Theorie

Voor dit experiment is kennis vereist van zuur-basereacties, redoxreacties en analytische vaardigheden. Allereerst wordt gekeken waar deze reacties plaats vinden in ons stappenplan en welke reactievergelijkingen daarbij horen. Daarna wordt ingegaan op de theorie van colorimetrie.

Reacties & reactievergelijkingen

De eerste reactie vindt plaats bij het toevoegen van CuSO₄ × 5 H₂O aan water. Het kristal splitst zich dan in ionen en een aantal watermoleculen:

CuSO₄ × 5 H₂O(s) > Cu²⁺(aq) + SO₄^2-(aq) + 5 H₂O (l)

Er wordt weliswaar geconcentreerd salpeterzuur toegevoegd, maar deze speelt geen rol in deze reactie. Het geconcentreerd salpeterzuur wordt toegevoegd aan de oplossing, omdat de oplossing van de munt later in het experiment ook een hoeveelheid geconcentreerd salpeterzuur bevat (omdat de munt hierin is opgelost).

De tweede reactie vindt plaats bij het oplossen van de oxide laag van de munt. Dit moet in zoutzuur gebeuren, omdat de munt anders gelijk op zou lossen in bijvoorbeeld geconcentreerd salpeterzuur. We willen het oxide laagje weghebben om een beter benadering te krijgen van de hoeveelheid koper die een munt bevat.

De reactie die dan optreedt is als volgt:

CuO(s) +2 H₃O⁺(aq) > Cu²⁺(aq) + 3 H₂O (l)

Het zoutzuur splitst volledig in ionen, wat voor het zure milieu (H₃O⁺) zorgt. Dit komt omdat zoutzuur een sterk zuur is.

Als laatst treedt er nog een reactie op bij het oplossen van de munt in geconcentreerd salpeterzuur. We lossen de munt op zodat we het vaste koper om kunnen zetten in koper-ionen. Daarna kunnen we deze gebruiken om de extinctie te meten van de oplossing en deze vervolgens uit onze ijkgrafiek te koppelen aan een concentratie koper-ionen. Omdat we ook weten hoeveel ml van de oplossing we hadden, kunnen we dan het aantal mol koper dat in de munt was berekenen en als laatst de hoeveelheid gram koper in de munt met de molaire massa van koper. Uit onze waarnemingen zagen we een bruin gas ontstaan bij de oplossing (zie figuur 5 op pagina 7). Bovendien hebben we de munt opgelost in de zuurkast. Er is stikstofdioxide ontstaan volgens de volgende reactievergelijking, die een redoxreactie is:

2 NO₃^-(aq) + 4 H₃O⁺(aq) + Cu(s) > 2 NO₂(g) + 2 H₂O(l) + Cu²⁺(aq)

Hier splitst het geconcentreerd salpeterzuur ook in ionen, omdat het een sterk zuur is. In de reactievergelijking zijn de elektronen al kloppend gemaakt en deze daarom weggelaten.

Deze reactie is belangrijk te noteren, omdat hieruit te zien is dat het vast koper en de koper-ionen zich verhouden als 1:1. Dit is later belangrijk voor de berekeningen.

Stikstofdioxide is een zeer giftig gas en daarom is deze reactie uitgevoerd in de zuurkast.

Enkele toelichtingen

Dit wil je ook lezen:

Online oplichting

Met een colorimeter kan op verschillende golflengtes gemeten worden. Om de beste golflengte te vinden, hebben wij deze allemaal uitgeprobeerd bij buisje 10 (10 ml Cu²⁺). De resultaten waren als volgt:

Uit deze gegevens is op te maken dat 590nm de meest geschikte golflengte is om bij te meten. Bij de andere golflengtes zouden de andere concentraties er simpelweg niet oppassen. De golflengte 590nm is dus het meest nauwkeurig.

De colorimeter is in staat om zowel transmissie als extinctie weer te geven. Wij hoeven dus geen berekeningen uit te voeren om deze twee grootheden naar elkaar om te rekenen.

Uiteraard is niet zomaar voor 24,97 g kopersulfaatpentahydraat gekozen. Dit komt namelijk, indien het wordt opgelost in 100ml, overeen met 1 M Cu²⁺. Hieronder zijn de berekeningen weergegeven.

De molaire massa van kopersulfaatpentahydraat: 249,68 g/mol⁵

24,97 g kopersulfaatpentahydraat komt dus overeen met 0,1 mol kopersulfaatpentahydraat. Deze wordt toegevoegd aan een maatkolf met in totaal een volume van 100ml. De molariteit⁴ is dan als volgt:

Molariteit = mol/liter

Molariteit= 0,1/0,1

Molariteit= 1 M

Uit de reactievergelijking bleek dat kopersulfaatpentahydraat en koper(II)ionen zich verhouden als 1:1. Dat betekent dus dat de koperionen ook in mate 1 M aanwezig zijn.

Vervolgens verdelen we deze concentratie over 10 reageerbuizen. Deze hebben allemaal verschillende concentraties koperionen, omdat we een verschillende hoeveelheid ml van de standaardoplossing doen in de verschillende reageerbuisjes.

Zo is de nieuwe molariteit van buis 9 bijvoorbeeld:

Aantal mol= molariteit × liter

Aantal mol= 1 × 0,09

Aantal mol= 0,09

Er is in totaal 10ml aanwezig, dus dit betekent dat de nieuwe molariteit is:

Molariteit= 0,09/0,1

Molariteit= 0,9 M

Op deze manier betekent dat de molariteit voor elk reageerbuisje als volgt is:

Dit betekent dat we een ijkgrafiek kunnen maken van de verschillende concentraties, omdat de extinctie ook afhankelijk is van de concentratie stof.

Uit de literatuur⁶ blijkt dat in een guldenmunt van 1 cent, het massapercentage koper 95% is. Onze verwachting is dus ook dat wij op een benadering van dit percentage uitkomen.

Voor het schoonmaken geldt dat de oplossingen met koper ionen niet zomaar weggespoeld mogen worden. Deze moeten apart gezet worden en door de TOA worden opgeruimd, omdat koper behoort tot de zware metalen.

Colorimetrie⁷

Dit wil je ook lezen:

Linda (27) werkt in de zorg: ‘Hier kun je het verschil maken’

Colorimetrie is een fotospectrometrische analysemethode (die berust op interactie van een stof met elektromagnetische straling) en die specifiek gebruik maakt van de absorptie van een oplossing van elektromagnetische straling in het zichtbare gebied.
Door middel van colorimetrie kan de concentratie van een bepaalde oplossing bepaald worden. Dit kan met behulp van een colorimeter (of spectrofotometer) die de hoeveelheid licht meet die door een gekleurde oplossing wordt geabsorbeerd: de extinctie.
Hoe meer licht wordt geabsorbeerd en dus hoe minder licht de spectrofotometer kan opnemen, des te hoger is de concentratie van die oplossing.

Een colorimeter analyseert de kleurintensiteit van oplossingen om de concentratie van die oplossing te bepalen. Dat doet hij door monochromatisch licht (licht met één golflengte) van een LED-lamp door een cuvet met de oplossing te sturen. Het licht wordt door de oplossing deels geabsorbeerd en een fotodiode vangt de lichtintensiteit van het niet-geabsorbeerde licht op. Detectoren zetten de stralingsenergie die afkomt van de diode om in een meetbare stroom.