ETAP III Zadanie laboratoryjne

Transkrypt

1 ETAP III Zadaie laboratoryje ZADANIE LABORATORYJNE 1 Selektywe ozaczaie kwasów orgaiczych w mieszaiie Ozaczaie kwasów orgaiczych ajczęściej wykouje się metodą miareczkową w oparciu o reakcje zobojętiaia. Jako titrata używa się roztworu NaOH o dokładie wyzaczoym stężeiu, tzw. roztworu miaowaego, a miareczkowaie prowadzi się wobec odpowiediego wskaźika. Niestety, miareczkowaie tego typu ie jest metodą selektywą, poieważ ozacza się sumę kwasów. Bardziej selektywą metodą jest miareczkowaie redoksymetrycze, w którym dobraie właściwego utleiacza i odpowiediego środowiska reakcji może zapewić waruki do ozaczaia wybraego kwasu w mieszaiie. W roztworze węglau sodu i przy użyciu admiaru KMO, joy mrówczaowe są utleiae do CO, a joy octaowe pozostają ieutleioe. Gdy joów mrówczaowych jest admiar, cały KMO jest redukoway do MO. Nadmiar KMO oraz wydzieloy MO reagują po zakwaszeiu z joami jodkowymi z wydzieleiem jodu, który jest odmiareczkowyway roztworem tiosiarczau. Kolba miarowa o pojemości 00 cm 3, opisaa literą P zawiera mieszaię buforu mrówczaowego (kwas mrówkowy i mrówcza sodu zmieszae w stosuku molowym 1:1,1) i kwasu octowego. Wiadomo, że pka dla kwasu mrówkowego wyosi 3,70 a kwasu octowego,75. roztwór NaOH o stężeiu 0,100 mol/dm 3 roztwór Na S O 3 o stężeiu ok. 0,1 mol/dm 3 roztwór KMO o stężeiu 0,0300 mol/dm 3 trzy jedogramowe ampułki Na CO 3 kwas siarkowy(vi) o stężeiu mol/dm 3 roztwór 0% (m/v) jodku potasu kleik skrobiowy feoloftaleia oraż metylowy Masz do dyspozycji astępujący sprzęt i odczyiki Na staowisku dla każdego zawodika 1 Biureta, lejek do biurety dwie pipety jedomiarowe o objętości 5 cm 3 trzy kolby stożkowe zlewka o poj. 50 cm 3 zlewka o poj. 100 cm 3, tryskawka z wodą destylowaą Na staowisku zbiorczym (dla dwóch zawodików) cylidry miarowe do roztworów kwasu i jodku potasu, palik i trójóg z płytką grzeją.

2 Poleceia a. ( pkt.) Wykorzystując przepisy wykoawcze i dostępy sprzęt przedstaw w puktach pla ozaczaia każdego składika mieszaiy, uwzględiający m.i. objętości odmierzaych roztworów, zastosowaą metodę ozaczaia oraz użyte titraty i wskaźiki. b. (6 pkt.) Podaj rówaia reakcji zachodzących podczas ozaczaia. Wyprowadź wzory a obliczaie stężeia roztworu tiosiarczau oraz liczby milimoli składików w mieszaiie, uwzględiające stężeia i objętości roztworów użytych podczas ozaczaia. c. ( pkt.) Uzasadij dobór wskaźika w ozaczaiu alkalimetryczym kwasów obliczając ph w pukcie końcowym miareczkowaia dla kwasu octowego o stężeiu 0,1 mol/dm 3. d. (17 pkt.) Podaj stężeie roztworu tiosiarczau sodu oraz ilości, w mg, składików mieszaiy w próbce badaej. e. (3 pkt.) Stosoway w miareczkowaiu jodometryczym jodek potasu jest dość drogi. Czy możliwe jest zastąpieie miareczkowaia z wykorzystaiem roztworu tiosiarczau sodu miareczkowaiem, gdzie titratem byłby roztwór KMO, jeśli do dyspozycji miałbyś obok podaego wyżej zestawu odczyików i sprzętu roztwór kwasu szczawiowego o zaym stężeiu. Odpowiedź uzasadij. Przepisy wykoawcze Alkalimetrycze ozaczaie kwasu Porcję roztworu kwasu rozcieńczyć wodą do ok. 70 cm 3, dodać kilka kropli odpowiediego wskaźika i miareczkować roztworem NaOH do uzyskaia odpowiediego efektu wizualego. Miareczkowaie powtórzyć. Magao-jodometrycze ozaczaie kwasu mrówkowego (joów mrówczaowych). Do próbki w kolbie stożkowej, zawierającej zobojętioe kwasy ale bez wskaźika alkacymetryczego, dodać 1 g Na CO 3 a astępie 5,00 cm 3 miaowaego roztworu KMO. Kolbę z próbką pozostawić a 10 miut. Wytrąca się bruaty osad. Dodać ok. g jodku potasu, a astępie ostrożie (pieieie!), porcjami przy itesywym mieszaiu, 0 cm 3 roztworu H SO. Miareczkować bruaty roztwór roztworem tiosiarczau do jasożółtego zabarwieia. Dodać cm 3 kleiku skrobiowego i miareczkować do zaiku graatowego zabarwieia. Ozaczeie powtórzyć. Uwaga 1! Wiadomo także, że a próbkę zawierającą dość zaczy admiar joów mrówczaowych, w porówaiu z ilością wyikającą ze stechiometrii reakcji utleiaia joów mrówczaowych, zużyto objętość V 0tios roztworu tiosiarczau sodu podaą w diu zawodów. Uwaga! Zastosuj w rozwiązaiu zadaia astępujące skróty: kwas liczba milimoli mieszaiy kwasów, mrowk - liczba milimoli kwasu mrówkowego, oct - liczba milimoli kwasu octowego, s - liczba milimoli mrówczau sodu, mrowcz - liczba milimoli joów mrówczaowych, KMO - liczba milimoli magaiau(vii) potasu, V NaOH, c NaOH objętość i stężeie miaowaego roztworu wodorotleku sodu, V tios, c tios objętość i stężeie miaowaego roztworu tiosiarczau sodu.

3 ZADANIE LABORATORYJNE Idetyfikacja pierwiastków, wyzaczaie składu kompleksu W probówkach opisaych cyframi 1 6 zajdują się joy pierwiastków A-F, przy czym każdy z ich występuje tylko raz. Widma atomowe tych pierwiastków (długości fali kilku ajbardziej itesywych liii w przedstawioym zakresie) podao w tablicy. W awiasach podao względą itesywość liii, która dotyczy zakresu podaego a rysuku staowiącym załączik, jeśli pierwiastek ma w im charakterystycze liie. Pierwiastek Długość fali, m (względa itesywość liii) A 33,5(58); 33,63(53); 33,88(); 3,19(35); 33,91(100); 336,1(63); 337,7(53); 338,36(5) B C 30,57(97); 30,88(100); 31,50(70); 33,33(67); 36,3(61); 38,53(65); 39,07(67); 33,56(6); 33,37(70); 33,71(63); 335,81(63); (76); 338,00(70); 338,7(7) 30,(30); 30,57(8); 30,75(9); 31,5(7); 31,7(37); 33,79(7); 35,08(15); 35,8(6); 36,3(19); 36,76(85); 37,13(91); 37.6(100); 39,86(1); 337,77(0) D 31,16(1); 31,37(6); 3,18(65); 3,55(9); 3,77(58); 3,75(100); 37,37(5); 38,65(7); 330,61(58) E 53,36(30); 53,5(100); 55,3(55); 55,5(5) F 50,67(51); 51,1(5); 51,60(79); 51,89(7); 88,15(100) Liie sodu występują przy długościach fal 85, i 330,5 m. Stężeie joów pierwiastków w roztworach jest zróżicowae, wyosi od 00 mg/dm 3 do 1g/dm 3. Zdecydowaa większość pierwiastków występuje jako aioy w solach sodu lub amou. Dyspoujesz widmami atomowymi 10 związków zawierających pierwiastki, które mogą wystąpić w roztworach badaych. Widma atomowe obejmują zakres długości fali m, tak więc ie wszystkie pierwiastki obece w próbkach mają charakterystycze liie w tym zakresie. Masz do dyspozycji astępujący sprzęt i odczyiki Na staowisku dla każdego zawodika zestaw 10 pustych probówek pipeta wielomiarowa o pojemości 5cm 3 kolbki miarowe o pojemości 100 i 50 cm 3 6 pipetek polietyleowych roztwór ok. 3% adtleku wodoru Na staowisku zbiorczym (dla dwóch zawodików) roztwór NaOH o stężeiu 1 mol/dm 3 0% roztwór tiocyjaiau potasu 10% roztwór molibdeiau amou kwas askorbiowy; Możesz korzystać z roztworów kwasu siarkowego(vi) oraz KMO z zadaia 1. 3

4 Poleceia a. ( pkt.) Na podstawie widm atomowych określ, jakie pierwiastki mogą kryć się pod symbolami A, B, C, D, E i F. Joy których metali ie występują w próbkach? b. (15 pkt.) Dokoaj idetyfikacji pierwiastków A-F w próbkach 1-6, przedstaw uzasadieie idetyfikacji. Za poprawą idetyfikację 1 pukt, każda charakterystycza obserwacja to 0,5 pkt. Barwa własa roztworu oraz jego odczy traktowae są jako jeda obserwacja. c. (6 pkt.) Zaplauj sposób postępowaia mający a celu przygotowaie roztworu adtleku wodoru o stężeiu wymagaym dla serii izomolowych, zakładając, że stężeie jou metalu wyosi 00 mg/dm 3. Posłuż się przepisem wykoawczym wyzaczeia stężeia wody utleioej. d. (5 pkt.) Zajdź skład kompleksu metalu z adtlekiem wodoru o barwie itesywie żółtej, powstający w kwaśym środowisku, wykorzystując metodę serii izomolowych. Wyjaśij krótko zasadę metody. Sporządź szkic wykresu pokazującego itesywość barwy od stosuku molowego metalu i adtleku wodoru. UWAGA! W razie uzasadioej potrzeby, możesz otrzymać większą objętość roztworu idetyczego z roztworem w odpowiediej probówce, do wykoaia poleceia z podpuktu d. Przepisy wykoawcze Ozaczaie stężeia roztworu adtleku wodoru Pobierz pipetą do kolby stożkowej odpowiedią porcję roztworu wody utleioej tak, by przewidywaa objętość titrata ie przekraczała 0 cm 3. W razie potrzeby dokoaj wstępego rozcieńczeia roztworu będącego do Twojej dyspozycji. Dodaj ok. 5 cm 3 wody i 10 cm 3 roztworu kwasu siarkowego(vi). Miareczkuj miaowaym roztworem titrata do osiągięcia puktu końcowego. Oblicz stężeie molowe roztworu adtleku wodoru. Metoda serii izomolowych Przygotuj roztwory joów metalu i adtleku wodoru o idetyczym stężeiu molowym zakwaszając je tak, aby także stężeie kwasu siarkowego w obu roztworach było jedakowe. Do probówek odpipetuj kolejo 0,5; 1,0; 1,5;,0;,5; 3,0;... cm 3 roztworu joów metalu, pamiętając, że wyjściowo dostajesz ok 18 cm 3 badaego roztworu. Dodaj roztwór wody utleioej w takiej ilości, żeby suma milimoli joów metalu i wody utleioej w każdej z probówek była stała. Oszacuj itesywość barwy każdego roztworu, przypisz roztworowi o ajwiększej itesywości wartość 10, bezbarwemu 0, zaś pozostałym wartości pośredie z przedziału 1-9. Sporządź rysuek pokazujący itesywość zabarwieia od stosuku liczby milimoli jou metalu do liczby milimoli wody utleioej pamiętając, że roztwory joów metalu i wody utleioej są bezbarwe. Uwaga! Obejrzyj uważie arkusz odpowiedzi. Zaplauj i wpisz czytelie rozwiązaie tak, by mieściło się w wyzaczoym miejscu. Pamiętaj o zachowaiu zasad bezpieczeństwa podczas wykoywaia aaliz! Sumarycza puktacja za zadaia laboratoryje 60 pkt. Czas wykoaia zadań 300 miut.

5 Załączik do zad. Emisyje widma atomowe 10 związków zawierających zazaczoy pierwiastek Itesywość P Na Si Cr długość fali, m itesywość Fe Mo Ti długość fali, m Itesywość M V W długość fali, m

6 ETAP III Rozwiązaie zadaia laboratoryjego ROZWIĄZANIE ZADANIA 1 Ad a. propooway tok aalizy Pkt. Mieszaia w kolbie P zawiera kwas octowy, kwas mrówkowy oraz mrówcza sodu. 1. Ozaczaie sumy kwasów. Pobrać do dwóch kolb stożkowych porcje po 5,00 cm 3 roztworu z kolby P za pomocą pipety jedomiarowej i miareczkować wobec feoloftaleiy roztworem NaOH do różowego zabarwieia. Obliczyć sumaryczą liczbę milimoli kwasów.. Ozaczaie joów mrówczaowych. Pobrać do dwóch kolb stożkowych ze szlifem porcje po 5,00 cm 3 roztworu z kolby P za pomocą pipety jedomiarowej, dodać tyle roztworu NaOH co w miareczkowaiu przy ozaczaiu kwasów. Dalej postępować zgodie z przepisem wykoawczym. Ozacza się w te sposób liczbę moli joów mrówczaowych, a więc kwasu mrówkowego i mrówczau sodu. Wykorzystując iformację o składzie buforu mrówczaowego zajduje się liczbę moli kwasu mrówkowego i mrówczau sodu. 3. Wyzaczaie stężeia roztworu tiosiarczau sodu. Na podstawie objętości roztworu tiosiarczau zużytego a zmiareczkowaie próbki z dużą ilością mrówczaów (cały KMO przejdzie do MO ) moża obliczyć dokłade stężeie roztworu tiosiarczau Ad b. rówaia reakcji, wyprowadzeie wzorów Pkt. Podczas alkalimetryczego ozaczaia sumy kwasów zachodzą reakcje: 6 HCOOH + NaOH HCOONa + H O CH 3 COOH + NaOH CH 3 COONa + H O Tak więc mrowk + oct = NaOH = V NaOH c NaOH, a w całej kolbie c.mrowk + c.oct = 8 V NaOH c NaOH Podczas ozaczaia joów mrówczaowych ew. astawiaia miaa tiosiarczau zachodzą reakcje: 3HCOO MO 5H MO 3CO HO 3HCOO MO HO MO 3CO MO I H M I HO 5OH MO 10I 16H M 5I 8H O S O 3 I S O 6 Przy astawiaiu miaa tiosiarczau zużyto V 0tios roztworu tiosiarczau, tak więc moża zapisać: 0MO 0tios MO c 0MO tios V0tios c 0MO tios V I lub 0tios 1

7 Przy ozaczaiu joów mrówczaowych zużyto V tios roztworu tiosiarczau; z rówań reakcji wyika, że mrowcz 3 ( ) 3 0MO 1MO MO MO 3 tios MO 5 1MO MO 5( 0MO MO ) 5 0MO mrowcz mrowcz,5 0, 5 0MO Stąd dla całej kolby mrowcz = mrowk + s = 8 c 0MO 5 (,5-V tios /V 0tios ) = 00 c 0MO (,5 -V tios /V 0tios ) mrowcz tios Dla buforu mrówczaowego mamy c A /c s = 1,1 co dla tego samego roztworu daje A / s podstawieiu s = 0,71 mrowcz a mrowk = mrowcz - s = 0,59 mrowcz = 1,1. Po Z kolei oct = 8 V NaOH c NaOH - 0,59 mrowcz Stosowae skróty: - liczba milimoli joów magaiaowych użyta do reakcji utleiaia 0MO - liczba milimoli joów magaiaowych pozostała po reakcji utleiaia joów mrówczaowych. 0MO Stężeia titratów Rodzaj ozaczeia Objętości titrata, cm 3 Roztwór NaOH Ozaczaie liczby moli kwasów w 0, 100 mol/dm 3 kolbie P Roztwór KMO 0,0300 mol/dm 3 Roztwór Na S O 3 ok. 0,1 mol/dm 3 Magaometryczo-jodometrycze ozaczaie liczby moli joów mrówczaowych w kolbie P Nastawiaie miaa roztworu tiosiarczau sodu V NaOH = 18,75; 18,80 V tios = 30,0; 30,5 V 0tios = 15,5 Ad c. Uzasadieie wyboru wskaźika w ozaczaiu kwasów Pkt Dobór wskaźika w miareczkowaiu polega a tym, by wartość ph puktu końcowego miarecz- kowaia leżała w zakresie zmiay barwy wskaźika. Wyikiem miareczkowaia kwasów mrówkowego i octowego są ich sole sodowe. Roztwór octau sodu będzie miał odczy zasadowy, bowiem przebiega reakcja zasady sprzężoej z kwasem : CH 3 COO - + H O CH 3 COOH + OH - opisywaa stałą rówowagi K b [ CH COOH 3 ] [ OH ] [ OH ] [ CH3COO ] cs a poieważ K w Kb dostaje się Ka [ OH ] Kw c K Tak więc ph = pk w - poh = pkw ( pkw pka log cs ) pkw pka log cs Po podstawieiu wartości ph = 7 +, ,5logc s c dla stężeia 0,1 mol/dm 3 daje wartość 8,88. Właściwym wskaźikiem jest więc feoloftaleia o zakresie zmiay barwy 8, 9,6 ph. a s Ad d. stężeie tiosiarczau, ilości poszczególych składików Pkt Stężeie roztworu tiosiarczau, mol/dm 3 0,098 1 Liczba milimoli kwasów, mmol 15,0 Liczba milimoli joów mrówczaowych, mmol 3,108 M kw oct = 60,03 g/mol; Masa kwasu octowego, mg 817, M HCOOH = 6,0 g/mol; Masa kwasu mrówkowego, mg 7,7 M HCOONa = 68,00 g/mol; Masa mrówczau sodu, mg 99,8

8 Ad e. Zastąpieie miareczkowaa jodometryczego miareczkowaiem magaometryczym Pkt. Aby ozaczyć ieprzereagowaą z mrówczaami ilość joów magaiaowych(vii) i powstały 3 MO ależałoby roztwór zakwasić i dodać zaą ilość kwasu szczawiowego w admiarze do obecych w roztworze utleiaczy. Roztwór ależałoby ogrzać, i admiar kwasu szczawiowego odmiareczkować a gorąco miaowaym roztworem magaiau(vii) potasu. Moża by zapisać uwzględiając stechiometrię reakcji utl = red, gdzie utl to łącza liczba moli KMO potrzeba a utleieie joów mrówczaowych w środowisku węglau sodu i dodaego kwasu szczawiowego w środowisku kwaśym, zaś red to liczba moli joów mrówczaowych i kwasu szczawiowego. Niestety, w tych warukach astępowałoby także iekotrolowae utleieie obecego w roztworze kwasu octowego i wyik ozaczeia joów mrówczaowych byłby zawyżoy. Łączie zadaie 1 30 pkt. 3

9 ROZWIĄZANIE ZADANIA Przykładowe rozmieszczeie substacji 1) A (Ti) ) D (Fe) 3) B (Mo) ) E (P) 5) C (V) 6) F (Si) Ad a. Aaliza a podstawie daych spektralych Na podstawie daych w tablicy i emisyjych widm atomowych podaych w załącziku moża stwierdzić, że w próbkach zajduje się: A tyta, B molibde, C waad, D żelazo; E krzem lub fosfor F krzem lub fosfor. W próbkach ie występują: chrom, maga i wolfram. Charakterystyczych liii krzemu i fosforu ie ma w przedstawioym zakresie widma, zaś występująca w obydwu widmach liia przy 330 m jest liią sodu, co świadczy że krzem i fosfor to aioy soli sodowych. Ad b. Idetyfikacja substacji i uzasadieie Wykryto Uzasadieie Pkt. Nr probówki 1 Ti(IV) Fe(III) 3 Mo(VI) P(V) 5 V(V) 6 Si(IV) Roztwór bezbarwy, odczy kwaśy, przypuszczeie a podstawie,5 spektralej aalizy emisyjej (OES); 1 +NaOH białe zmętieie 1 + H SO bz; + H O itesywie żółte zabarwieie 1 + H SO + KSCN bz Roztwór żółty, odczy kwaśy, przypuszczeie a podstawie OES,5 +NaOH bruaty, rwo; rozp w H SO + kw askorb. odb; +NaOH zielokawy, bruatiejący z czasem + KSCN krwiste zabarwieie; + kw askorb. odbarwieie Roztwór bezb, odczy obojęty, przypuszczeie a podstawie OES,5 3 + NaOH bz 3 + H SO bz; +H O lekko żółtawy, iemal bezbarwy (odróżieie od Ti(IV) 3 + KSCN bz; + kw askorb. czerwoe zabarwieie Roztwór bezbarwy, odczy obojęty,,5 Na podstawie OES sól sodowa Brak reakcji z H SO, H O, NaOH, KSCN + 3 bz; + kw ask. iebieszczeje, graatowy po ogrzaiu + molibd amou żółty; + kw ask. iebieski, graatowy po ogrzaiu Roztwór żółty, odczy lekko kwaśy, przypuszczeie a podstawie OES,5 5 + NaOH żółtawy, iemal bezbarwy 5 + kw askorb. iebieski; 5 + H SO bz; + H O pomarańczowo-czerwoe zabarwieie Roztwór bezbarwy, odczy obojęty,,5 Na podstawie OES sól sodowa Brak reakcji z H SO, H O, NaOH, KSCN bz; + kw ask. bz, po ogrzaiu słabo iebieski, iemal bezbarwy 6 + molibd amou żółty; + kw ask. słaboiebieski, graatowy po ogrz. Pkt.

10 Ad c. Przygotowaie roztworu H O o odpowiedim stężeiu Kompleks metalu z adtlekiem wodoru o barwie żółtej to kompleks tytau(iv). 6 Z treści zadaia i idetyfikacji wyika, że stężeie metalu A czyli tytau wyosi 00 mg/dm 3.Daje to stężeie molowe tytau, mol/dm 3. Podobe powio być stężeie roztworu H O, by badać skład kompleksu metodą serii izomolowych. Tymczasem stężeie molowe ok. 3% roztworu H O to blisko 0,9 mol/dm 3. Podczas ustalaia stężeia H O metodą miareczkowaia magaometryczego według przepisu zachodzi reakcja: MO 5HO 6H M 5O 8HO Z rówaia reakcji wyika, że,. Jeżeli w miareczkowaiu ma zostać zużyte 0 cm 3 H O 5 MO roztworu magaiau(vii) potasu o stężeiu 0,0300 mol/dm 3 to próbka wody utleioej powia zawierać 1,5 mmola H O. Ta ilość H O powia się zaleźć w 5 cm 3 roztworu (dyspoujemy taką pipetą jedomiarową), a więc stężeie wody utleioej powio wyosić 0,06 mol/dm 3. Dyspoując kolbką miarową o pojemości 100 cm 3 ależy odmierzyć pipetą wielomiarową 6,6 cm 3 3% roztworu wody utleioej i dopełić wodą do kreski otrzymując roztwór R. Po zalezieiu dokładego stężeia roztworu R w wyiku miareczkowaia według przepisu ależy przygotować roztwór wody utleioej o stężeiu, mol/dm 3, biorąc odpowiedią objętość roztworu R do kolbki miarowej o pojemości 50 cm 3, dodać 10 cm 3 H SO i dopełić wodą do kreski. Ad d. Wyzaczaie składu kompleksu Metoda serii izomolowych polega a zmieszaiu w różym stosuku roztworów metalu 6 i wody utleioej o takim samym stężeiu molowym przy czym w każdym roztworze suma stężeń (liczby milimoli) joów tytau i wody utleioej jest taka sama. Maksymale zabarwieie roztworu uzyskuje się wtedy, gdy roztwory zmieszae są w takim stosuku molowym (objętościowym przy takim samym stężeiu molowym), jak ma to miejsce w kompleksie. Przykładowy rysuek. Pkt. Pkt. 10 Zależość itesywości barwy od objętości rozwtoru soli metalu i adtleku wodoru Itesywość barwy Objętość roztworu soli metalu, cm Objętość roztworu adtleku wodoru, cm 3 Maksimum itesywości barwy odpowiada zmieszaiu roztworu jou metalu i wody utleioej w stosuku 1:1, tak więc skład kompleksu Ti- H O jest jak 1:1. Łączie zadaie 30 pkt RAZEM ZA ZADANIE 1 i ZADANIE 60 pkt 5