Bronvermelding
Instituut voor Didactiek en Onderwijsontwikkeling Faculteit Wiskunde en Natuurwetenschappen is de beheerder van de rechten van dit arrangement.
Nijenborgh 9, 9747 AG Groningen
tel. 0503634365 / fax 0503634500
Inleiding
Het is reeds lang bekend, dat de meeste chemische reacties vergezeld gaan van verandering van de warmte-inhoud van het systeem.
Dit resulteert in een verandering van de temperatuur tot de reactie is afgelopen.
De verandering van de temperatuur bij een reactie is evenredig met de hoeveelheid gevormde stof en kan dus als maat gebruikt worden voor deze hoeveelheid. Een thermometrische (enthalpimetrische) eindpuntsbepaling bij een titratie is dan ook gebaseerd op het waarnemen van het temperatuurverloop tijdens het toevoegen van het reagens. Doordat dit verloop niet wordt beïnvloed door factoren als kleur, neerslagvorming of polarisatie van elektrodes, is de thermometrie een universele methode voor eindpuntsbepaling.
Deze methode voor een eindpuntsbepaling wordt dan ook veelvuldig toegepast in de industrie. Bij de petrochemische industrie worden de gehaltes van water, zuurstof en alkanolen in koolwaterstoffen bepaald door middel van deze methode. De Staatsmijnen in Limburg (DSM) bepalen gehaltes van Ca2+, K+, As3+ en SO42- door thermometrie toe te passen.
Een thermometrische bepaling kan gedaan worden met reacties die een grote reactiesnelheid hebben en waarvan de reactie-enthalpie groot genoeg is om gemeten te worden. In dit artikel zal aandacht worden besteed aan zuur-base-. complexometrische-, redox- en neerslagtitraties. De beschreven titraties zijn zo eenvoudig dat ze voor het praktisch schoolonderzoek voor de klassen vwo-6 en havo-5 in aanmerking komen. Voorwaarde is wel, dat de amanuensis/TOA het beschreven versterkertje in elkaar knutselt.
Theorie
Directe bepaling van ΔH is experimenteel erg moeilijk; de enthalpieverandering in het systeem is echter waarneembaar als een temperatuurverandering. De relatie tussen ΔH en de temperatuur kan wiskundig
worden verkregen. Het totale warmte- effect (Q joule) voor de reactie:
aA + bB -> pP (1)
is evenredig aan de molaire reactie-enthalpie ΔH door de vergelijking:
Q = - np.ΔH (2)
Daarbij is np het aantal mol product dat gevormd is.
De relatie tot de verandering van de temperatuur is:
Q = k. ΔT (3)
Waarbij k de effectieve warmtecapaciteit van het systeem in joule per kelvin is. Hieruit volgt:
ΔH voor de reactie (1) zal gedurende het verloop van de reactie constant blijven, als de druk constant is en de temperatuurverandering gering.
Als de titratie uitgevoerd wordt onder adiabatische omstandigheden, om te voorkomen dat er warmte wordt
verloren of wordt opgenomen uit de omgeving. zal k afhankelijk zijn van de warmtecapaciteit van het apparaat (deze capaciteit blijft constant) en van het volume van het reactiemengsel.
Als men het volume ongeveer constant wil houden dient men de concentratie van het reagens 10 tot 100 maal zo groot te kiezen als de concentratie van de te titreren oplossing. Is het volume constant dan zal k ook ongeveer constant zijn. Omdat ΔH en k ongeveer constant zijn kan vergelijking (4) geschreven worden als:
ΔT = constante . np (5)
Figuur 1.
De ideale curve A is de begintemperatuur.
AB stelt het temperatuurverloop voor tijdens de reactie.
VB is het equivalentiepunt.
BC stelt de temperatuur voor tijdens het toevoegen van overmaat reagens.
Nu is er dus een lineair verband verkregen tussen de temperatuurverandering en het aantal mol product dat
gevormd is tijdens de reactie. Als de reactie is afgelopen en er dus geen product meer ontstaat zal de temperatuur constant blijven. Zie figuur 1.
Deze curve is een ideale beschrijving van een exotherme reactie. Daar er in de analytische chemie niet veel
endotherme reacties zijn, worden deze hier ook niet behandeld.
De curve van figuur 2 laat zien hoe door interpolatie het equivalentiepunt wordt verkregen.
Factoren die de ideale curve kunnen beïnvloeden
A. Verandering van de warmtecapaciteit van het systeem.
Deze wordt gereduceerd tot een minimum als de concentratie van het reagens 10 tot 100 maal zo groot is
als die van de te titreren oplossing.
B. Warmte-effect door het roeren. Dit effect is nauwelijks voldoende om het bepalen van het eind punt te
storen.
C. Het verschil in temperatuur tussen het reagens en de oplossing.
Is dit verschil groter dan enkele tienden van graden, dan zou dit kunnen leiden tot minder nauwkeurige
resultaten,
D. Verdunningswarmte.
E. Als de temperatuur door middel van een ntc [negative temperature conductor) gemeten wordt gaat er
tijdens de reactie een stroom door de weerstand en deze zal warm worden. Dit kan de eindpuntsbepaling
storen tenzij men de stroom zo laag mogelijk houdt.
F. De weerstandsverandering van ntc moet lineair zijn met het temperatuurverloop. Is dit niet hel geval dan
wordt er een verkeerd eindpunt gemeten. Dit kan voorkomen worden door de concentraties zo te kiezen,
dat de temperatuurverandering hoogstens enkele graden bedraagt.
Benodigdheden
roermoter en roermagneet
pvc-vaatje van 150 mL omwikkeld met polystyreen met een deksel van polystyreen met twee gaatjes waardoor de ntc en de punt van de buret steken (figuur 3). (De isolatie van het vaatje door het polystyreen is nodig om zoveel mogelijk de adiabatische omstandigheden te benaderen).
voltmeter (universeelmeter) met een bereik van 100 mV (het kan ook een milliampèremeter zijn met een
voorschakelweerstand).
brug van Wheatstone met een versterker, zie figuur 4.
Uitvoering
De verandering van de temperatuur wordt gemeten met behulp van een ntc.
Deze verandering geeft een evenredige verandering in de weerstand van de ntc. Omdat de ntc
opgenomen is in een brug van Wheatstone is de verandering van de spanning over de brug (als gevolg van de verandering van de weerstand van de ntc) af te lezen op een voltmeter. De brug alléén, is niet geschikt voor titraties waar maar weinig warmte bij vrijkomt. Dit is het geval bij redox- en complexometrische titraties. Om toch een signaal te krijgen dat voldoende is voor een goede curve moet een zogenaamde brugversterker achter de wheatstonebrug gebouwd worden (zie de schematische tekening en bouwtekening).
De brug en de versterker worden gevoed door een batterij van 4,5 volt. Als de gevoeligheid het grootst
is (dit wordt door de potentiometer P1geregeld) komt 1 mV meteruitslag overeen met 0,001 oC.
De nulinstelling van de brug wordt geregeld door potentiometer P2. Bij de begintemperatuur moet de brug in evenwicht zijn en de meter dus geen uitslag geven.
De verhouding van de weerstanden R4 : R3 = R5 : R6 = 1 : 22 geeft de versterkingsfactor aan, in dit geval is die 22.
Literatuur
RIS-publicatie XVII, J.H. Telgen, W. v.d. Veer en P.J. de Rijke m.m.v. H. Wijnen-Stobbe.
