Scheikunde van basisschool tot bovenbouw · Grades 1–12
36Titratie
Op het doosje van een ijzersupplement staat dat elke tablet ijzer bevat, als ijzer(II)ionen. Klopt dat? Een scheikundige verpulvert een tablet, lost die op in zuur, en voegt druppel voor druppel een paarse oplossing van kaliumpermanganaat toe uit een lange buis met een maatverdeling. Elke druppel verliest meteen zijn kleur, omdat de permanganaationen door de ijzer(II)ionen verbruikt worden, tot één druppel, de laatste, een zwakke roze kleur achterlaat die niet meer verdwijnt. Het volume dat op dat moment is toegevoegd, geeft de hoeveelheid ijzer. Dit hoofdstuk maakt van een reactie een meting.
Wat je al weet
Een oxidator neemt elektronen op, een reductor staat ze af; het permanganaation oxideert ijzer(II)ionen volgens (Hoofdstuk 35). Molaire concentratie en verdunning (Hoofdstuk 26); de voortgangstabel en de beperkende beginstof (Hoofdstuk 27).
36.1 Titreren
Definitie 36.1 (Titratie, titrant, getitreerde oplossing)
Een titratie meet de hoeveelheid van een opgelost deeltje door het te laten reageren met een ander deeltje waarvan de concentratie nauwkeurig bekend is. De oplossing met de bekende concentratie, die uit een buret wordt toegevoegd, is de titrant; de oplossing met het deeltje dat gemeten moet worden, die in de erlenmeyer staat, is de getitreerde oplossing.
Propositie 36.2 (Waaraan een titratiereactie moet voldoen)
Een reactie is bruikbaar voor een titratie als ze aflopend is (zodat één beginstof helemaal verbruikt wordt), snel (zodat elke druppel meteen reageert) en eenduidig (de titrant reageert met niets anders in de erlenmeyer).
Bewijs. Als de reactie stopte voordat ze af was, achterliep op de druppels of ergens anders titrant verbruikte, zou het toegevoegde volume niet langer de hoeveelheid van het getitreerde deeltje meten. ∎
36.2 Het equivalentiepunt
Definitie 36.3 (Equivalentiepunt, equivalentievolume)
Het equivalentiepunt is het moment in een titratie waarop de toegevoegde titrant en het getitreerde deeltje in de verhouding van de reactievergelijking aanwezig zijn: beide zijn verbruikt. Het volume titrant dat op dat moment is toegevoegd, is het equivalentievolume, .
Propositie 36.4 (Het verband bij het equivalentiepunt)
Voor een titratiereactie producten, waarin A (hoeveelheid ) getitreerd wordt met een titrant B met concentratie , geldt bij het equivalentiepunt
Bewijs. Bij het equivalentiepunt is het mengsel stoichiometrisch (Hoofdstuk 27): A en B, met beginhoeveelheden en , raken tegelijk op, dus . ∎
36.3 Het equivalentiepunt vinden aan een kleuromslag
Propositie 36.5 (Het equivalentiepunt zien)
Als een van de deeltjes van de titratie gekleurd is, zie je het equivalentiepunt als een kleuromslag in de erlenmeyer: de kleur van de titrant verschijnt en blijft zodra de titrant in overmaat is, of de kleur van het getitreerde deeltje verdwijnt wanneer dat op raakt.
Bewijs. Vóór het equivalentiepunt wordt elk ion titrant dat in de erlenmeyer valt meteen verbruikt; na het equivalentiepunt blijft het over. Een gekleurd deeltje is dus maar aan één kant van het equivalentiepunt in de erlenmeyer aanwezig. ∎
Voorbeeld 36.6 (Permanganaat, zijn eigen indicator)
Het permanganaation is dieppaars, en de mangaanionen die het oplevert, zijn bijna kleurloos; de ijzerionen geven de oplossing alleen een lichtgele tint. Vóór het equivalentiepunt wordt elke paarse druppel ontkleurd zodra hij valt; de eerste druppel die niet ontkleurt, markeert het equivalentiepunt: de erlenmeyer wordt lichtroze en blijft dat.
Voorbeeld 36.7 (Vitamine C en jood)
Vitamine C, ascorbinezuur (), is een reductor; jood oxideert het:
sinaasappelsap, met een beetje zetmeel, wordt getitreerd met een joodoplossing van . Vóór het equivalentiepunt wordt het jood verbruikt; de eerste druppel in overmaat kleurt het zetmeel donkerblauw. Als , bevatte het sap vitamine C, dat is in : .
36.4 Een onbekende concentratie berekenen
Methode 36.8 (Een concentratie berekenen uit een titratie)
- Schrijf de kloppende reactievergelijking van de titratiereactie op en lees de coëfficiënten (getitreerd deeltje) en (titrant) af.
- Lees af op de buret, en bereken de hoeveelheid toegevoegde titrant, .
- Bij het equivalentiepunt geldt .
- Deel door het getitreerde volume: . Als het monster vóór de titratie verdund is, vermenigvuldig dan met de verdunningsfactor.
Voorbeeld 36.9 (Een ijzer(II)oplossing)
Voor van een aangezuurde ijzer(II)oplossing is permanganaat van nodig. Hier () en (): , dus , en .
36.5 De titratie als meting
In het laboratorium — Een buret aflezen
De buret wordt omgespoeld met de titrant, gevuld, en de punt wordt vrij gemaakt van luchtbellen. Het niveau lees je af aan de onderkant van de meniscus, met je oog op dezelfde hoogte, vóór en na de titratie: het toegevoegde volume is het verschil. De maatstreepjes staan om de , en een aflezing kun je schatten tot op . Vlak bij het equivalentiepunt wordt de titrant druppel voor druppel toegevoegd, terwijl de erlenmeyer gezwenkt of geroerd wordt.
Opmerking 36.10 (Hoe nauwkeurig is een titratie?)
Elke aflezing van de buret kan er ongeveer naast zitten, en het toegevoegde volume is het verschil van twee aflezingen: dat kan er dus tot naast zitten. Voor is dat . Een groter maakt deze relatieve fout kleiner; daarom kiest men de concentratie van de titrant zo dat het equivalentievolume tussen 10 en ligt bij een buret van . De titratie wordt herhaald tot twee resultaten tot op ongeveer overeenkomen. Een preciezere behandeling van de onzekerheid van een meting volgt in het deel voor het eerste universiteitsjaar.
Veiligheid
Vast kaliumpermanganaat is een oxidator die een brand kan aanwakkeren, bijtend en schadelijk; verdunde oplossingen ervan kleuren huid en kleding bruin. Joodoplossingen zijn schadelijk. Veiligheidsbril en handschoenen; het afval wordt ingezameld en gaat nooit door de gootsteen.
36.6 Oefeningen
Oefening 36.1 ★
Wat is bij een titratie de titrant? En de getitreerde oplossing? Wat gebeurt er bij het equivalentiepunt?
Oplossing
Oplossing van Oefening 36.1.
De titrant is de oplossing met de nauwkeurig bekende concentratie, in de buret; de getitreerde oplossing bevat het deeltje dat gemeten moet worden, in de erlenmeyer. Bij het equivalentiepunt zijn de toegevoegde titrant en het getitreerde deeltje in de verhouding van de reactievergelijking aanwezig: beide zijn verbruikt.
Oefening 36.2 ★
Welke hoeveelheid permanganaationen zit er in van een oplossing van ?
Oplossing
Oplossing van Oefening 36.2.
.
Oefening 36.3 ★
Lees in de figuur van de hoeveelheden tegen het toegevoegde volume het equivalentievolume af. Welke hoeveelheid ijzer(II) zat er aan het begin in de erlenmeyer?
Oplossing
Oplossing van Oefening 36.3.
; de lijn van ijzer(II) begint bij , dat is .
Oefening 36.4 ★
Waarom is er bij een titratie met permanganaat geen indicator nodig?
Oplossing
Oplossing van Oefening 36.4.
De titrant is zelf gekleurd (paars) en zijn product bijna kleurloos: de kleur verschijnt in de erlenmeyer zodra het permanganaat in overmaat is.
Oefening 36.5 ★
Wat is bij het equivalentiepunt van de titratie van ijzer(II) met permanganaat de verhouding tussen de hoeveelheid ijzer(II) en de hoeveelheid toegevoegd permanganaat? Waarom?
Oplossing
Oplossing van Oefening 36.5.
5: volgens de vergelijking worden er 5 ijzer(II)ionen verbruikt per permanganaation, en bij het equivalentiepunt zijn de beginstoffen in precies die verhouding bij elkaar gevoegd.
Oefening 36.6 ★★
Voor van een aangezuurde ijzer(II)oplossing is permanganaat van nodig. Bereken de molaire concentratie van ijzer(II), en daarna de massaconcentratie.
Oplossing
Oplossing van Oefening 36.6.
; ; ; .
Oefening 36.7 ★★
Een vitamine C-tablet wordt opgelost tot oplossing. Voor daarvan, met zetmeel, is jood van nodig. Welke massa vitamine C bevat de tablet?
Oplossing
Oplossing van Oefening 36.7.
Verhouding 1:1: in , dus in de , dat is : ongeveer .
Oefening 36.8 ★★
Een reactie is aflopend, maar duurt een paar minuten. Waarom kun je haar niet zomaar gebruiken voor een titratie met een kleuromslag?
Oplossing
Oplossing van Oefening 36.8.
Een druppel zou niet meteen reageren: de kleur van de titrant zou vóór het equivalentiepunt blijven hangen, en je zou het einde te vroeg zien (of je zou na elke druppel minutenlang moeten wachten).
Oefening 36.9 ★★
Bekijk de drie erlenmeyers. Een leerling stopt bij een erlenmeyer die even paars is als de derde. Is haar equivalentievolume te groot of te klein? Wat had ze vlak bij het equivalentiepunt moeten doen?
Oplossing
Oplossing van Oefening 36.9.
Te groot: ze is voorbij het equivalentiepunt gegaan en heeft permanganaat in overmaat toegevoegd. Vlak bij het equivalentiepunt had ze de titrant druppel voor druppel moeten toevoegen, onder zwenken, en moeten stoppen bij de eerste blijvende zwakke roze kleur.
Oefening 36.10 ★★
Een geconcentreerde ijzer(II)oplossing wordt eerst tien keer verdund. Daarna is voor van de verdunde oplossing permanganaat van nodig. Bereken de concentratie van de geconcentreerde oplossing.
Oplossing
Oplossing van Oefening 36.10.
in : voor de verdunde oplossing, en voor de geconcentreerde.
Oefening 36.11 ★★
De ijzer(II)oplossing uit het uitgewerkte voorbeeld van dit hoofdstuk heeft . Welke massa ijzer bevat ervan?
Oplossing
Oplossing van Oefening 36.11.
.
Oefening 36.12 ★★★
Een titratie geeft . Schat de relatieve fout door de aflezingen van de buret, en vergelijk met . Bedenk twee manieren om een groter equivalentievolume te krijgen.
Oplossing
Oplossing van Oefening 36.12.
, tegen voor . Titreer een groter volume (of een geconcentreerder monster) van de oplossing, of gebruik een meer verdunde titrant.
Oefening 36.13 ★★★
Waterstofperoxide wordt in zuur milieu getitreerd met permanganaat:
Een ontsmettingsmiddel wordt tien keer verdund; voor van de verdunde oplossing is permanganaat van nodig. Bereken de molaire concentratie van waterstofperoxide in het ontsmettingsmiddel, en daarna de massaconcentratie (: ).
Oplossing
Oplossing van Oefening 36.13.
; in : in de verdunde oplossing, in het ontsmettingsmiddel, dat is (ongeveer een oplossing van 3 %).
Oefening 36.14 ★★★
Een ijzertablet hoort ongeveer ijzer(II) te bevatten. Welke concentratie permanganaat geeft een equivalentievolume van ongeveer bij een buret van ? Wat zou er misgaan met een oplossing die tien keer zo geconcentreerd is?
Oplossing
Oplossing van Oefening 36.14.
, toe te voegen in ongeveer : , dus een oplossing van . Bij tien keer zo geconcentreerd zou ongeveer zijn: de fout van de buret zou dan zo’n worden.
Oefening 36.15 ★★★
De vergelijking van de titratie bevat per . Welke hoeveelheid waterstofionen wordt er verbruikt bij een equivalentievolume van van ? Is van een zuur met waterstofionen genoeg? Waarom moet de erlenmeyer aangezuurd worden?
Oplossing
Oplossing van Oefening 36.15.
waterstofionen. van bevat : genoeg, ruim vier keer zoveel. Zonder zuur zou de reactie van dit hoofdstuk niet kunnen verlopen zoals ze geschreven is (waterstofionen zijn een beginstof), en zou permanganaat anders reageren.
36.7 Probleem: Is de ijzertablet eerlijk?
Probleem 36.1
Weekendprobleem — een ijzersupplement belooft 80 mg ijzer per tablet: is een titratie het daarmee eens?
Op het doosje van een ijzersupplement staat ijzer, als ijzer(II), per tablet. Een tablet wordt verpulverd en opgelost in ongeveer verdund zwavelzuur, en daarna getitreerd met kaliumpermanganaat van . De zwakke roze kleur blijft bij .
Deel I — De reactie.
- Noem de twee redoxkoppels die meedoen. Welk deeltje is de oxidator, welk de reductor?
- Schrijf de twee halfreacties op.
- Combineer ze tot de vergelijking van de titratie, en controleer dat de lading klopt.
- Waarom wordt de tablet in zuur opgelost?
- Laat zien dat de reactie voldoet aan de voorwaarden voor een titratie, en leg uit hoe je het equivalentiepunt ziet.
Deel II — De titratie.
- In welk glaswerk zit de permanganaatoplossing? Hoe lees je het volume ervan af?
- Welke kleur heeft de erlenmeyer vóór het equivalentiepunt, en waarom verliest elke druppel zijn kleur?
- Bereken de hoeveelheid permanganaat die bij het equivalentiepunt is toegevoegd.
Deel III — Het ijzer.
- Leid de hoeveelheid ijzer(II) in de tablet af.
- Bereken de massa ervan in milligram.
- Vergelijk met het etiket: wat is het relatieve verschil?
- Het toegevoegde volume kan er naast zitten. Hoeveel milligram kan de massa ijzer ernaast zitten? Wordt het etiket bevestigd?
Deel IV — Meer tabletten.
- Twee andere tabletten geven en . Bereken hun massa’s ijzer.
- Bereken het gemiddelde van de drie tabletten.
- De drie resultaten verschillen meer dan de fout van de buret. Wat zegt dat over de tabletten?
- Was permanganaat van een betere keuze geweest? Leg uit.
- Veel supplementen bevatten ook vitamine C, een reductor. Wat zou die doen met de titratie, en met de gevonden massa ijzer?
- Het ijzer is aanwezig als ijzer(II)sulfaat, . Welke massa daarvan bevat één tablet?
- Hoeveel ijzer(II)ionen zijn dat?
- Geef het eindantwoord: welke massa ijzer bevat één tablet?
Oplossing
Oplossing van Probleem 36.1.
1. / en /. De oxidator is het permanganaation, de reductor het ijzer(II)ion.
2. ; .
3. De tweede wordt met 5 vermenigvuldigd: . Lading links ; rechts .
4. Waterstofionen zijn een beginstof: de reactie heeft een zure oplossing nodig.
5. Ze is aflopend, snel en de enige reactie van het permanganaat in de erlenmeyer; het paarse permanganaat wordt vóór het equivalentiepunt verbruikt en kleurt de erlenmeyer daarna roze.
6. In de buret; aflezen aan de onderkant van de meniscus, op ooghoogte, vóór en na, tot op .
7. Lichtgeel (ijzerionen); elke paarse druppel wordt meteen verbruikt door de ijzer(II)ionen die er nog zijn.
8. .
9. .
10. .
11. .
12. op is , ongeveer : het resultaat, mg, klopt met het etiket.
13. : ; : .
14. .
15. De tabletten zelf verschillen een beetje in ijzergehalte, ongeveer .
16. Nee: zou ongeveer zijn, en de fout van de buret , vijf keer slechter.
17. Vitamine C zou ook door het permanganaat geoxideerd worden: de reactie zou niet langer eenduidig zijn, zou te groot worden, en de hoeveelheid ijzer zou overschat worden.
18. , ongeveer .
19. ionen.
20. Ongeveer ijzer per tablet: het etiket is eerlijk.