Inleiding

Citroenzuur is een gebruiksvriendelijk, goedkoop, in water oplosbaar, kristallijn vast carboxylzuur. In vergelijking met het gebruik van zoutzuuroplossingen is het gebruik van vast citroenzuur en zijn oplossingen in water veiliger en handiger. Voor onervaren studenten zijn titraties tegen sterke basen gemakkelijker uit te voeren. In dit artikel wordt een neutralisatietitratie van een citroenzuuroplossing door natriumhydroxideoplossing gepresenteerd in een vorm die geschikt is voor beginnende titrators. In een tweede artikel zullen toepassingen van hetzelfde experiment worden voorgesteld die geschikt zijn voor ervaren titrators.

Citroenzuur

Citroenzuur1 wordt geproduceerd door de fermentatie van suikers (> 1 M ton per jaar) voor gebruik in dranken en voedingsmiddelen (70%); in detergenten (20%); en in cosmetica, farmaceutica en andere chemicaliën (10%). Het wordt geproduceerd als een kristallijne vaste stof, hetzij watervrij, hetzij als monohydraat, en is in beide vormen tegen lage kosten verkrijgbaar. Het vaste monohydraat verliest bij verhitting water beneden 100 °C en vormt dan de watervrije vaste stof, die smelt bij 156 °C en ontleedt bij 175 °C. Beide vaste stoffen zijn stabiel en blijven ook na vele jaren opslag vrij stromend in de fles. Het is zeer goed oplosbaar in water. Citroenzuur kan tegen lage kosten worden gekocht als chemisch reagens in beide vormen met verschillende zuiverheidsgraden,2 of tegen nog lagere kosten als consumentensubstantie van onbepaalde zuiverheid en gewoonlijk onbepaalde vorm.3

Titreren van citroenzuur tegen sterke base

Zuur heeft drie carboxylzuurgroepen, drie ioniseerbare, zure waterstofatomen en drie Ka/pKa-waarden. De neutralisatiereactie met natriumhydroxide heeft een stoichiometrie van 3 tot 1, zoals wordt geïllustreerd door de evenwichtige volledige neutralisatievergelijking. De reactie verloopt volledig en is geschikt voor analytische titraties:

3 NaOH (aq) + H3C6H5O7 (aq) –> Na2C6H5O7 (aq) + 3 H2O

Wanneer getitreerd met een sterke base zoals 0,1 M NaOH-oplossing, doorkruist een oplossing van citroenzuur een buffergebied waarin de pH van de oplossing geleidelijk stijgt en vervolgens steiler wordt. Vanaf ongeveer één toegevoegde druppel van de 0,1 M NaOH-oplossing vóór het equivalentiepunt van de titratie tot ongeveer één toegevoegde druppel na het equivalentiepunt stijgt de pH van de titratieoplossing extreem steil van iets onder 7 tot boven 9.
Een visuele zuur-base-indicator die voor de titratie wordt gekozen, moet in het bereik van 7 tot 9 van zijn zure kleur overgaan in zijn basekleur. Fenolftaleïne-indicator is een uitstekende keuze voor deze titratie, die verandert van kleurloos naar roze naar rood. In vergelijking met titraties met een sterk zuur, zoals zoutzuur, “zuigt” het verdunde zwakke zuur de base in de druppels toegevoegde titrant langzamer op. Het resultaat is dat bij het naderen van het equivalentiepunt, zelfs onder omzwenken, de rozerode kleur verschijnt op de plaats waar de druppels titrant in de titratiekolf komen en aanhoudt, eerst gedurende fracties van seconden, dan steeds langer, totdat in de hele oplossing een vage roze kleur te zien is die ten minste een minuut aanhoudt (zie vraag 3). Dit verschijnsel maakt deze titraties zeer gemakkelijk uit te voeren, en daarom zeer geschikt voor beginners.

Veiligheid, afvalverwijdering en opslag

Citroenzuur is een betrekkelijk sterk zwak zuur, maar voor het gebruik ervan zijn geen speciale voorzorgsmaatregelen nodig. Citroenzuurpoeder wordt zonder beperkingen verkocht voor thuisgebruik. De pH van 0,033 M citroenzuur is ongeveer 2,2, wat iets hoger is dan die van citroensap.4 De 0,1 M natriumhydroxide en de fenolftaleïne-indicator zijn gevaarlijker. Behandel vast citroenzuur op dezelfde manier als vast natriumhydroxide en ruim het op.

Getitreerde oplossingen en overschotten van reagensoplossingen kunnen veilig in de gootsteen worden weggegooid. Op het Mohawk College bewaren we de druppelflesjes met de natriumhydroxideoplossing gedurende lange perioden zonder duidelijke nadelige gevolgen. Opslag van citroenzuuroplossing is niet aan te bevelen, omdat er microbiologisch leven in kan ontstaan.

Omschrijving van het experiment

Hier volgt een eenvoudige, snelle en goedkope methode voor het uitvoeren van titraties van citroenzuuroplossing met natriumhydroxide-oplossing. Er wordt van uitgegaan dat de titraties gravimetrisch worden uitgevoerd met behulp van goedkope, onbreekbare polymeerknijpflesjes van 60 ml met gecontroleerde druppelafgifte.5a

Voorbereiding, apparaten en benodigdheden

*Een kleinere boordiameter is beter voor de precisie.

Maak de twee reagentia bij benadering zo aan, dat uit uw voorafgaande proeftitraties blijkt dat een monster van 5 ml van de citroenzuuroplossing wordt geneutraliseerd door ongeveer 5 g van de natriumhydroxideoplossing. Label bij wijze van proef de ene of de andere oplossing met een “fictieve” concentratiewaarde en laat de leerlingen de concentratie van de andere oplossing bepalen door titratie en berekening. (Zie berekeningen hieronder.)

De volledige methode en een proeftitratie moeten worden gedemonstreerd voor beginners. Geef een nauwkeurigheidscriterium voor succesvolle voltooiing. Een redelijke norm zou zijn “drie titratiemassa’s binnen ± 3% van de gemiddelde massa”. Verhoog bij gebruik van buretten van 50 ml het volume van de citroenzuurmonsters van 5 ml tot 10 ml om ongeveer dezelfde precisie in de resultaten te hebben.

Gravimetrische titratie met een polymeergestuurde druppel-afgifteknijpfles en een digitale balans met 2 plaatsenGravimetrische titratie met een polymeergestuurde druppel-dispenserende knijpfles en een digitale balans met twee plaatsen

Instructies voor studenten

1. Breng ongeveer 10 ml van de citroenzuuroplossing over in een klein bekerglas (100 of 250 mL). Gebruik deze hoeveelheid oplossing om de binnenkant van het kleine bekerglas, de maatcilinder van 10 ml en de druppelpipet te spoelen. Deze spoelhoeveelheid is afval. Herhaal het spoelen nog tweemaal. Spoel de erlenmeyer van 125 ml NIET; deze mag nat blijven, maar alleen met gedestilleerd water. (Zie vraag 1.)

1. Breng ongeveer 50 mL van de citroenzuuroplossing over in het gespoelde bekerglas. Deze hoeveelheid is nodig voor de drie proeven. Breng voor proef 1 zo voorzichtig mogelijk een deel van de oplossing over in de maatcilinder van 10 ml, tot aan de 5,0 ml-lijn, waarbij u de pipet gebruikt om de onderkant van de meniscus op de lijn te brengen.

1. Breng de 5,0 ml citroenzuuroplossing voor proef 1 uit de cilinder over in een erlenmeyer van 125 ml. Maak de cilinder helemaal leeg door te wachten tot de laatste druppels zijn gevallen. Voeg gedestilleerd water uit de knijpfles toe, zodat het totale volume in de erlenmeyer tussen 20 en 30 ml bedraagt. Voeg 4 à 5 druppels fenolftaleïne-indicatoroplossing toe aan de erlenmeyer. Zwenk de kolf voorzichtig om de inhoud volledig te mengen.

1. Druk op de nulpunts-/ tarra-toets van de digitale tweepuntsbalans. Plaats het druppelflesje met de NaOH-oplossing op de balansschaal. De balansschaal, de buitenkant van het druppelflesje en uw vingers moeten te allen tijde droog worden gehouden. (Zie vraag 2.)

1. Registreer de massa van het flesje en de inhoud.
2. Titreer de oplossing in de Erlenmeyer door druppels oplossing uit het druppelflesje toe te voegen. Houd het flesje ondersteboven boven de monding van de kolf. Tel de druppels. Zwenk de kolf zachtjes rond. Het eindpunt is bereikt wanneer na toevoeging van één druppel base de oplossing in de erlenmeyer van kleurloos overgaat in roze of rood en de kleur tenminste een minuut blijft.

Als na toevoeging van meerdere druppels base de oplossing dieprood is, is het eindpunt wellicht gepasseerd en mag het titratieresultaat niet voor berekeningen worden gebruikt. Als je tijdens een titratie een druppel “verliest”, mag de titratie niet voor berekeningen worden gebruikt.

1. Herhaal stap 4 en 5. Noteer de nieuwe massa van het flesje en de inhoud. Trek uw massa’s van elkaar af om de titratiemassa van de 0,1 M NaOH-oplossing te verkrijgen.

1. Herhaal de titratieprocedure. Het aantal druppels kan als leidraad dienen om de herhaalde titraties sneller te laten verlopen. Ga door tot het criterium van succesvolle voltooiing is bereikt.

Berekeningen

De dichtheid van een 0,125 M NaOH-oplossing bij 20 °C is 1,0039 g/mL.6 Voor berekeningen door leerlingen ligt de dichtheid van een 0,1 M NaOH-oplossing in g/mL-eenheden zo dicht bij de eenheid dat de massawaarden van titraties in g-eenheden zonder noemenswaardige fout kunnen worden gebruikt als volumes in mL-eenheden.

Mijn voorkeursmethode voor inleidende leerlingen is een 3-delige berekening. Stel dat herhaalde titraties van 5-mL monsters van citroenzuuroplossing een gemiddeld titratieresultaat van 4,87 g 0,0989 M NaOH (= 4,87 mL 0,0989 M NaOH) opleveren:

Vragen voor leerlingen

1. Je hebt de opdracht gekregen om het bekerglas, de maatcilinder en de druppelpipet, maar niet de erlenmeyer, te spoelen met de citroenzuuroplossing. Leg uit.

1. Welke fouten treden op als je vingers, de balansschaal of de buitenkant van het pipetflesje nat zijn met water?

1. Het zeer langzaam verbleken van de kleur van de fenolftaleïne-indicator wordt toegeschreven aan het kooldioxide in de lucht dat reageert met het hydroxide-ion in de oplossing. Schrijf een evenwichtige chemische vergelijking voor deze reactie en leg uit waarom deze de kleur doet verbleken.

Acknowledgements

De auteur dankt Randy Travis, technoloog van het departement Chemie, Milieu en Biotechnologie van het Mohawk College, voor zijn onschatbare hulp.

1. http://www.wikipedia.org voor de dissociatieconstanten van citroenzuur.

1. Sigma-Aldrich citroenzuur (99 %), citroenzuurmonohydraat (98 %)

3. Boreal Science: Citroenzuurmonohydraat (onbepaald %):

Fibre Garden: Citroenzuur (ongespecificeerde vorm of %)

4. Engineering Toolbox: Zuren – pH-waarden Referentie 4 geeft de pH-waarden voor oplossingen waarvan de concentraties in Normaliteitseenheden zijn gegeven. Voor een citroenzuuroplossing 0,033 M = 0,100 N. Er zijn enkele gebieden van de technologie waar normaliteit nog steeds in gebruik is. Industriële adviseurs van collegeprogramma’s dringen erop aan dat dit onderwerp belangrijk is voor onze afgestudeerden.

5. Artikelen beschikbaar op de webpagina:

• Gravimetrische Titratie 3:
• Gravimetrische Titratie 2:

Of neem contact op met David Cash voor bewerkbare Word® versies van deze artikelen.

6. CRC Handbook (1973-74): Concentrerende eigenschappen van waterige
oplossingen – natriumhydroxide. ∎