geleidbaarheid of 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/geleidbaarheid 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.
Bepaling sulfaatgehalte – Toelichting
3