Versuchsprotokoll Grundpraktikum Analytische Chemie WS 09/10. V2/2: Bestimmung von Fluorid mit einer ionenselektiven Elektrode

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1 Versuchsprotokoll Grundpraktikum Analytische Chemie WS 09/10 V2/2: Bestimmung von Fluorid mit einer ionenselektiven Elektrode Versuchsdurchführung: Protokollabgabe: durchgeführt von: Sven Otto

2 1 Theoretische Grundlagen Ionenselektive Elektroden beruhen auf der Potentiometrie. Die Fluoridelektorde wird mit einer Referenzelektrode mit kontanten Potential (hier Ag/AgCl-Elektrode) in die Probelösung getaucht. Dabei bleibt das Potential der Refernzelektrode konstant und das der Fluoridelektrode ändert sich in abhängigkeit der F -Ionenkonzentration, sodass anhand des resultierenden Potnential nach Aufnahme einer Kalibriergerade die Konzentration unbekannter Lösungen bestimmt werden kann. Das Potential der Fluoridelektrode lässt sich mit der Nernst'schen-Gleichung berechnen: E = E 0 + RT zf ln a F mit a = f c (1) Bei niedrigen Konzentrationen kann der Aktivitätskoezient f näherungsweise als 1 angesehen werden und für die Aktivität die Konzentration eingesetzt werden. Ionenselektive Elektroden verwenden in der Regel Membranen, welche nur die gewünschten Ionen durchlassen. Im Fall der Flouridelektrode handelt es sich um einen Lanthanuorid- Einkristall. Wenn nun die F -Konzentration im Inneren der Elektrode gröÿer ist als auÿerhalb, so lagern sich innen Ionen an und durch Verschiebungen im Kristallgitter werden auÿen Ionen abgelöst um einen Konzentrationsausgleich zu bewirken, die Ionen diundiern also durch die Membran. Gleichzeitig entsteht jedoch ein Membranpotential welches dem Konzentrationsausgleich engegenwirkt, sodass sich ein Gleichgewicht einstellt. Diese Membranpotential wird gemessen. Die Fluoridelektrode ist sehr selektiv und wird nur durch OH -Ionen, welche La(OH) 3 bilden, gestört. Deshalb wird zum Betrieb der Elektrode der ph auf 5 gepuert. 2 Durchführung 2.1 Chemikalien 10 % NaCl-Lösung R: - S: mg /L F -Lösungen bereitgestellte Puerlösung 2.2 Durchführung und Beobachtung Zunächst wurden Standardlösungen in den Konzentratioenen 10,20,30, 40, 50, 60, 80, 90 und 100 mg /L Fluorid zur Erstellung der Kalibriergerade. Dazu wurde das jeweils benötigte Volumen and Fluoridlösung vorgelgt und mit 10 %iger N acl-lösung (um immer mit gleicher Ionenstärke zu arbeiten) auf 10 ml aufgefüllt. Vor der Messung wurden noch 10 ml der bereitgestellten Puerlösung zugesetzt. Zur Messung wurde die Lösung in das Messgefäÿ gefüllt und in die Apparatur eingespannt. 2

3 Der Magnetrührer wurde erst eingeschaltet nachdem er unter das Glas bewegt wurde um Schäden an der sehr empndlichen Fluorideltrode zu vermeiden. Nach 2 min wurde der angezeigte Wert abgelesen und die Elektroden mit Wasser abgespült, jedoch möglichst nicht berührt um sie nicht zu beschädigen. Dieser Vorgang wurde für alle folgenden Messungen analog durchgeführt, dabei wurde stest MilliQ-Wasser verwendet. Zur Ausmessung der ubekannten Probe wurde diese im Messkolben mit MilliQ-Wasser auf exakt 100 ml aufgefüllt und anschlieÿend 10 ml entnommen und mit 10 ml Puerlösung vermessen. Dies wurde zweimal wiederholt. Zur Bestimmung des Fluoridgehalts der Zahnpasta wurden 5, 22 g davon in 100 ml der N acl-lösung 30 min gekocht und dannach ltriert und vermessen. 3 Auswertung 3.1 Messwerte Tabelle 1: Kalibrationsgerade β(f ) mg L 1 U mv Tabelle 2: unbekannte Probe und Zahnpasta Messung U mv Zahnpasta 83,4 3

4 3.2 Erstellen der Kalibriergeraden Zur Erstellung der Kalibriergerade wurde die gemessene Spannung gegen den dekadischen Logarithmus der Massenkonzentration aufgetragen und mithilfe von Origin eine lineare Regression durchgeführt. ( ) Abbildung 1: U gegen log β mit Kalibriergeraden β0 Somit ergibt sich als Kalibriergerade folgenden Funktion: ( ) β(f ) U = 66, 7 mv log mv (2) 3.3 Unbekannte Probe Zur Berechnung der Fluoridkonzentration muss die Geradengleichung der Kalibriergeraden entsprechend umgeformt werden: β 0 β(f ) = 10 d β 0 mit d = U 124, 0 mv 66, 7 mv (3) 4

5 Die gemessenen Spannungswerte werden in Gleichung 3 eingesetzt und die erhaltenen Massenkonzentrationen anschlieÿend gemittelt: β 1 (F ) = 14, 8 mg /L (4) β 2 (F ) = 14, 8 mg /L (5) β 3 (F ) = 14, 8 mg /L (6) β(f ) = 14, 8 mg /L (7) Mit der Standardabweichung: σ = Zahnpasta Zur Berechnung der Fluoridionenkonzentration in der Zahnpasta kann analog verfahren werden, jedoch wurde diese mit der anderen Elektrode vermessen, sodass eine andere Kalibriergerade verwendet werden muss: ( ) β(f ) U = 68, 5 mv log + 118, 1 mv (8) Somit ergibt sich: β 0 β Zahnpasta = 3, 21 mg /L (9) Jedoch ist hier zu beachten, dass der Messwert auÿerhalb des Kaliberibereichs liegt. Somit kann das Ergebnis nur qualitativ betrachtet werden. 4 Fragen 1. Erklären sie den Begri Selektivität! Die Selektivität besagt im Allgeimen dass bei einer chemischen Reaktion ein Produkt vorwiegend gebildet wird. Im Fall der Elektorde bedeutet das nur sehr spezische Ionen mit der Elektorde reagieren und so gemessen werden können. 2. Welche weitere ionenselektive Elektrode haben sie im Praktikum kennengelernt? Eine andere ionenselektive Elektroden ist die ph-elektrode (Glaselektrode) welche eine für Protonen durchlässige Glasmembran enthält. 5

6 5 Fehlerdiskussion Fehler können beim Erstellen der Standardlösungen entstanden sein, jedoch sind die Fehlerbereiche der Volumenmessgeräte in der Regel sehr klein, sodass wenn dann Fehler bei der Bedinung durch schlechte Einstellung des Meniskus aufgetreten sein könnten. Prinzipiell reagierten die Elektroden sehr empndlich auf Erschütterungen, jedoch wurde die Messapparatur nach Einspannen der Lösung 2 Minuten nicht berührt, sodass hier Fehler eher auszuschlieÿen sind. Möglicherweise waren auch nach Entfernen der gemessenen Lösung noch Fluoridionen an den Elektroden, allerdings wurden nach jeder Messung die Elektroden mit MilliQ-Wasser abgespritzt. Statistische Ungenauigkeiten sind durch die Tatsache zustande gekommen, dass das Spannungmessgerät keine Nachkommastellen anzeigte, jedoch sollte sich auch dies nicht allzu stark auf die Kalibrationsgerade auswirken. 6 Anhang Literatur [1] Grundpraktikum Analyitsche Chemie, Skriptum für das Wintersemester 2009/ Prof. Dr. Thorsten Homann, Prof. Dr. Nicolas Bings; ; 20AC%20II%20Analytik%20WS0910.pdf Abbildungsverzeichnis 1 Kalibriergerade