A kálium-permanganát és az oxálsav közötti reakció vizsgálata (Puskás Zsófia)
A mérés végrehajtása A mérést a Praktikumtól eltér en Perkin-Elmer Lambda 2S, illetve Shimadzu UVmini1240 spektrofotométerrel végezzük, számítógépes adatgy jtéssel. A mérésleírásban az egyes spektrofotométerekre vonatkozó utasításokat P illetve S bet kkel jelölöm. 1.PS Kapcsoljuk be a számítógépet és a spektrofotométert (a technikusok általában el re bekapcsolják). Melegedési id kb. 30 perc. 2.P Els lépésként a mérési hullámhosszakat kell meghatároznunk korábban felvett spektrumok segítségével. Ezt együtt csinálja mindenki a Perkin-Elmer spektrofotométernél. Indítsuk el a mér programot a PECSS ikonnal. A KMnO4 és az (COOH)2 közti reakció több lépésben játszódik le. A bruttó folyamat köztes termékeként egy instabilis komplex, a K3[MnIII(C2O4)3] keletkezik. Ennek bruttó képz dési egyenlete: 4 Mn2+ + 15 (C2O4)2– + MnO4– + 8 H+ = 5 [Mn(C2O4)3]3– + 4 H2O. Bruttó bomlási egyenlete: 2 [Mn(C2O4)3]3– = 2 [Mn(C2O4)2]2– + C2O42– + 2 CO2. A bruttó folyamat autokatalitikus, hiszen a végtermékként keletkez Mn2+ részt vesz a Mn(III)-komplex bomlási folyamatában. Az 1. és 2. ábrán nyomon követhetjük a MnO −4 -ionra jellemz abszorbancia csökkenését, és a komplex elnyelésének megjelenését . A hullámhosszok leolvasásához töltsük be a Kscan024es, illetve a Kscan051-es file-t az alábbi módon: COPY D filenév X , ekkor a gép D(disk)-r l beolvassa a file-t az X regiszterbe.
4 -
MnO4
Abszorbancia
1
3
2
2
komplex
1
3 4
0 300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
λ / nm
1. ábra A reakcióelegy spektruma az id el rehaladtával Fájlnevek : 1. Kscan002 2.Kscan024 3.Kscan037 4. Kscan040 1
0.35 0.30
Abszorbancia
0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 300
350
400
450
500
550
600
650
700
750
λ / nm
2. ábra A komplex spektruma, fájlnév: Kscan051
2.S Indítsuk el a mér programot az UVPC ikonnal. 3.P A program f menüjében gépeljük be, hogy tdrive (timedrive = megadott ideig tartó adatgy jtést tesz lehet vé). A bejöv képerny n a mérés paramétereit állíthatjuk be. Az egyes mez k között a nyilakkal mozoghatunk. Az els helyen a regisztert (=memóriaterület, a mérési pontok átmeneti tárolója) adhatjuk meg, ez lehet X, Y, Z. Vigyázat! A program felülírja az adott regiszterben tárolt adatainkat, ha az újakat is ugyanabban a regiszterben kívánjuk tárolni. Emiatt célszer minden mérés után elmenteni az adatainkat automatikus elmentés választásával (a képerny alján lév autosave opció y-ra állításával). A regiszterek utáni mez kben beállíthatjuk a mérési paramétereket (lásd az 1. táblázatban): a hullámhosszat, amin mérni akarunk, a mérési pontok számát és a pontok közötti id t. Figyeljünk rá, hogy az ordináta tengely skálája A (abszorbancia) legyen. A lamps mez ben lév számot állítsuk 2-re, ez azt jelenti, hogy csak a látható tartományban m köd lámpát kapcsoljuk be. Igényesebbek beállíthatják az ymin és ymax értékeket is, amelyekkel a mérés közben megjelen grafikon méreteit tudjuk úgy beállítani, hogy jól követhet legyen a mérésünk. Ha nem megfelel skálát használunk, el fordulhat, hogy egyes mérési pontok nem látszanak a képerny n. A számítógép ett l függetlenül regisztrálja az adatokat. Ezután üssünk ENTER-t. Mérés Pontok Egyes pontok Mérés ideje Száma Célja száma közötti id (s) s 1. Autokatalízis vizsgálata 200 10 2000 2. Reakciórend 1200 1 1200 meghatározása 3. 1200 1 1200 4. 1200 1 1200 5. sebességi állandó vizsgálata 1200 1 1200
ymin
ymax
0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
4,00 1,50 1,00 1,00 1,50
1. táblázat
2
A gép megkérdezi, elégedettek vagyunk-e a beállításokkal, mérni kívánunk-e, kilépni, esetleg kalibrálni a m szert. Az els mérés el tt illetve hullámhossz-váltás után is végezzük el a kalibrációt (desztillált vízzel): az A gombot üssük le (=AUTOCAL, a desztillált víz elnyelése legyen a 0). 3.S A program fels menüsorában található ACQUIRE MODE menüben a különböz mérési módokat állíthatjuk be. Válasszuk ki a TIME COURSE módot, így az id függvényében követhetjük az abszorbancia változást. Ekkor automatikusan megjelenik a mérési paraméterek beállításához szükséges ablak, az 1. táblázat alapján töltsük ezt ki. Ha kés bb változtatni szeretnénk a beállításokon a CONFIGURE menüben a PARAMETERS parancs kiadásával tehetjük ezt meg. MEASURING MODE: abs RECORDING RANGE : a képerny n megjelen abszorbancia skála minimuma illetve maximuma állítható itt be WAVELENGTH: a hallgatók által kiválasztott mérési hullámhossz TIMING MODE : manual REACTION TIME: mérés ideje UNITS: seconds ACUISITION RATE: egyes pontok közötti id NUMBER OF CELLS: 1 NUMBER OF READING: pontok száma
A beállítások után illetve minden hullámhossz-váltásnál állítsuk a desztillált víz abszorbanciáját az adott hullámhosszon 0-ra a képerny alján található AUTOZERO gomb megnyomásával. 4.PS A méréshez az alábbi oldatok állnak rendelkezésre (2. táblázat): Oldat neve Kálium-permanganát Oxálsav Mangán(II)-szulfát Nátrium-szulfát
Oldat jele KMnO4 (COOH)2 MnSO4 Na2SO4
Koncentráció 0,020 mol/dm3 0,10 mol/dm3 0,10 mol/dm3 0,10 mol/dm3
2. táblázat
3
Készítsük el a 3. táblázat alapján a reakcióelegyet. A 2. mérést is értékelni kell! Ajánlott összemérési sorrend: víz, Na2SO4, oxálsav, KMnO4, MnSO4. Mérés Deszt. víz száma Célja cm3 1. autokatalízis vizsgálata 15,0 2. reakciórend 13,0 meghatározása 3. 30,5 4. 23,5 5. sebességi állandó vizsgálata 11,0
Na2SO4 cm3 0,0 0,0 7,5 4,5 0,0
(COOH)2 cm3 7,5 6,0 6,0 6,0 6,0
KMnO4 MnSO4 Vösszes cm3 cm3 cm3 2,5 0,0 25,0 2,0 4,0 25,0 2,0 4,0 50,0 2,0 4,0 40,0 2,0 6,0 25,0
3. táblázat A MnSO4 hozzámérése után jól keverjük meg az oldatot, majd öntsük a küvettába (buborékmentesen!), és ezután a küvettát tegyük a spektrofotométerbe (lehet leg minél gyorsabban). Csukjuk le a fotométer fedelét. 5.P Indítsuk el a mérést (Y gomb). A mérés végeztével üssünk ESC-t és mentsük el adatainkat, amennyiben nem választottunk automatikus mentést (lásd adatok elmentése), egyébként a következ mérés felülírná az el bbit, vagy a C lenyomásával visszajutunk a mérés beállításaihoz, és itt más regiszterbe vehetünk fel adatokat. Adatok elmentése: Filenévként a mérés napjára utaló nevet kell megadni, amelynek két utolsó karaktere a mérés sorszáma. Például Kémcs Ádám 2002.09.19-i els mérését tartalmazó file neve: KA091901 vagy 02091901 legyen. A további méréseket a program automatikusan számozza, amennyiben az autosave módot beállítottuk. A mér program saját formátumú file-jait a gyakorlatvezet k vagy a technikusok alakítják át ASCII formátumúvá. 5.S Indítsuk el a mérést a START gombbal. Ha a mérés befejez dött, automatikusan felajánlja a mentést. Ilyenkor azonban csak egy ideiglenes memóriaterületre kerülnek az adatok. A végleges mentéshez a FILE menüben a CHANNEL parancsot, azon belül a SAVE CHANNEL-t válasszuk, jelöljük ki az elmenteni kívánt méréseket, majd a nyomjuk meg az OK-ot, ha ezt nem tesszük a programból való kilépéskor elvesznek a mérési adataink. A mérési adatokat ASCII formátumúvá a FILE menüben található DATA TRANSLATION paranccsal alakíthatjuk át. 6.PS Ismételjük meg az el bbi lépéseket a hátralev mérésekkel is. 7.PS Az ASCII file-okat az Internetr l vagy a hallgatói gépterem szerverér l tölthetjük le (részletek az oktatóktól). Hajlékonylemezt csak az oktató jelenlétében szabad használni.
4
Segédlet a mérés értékeléséhez 1.
Az értékelés a Praktikum alapján történik, minden ott feltett kérdésre válaszolni kell, itt csak az eltéréseket közöljük.
2.
A mérési fájlok nevét minden esetben fel kell tüntetni a jegyz könyvön, és azt is, melyik fájl melyik méréshez tartozik Ennek elmulasztása formai hibát eredményez.
3.
A jegyz könyben fel kell tüntetni, hogy az egyes méréseket milyen hullámhosszakon hajtottuk végre, és ezt meg is kell indokolni.
4.
Az autokatalízis vizsgálatánál a következ képpen kell eljárni: i)
A felgyorsulás intervallumát az alábbiak szerint kell kiszámítani: két egyenest kell illeszteni a grafikon két egyenes szakaszára (lásd 3. ábra). Ezek végpontjainak megválasztása bizonyos szempontból önkényes, de azoknak a görbe egyenes részére kell esniük. Fontos azonban az illesztett egyenesek egyenleteinek megadása, valamint az, melyik pontok közé illesztettük (pl.: t=0 s és t=240 s pontok közé, egyenlet: A = a*(t/s) + b).
Autokatalízis vizsgálata
4,0 3,5
abszorbancia
3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0
200
400
600
800
1000
1200
idõ / s
3. ábra
ii)
5.
A két egyenes egyenletéb l számítjuk ki metszéspontjukat. Ez a pont tájékoztató jelleg , ami alapján eredményként egy id intervallumot adjunk meg!
A reakciórend meghatározása a Praktikum szerint történik. Eltérések:
A t=0 s id pontot fogadjuk el kezdetinek, ne a t=60 s-ot. Minden párosítás esetén el kell végezni a reakciórend meghatározását.
5
A sebességi együttható vizsgálata is a Praktikum szerint megy, de nem kell:
6.
i)
a táblázatot kinyomtatni (ezért kell megadni a file nevét), csak a grafikont.
ii)
bet szerint ragaszkodni a Praktikumhoz, pl.:1/min helyett 1/s-ban is meg lehet adni a k-t, stb.
A hibaszámítás
7.
A sebességi állandó hibáját az Arrhenius-egyenletb l a Gauss-féle hibaterjedési függvénnyel írhatjuk fel (Praktikum 1.5.4. fejezet, 30.egyenlet). A reakció sebességi állandójának h mérsékletfüggésére a következ közelítést fogadjuk el:
Az ebb l meghatározott aktiválási energiát pontosnak tételezzük fel. Ez alapján 1, becsüljük meg, hogy mennyit ingadozhat a h mérséklet, ha azt akarjuk, hogy a k relatív hibája 5%-nál kisebb legyen! 2, becsüljük meg k relatív hibáját, ha a h mérséklet 0.1 0C-ot ingadozik! 8.
Egyéb elvárás A grafikonon olyan vastagságú vonalakat alkalmazzunk, hogy az ábra esztétikus és áttekinthet legyen. Ez úgy érhet el, hogy pl. Origin szoftverrel készült ábrán „line”-ként ábrázoljuk, nem „scatter”-ként. Ajánlott a mérés kiértékelését úgy készíteni, hogy annak legyen eleje, közepe és vége. Elvárjuk, hogy a jegyz könyv felépítése logikus legyen (pl. a file-ok neveit ne a kiértékelés fejezetbe írjuk, hanem a jegyz könyvi rlap elejére). Mindenhol, ahol célszer és indokolt, a mérési eredményeket értelmezni kell.
Beadandó eredmények •
A hullámhossz értékek, amelyeken mértünk
•
az 5 db abszorbancia - id görbe
•
a bruttó reakciórend és 95%-os konfidencia-intervalluma
•
az autokatalitikus felgyorsulás id pontja
•
a sebességi állandó-id grafikon
•
A hibaszámítás
Ellen rz kérdések
6
