MATERIAŁY DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Z CHEMII OGÓLNEJ I ANALITYCZNEJ DLA STUDENTÓW I ROKU BIOLOGII STUDIÓW DZIENNYCH

Transkrypt

1 MATERIAŁY DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Z CHEMII OGÓLNEJ I ANALITYCZNEJ DLA STUDENTÓW I ROKU BIOLOGII STUDIÓW DZIENNYCH 2011/2012 1

2 Tabela 1 Organizacja ćwiczeń Spotkanie TYTUŁ ĆWICZENIA ZAGADNIENIA CEL ĆWICZENIA Ćwiczenia organizacyjne (2.5 h zegarowe) Podstawy chemii analitycznej (2 x 4 h zegarowe) Regulamin pracowni. Zasady pracy z substancjami żrącymi i z urządzeniami elektrycznymi. Postępowanie w nagłych wypadkach. Zasady posługiwania się sprzętem laboratoryjnym. KOLOKWIUM I Obliczenia stechiometryczne, obliczenia stężeń, rodzaje wiązań chemicznych, iloczyn jonowy wody, definicja ph, hydroliza soli, dysocjacja, roztwory buforowe, teoria kwasów i zasad według Arrheniusa i Brönsteda. Obliczenia związane z ćwiczeniem. zapoznanie się z programem ćwiczeń zapoznanie się z warunkami uzyskania zaliczenia ćwiczeń laboratoryjnych, regulaminem BHP, zasadami pracy z substancjami żrącymi oraz zasadami udzielania pierwszej pomocy przydział do grup odbiór sprzętu laboratoryjnego oznaczanie ph roztworów kwasów i zasad klasyfikacja elektrolitów obliczanie ph roztworów mocnych i słabych kwasów i zasad określanie rodzaju hydrolizy soli, reakcje hydrolizy obliczanie ph roztworów buforowych sporządzanie roztworów buforowych 2

3 Spotkanie TYTUŁ ĆWICZENIA ZAKRES MATERIAŁU NA KOLOKWIUM CEL ĆWICZENIA Analiza jakościowa anionów i kationów (3 x 4 h zegarowe) Alkacymetria (2 x 4 h zegarowe) KOLOKWIUM II Podział anionów na grupy analityczne wg. Bunsena. Reakcje charakterystyczne wybranych anionów: Cl SO 4 2, CO 3 2, NO 3, PO 4 3, CH 3 COO Podział kationów na grupy analityczne wg. Freseniusa. Reakcje charakterystyczne wybranych kationów: Pb 2+, Hg 2 2+, Mn 2+, Ca 2+, K +, NH 4 + KOLOKWIUM III Analiza ilościowa, substancje podstawowe, błędy w analizie ilościowej, analiza miareczkowa, alkacymetria, roztwór mianowany, punkt równoważnikowy i końcowy miareczkowania, indykatory, naczynia miarowe, krzywe miareczkowania, zasady ważenia, obliczenia związane z ćwiczeniem. wykonanie tzw. ślepych prób (reakcje prowadzone na roztworach znanych anionów i kationów) analiza jakościowa anionów (pięć anionów) analiza jakościowa mieszanin anionów (dwie mieszaniny anionów) analiza jakościowa kationów (pieć kationów) analiza jakościowa soli (dwie sole) przygotowanie mianowanego roztworu kwasu szczawiowego przygotowanie roztworu NaOH nastawienie miana roztworu wodorotlenku sodu na kwas szczawiowy alkacymetryczne oznaczenie HCl 9 Spektrofotometria (kolorymetria) (4 h zegarowe) KOLOKWIUM IV Kolorymetria, prawo Lamberta Beera, interpretacja widm A=f(), definicja absorbancji i transmitancji, przeliczanie absorbancji na transmitancję, metoda krzywej wzorcowej, budowa spektrofotometru, reakcje zachodzące w czasie oznaczania Cu(II) i Fe(III), obliczenia związane z ćwiczeniem. przygotowanie roztworów wzorcowych Cu(II) lub Fe(III) pomiary absorbancji roztworów wykonanie krzywej wzorcowej oznaczenie ilościowe Cu (II) lub Fe(III) 3

4 L.p. 10 TYTUŁ ĆWICZENIA Potencjometria (ph-metria) (4 h zegarowe) ZAKRES MATERIAŁU NA KOLOKWIUM KOLOKWIUM V Potencjometria. ph-metria, reakcje zobojętniania, stała dysocjacji, stopień dysocjacji, przeliczanie stężeń, definicja ph, obliczanie ph mocnych i słabych kwasów i zasad, budowa elektrody szklanej, krzywe miareczkowania, graficzne wyznaczanie punktu równoważnikowego, krzywe miareczkowania, obliczenia związane z ćwiczeniem. CEL ĆWICZENIA kalibracja elektrody szklanej wyznaczenie krzywej miareczkowania potencjometrycznego dla badanego układu kwas-zasada oraz punktu równoważnikowego (PR) oznaczenie ilościowe wybranego elektrolitu HCl, NaOH, NH 4 OH (NH 3 ) lub CH 3 COOH Preparatyka nieorganiczna (4 h zegarowe) Ćwiczenia zaliczeniowe (2.5 h zegarowe) KOLOKWIUM VI Chemia koordynacyjna, struktury związków koordynacyjnych, typy ligandów, izomeria związków koordynacyjnych, efekt chelatowy, nomenklatura związków koordynacyjnych. Właściwości fizykochemiczne substancji używanych w ćwiczeniu. Iloczyn rozpuszczalności, efekt wspólnego jonu, efekt solny. Osady: strącanie, przemywanie, sedymentacja, dekantacja, sączenie. Krystalizacja. Obliczenia stechiometryczne. Wydajność reakcji. wykonanie preparatu nieorganicznego obliczenie wydajności teoretycznej i praktycznej odrabianie ewentualnych zaległości przygotowanie i zdanie sprzętu laboratoryjnego zaliczenie ćwiczeń 4

5 I. ZALECANE PODRĘCZNIKI 1. A. Jarczewski - Chemia ogólna i analityczna dla studentów biologii - skrypt do ćwiczeń (Wydawnictwo Naukowe UAM) 2. T. Lipiec, Z. Szmal - Chemia analityczna z elementami analizy instrumentalnej 3. J. Minczewski, Z. Marczenko - Chemia analityczna, tom I i II 4. L. Jones, P. Atkins Chemia ogólna PWN, D. A Skoog, D. M. West, F. J. Holler, S. R. Crouch Podstawy chemii analitycznej, tom I i II, PWN, 2007 II. SPIS ĆWICZEŃ Spotkanie 1 ĆWICZENIA ORGANIZACYJNE WARUNKI ZALICZENIA ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Warunkiem rozpoczęcia ćwiczeń jest zaznajomienie się z przepisami BHP oraz zasadami udzielania pierwszej pomocy. Naruszenie przepisów BHP lub brak przygotowania teoretycznego powoduje zawieszenie prawa do wykonywania ćwiczenia. W czasie ćwiczeń obowiązuje przygotowanie teoretyczne obejmujące zagadnienia związane bezpośrednio z wykonywanym ćwiczeniem. Ponadto przez cały czas trwania ćwiczeń obowiązuje znajomość przepisów BHP, układu okresowego pierwiastków, pojęcia stężenia molowego i procentowego, zapisu równań reakcji chemicznych, przebiegu aktualnie wykonywanych ćwiczeń. Warunkiem zaliczenia ćwiczeń jest zaliczenie kolokwium wstępnego z podstaw chemii (zakres szkoły średniej) oraz kolokwiów wejściowych związanych z poszczególnymi ćwiczeniami (Tabela 1) oraz indywidualne wykonanie i zaliczenie wszystkich ćwiczeń oraz zdanie sprzętu laboratoryjnego pobranego na czas wykonywania ćwiczeń. Student ma prawo do nieobecności na zajęciach w ilości określonej przez regulamin studiów na UAM. O konsekwencjach nieobecności i zasadach usprawiedliwiania informuje prowadzący zajęcia laboratoryjne. Osoby przebywające w pracowni zobowiązane są do noszenia okularów ochronnych i fartucha. Obowiązuje prowadzenie notatek zgodnie w wymaganiami prowadzącego ćwiczenia. Materiały do ćwiczeń. udostępniono na stronie 5

6 PODSTAWY CHEMII ANALITYCZNEJ Spotkanie Dysocjacja i hydroliza. Klasyfikacja elektrolitów. Stopień dysocjacji Przebieg ćwiczenia: 1. Przygotować cm 3 0.1M roztworów: HCl, NH 4 OH, CH 3 COOH, H 3 PO 4, NaOH. Następnie za pomocą ph-metru zmierzyć wartość ph roztworów. 2. Obliczyć stężenie jonów H + i OH oraz stopień dysocjacji α na podstawie wzoru: α = [H + ]/C lub α = [OH - ]/C w procentach: α = (100 % [H + ])/C lub α = (100 % [OH ])/C 3. Sklasyfikować roztwory na podstawie ich mocy: α 0.05 (lub α 5 %) słaby elektrolit 0.05 α 0.3 (lub 5 % α 30 %) elektrolit średniej mocy 1 α 0.3 (lub 100 % α 30 %) mocny elektrolit Tabela 2 4. Napisać równania reakcji dysocjacji powyższych związków. 5. Zmierzone i obliczone wartości zapisać w tabeli (Tabela 2). Roztwór (C = 0.1 M) HCl NH 3 H 2 O CH 3 COOH H 3 PO 4 NaOH ph [H + ] [OH ] α Klasyfikacja elektrolitu według mocy 2.2. Obliczanie ph słabych kwasów i zasad Przebieg ćwiczenia 1. Obliczyć ph roztworów kwasu octowego i zasady amonowej o stężeniach 1M, 0.1M i 0.01M. Stała dysocjacji kwasu octowego K CH3COOH = , zasady amonowej K NH4OH = Wyprowadź odpowiedni wzór zależności [H + ] od stałej dysocjacji K i stężenia roztworu C. 6

7 2.3. Hydroliza soli Przebieg ćwiczenia Do probówek wlać niewielkie ilości roztworów soli wymienionych w tabeli (Tabela 3). Za pomocą papierka wskaźnikowego określić ph roztworów i rodzaj hydrolizy. Zapisać równania reakcji hydrolizy badanych soli. Wyniki zapisać w tabeli (Tabela 3). Tabela 3 Wzór soli ph Zabarwienie papierka uniwersalnego Rodzaj hydrolizy NaCl FeCl 3 Na 2 CO 3 KNO 3 BaCl 2 Na 2 HPO 4 Wynik eksperymentu: Należy przedstawić prowadzącemu ćwiczenie rozwiązane zadania i wypełnione tabele. 7

8 Spotkanie Roztwory buforowe Przebieg ćwiczenia: A. Przygotowanie buforu: Celem ćwiczenia jest przygotowanie ok. 100/150 cm 3 roztworu buforowego o składzie i ph podanym przez prowadzącego ćwiczenie, a następnie zbadanie jego właściwości. 1. Obliczyć w jakich proporcjach należy zmieszać składniki buforu, aby uzyskać zadany przez prowadzącego roztwór buforowy. 2. Przygotować roztwór buforowy. 3. Zmierzyć ph przygotowanego roztworu buforowego za pomocą ph-metru. Wyniki zapisać w tabeli 4. B. Badanie właściwości buforu. Do pięciu zlewek odmierzyć po 20 cm 3 buforu. Następnie, do pierwszej zlewki dodać 1 cm 3 0.1M roztworu HCl, do drugiej 5 cm 3 0.1M roztworu HCl, do trzeciej 1 cm 3 0.1M roztworu NaOH, do czwartej 5 cm 3 roztworu 0.1M roztworu NaOH. Do piątej zlewki dodać 20 cm 3 wody destylowanej. Zmierzyć ph tych roztworów. C. Pomiar ph rozcieńczonych roztworów kwasów i zasad. Do pięciu zlewek odmierzyć po 20 cm 3 wody destylowanej. Pierwszą zlewkę pozostawić bez zmian. Do drugiej zlewki dodać 1 cm 3 0.1M roztworu HCl, do trzeciej 5 cm 3 0.1M roztworu HCl, do czwartej 1 cm 3 0.1M roztworu NaOH, do piątej 5 cm 3 roztworu 0.1M roztworu NaOH. Zmierzyć ph tych roztworów. Wykonać obliczenia teoretycznego ph dla roztworów buforowych korzystając ze wzoru: ph = pk log (C HA /C BA ) gdzie: C HA stężenie kwasu, C BA zasadowego składnika buforu. Wyniki zapisać w tabeli (Tabela 4). Wyciągnąć wnioski. Tabela 4 20 cm 3 buforu Roztwór badany ph zmierzone ph teoretyczne 20 cm 3 buforu + 1 cm 3 HCl 20 cm 3 buforu + 5 cm 3 HCl 20 cm 3 buforu + 1 cm 3 NaOH 20 cm 3 buforu + 5 cm 3 NaOH 20 cm 3 buforu + 20 cm 3 wody destylowanej 20 cm 3 wody destylowanej 20 cm 3 wody destylowanej + 1 cm 3 HCl 20 cm 3 wody destylowanej + 5 cm 3 HCl 20 cm 3 wody destylowanej + 1 cm 3 NaOH BUFOR WODA DESTYLOWANA 8

9 20 cm 3 wody destylowanej + 5 cm 3 NaOH Wynik eksperymentu: Należy przedstawić prowadzącemu ćwiczenie wypełnioną zgodnie z instrukcją tabelę oraz wynikające z niej wnioski. 9

10 ANALIZA JAKOŚCIOWA ANIONÓW I KATIONÓW Spotkanie 4 Analiza jakościowa substancji nieorganicznych często sprowadza się do określenia składu badanej soli. Sole w roztworze wodnym ulegają dysocjacji na kationy metalu (lub amonu) i aniony reszty kwasowej. W klasycznej analizie jakościowej przeprowadza się osobno reakcje identyfikacji kationów i anionów przestrzegając ustalonych schematów. Analizę wykonuje się w sposób uporządkowany przeprowadzając: reakcje grupowe (reakcje przebiegające z wieloma jonami), a następnie reakcje selektywne (różnicujące poszczególne jony, przebiegające z jednym lub kilkoma jonami zawężające poszukiwania do jednego lub dwóch jonów) i wreszcie reakcje charakterystyczne potwierdzające obecność jednego, wykrytego jonu. I tak, w celu identyfikacji składu elektrolitu przeprowadza się w pierwszej kolejności reakcje, w których badany kation reaguje specyficznie z anionem dodanego odczynnika tworząc np. związek trudno rozpuszczalny w wodzie o określonej barwie i odpowiednio, badany anion reaguje z kationem dodanego odczynnika dając charakterystyczny np. barwny, trudno rozpuszczalny w wodzie osad. Powstałe osady analizuje się następnie sprawdzając ich rozpuszczalność w kwasach lub zasadach lub innych specyficznych rozpuszczalnikach. Do identyfikacji składu jakościowego roztworu soli wykorzystuje się także reakcje, w których powstają barwne roztwory lub wydzielają się lotne substancje np. CO 2, NH 3 czy CH 3 COOH. W takim przypadku, obecność lotnych związków stwierdza się poprzez badanie zapachu, burzenie się roztworu w probówce czy zmianę zabarwienia wilgotnego papierka wskaźnikowego umieszczonego u wylotu probówki. W niektórych przypadkach przydatna okazuje się analiza metodą suchą (reakcje nie przebiegające w roztworach elektrolitów) polegająca na ogrzaniu lub stapianiu badanej substancji stałej z inną substancją. Przykładem takiej analizy jest metoda płomieniowa polegająca na ogrzewaniu badanej substancji naniesionej na drucik platynowy w płomieniu palnika. Badana substancja przechodzi wówczas w stan lotny i zabarwia płomień palnika na określony kolor 1. Metodą tą można zidentyfikować jony Ca 2+, Ba +2, Sr 2+, K + i Na Ślepe próby dla anionów i kationów Ślepa próba: jest to element analizy jakościowej polegający na prowadzeniu reakcji charakterystycznych na roztworze soli o znanym składzie. Przeprowadzenie reakcji polega na dodaniu do roztworu soli rozpatrywanego jonu odczynnika (lub zestawu odczynników, np. dla zapewnienia odpowiedniego środowiska reakcji), dającego w wyniku przebiegu reakcji osad charakterystyczny dla danego jonu (barwa, postać) lub charakterystyczną barwę roztworu. UWAGA: W materiałach do ćwiczeń umieszczono jedynie sugerowane sposoby rozwiązywania zadań z zakresu analizy jakościowej wybranych anionów i kationów dostosowane do specyfiki pracowni. Nie podano przebiegu reakcji grupowych, selektywnych i charakterystycznych, które są dostępne w każdym podręczniku o tej tematyce, także w literaturze zalecanej w punktach 1, 2 i 3 niniejszych materiałów. Znajomość przebiegu tych reakcji jest niezbędna do prawidłowego przygotowania się zajęć i do efektywnego wykonania ćwiczenia. 1 Metodą suchą potwierdza się obecność kationu dopiero po przeprowadzeniu reakcji ze wszystkimi odczynnikami. Przedwczesna analiza płomieniowa może prowadzić do mylnych wniosków. 10

11 Przebieg ćwiczenia: Zadanie polega na samodzielnym przeprowadzeniu reakcji charakterystycznych dla wybranych sześciu anionów (Cl, CO 3 2, SO 4 2, NO 3, PO 4 3, CH 3 COO ) i sześciu kationów (Pb 2+, Hg 2 2+, Mn 2+, Ca 2+, K +, NH 4 + ). Przed przystąpieniem do właściwych analiz należy wykonać ślepe próby. W tym celu najpierw, korzystając z roztworów soli wymienionych anionów i kationów dostępnych w sali ćwiczeń, należy za pomocą pipety umieszczonej na butli w roztworem soli pobrać do czystej probówki małą objętość (ok. 1 cm 3 ) wybranego roztworu, następnie do probówki wprowadza się wybrany przez siebie odczynnik (ok. 1 cm 3 ) (zestaw odczynników) i prowadzi obserwacje zjawisk zachodzących w probówce. Wynik przeprowadzonej reakcji należy zanotować. Wynik eksperymentu: Na podstawie poczynionych obserwacji należy sporządzić notatki ułatwiające dalsze wykonywanie oznaczeń jakościowych. 11

12 Spotkanie 5 REAKCJE ANALITYCZNE ANIONÓW 5.1. Analiza jakościowa anionów Podział analityczny anionów na VII grup analitycznych, dokonany przez Bunsena, stanowi skuteczne narzędzie do efektywnego oznaczenia jakościowego anionów. Podział ten opiera się na przeprowadzeniu wstępnego testu strąceniowego z roztworów wodnych soli przy użyciu dwóch soli: azotanu (V) srebra AgNO 3 oraz chlorku baru BaCl 2. Następnie bada się rozpuszczalność powstałych osadów w wodzie i kwasie azotowym (V) HNO 3. Na koniec przeprowadza się reakcje charakterystyczne na obecność poszczególnych jonów. Przebieg ćwiczenia: Zadanie polega na analizie anionów w pięciu wodnych roztworach soli. Identyfikacją objętych jest sześć anionów różnych grup analitycznych: anion chlorkowy Cl, węglanowy CO 3 2, fosforanowy (V) PO 4 3,siarczanowy (VI) SO 4 2, azotanowy (V) NO 3 i octanowy CH 3 COO. W celu wykonania zadania należy: 1. Przygotować pięć czystych 2, oznakowanych probówek (1, 2 itd.), umieścić je w zlewce opisanej imieniem i nazwiskiem i dostarczyć prowadzącemu ćwiczenie. PROBÓWKA 1 2. Z otrzymanego do analizy roztworu należy pobrać 1-2 cm 3 roztworu do czystej probówki. Resztę pozostawić do dalszej analizy. 3. Do próby dodać roztwór AgNO 3 (ok. 1-2 cm 3 ). Zapisać wynik. 4. W przypadku pojawienia się osadu do mieszaniny dodać nadmiar wody (ewentualnie podgrzać). Zanotować obserwacje. Brak oznak rozpuszczania osadu wniosek osad nierozpuszczalny. Ubytek osadu (częściowe rozpuszczenie) wniosek osad trudno rozpuszczalny. 5. Jeśli osad się nie rozpuścił dodać 2M HNO 3 (ewentualnie podgrzać mieszaninę). Zanotować obserwacje. 6. Do nowej porcji ok. 1-2 cm 3 próby dodać roztwór BaCl 2. Zapisać wynik. 7. Sprawdzić rozpuszczalność ewentualnego osadu w nadmiarze wody i kwasu azotowego (patrz punkt 4 i 5). 8. Wyciągnąć wnioski wynikające z prób wstępnych. 9. Przeprowadzić reakcje charakterystyczne na obecność domniemanego anionu. PROBÓWKA Z otrzymanego do analizy roztworu należy pobrać 1-2 cm 3 roztworu do czystej probówki. Resztę pozostawić do dalszej analizy. 11. Dalsze postępowanie jak dla probówki pierwszej. 12. itd 2 Probówki i inne naczynia muszą być każdorazowo wymyte wodą bieżącą i przepłukane kilka razy (minimum 3) małą objętością wody destylowanej. Zachowanie czystości używanych naczyń daje pewny wynik oznaczeń. 12

13 Tabela 5 Podział anionów na grupy analityczne wg Bunsena Grupa Odczynnik grupowy Wzory jonów Związki wchodzące w skład osadu (ograniczono się tylko do soli jonów wykrywanych podczas ćwiczeń) I AgNO 3 Ø HNO 3 BaCl 2 osadu nie wytrąca Cl jon chlorkowy Br, I, CN, SCN, [Fe(CN) 6 ] 4, [Fe(CN) 6 ] 3 AgCl osad nierozpuszczalny w 2M HNO 3 II AgNO 3 - O HNO 3 BaCl 2 - osadu nie wytrąca CH 3 COO S 2, NO 2 jon octanowy CH 3 COOAg * osad rozpuszczalny w 2M HNO 3 III AgNO 3 - O HNO 3 BaCl 2 - O HNO 3 CO 3 2 jon węglanowy SO3 2, C 2 O 4 2, C 4 H 4 O 6 2, BO 2 Ag 2 CO 3 BaCO 3 osady rozpuszczalne w 2M HNO 3 IV AgNO 3 - barwne O HNO 3 BaCl 2 - barwne OHNO 3 PO 4 3 fosforanowy (V) S 2 O 3 2, CrO 4 2, Cr 2 O 7 2, AsO 4 3, AsO 3 3 Ag 3 PO 4 Ba 3 (PO 4 ) 2 osady rozpuszczalne w 2M HNO 3 V AgNO 3 osadu nie wytrąca BaCl 2 osadu nie wytrąca NO 3 azotanowy (V) ClO 3, MnO 4 _ VI AgNO 3 osadu nie wytrąca * BaCl 2 - Ø HNO 3 SO 4 2 F siarczanowy (VI) BaSO 4 osad nierozpuszczalny w 2M HNO 3 VII AgNO 3 - żółty O HNO 3 BaCl 2 - biały O HNO 3 SiO 3 2 Ø osad nierozpuszczalny O osad rozpuszczalny * sól srebrowa Ag 2 SO 4 na ogół rozpuszcza się w wodzie, chyba że roztwór jest stężony. Siarczan i octan srebra są umiarkowanie rozpuszczalne w wodzie. Wydzielanie osadu zależy więc od stężeń roztworów i do wyniku tych prób należy podchodzić z ostrożnością (np. rozpuszczalność CH 3 COOAg 1.02 g, a rozpuszczalność Ag 2 SO g w100 cm 3 wody). 13

14 Wynik eksperymentu Należy podać prowadzącemu ćwiczenie poprawne nazwy anionów znajdujących się w probówkach od 1 do 5. Przewiduje się trzykrotną próbę rozwiązania zadania. Niepowodzenie w rozwiązaniu analizy skutkuje wydaniem nowych pięciu roztworów Analiza jakościowa mieszaniny anionów Przebieg ćwiczenia: Zadanie polega na analizie anionów w dwóch wodnych roztworach soli. Każdy z roztworów może zawierać maksymalnie dwa aniony. W celu wykonania zadania należy: 1. Przygotować dwie czyste, oznakowane probówki (1, 2) umieścić je w zlewce opisanej imieniem i nazwiskiem i dostarczyć prowadzącemu ćwiczenie. 2. Wykonać analizę. Wynik eksperymentu Należy podać prowadzącemu ćwiczenie poprawne nazwy anionów znajdujących się w probówkach 1 i 2. Przewiduje się trzykrotną próbę rozwiązania zadania. Niepowodzenie w rozwiązaniu analizy skutkuje wydaniem nowych dwu roztworów. 14

15 Spotkanie 6 REAKCJE ANALITYCZNE KATIONÓW Wszystkie kationy dzieli się na pięć grup analitycznych (Tabela 6). Podstawą podziału jest reakcja poszczególnych kationów z tzw. odczynnikami grupowymi 3, z którymi dane kationy tworzą osady trudno rozpuszczalne lub nierozpuszczalne w wodzie. Tabela 6 Podział kationów na grupy analityczne Grupa Odczynnik grupowy Wzory i nazwy kationów I II III IV V 2 M HCl H 2 S lub AKT w środowisku kwaśnym (0.3 M HCl) H 2 S lub AKT w środowisku amoniakalnym 4 (NH 4 Cl, NH 3 aq ) (NH 4 ) 2 CO 3 w środowisku amoniakalnym 4 (NH 4 Cl, NH 3 aq ) Brak odczynnika grupowego Ag + Pb 2+ Hg 2 2+ Cu 2+ As 3+ Sn 2+ Hg 2+ Fe 2+ Fe 3+ Mn 2+ Cr 3+ Al 3+ Zn 2+ Ca 2+ Ba 2+ Sr 2+ Mg 2+ K + NH 4 + kation srebra kation ołowiu (II) kation rtęci (I) kation miedzi (II) kation arsenu (III) kation cyny (II) kation rtęci (II) kation żelaza (II) kation żelaza (III) kation manganu (II) kation chromu (III) kation glinu kation cynku kation wapnia kation baru kation strontu kation magnezu kation potasu kation amonu Związki wchodzące w skład osadu AgCl PbCl 2 Hg 2 Cl 2 CuS As 2 S 3 SnS HgS FeS Fe 2 S 3 MnS Cr(OH) 3 Al(OH) 3 ZnS CaS BaS SrS _ W systematycznej analizie kationów ważna jest kolejność stosowania odczynników grupowych. Należy zatem analizę zawsze rozpoczynać od działania kwasem solnym, w celu wykrycia i oddzielenia kationów grupy pierwszej, następnie stosuje się odczynnik grupowy II itd. Należy bowiem pamiętać, że odczynniki kolejnych grup mogą wytrącać osady również z kationami grup poprzednich. Przystępując do analizy należy: 1. Ustalić przynależność kationu do określonej grupy analitycznej - przeprowadzić reakcje z odczynnikami grupowymi, 2. Dokonać identyfikacji kationu za pomocą reakcji charakterystycznych. Systematyczna analiza kationów jest bardzo pracochłonna i nie będzie tutaj stosowana. 3 Wyjątek stanowi grupa V, która nie posiada odczynnika grupowego, ponieważ większość soli, które tworzą kationy tej grupy, jest dobrze rozpuszczalna w wodzie. 4 W wodnym roztworze amoniaku istnieje równowaga: NH 3 + H 2 O NH OH - Równowaga powyższej reakcji jest tylko nieznacznie przesunięta w prawo. Dlatego też stężenie jonów OH - w wodnym roztworze NH 3 jest niewielkie. Taki roztwór wykazuje więc słabe właściwości zasadowe. 15

16 6.1. Analiza jakościowa kationów Przebieg ćwiczenia: Zadanie polega na analizie pięciu wodnych roztworów soli, w których przedmiotem analizy jest kation. Identyfikacją objętych jest sześć kationów różnych grup analitycznych: kation ołowiu (II) Pb 2+, kation rtęci (I) Hg 2 2+, kation manganu (II) Mn 2+, kation wapnia Ca 2+, kation potasu K + oraz kation amonu NH 4 +. Kationy te wyróżniono tłustym drukiem w tabeli 6. W celu wykonania zadania należy: 1. Przygotować pięć czystych, oznakowanych probówek (1, 2 itd.), umieścić je w zlewce opisanej imieniem i nazwiskiem i dostarczyć prowadzącemu ćwiczenie. PROBÓWKA 1 Ustalenie obecności kationów poszczególnych grup analitycznych w analizowanym roztworze. GRUPA I kationów 1. Z otrzymanego do analizy roztworu należy odlać do czystej probówki 1-2 cm 3 i dodać ok. 1-2 cm 3 odczynnika grupowego (HCl) w celu wytrącenia osadów chlorków I grupy analitycznej (kation srebra Ag +, kation ołowiu (II) Pb 2+, kation rtęci (I) Hg 2 2+ ). Zapisać obserwacje. Brak osadu wskazuje na nieobecność kationów I grupy. 2. W przypadku wystąpienia osadu należy przystąpić do identyfikacji kationu przeprowadzając reakcje charakterystyczne na nowych porcjach roztworu. GRUPA II kationów- kationy tej grupy nie są objęte programem niniejszych ćwiczeń 3. W przypadku braku osadu można do tej samej probówki, zakwaszonej kwasem solnym, dodać odczynnik grupowy II grupy analitycznej - H 2 S w postaci AKT 5. Zawartość probówki podgrzać. 4. Wytrącenie czarnego osadu może wskazywać na obecność kationu miedzi (II) Cu 2+, cyny (II) Sn 2+, lub rtęci (II) Hg 2+, a żółtego na obecność arsenu (III) As 3+. Wynik negatywny wskazuje na brak kationów grupy II w analizie. GRUPA III 5. Należy odmierzyć do czystej probówki nową porcję analitu (1-2 cm 3 ) i przeprowadzić rekcje z odczynnikiem grupowym III grupy analitycznej (NH 4 ) 2 S. W tym celu do analizy dodajemy AKT oraz niewielką ilość wody amoniakalnej (NH 3 aq ). 6. Wytrącenie się czarnego osadu pozwala przypuszczać, że identyfikowanym kationem jest kation żelaza (II) Fe 2+ lub (III) Fe 3+, osad koloru cielistego wskazuje na kation manganu (II) Mn 2+, osad biały- kation glinu Al 3+ lub cynku Zn 2+, a szaro zielony- kation chromu (III) Cr Ponieważ strącanie siarczków II i III grupy analitycznej gazowym siarkowodorem H 2 S, wodą siarkowodorową H 2 S aq i siarczkiem amonu (NH 4 ) 2 S prowadzi do powstawania trudnych do przemywania oraz sączenia osadów, a także działanie siarkowodoru jest szkodliwe dla organizmu człowieka dlatego też do wytrącania kationów w postaci siarczków stosuje się amid kwasu tiooctowego (tioacetamid) AKT. Odczynnik ten w roztworze wodnym jest trwały, natomiast ogrzany do temp. ok. 80 C w środowisku kwaśnym lub zasadowym ulega reakcji hydrolizy z utworzeniem H 2 S lub HS. S H 3 C NH 2 Tak powstały H 2 S w chwili powstawania wytrąca grubokrystaliczne, łatwe do sączenia osady siarczków. 16

17 7. W celu zróżnicowania osadów np. białych siarczków glinu i cynku przeprowadza się dodatkowe reakcje charakterystyczne dla obu kationów. 8. Obecność Mn 2+ potwierdza się przeprowadzając odpowiednie reakcje charakterystyczne. GRUPA IV 9. Jeżeli w analizowanym roztworze nie stwierdzono kationów grupy I do III 6 to do nowej porcji analizy dodajemy odczynnik grupowy (NH 4 ) 2 CO 3. Biały osad wskazuje na obecność kationu wapnia Ca 2+, strontu Sr 2+ lub baru Ba Potwierdzeniem obecności kationu wapnia w roztworze jest przeprowadzenie reakcji charakterystycznych. GRUPA V 11. Ponieważ nie ma odczynnika grupowego kationów grupy V kationy te wykrywa się w następującej kolejności: a. kation magnezu Mg 2+ wytrąca biały osad z Na 2 CO 3 b. kation potasu K + tworzy biały osad z kwasem winowym w środowisku octanu sodu 6. c. kation amonu NH 4 + wydziela charakterystyczny zapach amoniaku po dodaniu roztworu NaOH i ogrzaniu zawartości probówki. 12. Obecność kationów tej grupy potwierdza się, tak jak w poprzednich przypadkach, przeprowadzając reakcje charakterystyczne. Wynik eksperymentu: Należy podać prowadzącemu ćwiczenie poprawne nazwy kationów znajdujących się w probówkach od 1 do 5. Przewiduje się trzykrotną próbę rozwiązania zadania. Niepowodzenie w rozwiązaniu analizy skutkuje wydaniem nowych pięciu roztworów Analiza jakościowa soli Przebieg ćwiczenia: Zadanie polega na analizie dwóch soli w postaci stałej, w których przedmiotem analizy jest kation i anion. W celu wykonania zadania należy: 1. Przygotować dwie czyste, suche i oznakowane probówki (1, 2) umieścić je w zlewce opisanej imieniem i nazwiskiem i dostarczyć prowadzącemu ćwiczenie. 2. Dokonać oceny wstępnej soli: np. postać osadu, barwa. 3. Jeżeli sól jest barwna, to korzystając z kalendarza chemicznego, można zawęzić poszukiwania do ograniczonej liczby substancji. 4. Sól grubokrystaliczną warto rozetrzeć w moździerzu co ułatwi jej rozpuszczenie. 5. Zakwalifikować badaną sól (Tabela 7) do kategorii soli: a. rozpuszczalnej w wodzie b. rozpuszczalnej w kwasach 6 UWAGA: Ze względu na to, że nie stosujemy tutaj uciążliwego rozdziału kationów na grupy trzeba pamiętać, że odczynnik grupowy ((NH 4 ) 2 CO 3 ) daje osady nie tylko z kationem Ca 2+, ale również z kationami I, II i III grupy analitycznej kationów. Z kolei kwas winowy daje osad nie tylko z kationem potasu. Jednakże brak osadu po dodaniu (NH 4 ) 2 CO 3 eliminuje Ca 2+, tak samo brak osadu z winianem eliminuje kation K +. Przed przystąpieniem do analizy IV i V grupy należy zatem mieć pewność, że w roztworze nie ma kationów poprzednich grup. 17

18 c. nierozpuszczalnej w wodzie i kwasach. Tabela 7 Kolejność zastosowania rozpuszczalników w celu zbadania rozpuszczalności soli Rozpuszczalniki 1 zimno H 2 2 O gorąco 3 zimno 2 M HNO 4 3 gorąco 5 HNO 3 stęż./woda zimno 6 1/1 gorąco 7 zimno 2 M HCl 8 gorąco 9 zimno HCl stęż. 10 gorąco 11 zimno woda królewska 12 gorąco Wynik testu 6. W tym celu, do małej próbki soli dodać około 1 cm 3 wody. Odczekać kilka minut ( 3-5) od czasu do czasu zawartość probówki mieszając, ewentualnie podgrzać na łaźni wodnej. Ubytek osadu świadczy o rozpuszczalności soli. 7. W przypadku negatywnego testu rozpuszczalności w wodzie - do małej porcji soli należy dodać ok. 1 cm 3 2 molowego kwasu azotowego (V). Odczekać kilka minut, ewentualnie probówkę podgrzać na łaźni wodnej itd. 8. Na podstawie przeprowadzonych testów rozpuszczalności wyciągnąć wnioski. SÓL ROZPUSZCZALNA W WODZIE 1. Sprawdzić papierkiem wskaźnikowym odczyn roztworu. Wyciągnąć wnioski. 2. Przystąpić do analizy kationu. 3. Na podstawie wiedzy o rozpuszczalności i składzie soli (kation) sformułować wnioski o potencjalnym anionie. 4. Przystąpić do analizy anionu. SÓL ROZPUSZCZALNA W KWASACH Do rozpuszczenia soli należy, w miarę możliwości, unikać zastosowania dużych nadmiarów kwasów oraz kwasów stężonych. Podczas rozpuszczania należy obserwować ewentualne wydzielanie się gazów. Jeżeli sól jest nierozpuszczalna w wodzie to oznacza to, że badana sól nie jest solą potasową, sodową, ani też amonową, czyli poszukiwania zawężają się do kationów I - IV grupy analitycznej. Sól trudnorozpuszczalna nie jest też azotanem, dlatego też celowe jest podjęcie próby jej rozpuszczenia w HNO Sól rozpuszczoną w kwasie należy odparować do sucha, a następnie suchą pozostałość rozpuścić w wodzie i przystąpić do systematycznego wykrywania kationów. Wyciągnąć wnioski. 2. Przystąpić do analizy anionu. Wynik eksperymentu: 18

19 Należy podać prowadzącemu ćwiczenie poprawne nazwy obu soli. Przewiduje się trzykrotną próbę rozwiązania zadania. Niepowodzenie w rozwiązaniu analizy skutkuje wydaniem nowych soli. 19

20 ALKACYMETRIA Spotkanie Przygotowanie roztworu podstawowego ~ 0.05M roztworu kwasu szczawiowego (H 2 C 2 O 4 2H 2 O) Roztwór podstawowy jest to roztwór o dokładnie znanym stężeniu substancji podstawowej. Substancja podstawowa = wzorcowa spełnia następujące warunki: 1. posiada ściśle określony skład chemiczny 2. jest niehigroskopijna 3. jest chemicznie czysta 4. reaguje w sposób jednoznaczny, reakcja przebiega do końca 5. jest łatwa do otrzymania 6. jest rozpuszczalna w wodzie. Roztwór podstawowy służy do ustalania stężenia molowego składnika w roztworze mianowanym = titrancie. W naszym przypadku roztworem podstawowym jest roztwór kwasu szczawiowego, a roztworem mianowanym będzie roztwór NaOH. Przebieg ćwiczenia: 1. Oblicz masę dwuwodnego kwasu szczawiowego H 2 C 2 O 4 2H 2 O potrzebną do otrzymania 250 cm M roztworu kwasu szczawiowego. 2. Korzystając z wagi analitycznej do zlewki na 25 cm 3 odważ obliczoną naważkę H 2 C 2 O 4 2H 2 O, zanotuj z dokładnością do czwartego miejsca po przecinku ilość odważonej substancji podstawowej. 3. Korzystając z lejka szklanego oraz tryskawki z wodą destylowaną przenieś naważkę ilościowo do kolby miarowej o pojemności 250 cm 3. Odczekaj do momentu całkowitego rozpuszczanie kwasu szczawiowego i uzupełnij kolbę do kreski wodą destylowaną (menisk dolny). 4. Uwzględniając masę twojej naważki obliczyć stężenie molowe otrzymanego roztworu podstawowego. Masa molowa H 2 C 2 O 4 2H 2 O wynosi g/mol. Wynik eksperymentu: Należy obliczyć stężenie molowe przygotowanego kwasu szczawiowego. Wynik zanotować Roztwór zachować do kolejnych oznaczeń. 20

21 Spotkanie Przygotowanie około 0.1 molowego roztworu NaOH Przebieg ćwiczenia: 1. Obliczyć ilość cm 3 3 molowego NaOH konieczną do przygotowania 500 cm molowego roztworu NaOH. 2. Za pomocą pipety wielomiarowej odmierzyć do butli na 500 cm 3 obliczoną objętość 3 molowego roztworu NaOH. Uzupełnić butlę wodą destylowaną. Otrzymany roztwór NaOH dokładnie wymieszać. Wynik eksperymentu: Butlę z otrzymanym roztworem NaOH należy zamknąć korkiem, opisać i zachować do kolejnych oznaczeń Nastawianie miana NaOH na kwas szczawiowy Przebieg ćwiczenia: 1. Przygotować biuretę przemywając ją kilkakrotnie wodą destylowaną, a następnie 2-3 razy małą objętością przygotowanego roztworu NaOH. 2. Do 3 kolbek stożkowych o pojemności cm 3 pobrać dokładnie pipetą jednomiarową po 10 cm 3 roztworu kwasu szczawiowego. Dodać po 3-4 krople fenoloftaleiny. 3. Przeprowadzić miareczkowanie roztworem NaOH do pojawienia się trwałego (min. 30 sek.) różowego zabarwienia. 4. Miareczkowanie powtórzyć minimum trzykrotnie. Biuretę każdorazowo należy uzupełnić titrantem. (Wyniki trzech miareczkowań nie powinny różnić się o więcej niż 0.1 cm 3.) 5. Na podstawie wykonanych miareczkowań określić średnie zużycie roztworu NaOH w cm Korzystając z poniższego równania reakcji oraz danych eksperymentalnych obliczyć miano roztworu NaOH. Wynik eksperymentu: H 2 C 2 O NaOH Na 2 C 2 O 4 + 2H 2 O Należy obliczyć stężenie molowe roztworu NaOH. Wynik zanotować. Opisany roztwór NaOH zachować Alkacymetryczne oznaczanie kwasu solnego Przebieg ćwiczenia: 1. W celu otrzymania próbki analitu (roztwór kwasu solnego) kolbę miarową o objętości 100 cm 3 opisaną imieniem i nazwiskiem należy dostarczyć prowadzącemu ćwiczenie. 21

22 2. Próbkę analitu starannie uzupełnić wodą destylowaną do kreski (menisk dolny) i dokładnie wymieszać. 3. Do trzech kolbek stożkowych o pojemności cm 3 pobrać dokładnie pipetą jednomiarową po 10 cm 3 analitu oraz dodać po 3-4 krople oranżu metylowego. 4. Zmiareczkować próbkę mianowanym roztworem NaOH do zmiany zabarwienia wskaźnika. 5. Miareczkowanie powtórzyć minimum trzykrotnie. Biuretę każdorazowo uzupełnić titrantem. Wyniki trzech miareczkowań nie powinny różnić się o więcej niż 0.1 cm Korzystając z równania reakcji oraz danych eksperymentalnych obliczyć masę kwasu solnego otrzymanego do analizy. Wynik (masa HCl w 100 cm 3 ) podać w gramach i miligramach. Uwaga! Należy pamiętać, że do miareczkowania pobierano każdorazowo 10 cm 3 analitu z kolbki o pojemności 100 cm 3. Wynik eksperymentu: Należy podać prowadzącemu ćwiczenie zawartość kwasu solnego (g i mg) w 100 cm 3 analitu. 22

23 SPEKTROFOTOMETRIA (KOLORYMETRIA) Spotkanie 9 Wielkością szczególnie użyteczną przy oznaczeniach spektrofotometrycznych jest absorbancja: I 0 A log I gdzie I 0 jest natężeniem światła padającego a I natężeniem światła przechodzącego przez próbkę. Zgodnie z prawem Lamberta-Beera, odnoszącym się do absorpcji światła monochromatycznego przez roztwory, absorbancja jest wprost proporcjonalna do stężenia roztworu c i drogi optycznej l, czyli grubości warstwy roztworu, przez którą przechodzi światło. A = k l c Współczynnik absorpcji k charakteryzuje intensywność absorpcji promieniowania elektromagnetycznego przez daną substancję przy określonej długości fali. Metodą spektrofotometryczną najłatwiej więc oznaczać substancje charakteryzujące się dużymi współczynnikami absorpcji. Jeżeli stężenie absorbującej substancji c jest wyrażone w mol/dm 3 wówczas współczynnik absorpcji k nazywamy molowym współczynnikiem absorpcji (albo absorpcyjnością molową) i oznaczamy literą Jeżeli drogę optyczną l wyrazimy w cm, wówczas jednostką jest dm 3 mol -1 cm -1. Często, również w naszych ćwiczeniach, gdy interesuje nas nie tyle ilość moli co masa analitu, dogodnie jest jednak posługiwać się innymi jednostkami stężenia, takimi jak g/dm 3, mg/cm 3. Znajomość współczynnika absorpcji k i drogi optycznej l pozwala na bezpośrednie obliczenie z równania Lamberta-Beera stężenia analizowanej substancji. Ze względu na to, że nie zawsze znamy wartość współczynnika k jak i poniżej omówione odchylenia (7) od prawa Lamberta-Beera bezpieczniej jest jednak zastosować metodę krzywej wzorcowej (kalibracyjnej). W celu wykonania krzywej wzorcowej przygotowuje się zwykle kilka (4-6) roztworów wzorcowych o wzrastającym stężeniu analizowanego pierwiastka i mierzy ich absorbancję przy długości fali λ max, stosując wodę destylowaną jako roztwór odniesienia (8). Stężenia roztworów wzorcowych powinny być tak dobrane, aby absorbancja nie była większa od 1,5 (9). Następnie wykreśla się krzywą wzorcową (Rysunek 1) A = f(c), która przy idealnym spełnieniu prawa Lamberta-Beera jest linią prostą o nachyleniu kl, przechodzącą przez początek układu współ- (7) Pomiar absorpcji roztworów stężonych rodzi niebezpieczeństwa wynikające z odstępstw od prawa Lamberta- Beera. Jeśli w danym zakresie stężenia absorbancja jest mniejsza niż przewiduje równanie Lamberta-Beera mówimy o odchyleniu ujemnym jeśli jest przeciwnie, o odchyleniu dodatnim. Odchylenia te wynikają z różnych oddziaływań i reakcji chemicznych cząsteczek oznaczanej substancji między sobą, z rozpuszczalnikiem bądź innymi składnikami roztworu. (8) Podczas pomiaru absorbujący roztwór znajduje się w kuwecie, której ścianki nie są nigdy idealnie przezroczyste (absorbancja rzędu kilku setnych). Do tego przy wybranej długości fali również rozpuszczalnik i inne składniki roztworu niż oznaczana substancja mogą dawać pewien wkład do całkowitej absorbancji. Jeśli prawo Lamberta-Beera ma być spełnione te wkłady pochodzące od kuwety, rozpuszczalnika itp. należy odjąć. Można tego dokonać przez umieszczenie w przyrządzie przed właściwym pomiarem kuwety z samym rozpuszczalnikiem i pomiar absorbancji bez substancji badanej. Wartość tę trzeba następnie odejmować od otrzymanych wyników (kompensacja). W nowoczesnych spektrofotometrach kompensacja zachodzi automatycznie. (9) Należy unikać pomiarów dużych wartości absorbancji (umownie A > 1,5). Ze wzrostem absorbancji wydatnie maleje bowiem dokładność pomiaru. Np. przy A = 3 natężenie światła przechodzącego przez próbkę jest już 1000 razy mniejsze niż natężenie światła padającego. Jeżeli absorbancja jest zbyt duża badany roztwór należy rozcieńczyć. 23

24 rzędnych. Krzywa wzorcowa służy do bezpośredniego odczytu stężenia badanej substancji na podstawie pomiaru absorbancji jej roztworu przy określonej długości fali Absorbancja Stężenie metalu, mg/cm 3 Rysunek 1 Przykładowa krzywa wzorcowa. Ważne jest, aby próbki o nieznanej zawartości Fe 3+ lub Cu 2+ przygotować w warunkach identycznych jak dla roztworów wzorcowych (ilość odczynnika kompleksującego, ph, temperatura, warunki pomiaru absorbancji: długość fali, grubość kuwety). Oznaczenie spektrofotometryczne wykonywane na ćwiczeniach obejmuje: wykonanie krzywej wzorcowej dla roztworów wzorcowych Fe 3+ lub Cu 2+, oznaczenie zawartości Fe 3+ lub Cu 2+ w badanej próbce Oznaczanie Fe 3+ metodą rodankową Jony Fe 3+ tworzą z jonami rodankowymi SCN (tiocyjanianowymi) w środowisku kwaśnym kompleksy o czerwonym zabarwieniu zgodnie z poniższymi równaniami: Fe 3+ + SCN Fe(SCN) 2+, Fe(SCN) 2+ + SCN [Fe(SCN) 2 ] +, itd. aż do: [Fe(SCN) 5 ] 2 + SCN [Fe(SCN) 6 ] 3. W roztworach rozcieńczonych stosowanych w spektrofotometrii występują głównie kompleksy Fe(SCN) 2+. Intensywność zabarwienia roztworu jest wprost proporcjonalna do stężenia jonów Fe 3+. Z charakterystycznego dla oznaczanego kompleksu widma absorpcji, czyli zależności absorpcji światła od długości fali λ, wyznacza się λ max., tzn. długość fali, przy której analizowana próbka wykazuje największą absorbancję (Rysunek 2). 24

25 1 max 0.8 Absorbancja Długość fali, l Rysunek 2 Widmo absorpcji kompleksu jonów Fe 3+ z jonami tiocyjanianowymi w roztworze wodnym. Przebieg ćwiczenia: Przygotowanie krzywej wzorcowej dla oznaczania Fe 3+ : Roztwór wzorcowy roboczy 1. Kolbę miarową o pojemności 100 cm 3 opisaną imieniem i nazwiskiem dostarczyć prowadzącemu ćwiczenie. 2. Do kolbki prowadzący ćwiczenie wydaje roztwór zawierający 1 mg Fe Kolbkę należy starannie uzupełnić do kreski wodą destylowaną, wymieszać. Roztwory wzorcowe 1. Do pięciu kolbek miarowych o pojemności 25 cm 3 odmierzyć kolejno 3, 6, 9, 12, 15 cm 3 roztworu roboczego. 2. Do każdej kolbki dodaje się 1 cm 3 2M roztworu HNO 3 i 5 cm 3 20% roztworu KSCN. 3. Całość uzupełnić wodą destylowaną do kreski, wymieszać. 4. Zmierzyć absorbancję przy max = 480 nm dla poszczególnych roztworów (10). Jako roztwór odniesienia należy użyć wodę destylowaną (11). 5. Na papierze milimetrowym wykreślić zależność A = f(c). Oznaczenie Fe 3+ w analizowanej próbce 1. Kolbę miarową o pojemności 100 cm 3 opisaną imieniem i nazwiskiem dostarczyć prowadzącemu ćwiczenie. 2. Otrzymaną próbę o nieznanej zawartości Fe 3+ uzupełnić do kreski wodą destylowaną, wymieszać. 3. Z tego roztworu pobrać do 3 kolbek o pojemności 25 cm 3 po 10 cm 3, dodać KSCN i HNO 3, podobnie jak przy sporządzaniu roztworów do krzywej wzorcowej. 4. Roztwory uzupełnić wodą destylowaną do kreski, wymieszać. (10) Kuwetę przed pomiarem absorbancji należy przemyć badanym roztworem. (11) Należy przed pomiarem absorbancji sprawdzić, czy spektrofotometr ma ustawioną odpowiednią długość fali i czy jest wykalibrowany. 25

26 5. Zmierzyć absorbancję analizowanych roztworów przy długości fali max (10). Jako roztwór odniesienia należy użyć wodę destylowaną (11). 6. Obliczyć średnią z trzech pomiarów absorbancji. 7. Odczytać stężenie żelaza z krzywej wzorcowej i obliczyć zawartość Fe 3+ w badanej próbce. Wynik eksperymentu: Należy podać prowadzącemu ćwiczenie zawartość Fe 3+ (w mg) w kolbce o pojemności 100 cm 3. Wskazówka do obliczeń: Zastanów się: 1) jaka jest masa Fe 3+ w kolbce o pojemności 25 cm 3, znając z krzywej wzorcowej stężenie Fe 3+ w 1 cm 3 roztworu? 2) jak jest masa analitu w całej próbce wiedząc, że do kolbki o pojemności 25 cm 3 pobrano 10 cm 3 z kolbki (100 cm 3 ) zawierającej analizę? 9.2. Spektrofotometryczne oznaczanie miedzi (II) Jony Cu 2+ w roztworach wodnych związane są z czterema ligandami cząsteczkami wody tworząc jon [Cu(H 2 O) 4 ] 2+ o barwie niebieskiej. Po dodaniu amoniaku do roztworu zawierającego jony miedzi (II) powstaje kompleks [Cu(NH 3 ) 4 ] 2+ o intensywnym niebiesko-granatowym zabarwieniu. Intensywność zabarwienia jest wprost proporcjonalna do stężenia jonów Cu 2+ w roztworze. Z widma absorpcji (Rysunek 3) wyznaczamy długość fali max dla badanego kompleksu miedzi czyli długość fali, przy której analizowana próbka wykazuje największą absorbancję max Absorbancja Długość fali, Rysunek 3 Widmo absorpcji kompleksu jonów Cu 2+ z amoniakiem. Przebieg ćwiczenia: Przygotowanie krzywej wzorcowej dla oznaczania Cu 2+ : Roztwór wzorcowy roboczy 1. Kolbę miarową o pojemności 100 cm 3 opisaną imieniem i nazwiskiem dostarczyć prowadzącemu ćwiczenie. 26

27 2. Do kolby prowadzący ćwiczenie wydaje roztwór zawierający 100 mg Cu Kolbkę należy uzupełnić do kreski wodą destylowaną, wymieszać. Roztwory wzorcowe 1. Do pięciu kolbek miarowych o pojemności 25 cm 3 odmierzyć kolejno 3, 6, 9, 12, 15 cm 3 roztworu roboczego. 2. Do każdej kolbki dodaje się 3 cm 3 3 M roztworu NH 4 OH. 3. Całość uzupełnić wodą destylowaną do kreski, wymieszać. 4. Zmierzyć absorbancję przy max = 608 nm dla poszczególnych roztworów (12). Jako roztwór odniesienia należy użyć wodę destylowaną (13). 5. Na papierze milimetrowym wykreślić zależność A = f(c). Oznaczenie Cu 2+ w analizowanej próbce 1. Kolbę miarową o pojemności 100 cm 3 opisaną imieniem i nazwiskiem dostarczyć prowadzącemu ćwiczenie. 2. Otrzymaną w kolbie próbę o nieznanej zawartości Cu 2+ uzupełnić do kreski wodą destylowaną, wymieszać. 3. Z tego roztworu pobrać do 3 kolbek o pojemności 25 cm 3 po 10 cm 3, dodać podobnie jak przy sporządzaniu roztworów do krzywej wzorcowej, 3 cm 3 3 M roztworu NH 4 OH. 4. Roztwory uzupełnić wodą destylowaną do kreski, wymieszać. 5. Zmierzyć absorbancję roztworów przy max (12). Jako roztwór odniesienia należy użyć wodę destylowaną (13). 6. Obliczyć średnią z trzech pomiarów absorbancji. 7. Odczytać stężenie miedzi z krzywej wzorcowej i obliczyć zawartość Cu 2+ w badanej próbce. Wynik eksperymentu: Należy podać prowadzącemu ćwiczenie zawartość Cu 2+ (w mg) w kolbce o pojemności 100 cm 3. Wskazówka: Zastanów się: 1) jaka jest masa Cu 2+ w kolbce o pojemności 25 cm 3, znając z krzywej wzorcowej stężenie Cu 2+ (ilość Cu 2+ w 1 cm 3 roztworu)? 2) jaka jest masa analitu w całej próbce wiedząc, że do kolbki o pojemności 25 cm 3 pobrano 10 cm 3 z kolbki (100 cm 3 ) zawierającej analizę? (12) Kuwetę przed pomiarem absorbancji należy przemyć badanym roztworem. (13) Należy przed pomiarem absorbancji sprawdzić, czy spektrofotometr ma ustawioną odpowiednią długość fali i czy jest wykalibrowany. 27

28 POTENCJOMETRIA (ph-metria) Spotkanie Oznaczenie wybranego elektrolitu HCl, NaOH, NH 4 OH (NH 3 ) lub CH 3 COOH W oznaczeniu potencjometrycznym wykorzystuje się pomiar zmian ph podczas miareczkowania roztworu w zależności od objętości dodawanego roztworu mianowanego. Oznaczenie potencjometryczne przeprowadzone na ćwiczeniach obejmuje: sporządzenie krzywej miareczkowania w układzie titrant - analit wskazanym przez prowadzącego ćwiczenie, oznaczenie zawartości analitu w badanej próbce. Przebieg ćwiczenia: Wykonanie miareczkowania potencjometrycznego: Przebieg ćwiczenia: 1. Przygotować suchą zlewkę o pojemności cm 3 opisaną imieniem i nazwiskiem i dostarczyć prowadzącemu ćwiczenie. 2. Prowadzący ćwiczenie w zlewce o pojemności ok. 150 cm 3 wydaje roztwór analitu, a do zlewki (suchej) dostarczonej przez studenta nalewa roztwór titranta (roztwór mianowany nie należy go rozcieńczać wodą!!). 3. Roztwór analitu uzupełnić wodą destylowaną, tak, aby banieczka elektrody była całkowicie zanurzona w roztworze. 4. Biuretę przemyć wodą destylowaną, przemyć 1-2 razy niewielkimi porcjami titranta i uzupełnić titrantem do pozycji 0. Resztę titranta pozostawić do drugiego miareczkowania (nie wylewać!!). 5. W czasie miareczkowania roztwór należy mieszać przy pomocy mieszadła magnetycznego. Próbkę miareczkuje się roztworem titranta, odczytując każdorazowo wartość ph i zapisując ją w tabeli ( Tabela 8). Pierwszy odczyt ph odpowiada dodaniu 0 cm 3 roztworu titranta. 8. W toku ćwiczenia należy wykonać dwa miareczkowania. Pierwsze miareczkowanie- orientacyjne- służy określeniu przybliżonej objętości titranta, przy której następuje skok miareczkowania. 9. W tym celu należy dodawać po 2 cm 3 roztworu titranta do mieszanego roztworu analitu każdorazowo odczytując wartość ph. 10. Do drugiego miareczkowania prowadzący ćwiczenie wydaje powtórnie taką samą próbkę analitu. 11. Biuretę należy uzupełnić ponownie roztworem titranta do pozycji W drugim miareczkowaniu początkowo dodaje się po 1 cm 3 roztworu titranta, a przed spodziewanym skokiem miareczkowania ilość dodawanego roztworu titranta należy zmniejszyć do 0,2 cm 3, pamiętając o odczytywaniu wartości ph. Miareczkowanie zakończyć, gdy wartość ph zmienia się nieznacznie. Wyniki miareczkowania zapisać w tabeli ( Tabela 8). 28

29 Tabela 8 objętość titranta V, cm ph Wynik eksperymentu: 15. Na papierze milimetrowym narysować wykres zależności ph = f(v), a następnie wyznaczyć graficznie punkt równoważnikowy (należy wykreślić dwie równoległe styczne do krzywej miareczkowania przed i po punkcie przegięcia a następnie poprowadzić ich środkową). Można również zastosować metodę pierwszej pochodnej (wykres ph/v = f(v). Na podstawie wyników miareczkowania obliczyć masę substancji (w g i mg) w roztworze otrzymanym do analizy. Wynik wraz z krzywą miareczkowania naniesioną na papier milimetrowy należy przedstawić prowadzącemu ćwiczenie. 29

30 PREPARATYKA NIEORGANICZNA Spotkanie 11 Przebieg ćwiczenia: Zadanie polega na syntezie jednego z dwóch preparatów nieorganicznych przydzielonego przez prowadzącego ćwiczenie Preparat 1 Siarczan tetraaminamiedzi(ii) - [Cu(NH 3 ) 4 ]SO 4 H 2 O Rozetrzeć dokładnie w moździerzu 5 g krystalicznego siarczanu miedzi (CuSO 4 5H 2 O), przenieść do małej zlewki i rozpuścić w mieszaninie 5 ml wody i odpowiedniej objętości stężonego amoniaku (stężony amoniak dodawać aż do całkowitego rozpuszczenia jasnoniebieskiego osadu; 9-10 ml). Roztwór przesączyć przez sączek karbowany z bibuły filtracyjnej do małej zlewki. Następnie, ciągle mieszając roztwór, dodać kroplami 10 ml alkoholu (pobrać od laboranta). Roztwór pozostawić do krystalizacji w łaźni z lodem na 15 minut. Wydzielone kryształy odsączyć na lejku sitowym Büchnera z sączkiem z bibuły i przemyć 10 ml mieszaniny (1:1) etanolu i stężonego amoniaku, a następnie 10 ml alkoholu. Otrzymane kryształy rozłożyć na bibule i wysuszyć na powietrzu w temperaturze pokojowej. Wynik eksperymentu: Preparat należy zważyć i obliczyć wydajność teoretyczną i praktyczną. Wynik przedstawić prowadzącemu ćwiczenie. Uwaga! Przy obliczaniu wydajności należy pamiętać, że substrat reakcji (CuSO 4 ) oraz utworzony produkt jest uwodniony!! Preparat 2 Chlorek heksaaminaniklu(ii) [Ni(NH 3 ) 6 ]Cl 2 W niewielkiej zlewce, rozpuścić 2 g chlorku niklu (NiCl 2 6H 2 O) w 5 ml wody destylowanej. Jeśli roztwór nie jest klarowny, należy go przesączyć przez sączek karbowany z bibuły filtracyjnej. Następnie do roztworu, dodawać powoli mieszając 7,5 ml stężonego amoniaku, po czym zlewkę z mieszaniną reakcyjną umieścić w łaźni z lodem. Po 10 minutach dodać 20 ml alkoholu etylowego (pobrać od laboranta), w celu całkowitego wytrącenia kompleksu. Zlewkę pozostawić w łaźni z lodem przez kolejne 15 minut. Wydzielone kryształy odsączyć na lejku sitowym Büchnera z sączkiem z bibuły a następnie przemyć 10 ml etanolu. Otrzymane kryształy rozłożyć na bibule i wysuszyć na powietrzu w temperaturze pokojowej. Wynik eksperymentu: Preparat należy zważyć i obliczyć wydajność teoretyczną i praktyczną. Wynik przedstawić prowadzącemu ćwiczenie. 30

31 Uwaga! Przy obliczaniu wydajności należy pamiętać, że substrat reakcji (NiCl 2 ) jest uwodniony!! 31