Lakatos J.: Analitikai Kémiai Gyakorlatok Anyagmérnök BSc. Hallgatók Számára, (2008)

Lakatos J.: Analitikai Kémiai Gyakorlatok Anyagmérnök BSc. Hallgatók Számára, (2008)

1. gyak.: Gravimetria

Levegő nedvességtartalmának meghatározása. Vízminta oldott sótartalmának meghatározása Porminta nedvességtartalmának és izzítási maradékának meghatározása.

A gravimetria olyan analitikai módszer, amely adott komponens mennyiségének meghatározását tömegmérésre vezeti vissza. Mivel a tömegmérés nagyobb pontossággal végezhető, mint a térfogatmérés a gravimetria időigényessége ellenére gyakran alkalmazott analitikai módszer. A gravimetriás mérések egyik csoportját azok a mérések jelentik, amikor egy mintaalkotó mennyiségét a felfogó rendszer tömegnövekedéséből vagy mint ez a nedvesség, vagy illó, esetleg szerves anyag tartalom meghatározásnál történik, a hevítéskor bekövetkezett tömegcsökkenésből határozzuk meg. Az oldott sótartalmat az oldószer elpárologtatása után visszamaradt anyag tömege jelenti. A gravimetriás mérések másik típusánál a meghatározandó anyagot jól mérhető csapadék formájában leválasztjuk, és a keletkezett csapadék tömegét megmérve következtetünk a csapadék formájában leválasztott komponensre. Az átszámítást az ismert sztöchiometriai képlet teszi lehetővé. A gázanalitikában egyszerű gravimetriás mérés a gázok por és nedvességtartalmának meghatározása. A portartalom mérésénél a gázt adott térfogatát lemért szűrőn szívatják át, a szűrő a port visszatartja, tömegnövekedése a portartalmat adja. A nedvesség tartalom meghatározásnál a gáz víztartalmát meg kell kötni. Jó vízmegkötő anyag a foszfor-pentoxid (P2O5) vagy a szilikagél. Előbbi kémiailag, utóbbi szorpciós folyamatban köti meg a vizet. Oldatok (vizek) esetében ilyen feladat az oldott anyag mennyiségét jellemző bepárlási maradék mérése, amikor is adott térfogatú oldatot kimérve az oldószert elpárologtatják és a száraz maradék tömegét mérik. Az ásványvizes palackokon ezt az adatot megtaláljuk az ionok koncentrációi mellett. Ez a mennyiség mint az 1. ábra mutatja a víz típusára is következtetni enged. Esővíz, Oldott szilárd anyag: 7.1 mg dm-3

Folyóvíz, Oldott szilárd anyag: 118.2 mg dm-3

Tengervíz, Oldott szilárd anyag: 34.4 g dm-3

1. ábra Vízminták oldott sótartalma és a fontosabb alkotók.

1


Porok vizsgálatánál a leggyakrabban előforduló gravimetriás feladat azok nedvesség tartalmának és izzítási maradékának meghatározása. A nedvességtartalom, oldott sótartalom (más néven bepárlási maradék) meghatározása 105 C-on súlyállandóságig történő szárítást jelent. A szilárd anyagokat levegő jelenlétében 700 C-ig hevítve a szerves komponensek elégnek. A szervetlenek vagy változatlanul vagy bomlást szenvedve visszamaradnak. Ha a szervetlen anyag nem bomlik el akkor az izzítási maradékból a minta szervetlen, az izzítási veszteségből szerves anyag tartalmára következtethetünk. Ha a szervetlen anyag átalakul (általában oxidokká bomlik) akkor a hevítés utáni maradék nem lesz azonos a szervetlen anyag tartalommal, a maradékot ezért nevezik inkább izzítási maradéknak (szeneknél hamunak). Ezek a gravimetriás módszerek, kivéve a víztartalom meghatározás nem specifikusak. Ez azt jelenti, hogy nem egy elemről, hanem a vegyületek egy csoportjáról (lásd szervetlen vagy szerves) adnak információt. A nedvességtartalom meghatározás nem csak azért fontos mert megadható a minta nedvesség tartalma, hanem lehetővé teszi az elemzési adatoknak egy jól definiált állapotra a száraz minta állapotra történő megadását, akkor is ha az elemzés a nedves állapotú mintán történt. A csapadékképzést alkalmazó gravimetriás módszerek már elem, ill. vegyület specifikusak, a csapadék formában történő leválasztás ugyanis többnyire a vizsgált komponensre specifikus reakciót jelent. A csapadéknak jól definiált összetételű, szárításra, tömegmérésre alkalmas vegyületnek kell lenni. Ahhoz, hogy egy oldatban lévő komponens gravimetriásan mérhető legyen az oldatból el kell különíteni. Ez általában szűréssel történik. A csapadék oldhatóságának olyan kicsinek kell lenni, hogy az oldatban maradt vizsgálandó komponens miatt keletkező hiba kisebb legyen, mint az analitikai mérleg érzékenysége 0,1 mg. Léteznek olyan gravimetriás módszerek is amelyek az elkülönítés másfajta módjait alkalmazzák, pl. elektrolízist, ekkor elektrogravimetriáról beszélünk. Ez esetben az oldott kationokat elektronátadással járó reakcióban a katódon leválasztják. Miután a vizsgált iont így kielektrolizálták az oldatból a katód tömegnövekedését meghatározzák. Speciális gravimetriás módszer a termogravimetria. A termogravimetria esetében az anyagot egy kemencében folyamatosan növelve a hőmérsékletet hevítjük miközben folyamatosan mérjük a tömegét. Ha a termogravimetriát a fentebb tárgyalt nedvességtartalom és izzítási maradék meghatározására használjuk, annyiban kapunk több információt, hogy megkapjuk azokat a hőmérsékleteket ahol a vízvesztés ill. a bomlások, oxidáció bekövetkeznek. A különböző anyagok vízvesztése és a bomlás lépései sokszor elkülönülten jelentkeznek, ezért ebből az anyag összetettségére, sokszor alkotói minőségére, mennyiségére is következtethetünk. A gravimetria az abszolút analitikai módszerek sorába tartozik. Ez azt jelenti, hogy nem kell a vizsgálathoz ismert összetételű mintákkal az analitikai függvényt (I = f(c) ahol I az analitikai jel, ez esetben csapadéktömeg, c a koncentráció) meghatározni, ugyanis a csapadék összetétel ezt meghatározza, ez alapján számolható, hogy a csapadék hány százaléka a leválasztott komponens. Nem minden csapadékképzési reakció használható fel gravimetriás mérésre. Ha megvizsgáljuk az alábbi két reakciót, az L oldhatósági szorzatok alapján megállapíthatjuk, hogy mindkettő rosszul oldódó csapadék. Az AgCl-ot mégsem használhatjuk a klorid ion gravimetriás meghatározására, mert fény, melegítés hatására bomlik. Szemben a BaSO4 -al amelyik alkalmas vegyületformát jelent a szulfát gravimetriás meghatározására. Ag+ + Cl- ↔AgCl Ba2+ + SO42-↔BaSO4

L = [ Ag+][ Cl-] L = [ Ba2+][ SO42-]

L= 10-9,76 (278K) L= 10-9,72 (278K)

(1) (2)

Csapadék képzésére nem csak szervetlen vegyületek (lásd a fenti példákat), hanem szerves vegyületek is alkalmasak. Ezeknél sokszor nem a klasszikus vegyületképződés hanem az un. komplexképződés megy végbe a leválasztandó kationnal. Ha ez a komplex apoláros akkor az

2


oldhatósága kicsi lesz és, mint csapadék az oldatból elválasztható. A Ni meghatározása dimetilglioximmal egy ilyen szerves komplexképzőt használ fel a nikkel- ion leválasztásához.

H3C

C

OH

OH

N

N

C

CH3

N

N

C

CH3

OH

OH

Ni2+ H3C

C

2.ábra Ni- glioxim komplex szerkezete 1. Levegő nedvességtartalmának meghatározása gravimetriás módszerrel (adszorpciós gázelemzés, gáz-gravimetria) A levegő, de más gázok, gázelegyek is kisebb nagyobb mennyiségben tartalmazhatnak vízgőzt. A vízgőz parciális nyomása az adott gázban attól függ, hogy kialakult-e az egyensúlyi telítettség az adott hőmérsékleten és, hogy mennyi ez a hőmérséklet.. A gőznyomás a hőmérséklettel exponenciálisan növekszik, így a gáz víztartalma magasabb hőmérsékleten nagyobb. A víztartalom általában nem kívánatos sem a technológiai műveletekben, sem az elemzéseknél ezért a gázt felhasználás, vagy elemzés előtt szárítani szokták. A szárítás során olyan töltött oszlopokon vezetik át amelyikben a szorbens a vizet megköti. Szárításra jól használható anyagok a szorbensként működő szilikagél, vagy akémiai reakcióval vizet megkötő foszfor- pentoxid (P2O5, ez az egyik legerélyesebb szárítószaer). A szilikagélt kobalt kloriddal megfestve szokták használni, a kobalt kloriddal mivel a kristályvizeinek száma szerint változtatja a színét láthatóvá thető a szárítóanyag elhasználódásának foka, kimerülése.. (A kék szín rózsaszínűvé válása jelzi a szárító anyag telítődését vízzel (kimerülését)).Gravimetriás módszereknél a megkötött gázkomponens által előidézett tömegváltozást mérjük. Előnye ennek a módszernek, hogy lévén a tömegmérés abszolút módszer, a vizsgálathoz nem szükségest külön elemző görbét meghatározni.

1

2

3

4

3. ábra. Vizsgálati elrendezés.(1, 2 :szilikagéllel töltött oszlopok., 3: rotaméter (az áramlási sebességet méri l/h-ban), 4: vákuum szivattyú). A gyakorlat során két oszlopba frissen kiszárított szilikagélt töltünk. Tömegeiket analitikai mérlegen meghatározzuk. A két oszlopot sorba kapcsoljuk. Ezt követően egy szivattyú segítségével átszívatjuk a vizsgálandó gázt (labor levegő) adott ideig adott sebességgel. (Az

3


átszívatás sebessége és ideje egyénileg lesz meghatározva). A szorbenst tartalmazó oszlopok tömegét ezután újra meghatározzuk. A kapott tömegváltozásból számítsa ki a levegő nedvességtartalmát g/ m3-ben az adott T és P állapotokra és normál állapotra. A két oszlop tömegváltozását a számításnál összegezni kell. A két oszlop tömegváltozása alapján értékelje a felfogás hatékonyságát. Gondolkozzon el azon mi van akkor ha a második töltetnél is nagy tömegváltozás adódik? Milyen analitikai következménnyel járhat az ha a második oszlop tömegváltozása azonos az elsővel? ( Gondolja meg mikor tudja megkötni az egyik oszlop az összes nedvességet, milyen szerepe van az átszívás sebességének és az átszívott levegő térfogatának?) A mérés menetét a 3. ábra szemlélteti. Zh. kérdések: 1 Milyen jelenségen alapszik a gravimetria és mit ért azon, hogy ez a módszer egy abszolút analitikai módszer ? 2 Hogyan határozza meg a levegő nedvességtartalmát gravimetriás módszerrel? 3 Mennyi a levegő nedvességtartalma g/m3 egységben, ha a szilikagéllel töltött oszlopokon 12 percig 300 l/h sebességgel szívta át a levegőt. Az oszlopok tömegnövekedése 0,8 g ill 0,2 g volt.? 2. Vízminta oldott sótartalmának meghatározása Különböző természetes vízfajták oldott sótartalmáról az 1. ábra ad tájékoztatást. A technológiai vizek, oldatok oldott sótartalma ettől eltérő lehet. A gyakorlat során kapott vízmintából mérjen be 50-50 ml-t az előzetesen 105 C-on kiszárított és lemért 200 ml-es főzőpohárba. Ezt követően főzőlapon, kerülve az intenzív forrást, párolja el a vizet és a maradékot szárítószekrénybe téve 105 C-on szárítsa súlyállandóságig. A főzőpohár tömegnövekedéséből számítsa ki a két minta oldott szilárd anyag tartalmát. Zh kérdések: 4. Mennyi a víz oldott sótartalma g/l-ben, ha 50 ml bepárlásakor a tömegnövekedés 0,01 g volt? Az 1. táblázat adatait felhasználva állapítsa meg milyen víz lehet ez a minta. 3. Szilárd minta nedvesség és izzítási maradékának meghatározás A gyakorlat során talajminta nedvességtartalmát és izzítási maradékának mennyiségét (tüzelőanyagoknál ezt hamunak nevezik) kell meghatározni. A minta nedvesség tartalmának meghatározása: a 105 C-on kiszárított és analitikai mérlegen lemért főzőpoharakba mérjen be kb. 5 g-ot a kiadott mintából négy tizedes pontossággal. A mintákat tegye be a 105 C szárítószekrénybe és szárítsa súlyállandóságig 105 C-on. A kapott tömegváltozásból számítsa ki a minta nedvességtartalmát m/m% – ban. A minta hamutartalmának meghatározása: a kiadott mintából mintákból mérjen be kb. 1 g-ot négy tizedes pontossággal az előre lemért porcelán tégelybe. Tegye be izzító kemencébe és hevítse 700 C-ra, 1 órai izzítás után exszikkátorban hagyja kihűlni a mintát. Az exszikkátor szárító anyagot tartalmaz és megakadályozza azt, hogy a száraz minta a levegőből nedvességet vegyen fel. Mérje meg a tégely tömegét. A kapott tömegváltozás alapján határozza meg a minta hamutartalmát m/m %-ban a száraz és a nedves minta állapotra számolva.

4


(Megjegyzés: helyesen eljárva 105 C-on szárított mintát szoktuk használni a méréshez, ehhez meg kellene várnunk a nedvesség tartalom meghatározás végét, idő hiányában a gyakorlaton a nedves mintát használjuk) Zh kérdések: 5. Hogyan határozza meg egy anyag nedvességtartalmát? 6. Hogyan határozza meg az izzítási maradékot és mikor azonos ez a minta szervetlen anyag tartalmával? 7. Mennyi a minta nedvességtartalma m/m %-ban ha 5,000 g bemérésnél a 105 C-os szárítás következtében 0,250 g tömegcsökkenés történt? 8. Mennyi egy minta szerves anyag tartalma száraz állapotra számolva m/m %-ban ha 1.000 g bemérésnél 0,250 volt az izzítási maradék, a minta nedvességtartalma 10 m/m %? 4. Szilárd minta termogravimetriás görbéjének értékelése Gravimetriás mérést végezhetünk műszeresen is, amikor a mintát melegítve folyamatosan regisztráljuk a minta tömegváltozását. A módszer az előbbi kemencében végzett méréstől csak annyiban különbözik, hogy egy miniatürizált tégelybe kb. 100-200 mg mintát mérünk és ezt a tégelyt egy kemencébe benyúló mérlegkarra tesszük. A kemencét programozottan adott sebességgel fűtjük folyamatosan regisztrálva a hőmérsékletet, a minta tömegét és ha differenciál termoanalitikai (DTA) mérés is lehetséges a minta átalakulásakor bekövetkező hőváltozást. (Ezt hőmérséklet különbségként mérjük egy referencia tégelyhez viszonyítva, az átalakuláshoz tartozó hőeffektus miatt ugyanis a referencia és a minta tégely hőmérséklete eltér egymástól, exoterm átalakulásnál a minta hőmérséklete előresiet a kemencéhez képest, endoterm esetben pedig késik). Az alábbi 4. ábra egy szervetlen anyag a cink-hidroxid-karbonát tömegének változását mutatja be a hőmérséklet függvényében termoanalitikai berendezésben mérve. Cink-hidroxid-karbonát tömegváltozása hevítés hatására 0 Zn(OH)2=ZnO +H2O -10

-20 ZnCO3 = ZnO +CO2

Tömegcsökkenés, mg

-30

-40 ZnO párolgása -50

-60

-70

-80

-90

-100 0

200

400

600

800

1000

1200

Hőmérséklet, C

4. ábra Szilárd minta termoanalitikai görbéje Látható, hogy a Zn(OH)2 már 100-200 C között elbomlik a ZnCO3 bomlása 200-400 C között megy végbe. A keletkezett ZnO 400-750 C között stabíl, nem változik, 750 C fölött gőzzé alakul. A fentiek alapján állíthatjuk azt, hogy a minta melegítésekor bekövetkezett tömegváltozás nemcsak a nedvesség vagy a hamutartalom meghatározására használható fel

5


hanem a minta összetételének meghatározására is. A fenti példából megtudhatjuk, mennyi cink van Zn(OH)2 és mennyi ZnCO3 formában. A gyakorlaton bemutatjuk a termoanalitikai berendezést és egy termoanalitikai görbét adunk. A görbe annak a mintának a vizsgálatát mutatja, amit mintaként megkapott nedvesség és hamutartalom meghatározásra. Ki kell értékelnie a görbét és a kapott nedvesség és hamutartalom adatot össze kell vetnie a saját mérésével. A Tg görbe kiértékelésében a tömegválozás kezdete és vége kijelölésében a differenciál görbe (DTG) segítségünkre van, lásd. 5. ábra.

5. ábra Ismeretlen anyag TG és DTG görbéi.

Zh kérdések: 9. Ismertesse a termogravimetriás mérés elvét.

6


1.

gyakorlat (Gravimetria I.)

1. Nedvesség tartalom meghatározása: Mérje le az exszikkátorban lévő alacsony három főzőpoharat analitikai mérlegen sorszámozza és írja rá nevének kezdőbetűjét. Mérjen mindegyikbe négy tizedes pontossággal kb. 5 g-ot a kiadott mintákból. Tegye a tégelyeket a szárítószekrénybe és szárítsa egy órán át 150 C-on. Szedje ki exikkátorba és lehűlés után mérje vissza . Az adatokat rögzítse táblázatban. Edény száma

Edény tömege, g

Bemért anyag, g

Edény+száraz anyag, g

-

-

-

1. pohár: 2. pohár: 3. pohár Átlag Szórás

Nedvesség tartalom, m/m %

2. Izzítási maradék meghatározása: Mérje le a három kerámia tégelyt analitikai mérlegen és mérjen mindegyikbe négy tizedes pontossággal kb. 1 g-ot a kiadott mintákból. Tegye a tégelyeket tokos kemencébe és 700 C-on izzítsa a mintákat egy órán át. Hagyja a mintát a kemencében lehűlni. A következő nap vagy a következő alkalommal tudja csak visszamérni. Mintáit exikkátorban találja meg. Edény száma

Edény tömege, g

Bemért anyag, g

Edény+izzítási maradék, g

-

-

-

1.tégely: 2.tégely 3. tégely Átlag Szórás

Izzítási maradék, (beméési állapotban) m/m %

Izzítási maradék (száraz állapotban) m/m %

3. Vízminta oldott sótartalmának meghatározása: Mérje le a magas főzőpoharakat analitikai mérlegen és a kiadott vízmintákból mérjen be 50 ml-t a poharakra. Tegye a fülke alatt lévő homokfürdőre és párolja be. A bepárlás vége felé amikor már csak 1-2 ml víz van a pohárban vegye le a homok fürdőről és tegye be a 105 C-os szárítószekrénybe kb. 30 perces szárítás után exszikkátorban a három kerámia tégelyt analitikai mérlegen és mérjen mindegyikbe négy tizedes pontossággal kb. 1 g-ot a kiadott mintákból. Tegye a tégelyeket tokos kemencébe és 700 C-on izzítsa a mintákat egy órán át. Hagyja a mintát a kemencében lehűlni. Másnap vagy a következő alkalommal tudja visszamérni. Edény száma 1. pohár: 2. pohár: 3. pohár Átlag Szórás

Edény tömege, g

Bemért anyag, g

Edény+száraz anyag, g

-

-

-

Bepárlási maradék g/dm-3

4. Levegő nedvességtartalmának meghatározása: Mérjen le két száraz szilikagéllel megtöltött szorpciós csövet. Kösse be a mintavevő rendszerbe. Szívasson át labor levegőt

7


a kiadott időtartamig adott áramlási sebességgel, majd mérje meg ismét a csöveket. Számítsa ki az átszívott levegő térfogatát, a csövek tömegnövekedéséből számítsa ki a levegő nedvességtartalmát gm-3 és térfogat % ban. Edény száma

1. cső: 2. cső: 1+2 cső T labor:

5.

Cső+szo rbens tömege, g

Cső + szorbens + nedvessé g, g

-

-

Nedvess ég, g

Levegő áramlási sebeség, dm3/h

Mintavét eli idő, h

-

-

Átszívott levegő térfogata , m3

Nedvess ég tartalom,

Nedvess ég tartalom,

gm-3

v/v %

K

Szilárd minta termogravimetriás görbéjének értékelése: A gyakorlatvezető megismerteti a termoanalitikai berendezéssel, ezt követően megkapja az 1, 2 pontban használt mintája termogravimetriás görbéjét, amit ki kell értékelni és a kapott adatokat össze kell vetni az 1, 2 pontban kapott adatokkal.

Minta száma : Minta tömege: Tömegváltozás, mg Nedvességtartalom, m/m % Izzítási maradék (bemérési állapot), m/m %

Első lépcső: víz vesztés T1: -

750 C-ig mért tömegváltozás -

-

8

Lakatos J.: Analitikai Kémiai Gyakorlatok Anyagmérnök BSc. Hallgatók Számára, (2008)

Recommend Documents