Ćw. 4 Miareczkowanie konduktometryczne I

Ćw. 4 Miareczkowanie konduktometryczne I
Podstawy teoretyczne
Metody oparte na pomiarze przewodnictwa roztworów nazywamy metodami
konduktometrycznymi. Znajdują one zastosowanie w przypadku roztworów rozcieńczonych,
zabarwionych lub mętnych, dla których przeprowadzenie analizy innymi metodami jest
trudne lub niemoŜliwe.
JeŜeli do roztworu elektrolitu o stałej temperaturze wprowadzimy dwie elektrody platynowe
o powierzchni a cm2, odległe od siebie o l cm i przyłączymy do nich prąd zmienny
o napięciu E woltów to prąd płynący przez zawarty między nimi słup elektrolitu wyrazi się
zgodnie z prawem Ohma równaniem:
E
I=
(1)
R
Opór R jest wprost proporcjonalny do odległości l elektrod i odwrotnie proporcjonalny do ich
powierzchni a:
1
R=ρ⋅
(2)
a
gdzie ρ jest oporem właściwym elektrolitu.
Odwrotność oporu nazywamy przewodnictwem [om-1]:
1 a ℵ⋅ a
= =
(3)
R ρ
l
przy czym:
1
ℵ=
ρ
-1
-1
i jest to przewodnictwo właściwe [om cm ].
Fakt, Ŝe przewodnictwo właściwe jest funkcją stęŜenia elektrolitu wykorzystywany jest
w analizie. W roztworach rozcieńczonych przewodnictwo właściwe rośnie liniowo ze
wzrostem stęŜenia elektrolitu:
λ ⋅ crówn
ℵ=
(4)
1000
gdzie: λ - przewodnictwo równowaŜnikowe elektrolitu
crówn – stęŜenie wyraŜone w równowaŜnikach
Po podstawieniu (4) do równania (3) otrzymujemy:
1 λ ⋅ crówn ⋅ a
=
(5)
R
1000 ⋅ l
Dokładne wyznaczenie wielkości a oraz l nie jest moŜliwe, dlatego wyznacza się
doświadczalnie 1/a posługując się roztworami o znanym przewodnictwie właściwym.
Wielkość 1/a=k nazywamy stałą konduktometryczną naczyńka.
W trakcie dowolnego miareczkowania (alkacymetrycznego, strąceniowego, oksydacyjnoredukcyjnego i in.) zmienia się skład jonowy roztworu, a poniewaŜ jony róŜnią się
ruchliwością zatem zaleŜność przewodnictwa od ilości dodanego odczynnika
miareczkującego musi posiadać charakterystyczną postać.
1
Na rys.1 przedstawiono kilka typowych krzywych miareczkowania konduktometrycznego.
W kaŜdym przypadku końcowy punkt miareczkowania otrzymuje się jako wynik przecięcia
się dwóch linii prostych.
1/R
1/R
1/R
a)
V[cm3]
b)
V[cm3]
c)
V[cm3]
Rys. 1 Krzywe miareczkowania konduktometrycznego: a) HCl + NaOH, b) HCl + CH3COOH
+ NaOH, c) strąceniowe (przykładowy).
Dla przykładu omówimy przypadek b) – jest to miareczkowanie alkacymetryczne mieszaniny
kwasów (HCl + CH3COOH) przy pomocy silnej zasady (NaOH). W pierwszej fazie
miareczkowania następuje zobojętnienie mocnego kwasu:
H+ + Cl- + Na+ + OH- = H2O + Na+ + ClNastępuje tu silny spadek przewodnictwa w wyniku wprowadzenia do roztworu mniej
ruchliwych jonów Na+ w miejsce jonów H+ o najwyŜszej ruchliwości. Po wyczerpaniu się
kwasu solnego rozpoczyna się neutralizacja CH3COOH:
CH3COOH + Na+ + OH- = H2O + Na+ + CH3COOKtóra prowadzi do wzrostu przewodnictwa w wyniku zastąpienia słabo zdysocjowanego
kwasu octowego całkowicie zdysocjowaną solą CH3COO-Na+. Po wyczerpaniu się kwasu
octowego obserwuje się bardzo silny wzrost przewodnictwa wynikający juŜ z dodania NaOH
nie ulegającego reakcji neutralizacji. Analogiczne rozwaŜania moŜna prowadzić dla
dowolnego typu miareczkowania.
Opis aparatury i metody pomiaru.
Pomiar przewodnictwa przeprowadza się przy pomocy węgierskiego konduktometru typu
OK-102/1 firmy Radelkis, rys.2.
Rys.2 Wygląd konduktometru typ OK-102/1 firmy Radelkis.
2
Aparat zasilany jest prądem z sieci o napięciu 220, 127 lub 110V±10% (40-60Hz). Napięcie
pomiarowe: 0,2V, zakres pomiarowy od 0 do 50mS. Maksymalny błąd pomiarowy ±2%
w odniesieniu do wartości końcowej. Częstotliwość pomiarowa 0-500mS 80Hz ±20%,
500-1500mS 3kHz ±20%.
Aparat wyposaŜony jest w elektrodę dzwonkową typu OK-902 składającą się z pierścieni
platynowych, pokrytych czernią platynową.
Działanie przyrządu moŜna wyjaśnić za pomocą następującego schematu blokowego (rys.3).
Napięcie oscylatora (1) przyłoŜone jest do elektrod znajdujących się w naczyńku
konduktometrycznym (2) i do połączonego z nim szeregowo precyzyjnego, regulowanego
opornika pomiarowego (3). Przez zmianę oporu pomiarowego ustala się zakres pomiarowy
przyrządu. Napięcie z opornika pomiarowego dochodzi do układu rejestrującego (6) poprzez
wzmacniacz (4) i prostownik (5).
Rys.3 Schemat blokowy konduktometru węgierskiego firmy Radelkis typ OK-102/1
Wartość szukanego przewodnictwa odczytuje się bezpośrednio na skali. Wartości te zawarte
są w granicach 1,5*10-6-5*10-1 simensa, czyli praktycznie biorąc, mieszczą się w nich
wartości przewodnictwa wszystkich elektrolitów.
Obsługa aparatu
W celu przeprowadzenia pomiaru przewodności właściwej elektrolitu naleŜy wykonać
następujące czynności:
1. Przełącznik zakresu powinien być ustawiony w połoŜeniu 500mS.
2. Włącznik miernika przewodności przestawić w pozycję „on”, zaświeci się czerwona
lampka, nagrzewanie aparatu trwa ok.10 minut.
3. Umieścić elektrodę w badanym roztworze tak, aby cała powierzchnia płytek elektrody
była zanurzona w roztworze. Sprawdzić czy na powierzchni głowicy elektrody nie
utworzyły się pęcherzyki powietrza, których obecność fałszuje pomiary
przewodnictwa.
4. Przełącznik zakresów przekręcać w prawo, aŜ do uzyskania moŜliwości odczytania
dokładnej wartości.
5. Po kaŜdej zmianie zakresu wykalibrować aparat (delikatnie naciskając przycisk
„Calibration” ustawić wskazówkę na szarym trójkącie na skali pokrętłem
„Calibration”).
6. Dokładny odczyt przewodnictwa uzyskuje się po wykalibrowaniu aparatu.
7. Przewodnictwo właściwe badanego roztwory moŜna obliczyć ze wzoru:
ℵ = k ⋅ Z ⋅ A ⋅ 10−6
w którym:
k – stała naczyńka [cm-1]
Z – zakres pomiarowy
A – odczyt na skali przyrządu w mS [1mS = 10-6 oma-1]
3
Aby uniknąć wyznaczania stałej naczyńka (k) zamiast przewodnictwa właściwego roztworu
wyznacza się zaleŜność odwrotności oporu od ilości dodanych mililitrów odczynnika
miareczkującego.
Wykonanie ćwiczenia
W czasie ćwiczenia naleŜy wykonać miareczkowanie acydymetryczne i strąceniowe
1. miareczkowanie mocnego kwasu (HCl) mocną zasadą (NaOH)
2. miareczkowanie chlorków (KCl) azotanem srebra
Roztwory do analizy znajdują się w kolbkach 100cm3, a odczynnik miareczkujący, którym
jest 0,1-molowy NaOH oraz 0,1 M AgNO3.
Opis wykonywanych czynności
1. Otrzymane do analizy roztwory rozcieńczyć wodą destylowaną do kreski.
2. Do zlewki 250 cm3 odpipetować 10 cm3 roztworu badanego i rozcieńczyć wodą
destylowaną tak, aby całkowita objętość roztworu była tak duŜa, by moŜna było
zaniedbać poprawkę na rozcieńczenie roztworu i by cała powierzchnia płytek była
w nim zanurzona ( ok. 2/3 objętości zlewki). Umieścić mieszadełko magnetyczne
w roztworze.
3. Napełnić biuretę titrantem.
4. Uruchomić mieszadło magnetyczne ( przełącznik „Motor”) i wyregulować jego bieg
za pomocą pokrętła „RPM”.
5. Umieścić elektrodę w badanym roztworze i zmierzyć początkową wartość
przewodnictwa.
6. Następne pomiary przewodnictwa wykonywać w czasie miareczkowania dodając
kaŜdorazowo po 0,5 cm3 titranta. Pomiary przewodnictwa wykonuje się tak długo, aŜ
otrzyma się co najmniej 10 punktów po przekroczeniu punktu równowaŜnikowego.
7. W podobny sposób wykonać miareczkowanie drugiego roztworu, a następnie próbki
wody wodociągowej.
8. Po zakończeniu ćwiczenia wyłączyć miernik, przemyć elektrodę wodą destylowaną,
odłączyć ją od miernika. Umyć szkło laboratoryjne, uwaŜając, Ŝeby nie wylać wraz
z roztworem mieszadełka magnetycznego do pojemnika na odpady.
9. Wyniki pomiaru naleŜy nanieść na wykresy w układzie 1/R=f(V). Podać jaką objętość
kwasów (w mililitrach) otrzymano do analizy. StęŜenia otrzymanych roztworów
(kwasu i chlorków) przyjąć za równe 0,1 mol/dm3.
4