INŻYNIERIA PROCESÓW CHEMICZNYCH PLAN ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH z CHEMII ANALITYCZNEJ 1. Alkacymetria Mianowanie roztworu kwasu solnego Współoznaczanie NaOH i Na 2 CO 3 metodą Wardera 2. Redoksymetria Manganometryczne oznaczanie wapnia Bromianometryczne oznaczanie fenolu 3. Kompleksometria Współoznaczanie wapnia i magnezu i obliczanie twardości wody 4. Analiza miareczkowa strąceniowa - argentometria Oznaczanie chlorków metodą Mohra i Volharda Ćwiczenia laboratoryjne rozpoczynają się zawsze sprawdzeniem wiadomości z teorii związanej z wykonywanym na zajęciach ćwiczeniem.
Zagadnienia teoretyczne 1. Alkacymetria - reakcje kwas-zasada Prawo zachowania masy i prawo działania mas. Stała równowagi reakcji. Stała dysocjacji, stopień dysocjacji, ich wzajemne powiązanie, zależności. Teoria Bronsteda, sprzężona para kwas-zasada. Kwasy (zasady) cząsteczki obojętne, jony, amfotery kwasowo-zasadowe. W jaki sposób określa się moc kwasów i zasad? Efekt wyrównujący wody. Wskaźniki alkacymetryczne. Roztwory buforowe (ph buforu, pojemność buforowa). Zasada współoznaczania NaOH i Na 2 CO 3 - reakcje biegnące w czasie tych oznaczeń. 2. Redoksymetria - reakcje utleniania-redukcji Kiedy mamy do czynienia z reakcją red-oks? Sprzężona para utleniacz-reduktor. Co jest utleniaczem bądź reduktorem? Przykłady. Amfotery red-oks. Wzór Nernsta. Elektroda wodorowa. Szereg elektrochemiczny metali. Bilans elektronowy reakcji red-oks. Wpływ ph na potencjał reakcji red-oks. Znajomość reakcji przebiegających w roztworze podczas redoksymetrycznego oznaczania Ca 2+ i fenolu.
3. Kompleksometria - reakcje kompleksowania Teoria kompleksów Wernera. Stała trwałości i nietrwałości kompleksów. Rodzaje kompleksów. Kompleksony EDTA. Wskaźniki w kompleksometrii. Twardość wody, rodzaje twardości wody, sposoby wyrażania twardości wody, usuwanie twardości wody, oznaczanie twardości wody. Oznaczanie wapnia i magnezu za pomocą miareczkowania kompleksometrycznego. 4. Argentometria - reakcje strącania osadów Iloczyn rozpuszczalności. Efekt wspólnego jonu. Efekt solny. Oznaczanie chlorków metodą Mohra i Volharda (kiedy stosuje się każdą z tych metod).... Literatura: J. Minczewski, Z. Marczenko - CHEMIA ANALITYCZNA, tom I i II A. Cygański - CHEMICZNE METODY ANALIZY ILOŚCIOWEJ
Ćwiczenie 1. Przygotowanie mianowanego roztworu kwasu solnego a) przygotowanie ok. 0,1 M HCl Ile ml 38% (wag.) r-ru HCl o gęst. 1,18 g/ml potrzeba do przygotowania 1,0 litra 0,1 M roztworu kwasu? ( proszę obliczenia wpisać do zeszytu ) Obliczoną objętość stężonego HCl odmierzamy menzurką i przenosimy do kolby miarowej na 1000 ml, uzupełniamy objętość kolby wodą destylowaną do kreski. Zawartość kolby wymieszać. b) mianowanie przygotowanego roztworu HCl Napełnić biuretę przygotowanym roztworem kwasu. Rozpuścić ( kolbka stożkowa ) w wodzie destylowanej naważkę (odważonego w naczyńku wagowym z dokładnością 0,1 mg na wadze analitycznej) bezwodnego węglanu sodu, dodać 2-3 krople oranżu metylowego ( r-r jest żółty ) i miareczkować roztworem kwasu do pojawienia się barwy cebulkowej ( pomarańczowej ). Podczas miareczkowania zachodzi reakcja: Na 2CO 3 + 2 HCl = 2 NaCl + CO 2 + H 20 Oblicz stężenie molowe kwasu. Załóżmy, że na zmiareczkowanie naważki 0,1521 g węglanu sodu zużyto (średnio) 27,2 ml kwasu solnego. Oblicz c m kwasu. 106 gramów Na 2 CO 3 ------- 1 mol 0,1521 g ---------------------- x moli x = 0,001435 mola Na 2 CO 3 1 mol Na 2 CO 3 -------------- 2 mole HCl 0,001435 mola ------------ x moli HCl x = 0,00287 mola HCl 27,2 ml r ru HCl --------- 0,00287 mola 1000 ml -------------------- x moli 0,1055 moli c m = 0,1055 mol/l
Ćwiczenie 2. Współoznaczanie NaOH i Na 2 CO 3 metodą Wardera W metodzie oznaczania obok siebie wodorotlenku i węglanu sodowego wykorzystuje się dwa wskaźniki ph, których zakres zmian barwy występuje przy różnych wartościach ph. Najpierw badany roztwór miareczkuje się kwasem solnym wobec fenoloftaleiny, aż do całkowitego odbarwienia. Podczas tego etapu zachodzą następujące reakcje chemiczne: NaOH + HCl NaCl + H 2 O Na 2 CO 3 + HCl NaHCO 3 + NaCl Następnie dodaje się oranżu metylowego i miareczkuje się kwasem do pierwszej zmiany barwy wskaźnika. Podczas drugiego etapu zachodzi reakcja: NaHCO 3 + HCl NaCl + CO 2 + H 2 O Jeżeli na pierwsze miareczkowanie (wobec fenoloftaleiny) zużywa się a ml kwasu, a na drugie miareczkowanie (wobec oranżu) b ml kwasu, to zawartości Na 2 CO 3 odpowiada 2b ml kwasu, a zawartości NaOH odpowiada (a-b) ml kwasu solnego. Sposób wykonania: Otrzymany w kolbce miarowej roztwór rozcieńczyć wodą destylowaną do kreski. Z tego roztworu pobrać pipetą 10 ml i próbkę rozcieńczyć wodą destylowaną do ok. 50 ml. Dodać 3-4 krople fenoloftaleiny i miareczkować zmianowanym wcześniej roztworem kwasu solnego do odbarwienia się roztworu (a ml). Następnie dodać 1-2 krople oranżu metylowego, uzupełnić biuretę kwasem (do zera) i kontynuować miareczkowanie do pierwszej zmiany zabarwienia wskaźnika (z żółtego na pomarańczowe) (b ml). Zawartość oznaczanych substancji obliczyć ze wzorów: m NaOH = (a-b) c HCl 0,0400 10 m Na2CO3 = 2b c HCl 0,0530 10 a, b objętości zużytego podczas miareczkowania kwasu solnego[ ml ]; c stężenie kwasu [ mol/dm 3 = mmol/ml]; 0,0400 masa molimola NaOH [g/mmol]; 0,053 masa ½ milimola Na 2 CO 3 [g/mmol];
Ćwiczenie 3. Oznaczanie wapnia metodą pośrednią manganometryczną W celu pośredniego manganometrycznego oznaczania wapnia strąca się jony wapniowe w postaci szczawianu, odsącza i przemywa osad. Szczawian wapnia rozpuszcza się w kwasie siarkowym i odmiareczkowuje mianowanym roztworem nadmanganianu. Reakcje biegnące w czasie oznaczania.: Ca 2+ + C 2 O 2-4 CaC 2 O 4 CaC 2 O 4 + H 2 SO 4 H 2 C 2 O 4 + CaSO 4 2KMnO 4 + 5H 2 C 2 O 4 + 3H 2 SO 4 K 2 SO 4 + 2MnSO 4 + 10CO 2 +8H 2 O Sposób wykonania: Do wydanej w zlewce analizy, zawierającej oznaczane jony Ca 2+, dodać cylindrem miarowym ok. 100 ml wody destylowanej, wymieszać całość bagietką, następnie dodać cylindrem miarowym 5 ml roztworu HCl (1:1), 3 krople oranżu metylowego i 50 ml nasyconego roztworu szczawianu amonowego. Roztwór ogrzać do temp. ok. 80 o C i mieszając dodawać powoli roztwór amoniaku (1:2) do zmiany zabarwienia wskaźnika na żółte. Pozostawić roztwór z wytrąconym CaC 2 O 4 na 1/2 godz. w celu otrzymania grubokrystalicznego osadu, po czym osad odsączyć na sączku z bibuły. W celu odmycia jonów chlorkowych i wolnych jonów szczawianowych przemywać osad 3-4 porcjami wody z małym dodatkiem amoniaku. Do zlewki wlać 100 ml 1 M roztworu H 2 SO 4, sączek wraz z przemytym osadem CaC 2 O 4 przylepić do ścianki zlewki. Osad spłukać wodą destylowaną z tryskawki, roztwór ogrzać do temp. 70 o C i. miareczkować 0,1 N ( c m 1/5 ) roztworem KMnO 4 do trwałego, lekko różowego zabarwienia. Następnie sączek wrzucić do roztworu i ponownie dodawać titranta do uzyskania lekko różowego zabarwienia. Oznaczoną zawartość wapnia w mg obliczyć wg wzoru: m Ca2+ = V KMnO4 x C KMnO4 x 0,02004 0,02004 - masa ½ milimola Ca 2+ [g/mmol];
Ćwiczenie 4. Oznaczanie fenolu Jeżeli do zakwaszonego roztworu fenolu zawierającego jony bromkowe wprowadzi się bromian potasowy w nadmiarze w stosunku do fenolu, wówczas wytworzy się, w równoważnej ilości do bromianu wolny brom: BrO - 3 + 5 Br - + 6 H + = 3 Br 2 + 3 H 2 O, który bromuje fenol zgodnie z równaniem: C 6 H 5 OH + 3 Br 2 = C 6 H 2 Br 3 OH + 3 HBr Po dodaniu do roztworu jodku potasowego, nie zużyty w reakcji bromowania brom powoduje wydzielenie równoważnej ilości jodu: 2 I - + Br 2 = 2 Br - + I 2 Wydzielony jod odmiareczkowuje się mianowanym roztworem tiosiarcznu sodu: 2- I 2 + 2 S 2 O 3 = 2 I - 2- + S 4 O 6 Sposób wykonania: Badany roztwór uzupełnić wodą destylowaną do kreski. Odmierzyć pipetą 10 ml tego roztworu do erlenmayerki i rozcieńczyć wodą destylowaną do ok. 50ml. Dodać dokładnie ( pipeta ) 25 ml 0,1 N roztworu bromianu potasu, ok. 0,5 g bromku potasu i 15 ml 2- molowego HCl. Zamknąć naczynie, zamieszać zawartość i odstawić na 10 min w ciemne miejsce. Następnie dodać ok. 2 g jodku potasu, zamieszać i odmiareczkować wydzielony jod mianowanym roztworem tiosiarczanu sodu. Kiedy roztwór będzie jasnożółty dodać kilka kropli skrobi i kontynuować miareczkowanie do odbarwienia roztworu. Oznaczoną pośrednio zawartość fenolu(w gramach) obliczyć wg wzoru: m fenol = [ 25 0,1 - v c ] 0,01567 10 v - objętość roztworu tiosiarczanu [ml]; c - stężenie roztworu tiosiarczanu; 0,01567 masa 1/6 milimola fenolu [g/mmol]
Ćwiczenie 5. Kompleksometryczne współoznaczanie wapnia i magnezu oraz określenie twardości wody Metoda polega na przeprowadzeniu dwóch miareczkowań mianowanym roztworem EDTA. Pierwsze miareczkowanie przeprowadza się w środowisku buforu amoniakalnego /ph=10/ wobec czerni eriochromowej T jako wskaźnika. Objętość titranta odpowiada sumie zawartości wapnia i magnezu. Drugie miareczkowanie przeprowadza się w środowisku zasadowym /ph=12-13/ wobec mureksydu. Objętość użytego titranta zależy od ilości wapnia. Ilość magnezu obecnego w próbce oblicza się z różnicy między tymi objętościami. Sposób wykonania: Otrzymany w kolbce miarowej roztwór dopełnić wodą destylowaną do kreski. Pobrać pipetą 10 ml badanego roztworu, dodać 5 ml buforu amonowego i szczyptę czerni eriochromowej T. Próbkę miareczkować roztworem EDTA do zmiany zabarwienia roztworu z różowofiołkowego na niebieskie. Do takiej samej objętości badanego roztworu dodać 10 ml 1 molowego roztworu wodorotlenku sodu i szczyptę mureksydu, miareczkować roztworem EDTA do zmiany zabarwienia z różowego na fioletowe. W celu prawidłowego uchwycenia punktu końcowego miareczkowania należy przeprowadzić miareczkowanie wobec świadka. Ilości oznaczanych jonów obliczyć ze wzorów: m ca = v 2 c EDTA 0,04008 10 m Mg = (v 1 - v 2 ) c EDTA 0,02432 10 v 1 - objętość EDTA użyta podczas miareczkowania wobec czerni eriochromowej T[ml]; v 2 - objętość EDTA użyta podczas miareczkowania wobec mureksydu [ml]; c EDTA - stężenie EDTA [mmol/ml]; 0,040008 masa milimola Ca 2+ + [g/mmol]; 0,02432 masa molimola Mg 2+ [g/mmol] Obliczanie twardości wody Twardością wody nazywa się właściwości wody wynikające z obecności w wodzie jonów wapnia i magnezu oraz innych jonów metali wielowartościowych, np. żelaza, glinu, cynku. Twardość wody określa się w stopniach twardości lub w milirównoważnikach tlenków wapnia i magnezu, zawartych w 1 l wody. W Polsce najszerzej stosowane są niemieckie stopnie twardości wody N o. Jeden niemiecki stopień twardości wody odpowiada zawartości 10 mg CaO lub równoważnej ilości, tj. 7,19 mg MgO, w 1 l wody. Dla analizowanej próbki wody twardość w niemieckich stopniach twardości obliczyć wg wzoru: N o = v 1 c EDTA 56,08/10 10 v 1 - objętość EDTA użyta podczas miareczkowania wobec czerni eriochromowej T [ml];
Ćwiczenie 6. Oznaczanie chlorków I. Oznaczanie chlorków metodą Mohra. Metoda polega na bezpośrednim miareczkowaniu obojętnego roztworu zawierającego chlorki mianowanym roztworem AgNO 3 w obecności jonów chromianowych. Azotan srebra strąca trudno rozpuszczalny osad chlorku srebra: Ag + + Cl - AgCl Na końcu miareczkowania, gdy stężenie jonów Ag + w roztworze stanie się odpowiednio duże, zaczyna się strącać brunatnoczerwony osad chromianu srebra i pojawia się brunatne zabarwienie wskazujące na koniec miareczkowania: 2 Ag + 2- + CrO 4 Ag 2 CrO 4 Sposób wykonania: Otrzymany w kolbce miarowej roztwór rozcieńczyć wodą destylowaną do kreski.10 ml badanego roztworu (odczyn obojętny) rozcieńczyć wodą destylowaną do ok.70 ml. Dodać 1 ml 5 %-owego roztworu K 2 CrO 4 i miareczkować 0,05 M roztworem AgNO 3, dobrze mieszając, do wystąpienia zawiesiny o trwałej czerwonobrunatnej barwie. Zawartość chlorków obliczyć ze wzoru: m Cl = v c 0,03546 10 v - objętość roztworu AgNO 3 [ ml ] ; c - stężenie roztworu AgNO 3 [mmol/ml ] 0,03546 - masa milimola Cl - [ g/mmol ] II. Oznaczanie chlorków metodą Volharda Metoda polega na pośrednim oznaczaniu chlorków w środowisku rozcieńczonego kwasu azotowego. W badanym roztworze strąca się chlorki w postaci AgCl przez dodanie nadmiaru mianowanego roztworu AgNO 3 : Ag + + Cl - = AgCl. Nie związane jony srebra odmiareczkowuje się mianowanym roztworem rodanku potasu (lub amonu) : Ag + + SCN - AgSCN. Wskaźnikiem punktu końcowego miareczkowania są jony Fe 3+, które po strąceniu całej ilości srebra tworzą z rodankami czerwony kompleks: Fe 3+ + SCN - Fe(SCN) 2+
Sposób wykonania: Otrzymany w kolbce miarowej roztwór rozcieńczyć wodą destylowaną do kreski. Do 10 ml badanego roztworu dodać 5 ml HNO 3 (1:1), rozcieńczyć wodą do objętości ok. 70 ml i dodać 15 ml 0,05 M roztworu AgNO 3. Następnie dodać 1 ml 10 %-owego roztwory ałunu żelazowo-amonowego i mieszać zawartość kolby przez ok. 1 min. Nadmiar jonów srebra miareczkować 0,05 M roztworem KSCN do wystąpienia trwałego czerwonego zabarwienia roztworu. Zawartość chlorków obliczyć ze wzoru: m = ( v c - v 1 c 1 ) 0,03546 10 v - objętość roztworu AgNO 3 [ ml ]; v 1 - objętość roztworu KSCN [ml] ; c - stężenie roztworu AgNO 3 [ mmol/ml ] ; c 1 - stężenie roztworu KSCN [mmol/ml ] ; 0,03546 - masa milimola Cl - [ g/mmol ]