Het waterstofperoxidegehalte van een desinfectiemiddel
Een fles desinfectiemiddel vermeldt 'waterstofperoxide 3 massa%'. Een leerling pipetteert 10,00 mL van het middel, vult aan tot 100,0 mL en titreert steeds 25,00 mL van die verdunde oplossing met een oplossing van kaliumpermanganaat (0,0500 M) die is aangezuurd met zwavelzuur. De eindstand van de buret is gemiddeld 17,64 mL; het eindpunt is het eerste blijvend lichtroze. Bij de eerste druppels permanganaat duurt het lang voordat de kleur verdwijnt, daarna gaat het steeds sneller. Een medeleerling titreert dezelfde oplossing maar vergeet zwavelzuur toe te voegen: er ontstaat een bruin neerslag en de oplossing wordt troebel, waarna geen scherp eindpunt meer te vinden is. De leerling moet op grond van zijn titratie het massapercentage waterstofperoxide berekenen en beoordelen of het product aan de opgave op het etiket voldoet. Daarnaast moet hij uitleggen waarom het zuur onmisbaar is en waarom de reactie na de eerste druppels sneller gaat lopen.
1. Geef de halfreacties en de totaalvergelijking van de titratie en bereken het massapercentage waterstofperoxide. Geef het antwoord in het juiste aantal significante cijfers en beoordeel of het product aan het etiket voldoet.
Read the worked answer
Halfreacties (zuur milieu):
- Oxidator: MnO4⁻ + 8 H⁺ + 5 e⁻ → Mn²⁺ + 4 H2O (×2)
- Reductor: H2O2 → O2 + 2 H⁺ + 2 e⁻ (×5)
Totaal: 2 MnO4⁻ + 5 H2O2 + 6 H⁺ → 2 Mn²⁺ + 5 O2 + 8 H2O. Controle: O links 8 + 10 = 18 en rechts 10 + 8 = 18; H links 6 + 10 = 16 en rechts 16; lading links −2 + 6 = +4 en rechts +4.
Berekening: n(MnO4⁻) = 0,0500 × 17,64×10⁻³ = 8,82×10⁻⁴ mol. Verhouding MnO4⁻ : H2O2 = 2 : 5, dus n(H2O2) in 25,00 mL = 5/2 × 8,82×10⁻⁴ = 2,21×10⁻³ mol. In 100,0 mL verdunde oplossing (dus afkomstig uit 10,00 mL origineel): 4 × 2,21×10⁻³ = 8,82×10⁻³ mol. c(H2O2) = 8,82×10⁻³ / 10,00×10⁻³ = 0,882 mol L⁻¹. Massa: 0,882 × 34,02 = 30,0 g L⁻¹ = 3,00 g per 100 mL, bij een dichtheid van ongeveer 1,00 g mL⁻¹ dus 3,00 massa%.
Significantie: 0,0500 M heeft drie significante cijfers; 17,64 mL, 25,00 mL en 10,00 mL hebben er vier. Het eindantwoord krijgt dus drie cijfers: 3,00 massa%. Het product voldoet binnen de meetfout aan de opgave '3 massa%'.
2. Leg met een reactievergelijking uit wat er misgaat als de titratie niet wordt aangezuurd. Noem drie gevolgen voor de waarneming en de uitkomst.
Read the worked answer
Met zwavelzuur is de pH laag en wordt permanganaat volledig gereduceerd tot kleurloos Mn²⁺. Zonder zuur is er te weinig H⁺ en gaat de reductie maar tot MnO2: MnO4⁻ + 2 H2O + 3 e⁻ → MnO2(s) + 4 OH⁻. Gevolgen:
- Er ontstaat een bruin neerslag dat het omslagpunt onzichtbaar maakt; de leerling ziet de roze kleur niet meer.
- De stoichiometrie verandert: drie elektronen per permanganaat in plaats van vijf, dus de verhouding 2 MnO4⁻ : 5 H2O2 geldt niet meer en de berekening geeft een veel te lage waarde.
- MnO2 katalyseert de ontleding 2 H2O2 → 2 H2O + O2, waardoor waterstofperoxide verdwijnt zonder dat er titrant voor nodig was: ook dat geeft een te lage uitkomst. Daarom wordt aangezuurd met verdund zwavelzuur en niet met zoutzuur: chloride-ionen worden door permanganaat geoxideerd tot Cl2, waardoor je te veel titreert.
3. Verklaar waarom de eerste druppels permanganaat langzaam reageren en het daarna steeds sneller gaat. Laat met behulp van standaardpotentialen zien dat de reactie als aflopend mag worden beschouwd.
Read the worked answer
De eerste druppels reageren langzaam omdat er nog weinig Mn²⁺ is. Mn²⁺ is een product van de reactie én werkt als katalysator: zodra er wat gevormd is, versnelt de reactie zichzelf (autokatalyse). Daarom voeg je de eerste druppels langzaam toe en zwenk je goed; anders titreer je lokaal overmaat permanganaat en lijkt het eindpunt te vroeg bereikt. Dat de reactie geschikt is voor een titratie blijkt uit de potentialen: E°(MnO4⁻/Mn²⁺) = +1,51 V en E°(O2/H2O2) = +0,68 V, dus ΔE° = +0,83 V. Met n = 10 elektronen in de totaalvergelijking: log K = nΔE°/0,059 = 10 × 0,83/0,059 ≈ 1,4×10². K is dus ongeveer 10^141: het evenwicht ligt praktisch volledig rechts. De reactie is aflopend en de titreerhoeveelheid is een betrouwbare maat voor de hoeveelheid H2O2.