Samenvatting VWA PDF

Preview

Summary

Samenvatting theorie OPO voedingswarenanalyse...

Description

Titraties 1. Algemeen De voorwaarden om een titratie bruikbaar te maken om concentratiebepalingen mee uit te voeren zijn de volgende:  







de titratiereactie moet snel zijn de titratiereactie moet eenduidig zijn, er mogen geen nevenreacties optreden. Wanneer naast de titratiereactie andere reacties optreden zal dit leiden tot een niet correcte concentratieberekening van het analyt. er moet een stof zijn die aangeeft wanneer het stoechiometrisch punt bereikt wordt. We noemen deze stof een “indicator”. Deze indicator moet bijvoorbeeld reageren met het titrans wanneer al het analyt opgebruikt is, en moet hierbij een visuele verandering ondergaan (verandering van kleur, vorming van een neerslag, …). Het punt waarbij de indicator deze verandering ondergaat noemen we het “eindpunt” van de titratie. Het is dus de bedoeling dat dit “eindpunt” samenvalt met het “stoechiometrisch punt” of het alleszins sterk benadert. Soms fungeert het analyt of het titrans zelf als indicator. Bij potentiometrische titraties is geen indicator nodig, maar moet een geschikte elektrode ter beschikking zijn om het stoechiometrisch punt potentiometrisch te kunnen bepalen (zie volgend hoofdstuk)  de sprong in de titratiecurve moet voldoende groot zijn om een correcte eindpuntbepaling mogelijk te maken; dit is het geval indien de titratiereactie voldoende aflopend is en de concentraties van het analyt en het titrans voldoende groot zijn één van de reagentia van de titratiereactie moet een standaardoplossing zijn.

Primaire standaarden moeten voldoen aan de volgende eisen: ze moeten in een hoge zuiverheid beschikbaar zijn;  ze mogen niet veranderen tijdens het drogen, ze mogen niet hygroscopisch zijn, niet gemakkelijk te oxideren aan de lucht;  ze mogen niet veranderen tijdens het bewaren;  ze hebben best een hoge molmassa;  ze moeten goed oplosbaar zijn;  de reacties moeten stoechiometrisch en zeer snel zijn. 2. Zuur-base titraties

 

Enkele toepassingen van zuur-base titraties uit de wereld van de voeding:      3.

bepaling van azijnzuur in huishoudazijn bepaling van het zuurgetal van een olie bepaling van citroenzuur in Sprite bepaling van zuren in wijn (labo voedingswarenanalyse) bepaling van fosforzuur in cola (labo voedingswarenanalyse) Neerslagtitraties

In een neerslagtitratie wordt gebruikt gemaakt van een neerslagvormingsreactie van het analyt. Verbindingen die slecht oplossen – en bijgevolg snel aanleiding geven tot neerslagvorming – worden gekenmerkt door een “oplosbaarheidsproduct, Ksp”.

Hoe kleiner de Ksp van een verbinding, hoe slechter deze oplost en hoe vollediger de neerslagvormingsreactie. Dit resulteert in een grotere sprong in de titratiecurve wat de titratie ten goede komt. AgNO3 (primaire standaard) veel gebruikt om zoutgehalte te bepalen. Cl- + Ag+AgCl (colloïdale neerslag) Methode van Mohr: K2CrO4 als indicator (roodgekleurde neerslag) Methode van Fajans: Adsorptie indicatoren zijn organische verbindingen die geabsorbeerd worden aan het oppervlak van de neerslag. Methode van Volhard: gekende overmaat zilvernitraat aan de analyseoplossing toegevoegd. Overmaat Ag+ getitreerd met thiocyanaat (SCN-) oplossing. Indicator ijzer(III) rood gekleurd complex 4. Complexometrische titraties In een complexometrische titratie wordt gebruik gemaakt van een complexvormingsreactie van het analyt. Meest gebruikte titrans is ethyleendiaminetetraazijnzuur (EDTA). EDTA vormt een complex met heel veel metaalionen. Voor de eindpuntbepaling gebruikt met eriochroom zwart(Erio-T). De kleur van deze indicator verandert op het stoechiometrisch punt van rood naar blauw. Bepalen van metaalgehaltes zeker relevant, maar in de praktijk echter uiterst zelden een beroep worden gedaan op titraties. Eerder instrumentele methodes als atomaire absorptiespectrometrie, inductief gekoppeld plasma spectrometrie, UV-VIS spectrometrie, fluorimetrie, ionenchromatografie… 5. Redoxtitraties Het oxiderende agens, of de oxidator, veroorzaakt de oxidatie: het onttrekt elektronen bij een stof en neemt deze zelf op. De oxidator wordt in dit proces gereduceerd. Het reducerende agens, of de reductor, veroorzaakt de reductie van een component door er elektronen aan af te staan. De reductor ondergaat tijdens dit proces dus een oxidatie. Voor welbepaalde redoxreacties zijn ook specifieke indicatoren. De meest gebruikte specifieke indicator is een waterige oplossing van “oplosbaar zetmeel”(=zetmeel dat voornamelijk ontstaat uit β-amylose) die heel specifiek gebruikt wordt om I2 aan te tonen. Er treedt immers een absorptie op van I2 (eigenlijk I5-) in de helix van het zetmeel, wat resulteert in een donkerblauwe kleur (zie figuur 8). Redoxtitraties kunnen gebruikt worden voor heel wat analyses van voedingswaren. Enkele voorbeelden:    

bepaling van het ascorbinezuurgehalte in voedingsmiddelen bepaling van het sulfietgehalte in wijn bepaling van reduceerbare suikers in voedingsmiddelen (= methode van Luff-Schoorl) bepaling van het watergehalte in voedingsmiddelen (= methode van Karl Fischer)

Om een redoxreactie uit te balanseren volg je best volgende stappen :    



identificeer de redoxkoppels en zoek de respectievelijke oxidatiegetallen van de elementen geef aan of er elektronen worden opgenomen of afgegeven in de redoxkoppels en geef aan over hoeveel elektronen het gaat zorg dat het aantal opgenomen elektronen gelijk is aan het aantal afgegeven elektronen door de reactiecoëfficiënten voor de verbindingen eventueel aan te passen de lading links van het reactieteken moet gelijk zijn aan de lading rechts; indien dit niet het geval is voeg je H3O+ ionen toe (als je in zuur midden werkt) of OH- ionen (als je in basisch midden werkt het aantal atomen links moet gelijk zijn aan het aantal atomen rechts; indien dit niet het geval is voeg je H2O moleculen toe

6. Normaliteit De normaliteit van een oplossing geeft de concentratie van die oplossing in aantal equivalenten per liter (eq/L). Deze eenheid wordt ook “de normaal” genoemd en afgekort als N. Men spreekt voor een oplossing van 1 equivalent per liter (1 eq/L) van een 1 normale oplossing, bij 2 equivalent per liter (2 eq/L) van een 2 normale oplossing, enz. Een equivalent zuur is de hoeveelheid zuur die in water en in de veronderstelling dat het zuur volledig dissocieert, één mol protonen levert. Bij een tweewaardig zuur geeft één mol zuur in water – in de veronderstelling van een volledige dissociatie – twee mol protonen. Eén mol tweewaardig zuur stemt dus overeen met twee equivalenten zuur, of m.a.w. 1 equivalent zuur stemt overeen met ½ mol zuur. Voor tweewaardige zuren zal de normaliteit dus het dubbel zijn van de molariteit. Een één molaire oplossing zwavelzuur, H2SO4 (of dus een oplossing van 1 mol/L) stemt overeen met een twee normale oplossing zwavelzuur (of dus een oplossing van 2 eq/L). De normaliteit is het dubbel van de molariteit. Algemeen kunnen we dus stellen dat de normaliteit van een zure oplossing overeen stemt met de molariteit vermenigvuldigd met de waardigheid van het zuur. Een equivalent base is de hoeveelheid base die in water en in de veronderstelling dat de base volledig dissocieert, één mol hydroxide-ionen levert. Algemeen kunnen we ook hier stellen dat de normaliteit van een basische oplossing overeen stemt met de molariteit vermenigvuldigd met de waardigheid van de base. Een equivalent oxidator is de hoeveelheid oxidator die 1 mol elektronen opneemt bij de reductie. Voorbeeld 1: Fe3+ + 1e- ↔Fe2+ Eén mol Fe3+ neemt 1 mol elektronen op. Eén mol is dus gelijk aan 1 equivalent en vice versa. Normaliteit en molariteit zijn gelijk aan mekaar. Voorbeeld 3: Cr2O72-+ 14 H+ + 6e- ↔2 Cr3+ + 7 H2O Eén mol dichromaat neemt 6 mol elektronen op. Eén mol stemt overeen met zes equivalenten; 1 equivalent stemt overeen met 1/6 mol. De normaliteit van de oplossing is dus zes keer zo groot als de molariteit. Een equivalent reductor is de hoeveelheid reductor die 1 mol elektronen afgeeft bij de oxidatie.

Algemeen kunnen we dus stellen dat voor oxidatoren en reductoren de normaliteit van de oplossing overeen stemt met de molariteit van de oplossing vermenigvuldigd met het aantal uit gewisselde elektronen van de betreffende halfreactie en gedeeld door de stoechiometrische coëfficiënt van de oxidator/reductor in deze halfreactie. Gravimetrie Gravimetrische analyses zijn analyses gebaseerd op de bepaling van massa. In het kader van voedingswarenanalyse wordt gravimetrie voornamelijk gebruikt voor het bepalen van het vet-, as- en vochtgehalte. Asgehalte=totale hoeveelheid minerale bestandelen in een voedingsmiddel. Water verdrijven (droogstoof iets boven 100°C) en vervolgens verast (verdrijven van organische bestandedelen door hoge temperaturen 400-700°C). Refractometrie Refractometrie is het meten van de brekingsindex van een stof. Refractometrie wordt vaak gebruikt om de zuiverheid van een stof na te gaan. In de analyse van voedingsmiddelen wordt het ook geregeld gebruikt om suikergehaltes te bepalen in diverse voedingsmiddelen. Een kwantificatie m.b.v. refractometrie vraagt wel een voorafgaande kalibratie van de refractometer met gelijkaardige monsters als het te onderzoeken monster. Een dergelijke kalibratie is vaak reeds uitgevoerd door de producent van het toestel. 1. Breking van licht De brekingsindex n wordt gedefinieerd als de sinus van de hoek van het eerste midden g gedeeld door de sinus van de hoek van het tweede midden. De brekingsindex is afhankelijk van:   

de samenstelling van de middens de golflengte van het invallende licht de temperatuur

In de literatuur wordt de brekingsindex meestal weergegeven als nD20, dat wil zeggen de brekingsindex bepaald bij 20 °C, het licht van de D-lijn van natrium en met lucht als eerste midden. Onzuiverheden beïnvloeden de brekingsindex, zodat deze gebruikt kan worden om de zuiverheid van een stof na te gaan. De meting van de brekingsindex gebeurt met een refractometer. 2. Refractometer Praktisch ga je bij een dergelijke opstelling een cirkel waarnemen met een donker en een licht vlak. Je draait vervolgens tot het scheidingsvlak doorheen het middelpunt van het kruis gaat en kan de juiste brekingsindex dan onderaan aflezen. Een draagbare refractometer zoals die in de voedingsanalyse vaak gebruikt wordt, is voorgesteld in figuur 4. De refractometer zoals voorgesteld in figuur 4, wordt heel typisch gebruikt in de voedingswarenanalyse wereld voor de bepaling van suikers. Het suikergehalte beïnvloedt de brekingsindex. Op basis van de meting van de brekingsindex, kan het suikergehalte dus berekend worden. Deze omrekening gebeurt vaak door het toestel zelf. De omrekening is echter enkel mogelijk als het toestel vooraf gekalibreerd is met gelijkaardige monsters. Dit wil zeggen dat vooraf

brekingsindexmetingen zijn gebeurt met gelijkaardige monsters met gekende suikergehaltes, zodat een conversiegrafiek brekingsindex-suikergehalte opgesteld kon worden. Een andere toepassing van refractometrie voor suikerbepalingen is deze in de wereld van de wijn. De rijpheid van druiven voor de wijnproductie wordt nagegaan met een handrefractometer. Het suikergehalte wordt bepaald op basis van de brekingsindex en al meteen omgerekend naar het overeenstemmend volumepercentage ethanol. Polarimetrie 1. Inleiding Onder polarimetrie wordt verstaan: de kwalitatieve en kwantitatieve analyse van oplossingen door middel van het meten van de door die oplossingen veroorzaakte draaiing van het polarisatievlak van lineair gepolariseerd licht. Licht bestaat uit transversale trillingen (loodrecht op de voortplantingsrichting), waarbij de trillingsuitwijking onbepaald is. Lineair gepolariseerd licht is eveneens een transversale trilling, maar nu is er slechts één vlak, waarin de trillingen plaats vinden. Oplossingen van stoffen met asymmetrische koolstofatomen (optisch actieve stoffen) kunnen het trillingsvlak van gepolariseerd doorvallend licht draaien. Deze draaiing kunnen we nauwkeurig meten in een polarimeter. 2. Polarimeter De te meten oplossing wordt gebracht in een buis (meestal 100 of 200 mm lang) en gelegd tussen twee polarisatieprisma’s (nicols) of polaroïdfilters. Zo’n nicol laat slechts licht door van een bepaalde trillingsrichting (het licht wordt gepolariseerd). De nicol aan de lampzijde heet de polarisator, die aan de oculairzijde de analysator. De polarisator heeft een gefixeerde stand; bij de meting wordt de analysator zo gedraaid, dat in het oculair volledige uitdoving wordt waargenomen. De tweede nicol staat dan namelijk loodrecht op de doorlaatrichting van de eerste nicol. Dit is echter alleen waar wanneer de buis tussen de nicols leeg of geheel afwezig is. Plaatsen we de buis met suikeroplossing nu in de polarisator dan nemen we in het oculair weer licht waar. We draaien nu de analysator over een hoek  tot weer totale uitdoving optreedt. 3. Draaiing van gepolariseerd licht Stoffen die in staat zijn het trillingsvlak van gepolariseerd licht te doen draaien, noemen we optisch actieve stoffen. Een stof is optisch actief wanneer er een asymmetrisch koolstofatoom in aanwezig is. Voor de voedingsbestanddelen denken we hierbij aan suikers en eiwitten. Afhankelijk van het soort optisch actieve stof, zal een andere draaiingshoek van het gepolariseerd licht bekomen worden. De grootte van de draaiingshoek, die ook polarisatiehoek wordt genoemd en voorgesteld wordt als “α”, wordt echter niet alleen bepaald door het soort optisch actieve stof maar hangt ook af van volgende factoren:     

het oplosmiddel (alcohol, water of een mengsel hiervan); de kleur of golflengte van het gepolariseerde licht (men neemt bij voorkeur één kleur monochromatisch licht, bijvoorbeeld geel natriumlicht); de lengte van de buis (een tweemaal zo lange buis, geeft een tweemaal zo grote draaiingshoek); de concentratie van de optisch actieve stof in de oplossing (een tweemaal zo grote concentratie geeft een tweemaal zo grote draaiingshoek); de temperatuur (men werkt bij 20°C, kamertemperatuur).

In de literatuur kan men voor een optisch actieve stof de draaiingshoek opzoeken die geldt bij 20 °C en bij de D-lijn van natriumlicht, uitgedrukt voor een concentratie van 1g/mL en voor een weglengte van 1dm. Men noemt dit het specifiek draaiingsvermogen van de stof en stelt het voor als [α]D20 Voor de draaiingshoek van een zuivere oplossing van een optisch actieve stof geldt dan: α=[α]D20 * c * l (concentratie in g/ml en weglengte,buislengte in dm) Potentiometrie & potentiometische titraties 1. Potentiometrie Potentiometrisch methoden zijn methoden waarbij een potentiaalverschil (= spanningsverschil) wordt gemeten om informatie te krijgen over de concentratie(s). Omdat een spannings”verschil” enkel gemeten kan worden tussen 2 oplossingen, maakt men gebruik van een opstelling met een “referentie-elektrode” die men in een oplossing plaatst, en van een “indicatorelektrode” die in de analytoplossing wordt gezet. Om het elektrisch circuit gesloten te maken en toch vermenging van de 2 oplossingen te voorkomen, maakt men gebruik van een zoutbrug tussen de 2 oplossingen. Een “referentie-elektrode” is een elektrode die een zekere potentiaal heeft (ongeacht de concentratie van het analyt) en ten opzichte van dewelke men het spanningsverschil gaat meten. De meest gebruikte referentie-elektrode is de verzadigde kalomelelektrode, afgekort als SCE (Saturated Calomel Elektrode). Deze bestaat uit een binnenste buisje dat kwik en kalomel (= Hg2Cl2) bevat, met daaromheen een verzadigde KCl oplossing die naar de oplossing gelekt kan worden. Deze zoutoplossing functioneert als ingebouwde zoutbrug, zodat deze elektrode rechtstreeks in de analytoplossing geplaatst kan worden en er geen externe zoutbrug nodig is. (zie figuur 2 & 3) Een “indicatorelektrode” is een elektrode waarvan de potentiaal een andere waarde aanneemt bij een andere analytconcentratie. Er bestaan verschillende soorten indicatorelektroden (zie verder bij ionselectieve elektrodes en potentiometrische titraties). 2. Ionselectieve elektrodes Een “ionselectieve elektrode”, afgekort als ISE, is een indicatorelektrode waarvan de potentiaal afhangt van een welbepaald ion in de oplossing. Een referentie-elektrode is meestal ingebouwd in deze elektrode, men spreekt dan van een “gecombineerde elektrode”. Door het plaatsen van een (gecombineerde) ISE in een oplossing van het betreffende ion wordt dan ook een spanning bekomen die afhangt van de concentratie van het ion. Om het verband te kennen tussen de gemeten spanning met de ISE en de exacte concentratie van het ion worden voorafgaand aan de meting van de monsters, standaarden gemaakt en gemeten. In een kalibratiecurve worden de gemeten spanningen uitgezet t.o.v. het logaritme van de concentratie van het ion. Tussen de potentiaal en het negatieve logaritme van de concentratie bestaat immers een lineair verband (wet van Nernst! ). Metingen met een ISE zijn snelle metingen, wat de ISE methode voor de bepalingen van ionen waarvoor een ISE beschikbaar is, heel interessant maakt. Er dient wel opgemerkt te worden dat de elektrode nooit helemaal specifiek is voor één ion, maar dat ook andere ionen die gelijkaardige eigenschappen hebben als het te bepalen ion een bijdragen in het signaal.

3. pH meting Een pH-elektrode is een ionselectieve elektrode waarvan de potentiaal afhangt van de pH. Een pHelektrode is gemaakt van speciaal glas, dat gevoelig is voor H3O+ ionen. Op die manier wordt een spanning gemeten die afhankelijk is van de H3O+ concentratie en dus van de pH. Naast gewone pH-elektroden zijn ook hier gecombineerde pH-elektroden te verkrijgen, waarbij in één elektrode de pH glaselektrode en een referentie-elektrode gecombineerd worden. Gecombineerde pH-elektroden zijn heel handig om te meten, waardoor ze in labo’s (ook in ons labo) bijna altijd worden gebruikt. Een pH-meter is een toestel waarin de omrekening van spanningsverschil naar pH automatisch gebeurt, zodat de pH van de oplossing rechtstreeks afgelezen kan worden. Het weergeven van een exacte pH is wel enkel mogelijk als het toestel vooraf gekalibreerd is. Dit houdt in dat 2 oplossingen met een exact gekende pH gemeten worden door de meter, en het verband tussen de gemeten spanningen en de pH kan afgeleid worden. 4. Potentiometrische titraties Een potentiometrische titratie is een titratie waarbij de spanning wordt gemeten in functie van het toegevoegd volume titrans. Zoals vroeger gezien, verandert de concentratie analyt tijdens een titratie, en zal dus ook het gemeten potentiaalverschil (of dus ‘de spanning’) veranderen. Rond het stoechiometrisch punt is er een enorme verandering van de concentratie en bijgevolg zal ook rond dit punt de gemeten spanning drastisch veranderen. Op die manier wordt het mogelijk om op basis van de gemeten spanning het stoechiometrisch punt te gaan bepalen. Bij het uitvoeren van een potentiometrische titratie wordt op basis van de ligging van de sprong in de titratiecurve het equivalentiepunt bepaald. Dit kan grafisch gebeuren met de methode met raaklijnen of met raakcirkels of wiskundig met de eerste of tweede afgeleide. (zie cursus) Het voordeel van een potentiometrische titratie ten opzichte van een titratie uitgevoerd met een indicator, is dat het resultaat veel betrouwbaarder is. De bepaling van het equivalentiepunt is heel objectief. Het vaststellen van een verandering van de indicator is vaak veel moeilijker en ook subjectief. Een nadeel van de potentiometrische titratie is dat ze meer tijd in beslag neemt (op elk punt moet een stabiel potentiaalverschil afgelezen worden). Aan de andere kant zijn deze titraties wel heel gemakkelijk te automatiseren. a) Potentiometrische neerslagtitratie met zilvernitraat Bij een potentiometrische titratie met zilvernitraat gebruikt men een zilverelektrode als indicatorelektrode. Een zilverelektrode heeft een potentiaal die afhangt van de Ag+ concentratie (de juiste afhankelijkheid wordt gegeven door de wet van “Nernst”). Deze concentratie wijzigt tijdens de titratie en dus wijzigt ook de gemeten potentiaal. Wanneer een potentiometrische chloridebepaling wordt uitgevoerd met een kalomelelektrode als referentie-elektrode, dient er wel een opstelling gemaakt te worden met een externe zoutbrug. De ch...