Complexometrie is een vorm van volumetrische analyse waarbij de hoeveelheid van een metaalion in een oplossing wordt bepaald door titratie met een complexvormend reagens. In verreweg de meeste gevallen is dat reagens EDTA — ethyleendiaminetetra-azijnzuur — en de titratie heet dan een EDTA-titratie of complexometrische titratie. EDTA bindt vrijwel alle meerwaardige metaalionen in een stabiele 1 : 1-verhouding, waardoor één titrant volstaat voor de bepaling van zeer uiteenlopende kationen: van calcium en magnesium voor waterhardheid tot zink, ijzer, koper, nikkel en lood in industriële monsters. In dit artikel leest u wat complexometrie is, hoe een EDTA-titratie werkt, welke vier titratietypen worden onderscheiden, welke buffer en indicator nodig zijn, en hoe u de concentratie berekent.
Complexometrie is de analytische techniek waarbij een metaalion (de te bepalen stof, of analyt) reageert met een ligand (de titrant) onder vorming van een goed gedefinieerde complexverbinding. De complexvormingsreactie verloopt vrijwel volledig en met een vaste stoichiometrische verhouding, waardoor uit het verbruikte volume titrant de hoeveelheid analyt rechtstreeks kan worden berekend. Complexometrie behoort tot de klassieke volumetrische analysemethoden — naast zuur-base-titraties, redoxtitraties en neerslagtitraties — en wordt al sinds de jaren vijftig op grote schaal toegepast in waterlaboratoria, farmacie, levensmiddelenanalyse en metaalverwerking.
De methode is geschikt voor de bepaling van vrijwel elk kation met een lading van +2 of hoger: Ca²⁺, Mg²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺, Ni²⁺, Co²⁺, Mn²⁺, Pb²⁺, Cd²⁺, Hg²⁺, Al³⁺, Fe³⁺, Bi³⁺ en zeldzame aarden. Eenwaardige kationen (Na⁺, K⁺) en sommige alkali-aarden onder bepaalde condities binden niet of niet stabiel met EDTA en zijn met deze methode niet bepaalbaar.
Een complexverbinding — vaak kortweg "complex" genoemd — bestaat uit een centraal metaalion dat omringd wordt door een of meer liganden die elektronenparen doneren in lege orbitalen van het metaal. De bindingen tussen ligand en metaal heten coördinatieve bindingen. Het totale aantal donoratomen dat aan het metaal coördineert, is het coördinatiegetal. Voor de meeste overgangsmetalen ligt dat tussen 4 en 6.
Een ligand met meerdere donoratomen die tegelijk aan hetzelfde metaalion binden, vormt een chelaat. Het Griekse chele betekent schaar — een treffend beeld voor een ligand dat het metaalion als het ware "vastgrijpt" in meerdere punten. Chelaten zijn aanzienlijk stabieler dan complexen met monodentate liganden, een verschijnsel dat bekendstaat als het chelaateffect. EDTA is een uitgesproken voorbeeld van een chelaatvormer: het bevat zes donoratomen — twee N-atomen en vier carboxylaatzuurstoffen — die alle zes tegelijk met één metaalion kunnen coördineren. EDTA is daarmee een hexadentaat ligand.
EDTA staat voor ethyleendiaminetetra-azijnzuur (Engelse benaming: ethylenediaminetetraacetic acid). Het molecuul bestaat uit een ethyleendiamine-ruggengraat (H₂N–CH₂–CH₂–NH₂) waarbij aan elk stikstofatoom twee azijnzuurgroepen (–CH₂–COOH) zijn gebonden. De molecuulformule van het zuur is C₁₀H₁₆N₂O₈ met een molgewicht van 292,24 g/mol. In het laboratorium wordt EDTA vrijwel altijd als dinatriumzout-dihydraat gebruikt — Na₂H₂Y·2H₂O, met formule C₁₀H₁₄N₂Na₂O₈·2H₂O en een molgewicht van 372,24 g/mol. Dit zout is goed oplosbaar in water, in tegenstelling tot het vrije zuur.
Naast het dinatriumzout bestaat ook het tetranatriumzout Na₄Y, waarbij alle vier de carboxylgroepen gedeprotoneerd zijn. Het tetranatriumzout heeft een veel hogere pH in oplossing (sterk basisch, pH ≈ 11) en wordt vooral toegepast als sequestrans in industriële formuleringen. Voor analytische titraties is het dinatriumzout-dihydraat de standaardkeuze, omdat het stabiel weegbaar is en in oplossing een vrijwel neutrale pH geeft.
De vier carboxylgroepen van EDTA hebben pKa-waarden van circa 2,0 / 2,7 / 6,2 / 10,3. Bij hogere pH neemt het aandeel van het volledig gedeprotoneerde Y⁴⁻ toe, en dat is de werkelijk complexvormende vorm. De effectieve stabiliteit van het EDTA-complex hangt daarom sterk af van de pH.
De stabiliteit van een EDTA-metaalcomplex wordt uitgedrukt in de stabiliteitsconstante KMY, gedefinieerd als KMY = [MY] / ([M][Y]). Hoe hoger log KMY, hoe stabieler het complex. Enkele richtwaarden bij 25 °C:
De stabiliteitsconstante geldt voor het volledig gedeprotoneerde Y⁴⁻-ion, dat alleen bij hoge pH dominant is. Bij lagere pH is een kleiner deel van het EDTA als Y⁴⁻ aanwezig, waardoor de conditionele stabiliteitsconstante K′MY lager uitvalt:
K′MY = αY(pH) · KMY
De αY-factor is een pH-afhankelijke fractie die aangeeft hoe groot het aandeel Y⁴⁻ is. Voor een scherpe titratiekromme moet log K′MY minimaal 8 zijn. Hieruit volgt direct de minimale pH per metaal: voor Fe³⁺ volstaat pH 1–2, voor Zn²⁺ en Pb²⁺ pH 4–6, en voor Ca²⁺ en Mg²⁺ is pH 10 vereist. Deze pH-selectiviteit is een krachtig analytisch gereedschap.
Bij een EDTA-titratie wordt een nauwkeurig bekende oplossing van Na₂H₂Y·2H₂O (typisch 0,01 of 0,05 mol/L) uit een buret druppelsgewijs toegevoegd aan een afgemeten volume monsteroplossing in een erlenmeyer. De monsteroplossing is op de juiste pH gebracht met een buffer en bevat een geringe hoeveelheid metallochroom indicator. De reactie verloopt volgens:
Mn+ + Y⁴⁻ → [MY](n−4)
Zolang er nog vrij metaalion in oplossing is, blijft de indicator zich aan een deel van het metaal binden en behoudt de oplossing zijn aanvangskleur (doorgaans wijnrood). Op het moment dat alle vrije metaalionen door EDTA zijn weggevangen, neemt EDTA ook het metaal van de indicator over en springt de kleur om naar die van de vrije indicator (blauw). Dat is het equivalentiepunt van de titratie. Uit het afgelezen burettevolume, de bekende EDTA-concentratie en de bekende stoichiometrie volgt rechtstreeks de hoeveelheid metaal in het monster.
Een goede buffer is essentieel om twee redenen. Ten eerste verlopen EDTA-complexvormingsreacties pH-afhankelijk: alleen het volledig gedeprotoneerde Y⁴⁻ vormt het sterkste complex. Bij te lage pH is een te groot deel van het EDTA nog geprotoneerd (HY³⁻, H₂Y²⁻) en de complexstabiliteit te laag voor een scherp eindpunt. Ten tweede komen bij elke complexvormingsreactie protonen vrij — twee protonen per metaalion bij gebruik van het dinatriumzout. Zonder buffer daalt de pH tijdens de titratie en verschuift het evenwicht ongunstig.
Voor de bepaling van Ca²⁺ en Mg²⁺ (waterhardheid) wordt klassiek een ammoniabuffer pH 10 gebruikt: een mengsel van NH₃ en NH₄Cl. Voor andere metalen worden andere buffers ingezet: acetaatbuffer pH 4,5 – 5,5 voor Zn²⁺, Pb²⁺ en zeldzame aarden, of een sterk zuur milieu (pH 1 – 2) voor de selectieve bepaling van Fe³⁺ en Bi³⁺. Door de pH gericht te kiezen, kunnen storende metaalionen worden uitgesloten of gemaskeerd.
Wanneer in een monster meerdere metaalionen aanwezig zijn die alle EDTA binden, kan de selectiviteit worden verhoogd door storende ionen te maskeren: ze worden tijdelijk omgezet in een vorm die niet met EDTA reageert. Veelgebruikte maskeermiddelen zijn:
Demaskeren is het selectief vrijmaken van een eerder gemaskeerd metaal. Door bijvoorbeeld na bepaling van Ca²⁺ en Mg²⁺ formaldehyde toe te voegen, wordt het cyanidocomplex van zink verbroken, waarna zink alsnog kan worden getitreerd. Op deze manier zijn opeenvolgende titraties van meerdere metalen in één monster mogelijk.
Het eindpunt van een complexometrische titratie wordt zichtbaar gemaakt met een metallochroom indicator — een organische verbinding die zelf een gekleurd metaalcomplex vormt, maar minder sterk dan EDTA. Drie indicatoren komen in de praktijk het meest voor:
Belangrijk: een indicator werkt alleen als zijn complex met het metaal minder stabiel is dan het EDTA-complex met datzelfde metaal. Anders verdringt EDTA het metaal niet uit het indicatorcomplex en blijft de kleuromslag uit. Dit verschijnsel heet indicatorblokkering en treedt bijvoorbeeld op wanneer Fe³⁺ of Al³⁺ de eriochroomzwart-T-indicator zo sterk binden dat de kleuromslag uitblijft; in die gevallen moet eerst worden gemaskeerd.
Niet elk metaal kan op dezelfde manier worden getitreerd. Afhankelijk van de reactiesnelheid van het EDTA-complex, de stabiliteit ervan en de aanwezigheid van storende ionen, worden vier titratietypen onderscheiden:
De berekening van een complexometrische titratie volgt direct uit de 1 : 1-stoichiometrie. Voor een monster met onbekende metaalconcentratie c(M) geldt:
c(M) = (VEDTA × cEDTA) / Vmonster
Hierin is VEDTA het bij het eindpunt afgelezen burettevolume in mL, cEDTA de bekende concentratie van de titrant in mol/L, en Vmonster het volume van de geanalyseerde oplossing in mL. Het resultaat c(M) volgt in mol/L.
Een rekenvoorbeeld voor de bepaling van Ca²⁺ in drinkwater:
Voor de totale waterhardheid (Ca²⁺ + Mg²⁺) wordt het resultaat conventioneel uitgedrukt als mg CaCO₃ per liter, in mmol/L of in Duitse hardheidsgraden (°dH). Eén mmol/L Ca²⁺ + Mg²⁺ komt overeen met circa 5,6 °dH. Zie voor het volledige verband het kennisbankartikel over waterhardheid bepalen.
Een 0,01 mol/L EDTA-oplossing wordt bereid uit het dinatriumzout-dihydraat (Na₂H₂Y·2H₂O, M = 372,24 g/mol). Voor 1 liter: weeg 3,7224 g zout nauwkeurig af, los op in gedemineraliseerd water in een maatkolf van 1 L en vul aan tot de maatstreep. Voor analyses op sporenniveau wordt gebruikgemaakt van EDTA in analytical reagent grade of hoger; zie hiervoor het kennisbankartikel over zuiverheidsgraden van chemicaliën.
Hoewel het dinatriumzout een primaire standaard zou kunnen zijn, wordt in de praktijk meestal nagestandaardiseerd tegen een nauwkeurig bereide standaardoplossing van CaCO₃ (analytisch zuiver), opgelost in een geringe overmaat HCl en vervolgens geneutraliseerd en gebufferd. De gemeten titer wordt gebruikt voor alle vervolganalyses.
Voor zeer nauwkeurige metingen is het belangrijk dat het water vrij is van Ca²⁺ en Mg²⁺: gedemineraliseerd water uit een mengbedfilter heeft typisch < 0,05 mg Ca²⁺/L, voldoende voor de meeste analyses. Voor sporenanalyse wordt water van type 1-kwaliteit (ultrapuur water, geleidbaarheid < 0,055 µS/cm) gebruikt.
Zijn 0,01 M en 0,02 N EDTA hetzelfde? Bij EDTA wordt molaire concentratie (mol/L) gebruikt en geen normaliteit, omdat EDTA altijd in 1 : 1-verhouding reageert met het metaalion. De begrippen "normaliteit" en "molariteit" zijn voor EDTA-titraties dus identiek, en 0,02 N EDTA = 0,02 mol/L EDTA.
Hoewel handmatige EDTA-titratie nog steeds een geldige routinemethode is, hebben moderne laboratoria de procedure vrijwel volledig geautomatiseerd. Een automatische titrator combineert een nauwkeurige motorburette met een ionenselectieve elektrode of een fotometrische detector:
Voor meer achtergrond bij elektrochemische eindpuntsdetectie zie ons artikel over potentiometrie.
EDTA-titraties zijn doordat ze snel, robuust en goedkoop zijn nog altijd een standaardmethode in tal van laboratoria:
EDTA wordt niet alleen als titrant gebruikt, maar speelt ook elders een rol. In bloedbuizen werkt EDTA als anti-stollingsmiddel: door Ca²⁺ weg te vangen wordt de stollingscascade geblokkeerd. In de levensmiddelen- en cosmetica-industrie wordt EDTA toegevoegd als sequestrans om sporen ijzer of koper te binden en zo oxidatieve bederfreacties te remmen. In de medische praktijk wordt EDTA (als calciumdinatriumzout) gebruikt voor de behandeling van loodvergiftiging — zogenoemde chelaattherapie — onder strikte medische begeleiding. Het is belangrijk om hierbij onderscheid te maken: de analytische toepassing en de medische toepassing vallen in volstrekt verschillende contexten. Voor een laboratoriumartikel als dit is uitsluitend de analytische rol relevant.
Complexometrie en EDTA-titratie worden in de praktijk vaak als synoniemen gebruikt, en dat is voor de overgrote meerderheid van de toepassingen ook correct. Strikt genomen is complexometrie het overkoepelende begrip — elke titratie waarbij de bepalingsreactie een complexvormingsreactie is — terwijl EDTA-titratie verwijst naar het specifieke gebruik van EDTA als titrant. Er bestaan ook complexometrische methoden met andere chelaten dan EDTA: EGTA (selectiever voor Ca²⁺ in aanwezigheid van Mg²⁺), DTPA, NTA en CDTA. In het laboratoriumonderwijs en de routineanalyse is EDTA echter zo dominant dat de termen vaak door elkaar lopen.
Voor een betrouwbare EDTA-titratie zijn enkele praktische punten van belang. De buret moet zorgvuldig worden gespoeld met een kleine hoeveelheid titrant voor gebruik. De erlenmeyer wordt tijdens de titratie continu geroerd (magneetroerder of handmatig zwenken) om lokale overconcentraties te vermijden, en de toevoeging wordt richting het eindpunt steeds druppelsgewijs gedaan. Glaswerk moet schoon en metaalvrij zijn — restjes Ca²⁺ van eerdere experimenten of leidingwater vertekenen de resultaten. Voor sporenanalyses wordt uitsluitend gedemineraliseerd water gebruikt en kunststof, geen glas, om uitloging van Na⁺/Ca²⁺ uit glaswerk te voorkomen. Zie hiervoor onze categorieën glaswerk en porselein en laboratoriumplastics.
Voor het bredere kader van titrimetrische methoden zie ons artikel over titrimetrie. Voor de juiste opslag en het werken met buffers, indicatoren en metaalstandaardoplossingen verwijzen wij naar het veiligheidsinformatieblad (VIB) van het betreffende reagens. Neem contact op voor advies over de keuze van EDTA-kwaliteit, buffer en indicator voor uw specifieke toepassing.
Inloggen
Wachtwoord vergeten
Account aanmaken
Uw winkelwagen is leeg.
