Zuur-base titraties Acidimetrie Marco Houtekamer : 18 november 2017 PDG : Windesheim/HZ Studentnummer : 1103591 Vak : vakdidactiek Docent : Theo Verbart

Voorwoord Deze ZIL (zelfinstruerende leereenheid) gaat over het onderwerp zuur-base titraties (acidimetrie) en is gemaakt voor studenten van de opleiding Laboratoriumtechniek van Scalda. Je gaat als student de ZIL zelfstandig doornemen. Hiervoor dien je een planning te maken, dit wordt uitgelegd in hoofdstuk één. De hoofdstukken twee tot en met vijf bevatten uitleg over de onderwerpen reacties, pH en eindpuntbepaling van een titratie (visueel en berekend). Ieder hoofdstuk wordt afgesloten met een oefeningen of opdrachten. De opdrachten dien je te maken en op te sturen aan je docent voor een tussenbeoordeling. In hoofdstuk zes pas je de eindpuntberekening toe met het programma Excel. Hoofdstuk zeven is een samenvatting. De ZIL wordt in hoofdstuk acht afgesloten met een eindtoets, die beoordeeld wordt door je docent. Je kan door de ZIL navigeren met de pijltjes toetsen op het toetsenbord, of door op de iconen te drukken onderaan de pagina. Als je op het “huisje” klikt, kom je bij de inhoudsopgave en van daaruit kan je ieder hoofdstuk aanklikken. Klik ook op de links die in de tekst staan voor meer uitleg! Veel plezier met het doorlopen van deze ZIL

Inhoudsopgave H1: Bestudering van deze ZIL en maken van een planning 1 SBU H2: Titraties en reacties 2 SBU H3: Het begrip pH 1 SBU H4: Theorie acidimetrie en eindpuntbepaling visueel 2 SBU H5: Eindpuntbepaling - methode van 2e afgeleide 3 SBU H6: Methode van 2e afgeleide m.b.v. EXCEL 2 SBU H7: Samenvatting H8: Eindtoets 1 SBU

Doelen Hoofddoel: De theorie van acidimetrische (zuur-base) titraties kunnen reproduceren en berekeningen aan deze titraties kunnen toepassen. De totale tijdsduur is ongeveer 12 SBU (studie belasting uren) verspreid over 4 weken. Subdoelen: Na het doornemen van deze ZIL kan je tevens 1. De reactievergelijking opstellen van een zuur-base titratie; 2. Het begrip pH uitleggen en berekeningen met de pH toepassen; 3. Een geschikte indicator selecteren voor een visuele eindpuntbepaling bij een acidimetrische titratie; 4. Het eindpunt van een acidimetrische titratie bepalen m.b.v. de methode van de 2e afgeleide; 5. Berekeningen uitvoeren aan acidimetrische titraties m.b.v. EXCEL.

H1: Planning Dit is een zelfstudie, dus het is voor jou een vereiste om een planning te maken; Neem het eerste lesuur de tijd om deze ZIL in zijn geheel door te nemen; Ieder hoofdstuk wordt afgesloten met oefeningen, te herkennen aan de blauwe tegel; Soms staat er ook een opdracht, te herkennen aan de bruine afbeelding. Het antwoord dien je te mailen aan je docent voor tussenbeoordeling; Een schatting van de tijdsduur per onderdeel is gegeven bij de inhoudsopgave; Stel nu een strokenplanning op m.b.v. Excel; In de 4e week dien je les 8 (de eindopdracht) gemaakt te hebben en deze in te leveren via de mail bij je docent.

H2: Titraties - algemeen Wat zijn titraties? Bij titraties wordt m.b.v. een buret nauwkeurig oplossing (=de titrant) toegevoegd aan het te bepalen analiet. Het analiet is een exacte hoeveelheid materiaal wat is afgewogen met een analytische balans of gepipetteerd met een volumepipet. Waarom titraties? Titreren is een kwantitatieve techniek ook wel titrimetrie of volumetrie genoemd. De analysefout is gemiddeld < 1 %. Een beperking van de techniek: een mengsel kan worden geanalyseerd op een totaal parameter (bijv. zuur), echter vaak niet op zijn individuele componenten (bijv. fosforzuur en azijnzuur). (NC State University Chemistry Department, 2017)

H2: Soorten titraties (I) Er zijn diverse soorten titraties: Zuur-base titratie (Acidimetrie) Neerslag titratie (Argentometrie) Redox titratie (Potentiometrie) Complexvormende titratie (Complexometrie) Voor ALLE titraties geldt: Wat gebeurt er in het bekerglas?! Deze kleurverandering is het gevolg van een reactie!

H2: Reactievergelijking zuur-base De algemene reactievergelijking luidt: HZ + B- HB + Z- vb. HCl + OH- H2O + Cl- Zuur + base -> zwakker zuur + zout 1 mol : 1 mol Reactie moet kloppend zijn qua elementen en lading. Bij reacties wordt gerekend met de eenheid mol (=n). De verhouding zuur:base is bepalend voor berekeningen! Bv. H2C2O4 + 2 OH- 2H2O + C2O42- 1 mol : 2 mol H2O + Cl- OH- HCl Herhalingsstof over zuren en basen: bekijk H1 van dictaat CHR33-43.

H2: Rekenen met reacties Hoe was het ook al weer? Een voorbeeld. Men heeft 112,4 mg kaliumwaterstofftalaat (molmassa = 204,22 g/mol) afgewogen en getitreerd met een loogoplossing. Het verbruik is 10,56 mL. Wat is de concentratie van de loog (in mol/L)? Ga eerst de reactievergelijking opstellen. Denk aan: Wat gebeurt er in het bekerglas!! In dit geval: HC8H4O4- + OH- C8H4O42- + H2O Dus 1 mol HC8H4O4- reageert met 1 mol OH- Bereken eerst het aantal mmol KHC8H4O4 . n = 𝑚 𝑀 = 112,4 204,22 = 0,5504 mmol Beredeneer hoeveel mmol OH- nodig is om dit volledig te laten reageren. Ook 0,5504 mmol! Bereken tot slot de c(OH-)= c(NaOH) = 𝑛 𝑙𝑜𝑜𝑔 𝑉 𝑙𝑜𝑜𝑔 = 0,5504 𝑚𝑚𝑜𝑙 10,56 𝑚𝑙 = 0,05212 mmol/mL = 0,05212 mol/L Maak gebruik van het rekenschema!

H2: Reacties - Oertiterstoffen Bij een titratie begint men altijd eerst met het bepalen van de concentratie van de titrant (= titerstelling). Dit doet men m.b.v. oertiterstoffen, ook wel primaire standaarden genoemd. Een oertiterstof is een chemische verbinding die: Zeer zuiver te verkrijgen is (zuiverheid > 99,99 %) Zeer stabiel is; dus niet hygroscopisch (water opnemen) of verweren (water afstaan) Hoog molair gewicht heeft (i.v.m. de inweeg) Een aflopende reactie (alles wordt omgezet)

H2: Reacties - Oertiterstoffen Oertiterstoffen voor het stellen van een zuur: Natriumcarbonaat (Na2CO3) Natriumtetraboraat ook borax genoemd (Na2B4O7.10H2O) Oertiterstoffen voor het stellen van een base: Kaliumwaterstofftalaat (KH5C8O4) Benzoëzuur (H6C7O2) Oxaalzuurdihydraat ook ethaandizuur genoemd (H2C2O4.2H2O) Kaliumwaterstofjodaat (KH(IO3)2) Benzoëzuur

H2: Reacties - Oertiterstoffen De reactievergelijkingen voor het stellen van een zuur: Voor de molverhoudingen geldt: 1 mol Na2CO3 ≡ 1 mol CO32- ≡ 2 mol H+ 1 mol Borax ≡ 1 mol B4O72-≡ 2 mol H+ Denk aan het principe van hoofdstuk 2: Wat gebeurt er in het bekerglas!! (Mortier, 2017)

H2: Reacties - Oertiterstoffen De reactievergelijkingen voor het stellen van een base: Voor de molverhoudingen geldt: a. 1 mol KH5C8O4 ≡ 1 mol H5C8O4- ≡ 1 mol OH- (Mortier, 2017)

H2: Reacties - Oertiterstoffen De reactievergelijkingen voor het stellen van een base: Voor de molverhoudingen geldt: b. 1 mol H6C7O2 ≡ 1 mol OH- (Mortier, 2017)

H2: Reacties - Oertiterstoffen De reactievergelijkingen voor het stellen van een base: Voor de molverhoudingen geldt: c. 1 mol H2C2O4 ≡ 2 mol OH- d. 1 mol KH(IO3)2 ≡ 1 mol H(IO3)2- ≡ 1 mol OH- (Mortier, 2017)

H2: Soorten titraties (II) De soort titratie kan ook ingedeeld worden op de techniek die gebruikt wordt voor de eindpuntbepaling: Visueel (klassiek, met indicator en oogwaarneming) Instrumenteel (met apparatuur): a. pH-meter; Potentiometrie b. geleidbaarheidsmeter; Conductometrie c. fotometer; Fotometrie d. ion-selectieve electrode e. redox electrode pH Geleidbaarheid Redox (Metrohm , 2017)

H2: Titraties – evolutie technieken handmatig Semi-automatisch Automatische buret Automatisch met pH (Metrohm , 2017) Automatisch met pH en sampler Volledig automatische titreerstraat

H2: Titraties - Oefeningen Een aantal oefeningen m.b.t. titraties: Maak de volgende kruiswoordpuzzel over titraties Beantwoord tevens deze meerkeuzevragen De antwoorden van de puzzel en de vragen staan hier

H3: Het begrip pH pH is een maat voor de zuurgraad van een waterige oplossing. pH komt overeen met de concentratie van H+ ionen in een oplossing Als c[H+] groter wordt, dan wordt de pH lager. De pH schaal is logaritmisch en loopt van 0 tot 14. Er geldt: pH = - log [H+] en dus ook [H+] = 10-pH (Sanibel Seaschool, 2017)

H3: Het begrip pH (en pOH) Naast de pH bestaat ook de gerelateerde term pOH. pOH is eveneens een logaritmische maat, maar dan voor de basegraad (OH- concentratie) van een waterige oplossing Er geldt: pOH = - log [OH-] en dus ook [OH-] = 10-pOH Er geldt: pH + pOH = 14 Dus als c[OH-] groter wordt, dan wordt de pOH lager en dus de pH hoger!

H3: De pH meting Een pH meting wordt gedaan met een pH-combi electrode en een mV meter, zie bijgaande afbeelding. De mV wordt door een kalibratie omgezet naar de pH schaal. De pH-combi-electrode bestaat uit: Referentie electrode (Ag/AgCl) Glaselectrode (H+ gevoelig) Eventueel een temperatuursensor (Delta Ohm Benelux B.V., 2017)

H3: De pH meting Een pH meting bestaat in principe uit de volgende onderdelen: pH elektrode: geeft een spanning af die afhankelijk is van de pH waarde van de vloeistof (= E meting) Referentie elektrode: geeft een stabiele (referentie) spanning af (=E0) Temperatuurvoeler: meet de temperatuur van de vloeistof Elektronica: zet het gemeten signaal om naar een pH waarde Formule: pH = 𝐸𝑚𝑒𝑡𝑖𝑛𝑔 −𝐸0 59,16 (@ 25°C)

Bekijk deze film voor meer uitleg over de pH electrode H3: De pH meting meetgedeelte van de pH elektrode bestaat uit pH gevoelig glas. hier ontstaat onder invloed van vocht een 'H+ gevoelige' laag. Een spanning wordt opgewekt. Als referentiepunt geldt: de spanning van de referentie elektrode. de vloeistof tussen deze elektrodes zorgt er voor dat de 'stroomkring' wordt gesloten. Dit geeft meteen aan waarom de vloeistof elektrisch geleidend moet zijn voor een pH meting. (Delta Ohm Benelux B.V., 2017) Bekijk deze film voor meer uitleg over de pH electrode (Endress + Hauser, 2017)

H3: De pH meting - kalibratie In bijgaande grafiek is de kalibratie van een pH meter weergegeven. Het signaal van de voltmeter (mV) wordt uitgezet tegen de pH. Wat valt hier op? Het is een lineair verband met een ideale richtingscoefficiënt van 59.16 mV/pH (bij 25⁰C). Bij pH 7 is het voltage ~ 0 mV (Delta Ohm Benelux B.V., 2017)

H3: De pH meting - kalibratie De pH meter wordt gekalibreerd met pH buffers. Stel dat onderstaande gegevens worden waargenomen: Wat is hierbij de richtingscoëfficiënt (Eng: slope)? Slope = | Δ𝑚𝑉 Δ𝑝𝐻 | = | (0,15 − 170,5 ) (7,00 −4,01) | = 56,97 mV/pH Vaak wordt de slope relatief uitgedrukt t.o.v. de ideale waarde (59,16 mV/pH). Slope rel = 𝑏𝑒𝑝𝑎𝑎𝑙𝑑𝑒 𝑤𝑎𝑎𝑟𝑑𝑒 𝑠𝑙𝑜𝑝𝑒 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙𝑒 𝑤𝑎𝑎𝑟𝑑𝑒 𝑠𝑙𝑜𝑝𝑒 ∗100% = 56,97 59,16 ∗100% = 96,3 % Voor een goed werkende electrode geldt: slope rel > 95% Buffer pH mV 1 7,00 0,15 2 4,01 170,50

H3: De pH meting – praktische zaken Diafragma moet open zijn, anders is de stroomkring doorbroken en wordt het signaal gelijk aan 0 mV De wand van glasbol mag niet vervuild zijn, anders geeft de hechting van H+ ionen problemen. Voorkomen van bovenstaande: Voorzichtig omgaan met pH elektrodes; ze zijn kwetsbaar! pH elektrode niet laten uitdrogen (i.v.m. glas bol) pH elektrode NIET bewaren in demiwater, maar in KCl-oplossing pH elektrode niet in zeer vervuilde oplossingen toepassen pH elektrode mag niet lang (max. 1 minuut) in een schoonmaakvloeistof (bevat HF!) pH meting niet doen in de buurt van elektronische stoorbronnen

H3: Rekenen met pH – voorbeeld 1. Een analist bepaalt de pH van een oplossing met een gekalibreerde pH meter op 5,40. Bereken de concentratie [H+] in de oplossing in mol/L Bereken de pOH van de oplossing Bereken de concentratie [OH-] in mol/L. Uitleg antwoorden: druk op de pijltjes van je toetsenbord Er geldt c[H+] = 10-pH , dus pH = 10-5,40 = 3.98*10-6 mol/L Er geldt: pH + pOH = 14, dus pOH = 14 – pH = 14 – 5,40 = 8,60 Er geldt c[OH-] = 10-pOH, dus c[OH-] = 10-8,60 = 2.51*10-9 mol/L

H3: pH - Oefeningen Vraag 1: In bijgaande afbeelding staat een pH electrode. Combineer de onderstaande onderdelen met de nummers op de afbeelding. Interne oplossing van de referentie electrode Interne oplossing van de glaselectrode Vulopening Diafragma Ag/AgCl referentie electrode AgCl glaselectrode met zilverdraad 1 2 3 4 5 6

H3: pH - Oefeningen Vraag 1: In bijgaande afbeelding staat een pH electrode afgebeeld. Combineer de onderstaande onderdelen met de nummers op de afbeelding. Interne oplossing van de referentie electrode; 3 Interne oplossing van de glaselectrode; 6 Vulopening; 1 Diafragma; 4 Ag/AgCl referentie electrode; 2 AgCl meetelectrode met zilverdraad; 5 1 2 3 4 5 6 (Nikita, 2017)

H3: Oefeningen Vraag 2: Welke van de onderstaande stellingen over het omgaan met een pH electrode is waar? I – Een pH electrode mag niet uitdrogen en bewaar je het best in demiwater II – Een pH electrode mag je tijdens de pH-meting gebruiken om te roeren Alleen bewering I is juist Alleen bewering II is juist Geen van deze beweringen is juist

H3: Oefeningen Vraag 2: Welke van de onderstaande stellingen over het omgaan met een pH electrode is waar? I – Een pH electrode mag niet uitdrogen en bewaar je het best in demiwater II – Een pH electrode mag je tijdens de pH-meting gebruiken om te roeren Alleen bewering I is juist Alleen bewering II is juist Geen van deze beweringen is juist

H3: Opdracht Vraag 3: In onderstaande tabel staan gegevens van een kalibratie van een pH electrode. Bereken de richtingscoëfficiënt (Eng: slope) van de pH kalibratie Bereken de relatieve richtingscoëfficiënt Is deze pH electrode nog geschikt om pH bepalingen te doen? Verklaar je antwoord. Oplossing pH mV Buffer 1 7,00 0,10 Buffer 2 4,01 160,1

H3: Opdracht Vraag 4: Je hebt 200 ml van een HCl-oplossing met pH = 3,00. We verdunnen de oplossing met water tot pH = 4,00. Bereken tot welk eindvolume de oplossing moet worden verdund. Vraag 5: Bereken de pH als de c(HCl) 0,0025 mol/L bedraagt. Vraag 6: Bereken de pH als de c(NaOH) 0,066 mol/L bedraagt. Vraag 7: Bereken de pH van een 500 ml oplossing met daarin 20,0 mmol NaOH. Stuur de antwoorden van vraag 3 t/m 7 per mail op aan je docent voor tussen beoordeling.

H4: Theorie acidimetrie Potentiometrische titraties zijn titraties waarbij het equivalentiepunt wordt vastgesteld m.b.v. electrode potentialen. Deze potentiaal is afhankelijk van één van de reagerende deeltjes in de oplossing. De meest bekende potentiometrische titratie is m.b.v. een pH elektrode. Het reagerende deeltje is hierbij het H+-ion. Met noemt dit acidimetrie. Het Latijnse 'acidus' betekent 'zuur‘.

H4: Acidimetrie - titratiecurve Als men een zuur met een base titreert, verkrijgt men een titratiecurve zoals de afbeelding hiernaast. Klik op deze link en bekijk de diverse curves die mogelijk zijn. (Sint-Martinusscholen Herk-de-Stad, 2017) Klik rechtsonder op het blauwe pijltje om de cursor (van volume) te bewegen en de bijbehorende pH af te lezen. Verander ook eens de indicator! Vragen die jezelf kan stellen: Wat gebeurt er met de pH in de curves? En waarom? En waar is het equivalentiepunt of eindpunt van de titratie? En wat is een geschikte indicator? (Syntax Media, 2017)

H4: Acidimetrie - eindpuntbepaling Bepaling van het eindpunt of equivalentiepunt kan op vijf manieren: Circle-fit methode; grafische methode, zie dictaat CHT47-Hoofdstuk 10 Raaklijn methode; grafische methode, zie dictaat CHT47- Hoofdstuk 10 Methode van de 2e afgeleide; rekenkundige methode Methode van Gran; rekenkundige methode Visueel; met indicatoren Methode 3,4 en 5 worden over het algemeen toegepast binnen laboratoria. De methoden 3 en 5 worden behandeld in LTO42 en LTO43.

H4: Acidimetrie – Visueel (met indicator) Bepaling van het eindpunt met indicator is de authentieke manier van eindpuntbepaling. In een bepaald pH gebied verandert de indicator van kleur; het equivalentiepunt dient uiteraard in dat gebied te vallen! Dus als het eq-punt bij pH 4,0 ligt, dan is methyloranje veel geschikter dan lakmoes of fenolftaleïne. Bij een omslagpunt van pH 9 of 10 is fenolftaleïne veel geschikter dan methylrood of methyloranje. (Syntax Media, 2017) Meer indicatoren inclusief structuurformules staan hier (Engineeringtoolbox, 2017)

H4: Acidimetrie – Visueel (met indicator) Daarnaast zijn er ook mengsel van indicatoren mogelijk: mengindicator. Deze hebben een zeer klein pH-gebied en dus een scherpe kleuromslag. Voorbeelden: methylrood/broomkresolgroen; pH omslag is 5,1 Thymolblauw/Fenolftaleïne; pH omslag is 9,0 De algemene eisen voor een indicator zijn: Verschil in kleur tussen de “zure” en “basische” vorm Hoge kleurintensiteit (inweeg is laag; bijv. 100 mg/100ml = 0,1 %) Het kleurevenwicht is snel instelbaar De indicator verbruikt geen titrant

H4: Acidimetrie - indicatoren Het gebruik van indicatoren kan ook problemen geven! Onderstaand een aantal mogelijke foutenbronnen: indicatorfout; het omslagpunt ≠ het equivalentiepunt Verbruik van titreervloeistof door de indicator (eis < 0,1 %) Ondoorzichtige oplossingen Titratiesnelheid is te hoog (je schiet voorbij equivalentiepunt) Ongevoeligheid van het oog voor de kleuromslag Temperatuurverschil; evenwichten zijn temperatuurafhankelijk

H4: Oefening Indicatoren Bekijk de volgende titratiecurves en bepaal welke indicatoren (van bijgaande afbeelding) geschikt zijn voor de titraties. Het equivalentiepunt is met een stippellijn aangegeven. Per titratie zijn meerdere indicatoren te gebruiken! Titratie van een sterk zuur (Syntax Media, 2017)

H4: Oefening Indicatoren Bekijk de volgende titratiecurves en bepaal welke indicatoren (van bijgaande afbeelding) geschikt zijn voor de titraties. Het equivalentiepunt is met een stippellijn aangegeven. Per titratie zijn meerdere indicatoren te gebruiken! B. Titratie van een zwak zuur (Syntax Media, 2017)

H4: Oefening Indicatoren Bekijk de volgende titratiecurves en bepaal welke indicatoren (van bijgaande afbeelding) geschikt zijn voor de titraties. Het equivalentiepunt is met een stippellijn aangegeven. Per titratie zijn meerdere indicatoren te gebruiken! C. Titratie van een tweewaardig zwak zuur (Syntax Media, 2017)

H4: Oefening Indicatoren Bekijk de volgende titratiecurves en bepaal welke indicatoren (van bijgaande afbeelding) geschikt zijn voor de titraties. Het equivalentiepunt is met een stippellijn aangegeven. Per titratie zijn meerdere indicatoren te gebruiken! D. Titratie van een sterke base (Syntax Media, 2017)

H4: Oefening Indicatoren Bekijk de volgende titratiecurves en bepaal welke indicatoren (van bijgaande afbeelding) geschikt zijn voor de titraties. Het equivalentiepunt is met een stippellijn aangegeven. Per titratie zijn meerdere indicatoren te gebruiken! E. Titratie van een zwakke base (Syntax Media, 2017)

H4: Oefening Indicatoren Bekijk de volgende titratiecurves en bepaal welke indicatoren (van bijgaande afbeelding) geschikt zijn voor de titraties. Het equivalentiepunt is met een stippellijn aangegeven. Per titratie zijn meerdere indicatoren te gebruiken! F. Titratie van een tweewaardig zwakke base (Syntax Media, 2017)

H4: Oefening Indicatoren - Antwoord Noteer van elke titratiecurve de pH sprong bij het (de) equivalentiepunt(en). Vergelijk of de indicator in dit gebied ook van kleur verandert. Als dat zo is, dan is de indicator geschikt voor de titratie. Titratie pH-sprong 1 pH sprong 2 Geschikte indicator A 3,0 - 10,0 - MO, MR, LM, BTB, F B 6,0 – 10,0 LM, BTB, F C 4,5 – 5,0 D 10,0 – 3,0 E 8,0 – 4,0 MR, LM, BTB F 9,5 – 8,0 6,0 – 4,0 MR, F Methyloranje = MO Methylrood = MR Lakmoes = LM Broomthymolblauw = BTB Fenolftaleine = F

H4: Opdracht 1 – indicatoren 1) Lees onderstaande tekst door en geef aan wat hier fout is en waarom. Een analiste gaat een titratie uitvoeren van oxaalzuur met 0,1 M NaOH. Volgens literatuur ligt het equivalentiepunt van de titratie rond pH 8,0. Ze weegt 150 mg oxaalzuur af met een analytische balans en spoelt deze kwantitatief over in een bekerglas van 250 ml voor titratie. Ze voegt 6 druppels van de indicator methyloranje toe en gaat titreren met een buret die is voorgespoeld met 0,1 M NaOH. Een technisch onderwijs assistent wil een nieuwe indicator-oplossing aanmaken van fenolftaleïne. Hij weegt hiervoor 1,00 g fenolftaleïne af met een bovenweger en spoelt deze kwantitatief over in een maatkolf van 100 ml. De oplossing wordt aangevuld met 50% ethanol.

H4: Opdracht 2 - Indicatoren Opdracht 2) Bijgaand een titratiecurve van een tweewaardig base met zuur. Zoek in deze lijst een geschikte indicator voor de titratie. Let op: Meerdere antwoorden zijn mogelijk! Verklaar je keuze(s). Mail je antwoorden van opdracht 1 en 2 aan je docent. (Syntax Media, 2017)

H5: Eindpuntbepaling - Methode van 2e afgeleide Grotere nauwkeurigheid en vooral automatisering heeft geleid tot het gebruik van een pH meter in combinatie met eerder genoemde rekenmethodes. Hoe werkt de methode van de 2e afgeleide? We kijken eerst naar een curve. A. In het begin van de curve loopt de pH langzaam op. B. Rondom het eq-punt is de curve het steilst. C. Na het eq-punt vlakt de curve weer af. C B A (Syntax Media, 2017)

H5: Methode van 2e afgeleide Uitvoeren van een titratie: Begin; je kunt in grote stappen (bijv. 1 ml) titrant toevoegen (=titreren) Rondom het eq-punt; in kleine stapjes titreren (bijv. 0,05 of 0,1 ml) C. Na het eq-punt; in grotere stappen titreren (bijv. 1 ml titrant) Op deze manier verkrijgt men een dataset waarin staat: ml titrant en de bijbehorende pH. De meest interessante data is bij punt B (rondom equivalentiepunt).

H5: Methode van 2e afgeleide Men titreert zuur met loog. Door eerst een snel titratie uit te voeren bleek, dat het omslag punt tussen de 10 en 11 ml ligt. Vervolgens is de titratie opnieuw uitgevoerd, maar nu met kleine gelijke stapjes van 0,1 mL rond het verwachte equivalentiepunt. Men verkrijgt de data in de tabel. Bepaal bij elke stap het verschil tussen de pH-waarden. Dit noemt men ΔpH (“delta –pH”) of 1e afgeleide. Bepaal daarna bij elke stap het verschil tussen de ΔpH Dit noemt men ΔΔpH of 2e afgeleide. Zoek bij ΔΔpH de twee punten op, waarbij deze van + naar – gaat of omgekeerd. Noteer bijbehorende data. In dit geval: 10,50 ml; +1,60 en 10,60; -1,20 V(NaOH) [ml] pH Δ(pH) ΔΔ(pH)   1e afgeleide 2e afgeleide 10,00 4,30 0,03 10,10 4,33 0,04 0,07 10,20 4,40 0,13 0,20 10,30 4,60 0,40 10,40 5,00 0,30 0,70 10,50 5,70 1,60 2,30 10,60 8,00 -1,20 1,10 10,70 9,10 -0,70 10,80 9,50 -0,20 10,90 9,70 -0,09 0,11 11,00 9,81

H5: Methode van 2e afgeleide Met deze data gaat men verder: 10,50; +1,60 en 10,60; -1,20 De data wordt ingevuld in de onderstaande formule. Verbruik = LG + ( |ΔΔ𝑝𝐻1| ΔΔ𝑝𝐻1 +|ΔΔ𝑝𝐻2| )*stapgrootte Verbruik = 10,50 + ( |1,60| 1,60 +|−1,20| )* 0,10 = 10,56 ml En dat is het equivalentiepunt! V(NaOH) [ml] pH Δ(pH) ΔΔ(pH)   1e afgeleide 2e afgeleide 10,00 4,30 0,03 10,10 4,33 0,04 0,07 10,20 4,40 0,13 0,20 10,30 4,60 0,40 10,40 5,00 0,30 0,70 10,50 5,70 1,60 2,30 10,60 8,00 -1,20 1,10 10,70 9,10 -0,70 10,80 9,50 -0,20 10,90 9,70 -0,09 0,11 11,00 9,81

H5: Methode van 2e afgeleide Als men het eindpunt weet (= 10,56 mL) kan men exacte berekeningen uitvoeren. Bijvoorbeeld: Men had 112,4 mg kaliumwaterstofftalaat (molmassa = 204,22 g/mol) afgewogen en getitreerd met een loogoplossing. Wat is de concentratie van de loog (in mol/L)? Ga eerst de reactievergelijking opstellen. Denk aan: Wat gebeurt er in het bekerglas! In dit geval: HC8H4O4- + OH- C8H4O42- + H2O Dus 1 mol KHC8H4O4 reageert met 1 mol OH- Bereken dan het aantal mmol KHC8H4O4 . n = 𝑚 𝑀 = 112,4 204,22 = 0,5504 mmol Beredeneer hoeveel mmol OH- nodig is om dit volledig te laten reageren. Ook 0,5504 mmol! Bereken tot slot de c(OH-)= c(NaOH) = 𝑛 𝑙𝑜𝑜𝑔 𝑉 𝑙𝑜𝑜𝑔 = 0,5504 𝑚𝑚𝑜𝑙 10,56 𝑚𝑙 = 0,05212 mmol/mL = 0,05212 mol/L Maak gebruik van het rekenschema!

H5: Methode van 2e afgeleide Nog een voorbeeld om te oefenen.. Een analist wil het zuur gehalte in azijnzuur oplossing bepalen m.b.v. een titratie met natronloog. De natronloog oplossing wordt eerst gesteld met 113,9 mg oxaalzuur (H2C2O4.2H2O; Molmassa = 126,07 g/mol). Men verkrijgt de volgende titratiegegevens. Bereken het equivalentiepunt m.b.v. de 2e afgeleide van de titerstelling natronloog (in mL). Bereken de c(NaOH) in mol/L aan de hand van het verkregen antwoord bij vraag a. V(NaOH) [ml] pH   11,00 3,60 11,05 3,63 11,10 3,80 11,15 3,89 11,20 4,50 11,25 5,97 11,30 8,76 11,35 9,25 11,40 9,55 11,45 9,75 11,50 9,90 11,55 9,95 11,60 9,99

H5: Methode van 2e afgeleide Uitwerking a) Het eq-punt wordt bepaald met de 2e afgeleide. Je gaat dus een tabel maken en het verschil berekenen in pH tussen twee opeenvolgende regels en daarna het verschil tussen de ΔpH. Je verkrijgt de bijgaande tabel. Daarna zoek je bij ΔΔpH de twee punten op, waarbij deze van + naar – gaat. Dat is: 11,25 mL; +1,32 en 11,30; -2,30 De formule toepassen: Verbruik = LG + ( |ΔΔ𝑝𝐻1| ΔΔ𝑝𝐻1 +|ΔΔ𝑝𝐻2| )*stapgrootte Ingevuld wordt dit: V = 11,25 + ( |+1,32| +1,32 +|−2,30| )*0,05 = 11,27 mL V(NaOH) [ml] pH Δ(pH) ΔΔ(pH)   11,00 3,60 0,03 11,05 3,63 0,14 0,17 11,10 3,80 -0,08 0,09 11,15 3,89 0,52 0,61 11,20 4,50 0,86 1,47 11,25 5,97 1,32 2,79 11,30 8,76 -2,3 0,49 11,35 9,25 -0,19 0,30 11,40 9,55 -0,1 0,2 11,45 9,75 -0,05 0,15 11,50 9,90 0,05 11,55 9,95 -0,01 0,04 11,60 9,99

H5: Methode van 2e afgeleide Uitwerking b) Bepaal de reactievergelijking: H2C2O4 + 2 OH- C2O42- + 2 H2O Dus 1 mol H2C2O4 reageert met 2 mol OH- Bereken dan het aantal mmol H2C2O4. n = 𝑚 𝑀 = 113,9 126,07 = 0,9035 mmol Beredeneer hoeveel mmol OH- nodig is om dit volledig te laten reageren. Volgens de reactievergelijking reageert 1 mol H2C2O4 met 2 mol OH-. Dus 0,9035 mmol H2C2O4 reageert met 2 * 0,9035 mmol OH- = 1,8070 mmol OH- Bereken tot slot de c(OH-)= c(NaOH) = 𝑛 𝑙𝑜𝑜𝑔 𝑉 𝑙𝑜𝑜𝑔 = 1,8070 𝑚𝑚𝑜𝑙 11,27 𝑚𝑙 = mmol/mL = 0,1603 mol/L

H5: Methode van 2e afgeleide - Oefeningen Oefeningen van rekensommen met de 2e afgeleide en vervolg berekeningen. Klik op deze link voor de vragen. Klik op deze link voor de uitwerkingen.

H5: Methode van 2e afgeleide - Opdrachten Opdracht van rekensommen met de 2e afgeleide en vervolg berekeningen. Klik op deze link voor de opdrachten. Stuur de antwoorden inclusief de uitwerkingen op per mail aan je docent voor een tussenbeoordeling.

H6: Methode van 2e afgeleide m.b.v. EXCEL. De berekening van de 2e afgeleide kan ook uitgevoerd worden m.b.v. het programma EXCEL. Bekijk bijgaande video met uitleg hoe dat gedaan kan worden.

H6: Methode van 2e afgeleide via EXCEL. Klik op onderstaande dataset van een zuur-base titratie en bepaal het eindpunt van de titratie m.b.v. de 2e afgeleide. De formule voor de berekening dient in EXCEL te worden gemaakt. Dataset 1 Volg de instructies in het Excel blad en stuur een uitgewerkte dataset met je antwoord op de vragen per mail aan je docent voor een tussenbeoordeling.

H7: Samenvatting Even alles op een rijtje: In H2 werd de zuur-base reactie behandeld en bijbehorende berekeningen met de mol en molaire of massaconcentratie. In H3 staan pH berekeningen, maar ook de pH electrode en de pH kalibratie werd uitgelegd. In H4 leer je de juiste indicator te kiezen bij een zuur-base titratie. In H5 wordt uitgelegd hoe het eindpunt wordt berekend met de methode van de 2e afgeleide. In H6 gebruik je deze methode, maar dan programmeer je deze in EXCEL en bereken je vervolgens de concentratie van een titrant. Tot slot wordt in H8 je kennis getest door middel van een eindtoets.

H8: Eindtoets - Acidimetrie Alle onderdelen zijn behandeld, dus het is nu mogelijk om jullie kennis te toetsen. Vraag eerst per mail toestemming aan je docent! Klik op vervolgens op bijgaande link om de eindtoets te openen. Volg de instructies op het 1e blad van de toets. Veel succes!

Dank voor jullie aandacht! Einde Dank voor jullie aandacht!

Literatuur Delta Ohm Benelux B.V. (2017, 11 3). pH meetprincipe en FAQ. Opgehaald van www.deltaohm.nl: https://www.deltaohm.nl/home/ph-meetprincipe-en-faq Endress + Hauser. (2017, 11 3). pH sensors and transmitters. Opgehaald van www.nl.endress.com: https://www.nl.endress.com/nl/Field-instruments-overview/liquid-analysis-product-overview/pH-sensors-transmitters?highlight=potentiometric%20measurement Engineeringtoolbox. (2017, 10 19). Acid base pH indicators. Opgehaald van www.engineeringtoolbox.com: https://www.engineeringtoolbox.com/pH-color-change-acid-base-pKa-structure-indicator-d_1951.html Metrohm . (2017, 10 28). Elektrode zoeken. Opgehaald van www.metrohm.com: https://www.metrohm.com/nl-nl/producten/accessoires/elektrode-zoeken/#

Literatuur Mortier, T. (2017, 10 18). zuurbase-titraties deel I. Opgehaald van www.slideshare.net: https://www.slideshare.net/tomor/zuurbase-titraties-deel-i Bijkerk, L., & Van der Heide, W. (2006). Het gaat steeds beter; activerende werkvormen voor de opleidingspraktijk. Houten: Bohn Staflue van Loghum. Kroskinski, C. (2017, september 8). Leerstijlen. Opgehaald van Meesterschap: https://meesterschap.wordpress.com/2013/06/12/leerstijlen/ NC State University Chemistry Department. (2017, 10 28). Lab 9 - Titrations. Opgehaald van www.webassign.net: http://www.webassign.net/question_assets/ncsugenchem102labv1/lab_9/manual.html

Literatuur Nikita. (2017, 11 4). Cheap DIY Electronic PH Meter. Opgehaald van www.instructables.com: http://www.instructables.com/id/cheap-DIY-electronic-pH-meter/ Sanibel Seaschool. (2017, 11 15). pH. Opgehaald van classroom.sanibelseaschool.org: http://classroom.sanibelseaschool.org/ph Sint-Martinusscholen Herk-de-Stad. (2017, 10 18). wiskundehoekje-titraties. Opgehaald van users.telenet.be: http://users.telenet.be/wiskundehoekje/chemoef/titratie.htm Syntax Media. (2017, 10 29). 3 Acidimetrie. Opgehaald van www.mlochemie.nl: http://www.mlochemie.nl/index.php/3-acidimetrie