Lakatos J.: Analitikai Kémiai Gyakorlatok Anyagmérnök BSc. Hallgatók Számára (2007)
8 gyak. Konduktometria A gyakorlat célja: Az oldat ionos alkotóinak összegző, nem specifikus mérése (a víz tisztasága), a konduktometria felhasználása titrálás végpontjelzésére. A módszer elve Elektrolitok oldataiban, az oldott anyag disszociált formában kationként és anionként van jelen. Az ionok a folyadékban szabad mozgással rendelkeznek így töltések szállítására képesek, vezetik az elektromos áramot. Az oldat vezetőképességének mértéke az oldószer és elektrolit vezetőképességének az összege. A fajlagos vezetőképességet 1 cm élhosszú kocka szemközti lapjai között mért ellenállás reciprokával definiáljuk, (κ=l/(RA) ahol l az elektródok közti távolság, A az elektródok felülete, R az ellenállás. l/A-t cellaállandónak nevezzük. Értékét ismert vezetőképességű oldattal határozhatjuk meg. A vezetőképesség mértékegysége: Ώ-1 cm-1. 800-5000 Hz U
oldat
R κ=l/RA 1.ábra Az oldatok vezetőképességének mérése A vezetőképesség mérését ellenállás mérésre vezetjük vissza. Egyenáram hatására az elektródok polarizálódnak, ezért a mérést váltóárammal végzik, a normál 50 Hz nem elegendő a polarizációs jelenségek kiküszöbölésére ezért 800-5000 Hz frekvenciát alkalmaznak. Minden ion a méretétől függő sebességgel képes a töltést szállítani, egy adott mozgékonysággal rendelkezik. Ezért a különböző azonos töltéssel rendelkező ionok vezetőképessége eltérő. Ugyanahhoz a vezetőképességhez két azonos töltésű ion esetén is két különböző koncentráció tartozik. Legnagyobb a H+ és az OH- ionok vezetőképessége. A vezetőképesség az oldott anyag koncentrációjával olyan mértékben változik, amilyen mértékben ionok keletkeznek a feloldott anyagból. A kis koncentrációk tartományában az erős elektrolitok disszociációja teljes, ezért a vezetőképesség arányosan változik az erős elektrolit koncentrációjával. Koncentráció mérésre ezért ezt a tartományt célszerű használni. Tömény oldatokban az arányosság nem áll fenn sőt az ionok asszociációja (a disszociáció ellentéte) miatt csökken az ionok száma, így a vezetőképesség a koncentrációval maximum görbe szerint változik. A vezetőképesség változását az oldott erős elektrolit koncentrációja függvényében a 2. ábra szemlélteti. A gyakorlaton elvégzendő feladatok: A gyakorlat során három vízmintát kell megvizsgálni és a mért vezetőképesség alapján beazonosítani ( desztvíz, csapvíz, NaCl oldat). A NaCl oldat mivel oldott sóra nézve egy komponensű, az oldat sókoncentrációja meghatározható. Ehhez a kiadott törzsoldat felhasználásával egyre növekvő koncentrációjú oldatsorozatot kell készíteni. Ez az oldatsorozat teszi lehetővé annak a függvénynek a felvételét (κ=f(c)), amelyik megteremti a 1
Lakatos J.: Analitikai Kémiai Gyakorlatok Anyagmérnök BSc. Hallgatók Számára (2007)
Vezetőképesség, ohm-1 cm-1
kapcsolatot a vezetőképesség és a koncentráció között. ( Elegendő az 1/R= f(c) felvétele) A függvény felhasználásával az ismeretlen sótartalmú minta vezetőképességét ill 1/R értékét megmérve ki tudjuk számítani a minta NaCl koncentrációját. Fontos hangsúlyozni, hogy a vezetőképesség mérés szemben a potenciometriával csak akkor használható koncentráció mérésre, ha az oldat egyfajta oldott sót tartalmaz. A mérésre használt vezetőképességi cella (un. harangelektród) nem tud különbséget tenni az ionok között (eltérés a potenciometriás méréstől, ahol a különböző ionok koncentrációját egyéb ionok jelenlétében is mérhetjük). Ez az oka, hogy a vezetőképesség mérése leggyakrabban az oldott elektrolit tartalom nem specifikus meghatározása mellett a potenciometriás titrálás analógiájára, a vezetőképességi titrálás során, mint indikátor használatos.
Konduktometriában használható koncentráció tartomány
H2SO4
KOH
Oldott anyag koncentrációja, mol/l 2.ábra A vezetőképesség változása a feloldott elektrolit koncentrációja függvényében. I. Vízminták tisztaságának ellenőrzése, NaCl oldat oldott sótartalmának meghatározása 1. Készítse el a táblázatban szereplő kalibráló oldatokat a törzsoldat felhasználásával. 100 ml mérőlombikok állnak rendelkezésére a törzsoldat koncentrációja 10 g/l. 2. Mérje meg a kalibráló oldatok vezetőképességét, majd mérje meg háromszor a kiadott minta vezetőképességét. Az adatokat íja be a táblázatba. 3. Ábrázolja a vezetőképesség =f(koncentráció) összefüggést és határozza meg a minta NaCl koncentrációját.
2
Lakatos J.: Analitikai Kémiai Gyakorlatok Anyagmérnök BSc. Hallgatók Számára (2007)
4.
Ezt követően az elektródot jól leöblítve mérje meg a csapvíz, és a desztillált víz vezetőképességét. A kapott vezetőképesség adatok és a kalibrációs függvény felhasználásával számítsa ki, hogy a csapvíz vezetőképessége milyen koncentrációjú NaCl oldattal egyenértékű. (Azért nem azonos mert a csapvíz nem csak nátrium és klorid, hanem kalcium, magnézium, kálium, szulfát, hidrogén-karbonát stb. ionokat is tartalmaz.)
II. Szulfát tartalom meghatározása konduktometriás titrálással Konduktometriát olyan folyamatok követésére használhatjuk, amelyeknél az ionok mennyisége a reakció során jelentősen változik. Ilyen lehet a sav-bázis reakció (a hidrogén ion és a hidroxid ion nem vezető vízmolekulává egyesül) vagy ionok kis oldékonyságú nem vezető csapadékot képeznek. Ez utóbbi esetet használjuk ki, amikor a szulfát ionokat bárium ionokkal bárium-szulfát csapadék képződése közben határozzuk meg. Töltse jelig a kiadott mérőlombikot, majd 20 ml-t pipettázzon ki belőle egy 250 ml-es főzőpohárba (ebbe meríti majd a harangelektródot és ebbe adagolja, majd a mérőoldatot a titrálás során.) Hozzáadunk 100 ml vizet, 10 ml izopropil-alkoholt (ez a csapadék oldódásának visszaszorítására szolgál), beleteszünk egy mágneses keverőmagot, feltesszük a mágneses keverőre és buborékmentesen bemerítjük az elektródot. Az előkészített oldatnak az elektródot teljesen el kell lepnie. (Ha nem lepi el még adhatunk hozzá desztillált vizet). A keverőt beindítva leolvassuk a vezetőképesség értékét, majd 0,05 mol/l BaCl2 mérőoldatot adunk a mintához a táblázatban megadott részletekben. Minden egyes adagolás után addig várunk, míg a jel állandósul, ekkor leolvassuk és a táblázatba feljegyezzük a vezetőképességet. A mérőoldat térfogat-vezetőképesség adatokból megszerkesztjük a titrálási görbét. A görbe két szakaszára egyenest illesztünk és meghatározzuk az ekvivalenciapontot, amiből a BaCl2 oldat koncentrációjának ismeretében kiszámítjuk a minta szulfát ion koncentrációját mol/l-ben és g/l ben. 14
13
1/R, mS
12
11
10
9
8 0
5
10
15
20
25
30
35
V, ml
3. ábra Csapadékképződéssel járó reakció konduktometriás titrálási görbéje.
3
Lakatos J.: Analitikai Kémiai Gyakorlatok Anyagmérnök BSc. Hallgatók Számára (2007)
Zh kérdédek: 1. Milyen elektromos mennyiséget mérünk a konduktometriás mérésnél. 2. Hogyan függ a vezetőképesség az ionok koncentrációjától töltésétől és fajtájától? 3. Mikor elektrolitspecifikus, mikor csak összegző típusú mérést tesz lehetővé a konduktometria? 4. Rajzolja fel hogyan változik a vezetőképesség az oldott anyag koncentrációja függvényében és jelölje be azt a koncentráció tartományt ahol célszerű koncentráció mérésre használni. Ha a minta koncentrációja a nem arányos tartományban van mit tenne, hogy használni lehessen a módszert? 5. Készítsen 100 ml 10-3 g/l-es sóoldatot 10 g/l-es törzsoldat felhasználásával. Mennyi törzsoldatot kell bemérni? 6. Számítsa ki a minta szulfát koncentrációját g/l-ben, ha a 20 ml oldatra 20 ml 0,05 mol/l BaCl2 oldat fogyott.
4
Lakatos J.: Analitikai Kémiai Gyakorlatok Anyagmérnök BSc. Hallgatók Számára (2007)
8 gyak. Konduktometria I. Vízminták tisztaságának ellenőrzése, NaCl oldat oldott sótartalmának meghatározása 5. Készítse el a táblázatban szereplő kalibráló oldatokat a törzsoldat felhasználásával. 100 ml mérőlombikok állnak rendelkezésére a törzsoldat koncentrációja 10 g/l. 6. Mérje meg a kalibráló oldatok vezetőképességét, majd mérje meg háromszor a kiadott minta vezetőképességét. Az adatokat íja be a táblázatba. 7. Ábrázolja a vezetőképesség =f(koncentráció) összefüggést és határozza meg a minta NaCl koncentrációját. 8. Ezt követően az elektródot jól leöblítve mérje meg a csapvíz, és a desztillált víz vezetőképességét. A kapott vezetőképesség adatok és a kalibrációs függvény felhasználásával számítsa ki, hogy a csapvíz vezetőképessége milyen koncentrációjú NaCl oldattal egyenértékű. (Azért nem azonos mert a csapvíz nem csak nátrium és klorid, hanem kalcium, magnézium, kálium, szulfát, hidrogén-karbonát stb. ionokat is tartalmaz.) 1. táblázat. Vízminták oldott sótartalmának meghatározása vezetőképesség méréssel Oldat Koncentráció V törzsoldat, 1/R g/l ml 1/ohm Kalibráció/1 0,1 Kalibráció/2 0, 3 Kalibráció/3 0,5 Kalibráció/4 0,7 Kalibráció/5 1 Minta No: Csapvíz Desztilláltvíz * ekvivalens elektrolit koncentráció
Koncentráció g/l * *
5
Lakatos J.: Analitikai Kémiai Gyakorlatok Anyagmérnök BSc. Hallgatók Számára (2007)
8 gyak. Konduktometria II. Szulfát tartalom meghatározása konduktometriás titrálással 1. Töltse jelig a kiadott mérőlombikot, majd 20 ml-t pipettázzon ki belőle egy 250 ml-es főzőpohárba (ebbe meríti majd a harangelektródot és ebbe adagolja, majd a mérőoldatot a titrálás során.) Adjon hozzá 100 ml vizet, 10 ml izopropil-alkoholt (ez a csapadék oldódásának visszaszorítására szolgál), tegyen az oldatba egy mágneses keverőmagot, tegye fel a mágneses keverőre és buborékmentesen merítse be az elektródot. Az előkészített oldatnak az elektródot teljesen el kell lepnie. (Ha nem lepi el még adhatunk hozzá desztillált vizet). 2 A keverőt beindítva olvassa le a vezetőképesség értékét, majd adagoljon bürettából 0,05 mol/l BaCl2 mérőoldatot a mintához a táblázatban megadott részletekben. Minden egyes adagolás után várjon addig, míg a jel állandósul, ekkor olvassa le és a táblázatba jegyezze fel a vezetőképességet. A mérőoldat térfogat-vezetőképesség adatokból szerkessze meg a titrálási görbét. A görbe két szakaszára egyenest illesztve határozza meg az ekvivalenciapontot, amiből a BaCl2 oldat koncentrációjának ismeretében számítsa ki a minta szulfát ion koncentrációját mol/l-ben és g/l ben.
2. táblázat. Szulfát tartalom meghatározása konduktometriás titrálással V, ml 0 5 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 25 30
1/R, (ohm-1)
6
