Miareczkowanie konduktometryczne działa tam, gdzie inne metody mają trudności
12 lut 2024
Artykuł
Udostępnij artykuł
Miareczkowanie konduktometryczne to zaawansowana metoda analityczna oparta na monitorowaniu zmian w przewodnictwie roztworu w trakcie dodawania titranta. Proces ten jest precyzyjnie kontrolowany poprzez pomiar przewodności po każdym dodaniu odpowiedniej ilości titranta. W niniejszym artykule omówiono fundamenty tej techniki, jej zalety oraz przedstawiono praktyczne przykłady zastosowań miareczkowania konduktometrycznego.
Wprowadzenie
Miareczkowanie konduktometryczne jest szeroko wykorzystywane w różnych branżach, w tym w sektorze spożywczym i petrochemicznym. Ta zaawansowana metoda umożliwia precyzyjne określanie parametrów w próbkach, które często sprawiają trudności przy stosowaniu innych technik miareczkowania. Dzięki miareczkowaniu konduktometrycznemu możemy skutecznie radzić sobie z wyzwaniami analitycznymi, dostarczając cenne rozwiązania dla takich właśnie sektorów.
Miareczkowanie konduktometryczne może być stosowane w następujących sytuacjach:
- Miareczkowanie kwasowo-zasadowe: zarówno wodne, jak i niewodne.
- Miareczkowanie strąceniowe: Cl-, Br-, I-, SO42-, R–S–R, R–SH
- Miareczkowanie kompleksometryczne
Czym jest miareczkowanie konduktometryczne?
Miareczkowanie konduktometryczne to metoda analityczna oparta na monitorowaniu zmian w przewodnictwie roztworu podczas dodawania titranta.
Całkowita przewodność próbki jest równa sumie przewodności poszczególnych zdysocjowanych jonów w roztworze pomiarowym. Podczas miareczkowania przewodność zmienia się w wyniku dodania titranta i reakcji między titrantem a analitem. Punkt końcowy miareczkowania jest wskazywany przez punkt załamania krzywej miareczkowania. Przykłady takich sytuacji przedstawiono w dalszej części artykułu.
Zapraszamy do odwiedzenia naszego bloga, gdzie znajdziesz więcej informacji na temat określania punktów końcowych
Jak wygląda proces miareczkowania konduktometrycznego?
Miareczkowanie konduktometryczne jest monotonicznym miareczkowaniem punktu końcowego. Oznacza to, że titrant jest dodawany w stałych przyrostach objętości.
Wykonanie tego zadania wymaga użycia mieszadła magnetycznego lub mieszadła śmigłowego, końcówki dozującej i czujnika do pomiarów przewodności. Ważną kwestią podczas wykonywania miareczkowania przewodnościowego jest szybki czas reakcji czujnika (więcej informacji znajdziesz w sekcji dotyczącej czujników do pomiaru przewodności).
W przypadku wszystkich czujników wyposażonych w zdejmowane tuleje, procedura obejmuje ich demontaż. Dodatkowo, proces mieszania jest ustawiony na wysoką prędkość. Warto zauważyć, że ograniczeniem prędkości mieszania jest konieczność unikania dostawania się powietrza do próbki. Pęcherzyki powietrza na czujniku mogą skutkować niestabilnym sygnałem, dlatego istotne jest zachowanie ostrożności podczas tego etapu.
Oprogramowanie OMNIS Software firmy Metrohm umożliwia analizę charakterystycznych krzywych miareczkowania przewodności rejestrowanych przez czujnik przewodności w badanym roztworze. Dzięki tej funkcji użytkownicy mogą szczegółowo analizować zmiany przewodnictwa w trakcie miareczkowania konduktometrycznego.
Przewodność roztworu jest zróżnicowana w zależności od rodzaju jonów obecnych w środowisku.
Jony H+ i OH- wykazują wysokie przewodnictwo jonowe. Same jony nie poruszają się, ale raczej transportują proton lub przejście protonowe poprzez wiązanie wodorowe (rysunek 1). Dlatego jony oksoniowe i wodorotlenkowe mają znacznie wyższą przewodność jonową niż większość innych jonów.
Liczba jonów
Rozważmy przykład konduktometrycznego miareczkowania kwasu solnego wodorotlenkiem sodu. Równanie reakcji chemicznej jest następujące:
Kwas solny, będący mocnym kwasem, całkowicie dysocjuje w wodzie. Wodorotlenek sodu, silna zasada, również całkowicie dysocjuje w wodzie. Jak wspomniano wcześniej, zmierzone przewodnictwo jest sumą wszystkich zdysocjowanych jonów w roztworach. Aby uzyskać wartość przewodnictwa próbki, należy obliczyć stężenie jonów i ich stałe dysocjacji za pomocą wzoru przewodności jonowej każdego jonu.
Jak pokazano na rysunku 2, wiele jonów H+ i Cl- jest obecnych na początku miareczkowania (po lewej stronie). Stężenie jonów Cl- nie zmienia się w czasie trwania miareczkowania. Obecność jonów chlorkowych przyczynia się do ogólnego przewodnictwa, ale pozostaje niezmieniona podczas miareczkowania.
Następnie do próbki dodawany jest wodorotlenek sodu. Wprowadza to jony Na+ do próbki, zwiększając jej przewodność. Ilość jonów sodu wzrasta w sposób ciągły w trakcie miareczkowania. Jony wodorotlenkowe z NaOH również mają udział w reakcji. Jony OH- neutralizują jony hydroniowe, tworząc wodę, jak pokazano w powyższym równaniu.
Wartość przewodnictwa znacznie spada, gdy jony hydroniowe są wyłączone z całkowitego przewodnictwa. Najniższa przewodność występuje w punkcie końcowym miareczkowania, w którym nie występują jony hydroniowe ani wodorotlenkowe (rysunek 2 - środek).
Natychmiast po osiągnięciu punktu końcowego przewodność ponownie gwałtownie wzrasta. Po dodaniu większej ilości wodorotlenku sodu pojawiają się jony OH-, które nie reagują już z jonami hydroniowymi (ponieważ żadne nie pozostały).
Poniższe trzy przykłady wyjaśniają różne sytuacje, które są często spotykane podczas wykonywania konduktometrycznych miareczkowań kwasowo-zasadowych: miareczkowanie mocnego kwasu mocną zasadą, miareczkowanie mocnego kwasu słabą zasadą i miareczkowanie słabego kwasu mocną zasadą.
Jest to typowa krzywa miareczkowania konduktometrycznego mocnego kwasu miareczkowanego mocną zasadą. Spadek przewodnictwa w miarę neutralizacji jonów H+ jest zgodny z wyjaśnieniem podanym powyżej. Po osiągnięciu punktu końcowego (minimum przewodnictwa), jony OH- z nadmiaru zasady przyczyniają się do ogólnego przewodnictwa, powodując ponowny wzrost krzywej.
Miareczkowanie konduktometryczne mocnego kwasu słabą zasadą
W tym przykładzie silny kwas (np. kwas solny, HCl) jest miareczkowany słabą zasadą (np. amoniak, NH3).
Początkowo przewodnictwo roztworu jest wysokie, ponieważ mocny kwas jest w pełni zdysocjowany. Po dodaniu słabej zasady rozpoczyna się reakcja, w wyniku której powstają jony amonowe (NH4+). W miarę jak słaba zasada kontynuuje reakcję z jonami H+, przewodność roztworu stopniowo maleje. Dzieje się tak, ponieważ przewodnictwo molowe NH4+ jest znacznie niższe niż H+.
W punkcie równoważnikowym zachodzi pełna neutralizacja wszystkich wolnych jonów wodorowych. Wówczas następuje stopniowy wzrost przewodności, ponieważ słaba zasada użyta jako titrant ulega jedynie częściowej dysocjacji.
Miareczkowanie konduktometryczne słabego kwasu mocną zasadą
W tym przypadku miareczkowanie słabego kwasu (np. kwasu octowego, CH3COOH) odbywa się za pomocą silnej zasady (np. wodorotlenku sodu, NaOH).
Na początku miareczkowania przewodnictwo roztworu jest niskie. Dzieje się tak, ponieważ słaby kwas nie ulega pełnej dysocjacji. Po dodaniu silnej zasady, takiej jak wodorotlenek sodu, zachodzi reakcja z niezdysocjowanym kwasem octowym, tworząc wodę. Uwolnienie jonów sodu i octanu zwiększy zatem przewodność.
W momencie osiągnięcia punktu równoważności, kwas octowy całkowicie reaguje z wodorotlenkiem sodu. Po tej reakcji obserwuje się znaczący wzrost przewodnictwa, głównie z powodu obecności jonów wodorotlenkowych (odgrywających główną rolę) oraz jonów sodu (stanowiących mniejszy udział), które powstają po dodaniu dodatkowej ilości wodorotlenku sodu.
Przewodnictwo molowe odnosi się do przewodnictwa elektrycznego w pełni zdysocjowanego jonu, wyrażonego w jednostkach molowych. Z uwagi na to, że każdy rodzaj jonu przewodzi prąd elektryczny w charakterystyczny sposób, przewodnictwo molowe stanowi wyjątkową cechę dla każdego z nich (Tabela 1).
Tabela 1. Przewodność molowa różnych jonów przy nieograniczonych rozcieńczeniach.
Czujniki do miareczkowania przewodnościowego
Najważniejszym parametrem, który należy wziąć pod uwagę przy wyborze czujnika do miareczkowania przewodności, jest jego czas reakcji. Ponieważ interesuje nas zmiana przewodności, bezwzględna wartość pomiaru nie ma tak dużego znaczenia.
Z tego powodu najbardziej odpowiedni jest 4-przewodowy czujnik przewodności c = 0,5 cm-1 z Pt1000 (rys. 3, po lewej) i 5-pierścieniowy czujnik przewodności c = 0,7 cm-1 z Pt1000 (rys. 3, po prawej) firmy Metrohm. Osłona czujnika 5-pierścieniowego powinna zostać zdjęta przed pomiarem.
Oba czujnik są doskonałe do przeprowadzania miareczkowania konduktometrycznego, charakteryzują się wyjątkową trwałością oraz niezwykłą odpornością.
Zalety miareczkowania konduktometrycznego
Miareczkowanie konduktometryczne wykazuje kilka istotnych zalet. Po pierwsze, nie wymaga stosowania wskaźnika koloru, co umożliwia precyzyjne miareczkowanie próbek o różnych barwach i stopniu zmętnienia. Po drugie, możliwe jest wykorzystanie jednego czujnika do wszystkich miareczkowań, co upraszcza procedurę. Po trzecie, ta metoda pozwala na miareczkowanie nawet słabych kwasów, dostarczając wyraźnych punktów końcowych, co zostało zilustrowane w powyższym przykładzie..
Zalety stosowania miareczkowania konduktometrycznego
- Łatwa obsługa
- Elektroda niewymagająca konserwacji
- Nie jest wymagana elektroda odniesienia
- Nie jest wymagany żaden wskaźnik
- Możliwość miareczkowania bardzo rozcieńczonych roztworów do 0,001 mol/l
Miareczkowanie konduktometryczne w systemie OMNIS zostało zaprojektowane z myślą o łatwości przeprowadzenia. Użytkownik ma możliwość dostosowania parametrów miareczkowania w zależności od charakterystyki reakcji, co pozwala na uzyskanie wiarygodnych wyników. Dzięki tej elastyczności, proces miareczkowania staje się bardziej intuicyjny i precyzyjny, co sprzyja efektywnemu wykonaniu analiz.
Jeśli ocena krzywej jest trudna, OMNIS oferuje kompleksowy zestaw narzędzi, które ułatwiają użytkownikom analizę. Oprogramowanie umożliwia dodawanie optymalnych stycznych, czyli linii prostych, do krzywej. Ponadto użytkownicy mają możliwość ustalenia okna pomiarowego, które pozwala wskazać konkretny obszar, w którym należy zidentyfikować punkt końcowy. To elastyczne podejście można dostosować zarówno dla przewodności, jak i objętości, co zwiększa precyzję i wiarygodność wyników analizy.
Wnioski
Podsumowoując, miareczkowanie konduktometryczne stanowi cenną metodę analityczną do określania stężenia związków jonowych w roztworach. Jest to szybka i precyzyjna alternatywa dla tradycyjnych metod miareczkowania, umożliwiająca badanie wielu próbek pod kątem zawartości jonów. Dzięki swojej skuteczności i wszechstronności jest szeroko stosowana w laboratoriach chemicznych oraz przemysłowych do analizy różnorodnych próbek i monitorowania jakości produktów.
W porównaniu z klasycznym miareczkowaniem potencjometrycznym, miareczkowanie konduktometryczne oferuje szereg znaczących zalet. Czujnik przewodności wyróżnia się wyjątkową trwałością, co przekłada się na jego długotrwałe użytkowanie bez utraty dokładności pomiarów. Istotną korzyścią jest również brak konieczności wstępnego przygotowania czujnika oraz możliwość łatwego czyszczenia, co przyspiesza i ułatwia procesy laboratoryjne. Dodatkowo, konserwacja czujnika nie jest wymagana, co redukuje nakłady pracy konserwacyjnej i zwiększa efektywność procedur analitycznych.
Oprogramowanie OMNIS firmy Metrohm zwiększa wydajność i dokładność miareczkowania konduktometrycznego.
Dzięki funkcjom takim jak wygładzanie danych, definiowanie zakresu liniowego, dostosowywanie współczynników wagowych oraz elastyczna ocena punktu końcowego, użytkownik posiada pełną kontrolę i precyzję nad analizą w miareczkowaniu konduktometrycznym. Te możliwości gwarantują niezawodne przeprowadzanie analiz oraz uzyskiwanie dokładnych wyników. Oprogramowanie OMNIS staje się zatem nieocenionym narzędziem dla laboratoriów, które dążą do skutecznego i precyzyjnego przeprowadzania miareczkowania konduktometrycznego. Dzięki niemu proces analizy staje się bardziej efektywny, a wyniki bardziej wiarygodne, co wspiera działania badawcze i analityczne przeprowadzane w laboratoriach.
