Ćwiczenie 3 Oznaczenie zawartości wody krystalizacyjnej w CuSO 4 5H 2 O z wykorzystaniem analizatora wilgoci (częściowe odwodnienie) oraz suszarki laboratoryjnej (częściowe i całkowite odwodnienie) Literatura 1. Minczewski J., Marczenko Z., Chemia analityczna. T.2. Chemiczne metody analizy ilościowej. Wyd. 10. PWN, Warszawa 2011. 2. Szmal Z.S., Lipiec T., Chemia analityczna z elementami analizy instrumentalnej, Wyd. VII poprawione i unowocześnione, PZWL, Warszawa 1996. 3. Persona A.(red.) Chemia analityczna. Wyd. Medyk, Warszawa, 2007. 4. Skrypt do ćwiczeń z chemii ogólnej, nieorganicznej i analitycznej, pod redakcją E. Skrzydlewskiej, Uniwersytet Medyczny w Białymstoku, Białystok 2010. 5. Galus Z., Ćwiczenia rachunkowe z chemii analitycznej. Wyd. 9. WNT, Warszawa 2007 Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z różnymi technikami wykorzystywanymi do ilościowego oznaczania zawartości wody higroskopijnej i krystalizacyjnej w substancjach stałych oraz porównanie dokładności wyników otrzymywanych z wykorzystaniem suszarki oraz analizatora wilgoci. Zakres materiału: podstawy teoretyczne i praktyczne dotyczące analizy wagowej, czynniki wpływające na rozpuszczalność osadów, osad w analizie ilościowej, wagi, sposoby oznaczania zawartości wody higroskopijnej i krystalizacyjnej, znajomość obliczeń chemicznych iloczyn rozpuszczalności i analiza wagowa. Zagadnienia z wykładu ilościowa analiza chemiczna, w tym analiza wagowa. I. Część teoretyczna Woda w substancjach stałych W substancjach stałych woda może występować w następujących postaciach: woda higroskopijna zaadsorbowana (skondensowana) na powierzchni ciała; wodę tę łatwo można usunąć, umieszczając substancję np. w eksykatorze ze środkiem suszącym lub ogrzewając w temperaturze ok. 105 0 C woda krystalizacyjna tworzy dość trwałe połączenia z daną substancją, wchodząc w skład jej sieci krystalicznej w ściśle określonym stosunku stechiometrycznym; powstają wówczas tzw. hydraty (wodziany), np.: CuSO 4 5H 2 O, Na 2 SO 4 10H 2 O, H 2 C 2 O 4 2H 2 O woda konstytucyjna jest integralną częścią związku chemicznego i wydzielona jest tylko w czasie termicznego rozkładu tego związku np.: Ca(OH) 2 CaO + H 2 O 1
II. Część doświadczalna Zasada oznaczania Oznaczanie wody krystalizacyjnej polega na ilościowym określeniu zawartości wody w soli uwodnionej siarczanie (VI) miedzi (II) [CuSO. 4 5 H 2 O] na podstawie ubytku masy powstałego podczas suszenia. Każdej cząsteczce siarczanu miedzi(ii) towarzyszy 5 cząsteczek wody krystalizacyjnej, które w całości usuwane są w całości dopiero w temperaturze powyżej 200 0 C. W pięciowodnym siarczanie miedzi [CuSO. 4 5H 2 O] występują 4 cząsteczki wody związane z jonem miedzi kationowa woda krystalizacyjna [liczba koordynacyjna Cu 2+ wynosi 4], a piąta cząsteczka wody anionowa woda krystalizacyjna połączona jest z anionem siarczanowym za pomocą dwóch wiązań wodorowych i równocześnie jest związana wiązaniami wodorowymi z dwiema skoordynowanymi przez jon miedzi (II) cząsteczkami wody. W temperaturze ok. 110 0 C zachodzi proces częściowego odwodnienia (sól przekształca się do postaci monohydratu), który można przyspieszyć stosując temperaturę ok. 160 0 C. Woda krystalizacyjna badanego związku uwalnia się w temperaturze: CuSO 4 5H 2 O 110 160 C CuSO 4 H 2 O + 4H 2 O (częściowe odwodnienie) CuSO 4 H 2 O 240 250 C Wykonanie oznaczenia CuSO 4 + H 2 O (całkowite odwodnienie) Suszenie tygla kwarcowego do stałej masy i odważanie hydratu wymyty i suchy tygiel kwarcowy należy wstawić (przy pomocy metalowych szczypiec) na ok. 45 60 minut do suszarki laboratoryjnej ogrzanej do temp. 240 0 C, wysuszony tygiel umieścić w eksykatorze (przy pomocy metalowych szczypiec), na ok. 15 20 minut w celu ostudzenia, a następnie zważyć je, ponownie suszyć tygiel przez okres 30 minut, ostudzić i zważyć, czynności te należy powtarzać do uzyskania stałej masy tygla. Różnica masy tygla podczas kolejnych ważeń nie powinna przekraczać 2 10 4 g. w tyglu o znanej stałej masie odważyć na wadze analitycznej ok. 1g hydratu z dokładnością do10 4 g (m), odważkę wykorzystać do oznaczania zawartości kationowej i anionowej wody krystalizacyjnej przy użyciu suszarki laboratoryjnej. 1. Oznaczenie zawartości wody krystalizacyjnej w CuSO 4 H 2 O - kationowej (częściowe odwodnienie) i anionowej (całkowite odwodnienie) z wykorzystaniem suszarki laboratoryjnej tygiel z solą o masie m wstawić (przy pomocy metalowych szczypiec) do suszarki (temp. 160 0 C) na 30 minut, a następnie (po ostudzeniu w eksykatorze) zważyć, czynności: suszenie, studzenie i ważenie powtarzać aż do uzyskania stałej masy (m 1 ), obliczyć wg. podanego wzoru procentową zawartość kationowej wody krystalizacyjnej (częściowe odwodnienie), tygiel z solą wstawić do suszarki (temp. 240 0 C) na 30 minut, a następnie po ostudzeniu w eksykatorze zważyć, czynności: suszenie, studzenie i ważenie powtarzać aż do uzyskania stałej masy (m 2 ), 2
obliczyć wg. podanego wzoru procentową zawartość anionowej wody krystalizacyjnej (całkowite odwodnienie) Obliczenie zawartości kationowej wody krystalizacyjnej (częściowe odwodnienie) y H2 Okryst. = m m 1 m %H 2 O krys. = m m 1 m Teoretyczna zawartość kationowej wody krystalizacyjnej. %H 2 O krys. = M H 2 O M hydr. %H 2 O krys. = 72,08 249,72 %H 2 O krys. = 28,86% Obliczenie błędu oznaczenia zawartości kationowej wody krystalizacyjnej Błąd bezwzględny różnica pomiędzy wartością teoretyczną i otrzymaną; wyrażony jest w takich samych jednostkach jak wielkość mierzona. E bwz. = x μ Błąd względny różnica pomiędzy wartością teoretyczną i otrzymaną podzielona przez wartość teoretyczną i pomnożona przez 100%; wyrażony jest w %. E wz. = x μ μ gdzie: x i wynik pomiaru zawartości wody μ wartość teoretyczna Obliczenie zawartości anionowej wody krystalizacyjnej (całkowite odwodnienie) %H 2 O = m H 2 O m = m 1 m 2 m Teoretyczna zawartość anionowej wody krystalizacyjnej %H 2 O krys. = M H 2 O M hydr. %H 2 O krys. = 18,02 249,72 %H 2 O krys. = 7,22% 3
Obliczenie błędu oznaczenia zawartości anionowej wody krystalizacyjnej Błąd bezwzględny różnica pomiędzy wartością teoretyczną i otrzymaną; wyrażony jest w takich samych jednostkach jak wielkość mierzona. E bwz. = x μ Błąd względny różnica pomiędzy wartością teoretyczną i otrzymaną podzielona przez wartość teoretyczną i pomnożona przez 100%; wyrażony jest w %. E wz. = x μ μ gdzie: x wynik pomiaru wody μ wartość teoretyczna 2. Oznaczenie zawartości kationowej wody krystalizacyjnej w CuSO 4 5H 2 O z wykorzystaniem analizatora wilgoci (częściowe odwodnienie) Analizator wilgoci Analizator wilgoci używany jest do oznaczania zawartości wilgoci w niemal wszystkich substancjach. Przyrząd pracuje wykorzystując zasadę termograwimetrii, tzn. wilgoć oznaczana jest z ubytku masy próbki suszonej w procesie ogrzewania. Przyrząd składa się z dwóch urządzeń: wagi precyzyjnej oraz modułu grzejnego. Na początku pomiaru analizator wilgoci wyznacza ciężar próbki. Następnie próbka jest ogrzewana przez wbudowany moduł grzejny i wilgoć odparowuje. Podczas procesu suszenia przyrząd w sposób ciągły mierzy ciężar próbki i wyświetla ubytek wilgoci. Po zakończeniu suszenia jako końcowy wynik wyświetlana jest zawartość wilgoci lub suchej masy. W praktyce czynnikiem decydującym jest szybkość ogrzewania oraz równomierne ogrzewanie powierzchni próbki. Moduł grzejny przyrządu potrzebuje tylko krótkiego czasu do uzyskania swojej maksymalnej mocy grzania. Pozwala także na stosowanie wysokich temperatur, dodatkowego czynnika skracającego czas suszenia. Jednolite ogrzewanie materiału próbki zapewnia dobrą powtarzalność wyników suszenia i umożliwia używanie mniejszych próbek. Wykonanie oznaczenia z zastosowaniem analizatora wilgoci 1. Włączyć przyrząd. Ikona statusu wskazuje stan początkowy przyrządu, gdy moduł grzejny jest zamknięty. 2. Ustawić parametry analizy zawartości wody krystalizacyjnej (częściowe odwodnienie) temperatura suszenia 160 0 C, czas 25 minut. 3. Otworzyć moduł grzejny. Ikona statusu wskazuje, że należy nałożyć pusty talerzyk pomiarowy. 4. Umieścić pusty talerzyk pomiarowy w uchwycie talerzyka. - włożyć uchwyt talerzyka do osłony przeciwwiatrowej. - upewnić się, że rączka uchwytu talerzyka znajduje się dokładnie w wycięciu w osłonie przeciwwiatrowej (talerzyk musi swobodnie spoczywać na w wsporniku talerzyka). - uchwytu talerzyka należy używać przez cały czas pracy, co chroni przed oparzeniami gorącym talerzykiem pomiarowym. 5. Zamknąć moduł grzejny. 4
Wbudowana waga zostanie automatycznie ustawiona na zero. Ikona statusu wskazuje, że należy nałożyć próbkę na talerzyk pomiarowy. 6. Otworzyć moduł grzejny. 7. Nałożyć próbkę na talerzyk pomiarowy. Około 1 g próbki równomiernie rozłożyć na talerzyku pomiarowym. Minimalna wielkość próbki wynosi 0.5 g. Odczytać masę związku m. Ikona statusu wskazuje, że można teraz rozpocząć proces suszenia. 8. Rozpocząć etap suszenia. Po włączeniu przycisku start nastąpi usuwanie czterech cząsteczek wody krystalizacyjnej. Ikona statusu pokazuje unoszące się kropki, co symbolizuje proces suszenia 9. Podczas suszenia na wyświetlaczu widoczne są poniższe wartości, które aktualizowane są w sposób ciągły: - aktualna masa próbki - aktualna temperatura w module grzejnym - upływający czas od początku procesu pomiarowego 10. Po upływie zdefiniowanego czas pomiaru, sygnalizowanego sygnałem dźwiękowym, odczytać wynik - wartość m 1. 11. Ostrożnie wyjąć uchwyt z talerzykiem pomiarowym z komory próbki. Próbka i talerzyk są gorące! Przed wyjęciem talerzyka z uchwytu poczekać aż ostygnie!. 12. Wyłączyć przyrząd i zamknąć układ suszący. Obliczenie zawartości kationowej wody krystalizacyjnej (częściowe odwodnienie) Teoretyczna zawartość wody krystalizacyjnej. %H 2 O krys. = m m 1 m %H 2 O krys. = M H 2 O M hydr. %H 2 O krys. = 72,08 249,72 %H 2 O krys. = 28,86% Obliczenie błędu oznaczenia zawartości wody krystalizacyjnej Błąd bezwzględny różnica pomiędzy wartością teoretyczną i otrzymaną; wyrażony jest w takich samych jednostkach jak wielkość mierzona. E bwz. = x μ Błąd względny różnica pomiędzy wartością teoretyczną i otrzymaną podzielona przez wartość teoretyczną i pomnożona przez 100%; wyrażony jest w %. E wz. = x μ μ gdzie: x i wynik pomiaru zawartości wody μ wartość teoretyczna 5
3. Porównanie dokładności uzyskanych wyników oznaczenia kationowej wody krystalizacyjnej w CuSO 4. 5 H 2 O z wykorzystaniem suszarki laboratoryjnej i analizatora wilgoci Dokładność: zgodność otrzymanego wyniku z wartością rzeczywistą im mniejszy błąd tym większa dokładność Porównać wielkość błędów powstałych podczas procesu usuwania 4 cząsteczek kationowej wody krystalizacyjnej z CuSO 4. 5 H 2 O z użyciem suszarki laboratoryjnej i analizatora wilgoci. W oparciu o uzyskane wyniki wyciągnąć wnioski, która technika pozwala na dokładniejsze oznaczenie kationowej wody krystalizacyjnej. 6