PRAKTICKÁ VÝUKA PŘÍRODOVĚDNÝCH PŘEDMĚTŮ NA ZŠ A SŠ CZ.1.07/1.1.30/02.0024 Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
Oborový workshop pro SŠ CHEMIE
Téma: FOTOMETRICKÁ STANOVENÍ SLEDOVÁNÍ VODIVOSTI VODNÝCH ROZTOKŮ
FOTOMETRICKÁ STANOVENÍ
TÉMA: FOTOMETRICKÁ STANOVENÍ AUTOR: Ing. JAN HRDLIČKA, Ph.D. CÍL: V rámci této úlohy si studenti osvojí odměřování roztoků pomocí pipet a odměrných baněk při přípravě standardů kalibrační přímky. Přesnost jejich práce je pak možné ohodnotit podle toho, jak přesně protíná kalibrační přímka jednotlivé body v kalibračním grafu. Zároveň se seznámí s možnostmi přístrojových metod při stanoveních nízkých koncentrací vybraných analytů. ÚVOD Fotometrie patří mezi optické analytické metody, což je soubor fyzikálně-chemických metod, jejichž společným znakem je mechanizmus založený na reakci hmoty a záření. Hmotou zde rozumíme atomy, molekuly nebo ionty zkoumané látky v homogenním prostředí „průchodném“ pro elektromagnetické záření. Hmota a záření si vyměňují energii, přičemž u absorpční spektroskopie je mechanizmus interakce mezi hmotou a zářením založen na schopnosti atomů, molekul nebo iontů přecházet ze stavů s menší energií do stavů energeticky bohatších a využívat k těmto přechodům dodanou zářivou energii. Lambert-Beerův zákon vyjadřuje vztah mezi množstvím takto pohlceného záření (absorbancí) a koncentrací analytu. Je vyjádřen rovnicí A = ε . c . l, kde A je absorbance při dané vlnové délce, ε je molární absorpční koeficient [dm3 . mol-1 . cm-1] pro danou vlnovou délku a daný analyt, l je délka optické dráhy, na které dochází k absorpci (tloušťka kyvety) [cm] a c je molární koncentrace stanovovaného analytu [mol . dm-3]. Lambert – Beerův zákon je limitní tzn. že platí pouze za určitých podmínek: a) pro roztoky o nízkých koncentracích (c << 10-2 mol.dm-3). b) v měřeném systému existuje pouze jedna absorbující složka. V praxi se obvykle zjednodušuje na rovnici A = k . c, kde v konstantě k jsou shrnuty všechny parametry, které jsou za daných podmínek měření beze změn.
2
FOTOMETRICKÁ STANOVENÍ ÚLOHY: 1
PŘÍPRAVA ŘADY STANDARDŮ PRO KALIBRAČNÍ PŘÍMKU
1.1 Pomůcky Základní roztok Fe pro kalibraci – obsahuje v 1 cm3 0,1 mg Fe, tj. v 1 dm3 100 mg Fe. nebo Základní roztok KMnO4 pro kalibraci – obsahuje v 1 cm3 0,1 mg Mn, tj. v 1 dm3 100 mg Mn. (podle zadání lektora) Odměrná baňka 50 ml 5 ks Pipeta dělená 10 ml 1 ks Pipetovací balonek 1 ks 1.2 Princip Roztoky o známé koncentraci slouží k empirickému zjištění závislosti absorbance na koncentraci za podmínek stanovení. Tento postup se nazývá kalibrace. 1.3 Postup Příprava kalibračních roztoků se provede podle Tab. 1. Tab. 1 Pracovní návod pro přípravu kalibračních roztoků o c 0 - 20 mg.dm-3 c [mg.dm-3]
2
Do 50 cm3 odměrné baňky Zásobní roztok [cm3]
Destilovaná voda
0 5
nepřidává se 2,5
doplnit po rysku doplnit po rysku
10
5
doplnit po rysku
15 20
7,5 10
doplnit po rysku doplnit po rysku
STANOVENÍ ŽELEZITÉHO IONTU S THIOKYANATANEM
2.1 Pomůcky Roztok vzorku obsahující Fe3+ HCl (1:1) KSCN 20% 8 kádinek 100 (nebo 150) cm3 5 odměrných baněk 50 cm3 s připravenými standardy Pipeta dělená 5 cm3 2 ks
3
FOTOMETRICKÁ STANOVENÍ Pipeta nedělená 50 cm3 Pipetovací balonek
1 ks
2.2 Princip Trojmocné železo reaguje v kyselém prostředí s thiokyanatanem za vzniku výrazného zbarvení. −
SCN Fe3+ → Fe[Fe(SCN)6]
2.3 Postup Do 100 cm3 kádinky k 50 cm3 vzorku (odměřte pipetou) přidejte 2,5 cm3 HCl (1:1) a zamíchejte. Potom přidejte 5 cm3 20% roztoku KSCN. Stejným způsobem jsou zpracovány také připravené roztoky standardů. Po promíchání roztoků se za 10 minut změří absorbance roztoku při vlnové délce 500 nm. 2.4 Otázky a úkoly Reakce, která se využívá pro vytvoření barevné sloučeniny Fe je _____________________.
Jakou barvu má vzniklá sloučenina?
3
STANOVENÍ MANGANATÉHO IONTU OXIDACÍ NA MANGANISTAN
3.1 Pomůcky Roztok vzorku obsahující Mn2+ Roztok AgNO3 K2S2O8 pevný vařič 8 kádinek 100 (nebo 150) cm3 5 odměrných baněk 50 cm3 s připravenými standardy Plastové kapátko Pipeta nedělená 50 cm3 1 ks
4
FOTOMETRICKÁ STANOVENÍ Pipetovací balonek Laboratorní váhy a navažovací plastová lodička Lžička 3.2 Princip Manganaté ionty jsou v kyselém prostředí oxidovány peroxodisíranem za katalýzy stříbrnými ionty za vzniku výrazně zabarveného iontu manganistanového. +
2 MnSO4 + 5 K2S2O8 + 8 H2O
Ag → 2 HMnO4 + 5 K2SO4 + 7 H2SO4
3.3 Postup Do 100 cm3 kádinky se k 50 cm3 vzorku přidá 5 kapek činidla obsahujícího stříbrné ionty a 0,5 g peroxodisíranu draselného. Směs se pomalu ohřeje k varu a vaří se po dobu 10 minut. Po ochlazení na teplotu laboratoře se přidá asi 0,1 g peroxodisíranu draselného navíc a objem roztoku se doplní destilovanou vodou opět na 50 cm3. Po 10 minutách se změří absorbance vzorku při vlnové délce 525 nm. 3.4 Otázky a úkoly Reakce, která se využívá pro vytvoření barevné sloučeniny Fe je _____________________. Jakou barvu má vzniklá sloučenina?
4
FOTOMETRICKÉ STANOVENÍ NA SPEKTROFOTOMETRU VERNIER
4.1 Pomůcky Spektrofotometr Vernier s notebookem a nainstalovaným ovládacím programem Sada kyvet Sada kádinek s připravenými roztoky podle úkolu 1, a 2 nebo 3 (podle zadání lektora) 4.2 Princip S pomocí standardů určíme závislost absorbance na koncentraci stanovovaného iontu a vytvoříme kalibrační přímku. Pak změříme hodnotu absorbance neznámého vzorku a díky vytvořené kalibrační přímce určíme koncentraci neznámého vzorku.
5
FOTOMETRICKÁ STANOVENÍ 4.3 Postup Připojte přístroje Vernier SpectroVis k notebooku. V ovládacím programu zvolte Experiment --> Kalibrovat --> Spectrometer 1 a počkejte, než se nažhaví lampa (cca 90 sekund), vložte prázdnou kyvetu a dokončete kalibraci. Nabídku spektrometru otevřete pomocí ikonky duhy, v ní pak stisknutím obrázku vpravo nahoře otevřete menu a zvolte možnost Konfigurovat sběr dat. Zvolte možnost absorbance vs. koncentrace a vyplňte popisky. Pak spusťte měření. Do jednotlivých kyvet nalijte roztoky standardů a vzorku. Vkládejte kyvety s jednotlivými standardy a klikejte na ikonku zachovat. Po každém kliknutí vyplňte hodnotu koncentrace měřeného standardu. Po změření posledního standardu ukončete měření. V menu analýza pak zvolte Proložit křivku, nastavte přímou úměru, stiskněte Aproximovat a potvrďte OK. Takto získanou rovnici kalibrační přímky pak použijte pro stanovení hmotnostní koncentrace neznámého vzorku ze změřené hodnoty absorbance. Hmotnostní koncentraci stanovovaného iontu v mg.dm-3 vypočteme ze získané rovnice kalibrační přímky. 4.4 Otázky a úkoly Zapište rovnici kalibrační přímky
Vypočtěte koncentraci stanovovaného iontu a doplňte větu v závěru
V neznámém
vzorku
č.
_____
iontu
_____
jsme
vypočetli
jeho
hmotnostní
koncentraci ______ mg.dm-3.
6
FOTOMETRICKÁ STANOVENÍ LITERATURA 1. Němcová, I., Čermáková , L., Rychlovský, P.: Spektrofotometrické analytické metody I: učební text pro posluchače Přírodovědecké fakulty UK 2. vyd. Univerzita Karlova v Praze: Karolinum, Praha 2004. 2. Opekar, F., Jelínek, I., Rychlovský, P.: Základní analytická chemie pro studenty, pro něž analytická chemie není hlavním studijním oborem 1. vyd. Univerzita Karlova v Praze: Karolinum, Praha 2002. 3. Horáková, M.: Analytika vody 2. vyd. VŠCHT, Praha 2003. 4. Němcová, I., Engst, P., Jelínek, I.: Spektrofotometrické analytické metody II: učební text pro posluchače Přírodovědecké fakulty UK 1. vyd. Univerzita Karlova v Praze: Karolinum, Praha 1998. 5. Práce se spektrometrem Vernier SpectroVis Plus, http://www.vernier.cz/experimenty/ gml/chemie/ch11.pdf, staženo 20. 11. 2013
7
SLEDOVÁNÍ VODIVOSTI VODNÝCH ROZTOKŮ
TÉMA: SLEDOVÁNÍ VODIVOSTI VODNÝCH ROZTOKŮ AUTORKA: Mgr. JITKA ŠTROFOVÁ, Ph.D. CÍL: Žák je schopen vysvětlit pojem elektrolyt a chápe podstatu elektrické vodivosti vodných roztoků. Dokáže vypočítat objem potřebný k přípravě roztoku dané koncentrace a tento roztok prakticky připravit. Podle pracovních návodů a pokynů učitele je schopen připravit systém Vernier k měření vodivosti a měření prakticky provést. Naměřená data dokáže zpracovat a analyzovat. Při práci respektuje pravidla o bezpečném zacházení s chemickými látkami, aby neohrozil zdraví své i ostatních účastníků workshopu. ÚVOD Látky, které se v roztoku nebo tavenině štěpí na ionty, se označují jako elektrolyty. Výměna elektronů mezi ionty je příčinou elektrické vodivosti elektrolytů. Kvantitativním měřítkem elektrické vodivosti je tzv. konduktivita (měrná vodivost), která je definována vztahem 1 L R= ∙ A kde R je naměřený odpor v Ω, L je vzdálenost elektrod a A jejich plocha. Poměr L/A je tzv. vodivostní konstanta nádobky, která se určuje kalibrací roztokem o známé vodivosti (nejčastěji roztokem KCl). Základní jednotkou konduktivity je S.m-1 (Siemens na metr), při praktických měřeních se používají jednotky dílčí, především S.cm-1. Konduktivita κ je při nízkých koncentracích téměř přímo úměrná koncentraci přítomných iontů. Na základě vodivostních měření lze určit např. stupeň disociace, hodnotu disociační konstanty či obsah rozpuštěné látky v roztoku.
ÚLOHY: 1 MĚŘENÍ VODIVOSTI ROZTOKU CHLORIDU SODNÉHO A KONSTRUKCE KALIBRAČNÍ KŘIVKY 1.1 Chemikálie a pomůcky Chlorid draselný KCl (c = 0,1 mol dm–3), chlorid sodný NaCl (c = 1 mol dm–3), 4 odměrné baňky (250 cm3), 2 pipety (dělené 25 cm3), pipetovací balonek, 3 kádinky (150 cm3), 6 širších zkumavek, stojánek na zkumavky, střička, filtrační papír, teploměr, senzor na měření
8
SLEDOVÁNÍ VODIVOSTI VODNÝCH ROZTOKŮ vodivosti, rozhraní Go! Link (obojí Vernier), notebook (notebook je možné nahradit dataloggerem LabQuest 2, v tom případě není třeba rozhraní Go! Link). 1.2 Princip Hodnota konduktivity je závislá na množství iontů v roztoku. Na základě měření vodivosti roztoku o různé koncentraci lze sestrojit kalibrační křivku a z ní následně zjistit obsah látky ve vzorku o neznámé koncentraci. 1.3 Postup Příprava roztoků Postupným ředěním roztoku (viz úkol 1.4.1) NaCl o koncentraci 1 mol dm–3 připravte do 4 odměrných baněk o objemu 250 cm3 roztoky o koncentracích: 0,1; 0,05; 0,01 a 0,005 mol dm–3. Příprava konduktometru K notebooku připojte přes rozhraní Go! Link konduktometr CON-BTA (Vernier) a spusťte program Logger Pro. Software rozpozná připojené čidlo a na obrazovce se objeví základní rozvržení pracovní plochy pro měření vodivosti. Kalibrace konduktometru O nutnosti kalibrace konduktometru budete informováni lektorem. Na horní nástrojové liště rozbalte nabídku Experiment a zvolte Kalibrovat, Go! Link Vodivost. Do označené zkumavky nalijte kalibrační roztok KCl o koncentraci 0,1 mol dm–3 a změřte jeho teplotu. V tabulce přiložené ke kalibračnímu roztoku vyhledejte hodnotu vodivosti odpovídající zjištěné teplotě. Ponořte senzor na měření vodivosti do kalibračního roztoku. V dialogovém okně zvolte Kalibrovat teď, vložte hodnotu vodivosti kalibračního roztoku, uchovejte ji a zvolte Hotovo. Příprava měření V nabídce Experiment zvolte Sběr dat a v dialogovém okně místo časové závislosti vyberte mód Události se vstupy, doplňte Název sloupce (koncentrace), Značku (c), Jednotky (mol/dm3) a uložte tlačítkem Hotovo. Na konduktometru zvolte rozsah 0 – 20 000. Nyní je vše připraveno k měření. Měření konduktivity roztoků o různé koncentraci Z odměrných roztoků NaCl o koncentracích 0,1; 0,05; 0,01 a 0,005 mol dm−3 odlijte vzorky do předem označených zkumavek. Měření provádějte od roztoku s nejnižší koncentrací. Senzor ponořte do měřeného roztoku, na obrazovce se objeví okamžitá hodnota vodivosti. Spusťte měření zeleným tlačítkem na horní nástrojové liště. Chvíli počkejte, až se hodnota ustálí, modrým tlačítkem na liště hodnotu uchovejte. Do dialogového okna Události a hodnoty zapište koncentraci roztoku, data se uloží do datové tabulky.
9
SLEDOVÁNÍ VODIVOSTI VODNÝCH ROZTOKŮ Senzor vyjměte, důkladně opláchněte destilovanou vodou, osušte filtračním papírem a můžete měřit roztok o další koncentraci. Postupně změřte vodivost roztoku chloridu sodného o čtyřech různých koncentracích. Měření ukončíte červeným tlačítkem Ukončit měření. (viz úkol 1.4.2) Konstrukce kalibrační křivky V nabídce Analýza zvolte Proložit přímku. Do poznámek opište rovnici dané přímky (viz úkol 1.4.3) a vyjádřete z ní závislost koncentrace na vodivosti. 1.4 Otázky a úkoly 1.4.1 Vypočtěte, jak budete ředit roztoky, abyste připravili roztoky o požadované koncentraci Počáteční koncentrace [mol/dm3]
Odpipetovaný objem [cm3]
Požadovaná koncentrace [mol/dm3]
Výsledný objem [cm3]
1
0,1
250
1
0,05
250
0,1
0,01
250
0,1
0,005
250
Výpočty:
10
SLEDOVÁNÍ VODIVOSTI VODNÝCH ROZTOKŮ 1.4.2 Naměřené hodnoty konduktivity zapište do tabulky c [mol/dm3]
κ [µS/cm]
0,1 0,05 0,01 0,005
1.4.3 Závislost vodivosti roztoku chloridu sodného na jeho koncentraci vystihuje rovnice . Z uvedené rovnice vyjádřete koncentraci c c=
.
2 STANOVENÍ OBSAHU CHLORIDU SODNÉHO VE VZORKU 2.1 Chemikálie a pomůcky Vzorky roztoku chloridu sodného o neznámé koncentraci, 2 širší zkumavky, stojánek na zkumavky, střička, filtrační papír, kádinka (150 cm3), senzor na měření vodivosti, rozhraní Go! Link (obojí Vernier), notebook. 2.2 Princip Hodnota konduktivity je závislá na množství iontů v roztoku. Na základě měření vodivosti roztoku o různé koncentraci lze sestrojit kalibrační křivku a z ní následně zjistit obsah látky ve vzorku o neznámé koncentraci. 2.3 Postup Nastavení měření Z nabídky Data zvolte Nový dopočítávaný sloupec. Vyplňte Název (koncentrace), Značku (c), Jednotky (mol/dm3) a do pole Výraz zapište rovnici vystihující závislost koncentrace roztoku
11
SLEDOVÁNÍ VODIVOSTI VODNÝCH ROZTOKŮ na jeho vodivosti z úkolu 1.4.3. V záložce Nastavení zvolte přesnost na 3 desetinná místa. Potvrďte tlačítkem Hotovo. V nabídce Vložit zvolte Displej a Digitální a v nabídce Stránka Automatické rozložení stránky. Na ploše se objeví ukazatel koncentrace měřeného vzorku. Měření vzorků Změřte vodivost vzorků o neznámé koncentraci NaCl. Hodnoty koncentrace daného vzorku se zobrazují přímo na ploše. 2.4 Otázky a úkoly 2.4.1 Do tabulky zapište zjištěnou koncentraci NaCl ve vzorcích. Vzorek č.
Koncentrace NaCl [mol/dm3]
2.4.2 Obsah NaCl v každém vzorku vyjádřete v g NaCl na 1 dm3 roztoku. Vzorek č.
Obsah NaCl [g/dm3]
Výpočty:
12
