Ladungstitration mittels Strömungspotential Messung

Physikalisch-Chemische UE
für LAK
Strömungspotentialmessung

Ladungstitration mittels Strömungspotential Messung
1. Das Strömungspotential
Kolloidal gelöste Moleküle oder Partikel in wässrigen Suspensionen können elektrische
Ladungen tragen, wenn sich in der Molekülkette, bzw. an der Partikeloberfläche,
dissoziierbare funktionelle Gruppen befinden.
Trennt man die Gegenionen vom dissoziierten Makromolekül bzw. Partikel, wird ein
Strömungspotential messbar. Die Einheit ist Millivolt (mV).
Beträgt das gemessene Strömungspotential genau 0 mV, befindet sich die Suspension am isoelektrischen
Punkt. Das heißt, die vorhandenen Ladungen in der Probe sind neutralisiert.
Ist ein messbares Potential vorhanden, gibt das Vorzeichen dieses Wertes an, ob eine positive
(kationische) oder negative (anionische) Ladung vorliegt. Die Potentialhöhe ist oft nur schwer
zu reproduzieren, da diese von verschiedenen äußeren Faktoren abhängt.
Dazu gehören unter anderem:
- die elektrische Leitfähigkeit der Probendispersion
- die Viskosität der Probe
- das Molekulargewicht, bzw. die Teilchengröße in der Probe
- Abmessungen der Messzelle
- Temperatur
Aus diesem Grund erhält man durch die Messung des Strömungspotentials nur Aussagen über
das Vorzeichen der Ladung, nicht aber über die Ladungsmenge.
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2. Die Polyelektrolyttitration
Um die Menge der Ladung in der Probenvorlage zu erhalten, wird eine Polyelektrolyttitration
durchgeführt, bei der das Strömungspotential zur Erkennung des Endpunktes (= 0 mV)
genutzt wird.
Zur Probenvorlage wird ein entgegengesetzt geladener Polyelektrolyt (= Titrationsmittel)
zugegeben, von dem die Ladungsdichte bekannt ist.
Die Ladung des Titrationsmittels neutralisieren die vorhandenen Ladungen in der Probe. Ist
der Ladungsnullpunkt 0 mV (= isoelektrischer Punkt) erreicht, wird die Titration beendet.
Der Verbrauch des Titrationsmittels in ml stellt den eigentlichen Messwert dar, mit dem
weitere Berechnungen durchgeführt werden können (siehe Punkt 4.)
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3. Messungen des Strömungspotentials im PCD 02
Im PCD 02 wird das Strömungspotential folgendermaßen gemessen:
Kernstück ist eine Kunststoff-Messzelle (Nr. 1 in der Zeichnung) mit eingepasstem
Verdrängerkolben (2).
Wird in die Messzelle eine wässrige Probe eingefüllt, adsorbieren höhermolekulare,
dissoziierbare Moleküle und Teilchen durch van-der-Waals'sche Kräfte an der
Kunststoffoberfläche. Die kleinen Gegenionen bleiben dagegen relativ frei beweglich.
Zwischen Gefäßwand und Kolben besteht ein definierter, schmaler Spalt. Der Kolben führt,
angetrieben von einem Synchronmotor (4), eine oszillierende Bewegung von etwa 4 Hz aus
und verursacht so in der Zelle eine starke Flüssigkeitsströmung, in der die freien Gegenionen
mitgerissen und von der absorbierten Probensubstanz getrennt werden.
Die Gegenionen induzieren an den eingebauten Goldelektroden (3) einen Strom, der von der
Elektronik gleichgerichtet und verstärkt (5) und als Strömungspotential am Display (6)
angezeigt wird.
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4. Berechnung
Die Berechnung der spezifischen Ladungsmenge q [eq/g] erfolgt nach der Formel:
V ⋅ c ⋅1000
q=
w
V = Volumen des verbrauchten Titrationsmittels in ml
c = Normalität des Titrationsmittels [eq/l]
1000 = Verrechnungsfaktor für die Einheit der Ladungsdichte
w = Feststoffgehalt der eingesetzten Probe, bzw. deren Wirksubstanz in g.
Beispiel: Bei der Messung einer 0,1%igen TiO2-Suspension sind in 10 ml
Probenvorlage 0,01 g Feststoff enthalten, w = 0,01 g.
Wird die spezifische Ladungsmenge in eq/g mit der Faradaykonstante F = 96485 C/eq
multipliziert, ergibt sich die Gesamtladungsmenge mit der Einheit C/g.
Sollen mehrere, gleichartige Proben miteinander verglichen werden, ist es nicht unbedingt
erforderlich, die Ladungsmenge q auszurechnen.
Wenn die Proben immer unter denselben Bedingungen titriert werden, d.h. wenn der
Feststoffgehalt der Probe und die Konzentration des Titrationsmittels gleich bleiben, kann
auch das Volumen des verbrauchten Titrationsmittels in ml direkt als Ergebnis verwendet
werden.
Diese Werte sind dann untereinander direkt vergleichbar. Man spricht hier auch vom
anionischen, bzw. kationischen Bedarf einer Probe.
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