Post on 05-Dec-2020
transcript
STUDIJNÍ OPORA PRO
LABORATORNÍ CVIČENÍ
Z FYZIKÁLNÍ CHEMIE
Magda Škvorová
2018
1. Kalorimetrická stanovení entalpií
rozpouštěcích, reakčních a neutralizačních.
Ke všem níže uvedeným úlohám použijte transparentní kalorimetr firmy Phywe
s příslušenstvím (viz obrázek níže). Základní sestava ke každé úloze je složena z kalorimetru,
teploměru s ochranným obalem, elektronického měřidla teploty a víkem ke kalorimetru. U
každé níže uvedené úlohy je třeba sestavu doplnit o příslušné komponenty.
Do transparentního kalorimetru vždy vložte úzkou vysokou kádinku 600 cm3!! Nikdy
nelijte žádné tekutiny přímo do kalorimetru!!!
Úloha 1. Entalpiometrické měření molárního rozpouštěcího tepla
Teorie: zopakujte si fyzikální pojmy: teplo, entalpie, tepelná kapacita (měrná, molární), jejich
vzájemné vztahy, symboly, jednotky.
Co je to molární rozpouštěcí teplo, integrální a diferenciální rozpouštěcí teplo, jejich
matematický a fyzikální smysl.
Pomocí literatury a internetu zjistěte metody stanovení rozpouštěcího tepla.
Pomůcky: transparentní kalorimetr, teploměr s ochranným obalem, elektronické měřidlo
teploty, víko kalorimetru s otvory pro teploměr, míchadlo a násypnou trubici pro pevné látky
se spodní zátkou..
Chemikálie: Voda, dusičnan draselný, hydroxid sodný, chlorid amonný
Pracovní postup:
A) stanovení celkové tepelné kapacity soustavy:
na analytických vahách navažte s přesností 0,001 g v násypné trubici uzavřené zátkou
okolo 5,6 g KNO3. Do kádinky v transparentním kalorimetru odměřte takové množství
destilované vody, které odpovídá odměřené hmotnosti KNO3. Objem vody zjistíte
výpočtem z hodnoty rozpouštěcí entalpie Hrozp.(100 mol H2O) = 34,2 kJmol-1
, která
udává molární rozpouštěcí teplo, jež se pohltí při rozpuštění 1 molu KNO3 ve 100 molech
vody.
Kádinku s odměřenou vodou vložte do kalorimetru, zavřete víkem a vložte míchadlo,
teploměr s ochranným pláštěm a do prostředního otvoru víka upevněte naplněnou
násypnou trubici.
Konektor teploměru připojte k měřidlu (zdířka T1). Měřidlo připojte do elektriky a
zapněte. Přepínač vzadu. Zmáčkněte tlačítko T1 u displeje na přední straně.
Za občasného míchání vody míchadlem odečítejte po dobu 5 minut ve 30
sekundových intervalech teplotu (tzv. předběžná perioda)
Předběžná perioda
Čas (s) 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300
Teplota t (°C)
Uvolněte zátku násypné trubice, vsypte látku do vody, míchejte a odečítejte teplotu
v co nejkratších intervalech, co stihnete, optimálně po 10 s. Jakmile se změna teploty
(pokles) zpomalí, prodlužte intervaly odečtu teploty a za stálého míchání doměřte tzv.
závěrečnou periodu. Měření ukončete, když se teplota nemění, případně se soustava začne
ohřívat na teplotu místnosti.
B) Měření molárního rozpouštěcího tepla NaOH a NH4Cl:
Stanovení molárního rozpouštěcího tepla obou látek určete zcela analogicky
předchozímu stanovení. Pro měření NaOH odvažte do násypné trubice s přesností
0,001 g asi 4 g NaOH a do kádinky v kalorimetru odpipetujte 100 cm3 destilované
vody.
Po vymytí a vysušení kalorimetru i násypné trubice pokračujte se stanovením NH4Cl.
Navážka NH4Cl je cca 5,3 G (měřeno na analytických vahách s přesností 0,001 g.
Objem destilované vody je opět 100 cm3.
Úkoly po ukončení práce:
I) Všechna stanovení uveďte do přehledné tabulek (pro každou látku zvlášť)
II) Pro všechna měření proveďte grafické znázornění získaných hodnot – vyneste závislost
tft . Z grafu odečtěte pro každou látku T.
III) Z hodnot získaných pro KNO3 vypočtěte celkovou tepelnou kapacitu soustavy K.
rozp.látky
rozp.látkyrozp
MT
mHK
, kde T je teplota v K, m je v g, M v gmol
-1.
IV) Ze stejného vztahu, jaký je uveden u bodu III) a získaných hodnot vypočtěte rozpouštěcí
entalpii NaOH a NH4Cl.
Úloha č.2: Určení reakčního tepla reakce zinku s roztokem
měďnaté soli Teorie: zopakujte si fyzikální pojmy: reakční teplo, reakční entalpie, tepelná kapacita (měrná,
molární), jejich vzájemné vztahy, symboly, jednotky.
Pomůcky: transparentní kalorimetr, teploměr s ochranným obalem, elektronické měřidlo
teploty, víko kalorimetru s otvory pro teploměr, míchadlo a násypnou trubici pro pevné látky
se spodní zátkou..
Chemikálie: Voda, roztok síranu měďnatého c(CuSO4) = 0,1 moldm-3
, práškový Zn.
Pracovní postup:
A) určení tepelné kapacity kalorimetru:
Do vysoké kádinky 600 cm3 odměřte hmotnost m1 (g) vody o teplotě t1.
Kádinku s vodou
vložte do kalorimetru, zavřete víkem, do otvoru ve víku vložte míchadlo, teploměr
s ochranným pláštěm. Konektor teploměru připojte k měřidlu (zdířka T1). Měřidlo připojte do
elektriky a zapněte. Přepínač vzadu. Zmáčkněte tlačítko T1 u displeje na přední straně. Zapište
si teplotu t1 zobrazenou na displeji. Do kádinky přilijte další vodu o hmotnosti m2 (g) a teplotě
t2. Směs zamíchejte a na displeji odečtěte výslednou teplotu t. (Teploty jsou voleny tak, aby
platilo: 12 ttt . S použitím měrné tepelné kapacity vody cp(H2O) = 4,185 JK
-1g
-1
vypočítejte tepelnou kapacitu kalorimetru Ke:
OH2p
1
1122e c
tt
ttmttmK
B) určení celkové tepelné kapacity soustavy:
Celková tepelná kapacita soustavy K je množství energie potřebné k ohřátí systému o 1 K a
v případě roztoků sestává ze střední tepelné kapacity roztoku zvolené reagující látky a střední
tepelné kapacity kalorimetru. Střední tepelná kapacita roztoku je určena jako součet tepelné
kapacity vzniklé látky Ks a rozpouštědla Kv. Tepelná kapacita látky je určena buď z měrně
tepelné kapacity a hmotnosti nebo molární tepelné kapacity a látkového množství. Kapacitu
kalorimetru jste si určili v bodě A této úlohy. evs KKKK ,
evvpssp KmcmcK
evvpssp KnCnCK
C) určení reakční entalpie reakce zinku se síranem měďnatým:
Do vysoké kádinky 600 cm3 odměřte 200 cm
3 roztoku síranu měďnatého c(CuSO4) = 0,1
moldm-3
. Kádinku s odměřeným roztokem vložte do kalorimetru, zavřete víkem, do otvoru
ve víku vložte míchadlo, teploměr s ochranným pláštěm. Do násypné trubice odměřte
s přesností 0,001 g práškový zinek o hmotnosti 2 g a trubici uzavřete dole zátkou. Vložte ji do
prostředního otvoru víka kalorimetru.
Konektor teploměru připojte k měřidlu (zdířka T1). Měřidlo připojte do elektriky a
zapněte. Přepínač vzadu. Zmáčkněte tlačítko T1 u displeje na přední straně.
Podobně, jako v předchozím případě, proměřte předběžnou periodu. Jakmile se teplota
nemění, uvolněte zátku násypné trubice a vsypte práškový zinek do roztoku síranu
měďnatého. Míchejte a v co nejkratších časových intervalech odečítejte na displeji teplotu.
Zaznamenávejte si závislost teploty na čase. Jakmile se růst teploty zpomalí, prodlužte
intervaly odečítání – závěrečná perioda. Měření ukončete, jakmile se teplota ustálí, případně
začne klesat na teplotu místnosti.
Úkoly po ukončení práce:
I) Všechny získané a vypočtené hodnoty uveďte do přehledné tabulky.
II) Vypočtěte tepelnou kapacitu soustavy a reakční entalpii měřené reakce ze vztahu
m
MTK
n
TKH r
, kde m (g), n (mol) a M (gmol
-1) jsou hmotnost,
látkové množství a molární hmotnost zvoleného produktu či reaktantu chemické
reakce.
III) Vypočtěte reakční teplo reakce zinku se síranem měďnatým pomocí tabelovaných
standardních slučovacích entalpií složek reakce. Tyto údaje nalezněte v tabulkách.
Hodnoty určené v bodě II) a III) porovnejte a rozdíly se pokuste vysvětlit.
IV) Určete látkové množství a hmotnost nezreagovaného zinku v reakční směsi.
Úloha č. 3: Stanovení poměru látkových množství reaktantů
z tepelného zabarvení chemické reakce
Teorie: zopakujte si fyzikální pojmy: neutralizace, neutralizační teplo, co je metoda
izomolárních serií.
Tepelné zabarvení neutralizační reakce může být použito ke stanovení stechiometrických
koeficientů reagujících látek. V různém poměru se smíchají roztoky kyseliny a hydroxidu o
stejné koncentraci tak, aby celkový objem byl vždy stejný. Po smíchání se zjistí změna teploty
každé reakční směsi. Závislost změny teploty reakční směsi a látkových poměrů reaktantů
probíhá maximem, které určuje teplotu úplné neutralizace látek a tím i jejich stechiometrické
koeficienty v chemické rovnici.
Pomůcky: transparentní kalorimetr, teploměr s ochranným obalem, elektronické měřidlo
teploty, víko kalorimetru s otvory pro teploměr, míchadlo a pipetu pro přilévání roztoků
kyselin nebo hydroxidů. Dvě sady odměrných válců o objemech 10, 25, 50 a 100 cm3.
Chemikálie: Hydroxid sodný, roztok c(NaOH) = 2 moldm-3
, kyslina sírová, roztok o
koncetraci c(H2SO4) = 2 moldm-3
.
Pracovní postup:
Odměrným válcem objemu 100 cm3 odměřte 90 cm
3 roztoku kyseliny sírové o koncentraci
c(H2SO4) = 2 moldm-3
a nalijte jej do vysoké kádinky o objemu 600 cm3. Kádinku vložte do
kalorimetru, zavřete ji víkem a do otvoru víka připevněte pipetu z příslušenství kalorimetru.
Do druhého otvoru ve víku připevněte teploměr s ochranným pláštěm. Konektor teploměru
připojte k měřidlu (zdířka T1). Měřidlo připojte do elektriky a zapněte. Přepínač vzadu.
Zmáčkněte tlačítko T1 u displeje na přední straně. Analogicky, jako v předchozích úlohách
proměřte předběžnou periodu. Odměřte 10 cm3 roztoku NaOH a vpravte do kádinky
v kalorimetru. Směsí pozvolna míchejte a odečítejte v co nejkratších intervalech teplotu
směsi. Jakmile se růst teploty zpomalí, prodlužte intervaly odečítání. Jakmile se teplota
soustavy ustálí nebo začne klesat, ukončete měření.
Všechny naměřené údaje pečlivě zaznamenávejte. Směs v kádince vylijte do výlevky,
vypláchněte a osušte.
Měření opakujte stejným způsobem pro vzájemné poměry roztoků: V(cm3 H2SO4)/ V(cm
3
NaOH): 80/20, 70/30, 60/40, 50/50.
Při dalších měřeních obraťte postup při slévání roztoků. Do kádinky nejprve vlijte 60 cm3
roztoku NaOH, proměřte předběžnou periodu a poté přilijte 40 cm3
H2SO4. Takto postupujte
dále s poměry objemů roztoků: V(cm3 NaOH)/ V(cm
3 H2SO4): 70/30, 80/20 a 90/10.
Úkoly po ukončení práce:
I) Jak byste dokázali, že neutralizace probíhá jako samovolná reakce?
II) Veškeré vypočtené a naměřené hodnoty uveďte do přehledné tabulky.
III) Vytvořte diagram závislosti
NaOH
SOH 42
VV
ft a stanovte poměr
látkových množství obou reaktantů. Napište rovnici probíhající neutralizace a
porovnejte vypočtené stechiometrické koeficienty s teoretickými.
IV) Vypočtěte celkové teplo uvolněné v bodě ekvivalence neutralizační reakce. Nutné
údaje vyhledejte v tabulkách.
1. Stanovení hustoty, viskozity a fluidity
kapalin různými technikami, stanovení
závislosti viskozity kapalin na teplotě
Celá práce se skládá z následujících bodů:
1. Stanovení hustoty pyknometricky
2. Stanovení hustoty hustoměrem
3. Stanovení viskozity a fluidity průtokovým viskozimetrem v závislosti na teplotě
4. Stanovení viskozity a fluidity tělískovým Höpplerovým viskozimetrem v závislosti na
teplotě
Všechny výše uvedené úlohy jsou určeny pro stanovení udaných vlastností 3 látek: voda,
ethanol a glycerol.
Studenti, kteří mají ve studijním programu kurz fyzikálně chemická cvičení nasazena jako
tříhodinová, provádí stanovení všech veličin pouze při jedné teplotě 20°C. Studenti, kteří
mají ve studijním programu kurz fyzikálně chemická cvičení nasazena jako čtyřhodinová
či bloková, provádí stanovení všech veličin při třech teplotách 20, 30 a 40°C.
Obr. 1: Příslušenství pro stanovování viskozity kapalin v závislosti na teplotě:
a) nová vodní lázeň MEMMERT b) Höpplerův tělískový viskozimetr c) průtokový (výtokový)
viskozimetr
Teorie: zopakujte si, co je hustota, viskozita, jaké jsou mezi nimi vztahy, jaké jsou jejich
jednotky. Jaké existují metody jejich stanovení. Vztahy pro závislost obou veličin na teplotě.
Hustota je hmotnost objemové jednotky látky a vyjádříme ji vztahem:
m
V [kg·m
-3, g·cm
-3] (1)
kde: m - hmotnost měřené kapaliny
V - objem kapaliny v pyknometru
Hustotu kapaliny určíme nejsnáze tak, že zjistíme hmotnost kapaliny, která zaujímá objem
vhodné nádobky (pyknometru). Objem pyknometru zjistíme kalibrací čistou destilovanou
vodou, jejíž hustotu odečteme z tabulky:
Hustota vody při tlaku 101,325 kPa (bez vztlaku vzduchu):
teplota vody [°C] hustota [kg·m-3
]
0 999,87
3,7 1000,00
10 999,73
15 999,13
20 998,23
25 997,08
30 995,68
K nejjednodušším zařízením pro stanovení viskozity patří kapilární viskozimetr Ostwaldův.
Zlepšenou konstrukci má Ubbelohdeho viskozimetr s visící hladinou (viz obr. 1 výše). Od
Ostwaldova viskozimetru se liší tím, že má přídavnou boční trubici, která eliminuje vliv
hydrostatického tlaku v širším rameni viskozimetru, čímž se značne snižuje chyba způsobená
různým povrchovým napětím měřených látek. Jako průtočná trubice se u obou typů používá
kapilára, aby i u méně viskozních kapalin bylo zaručeno laminární proudění.
Pomůcky: pyknometry, hustoměry, výtokové viskozimetry, průtokový viskozimetr, tělískový
Höpplerův viskozimetr nebo Rheo viskozimetr, vodní lázeň MEMMERT
Chemikálie: ethanol, glycerol
Pracovní postup:
1. Stanovení hustoty kapalin pyknometricky. Stanovení hustoty kapalin metodou
měření hmotnosti.
Metoda stanovení hmotnosti spočívá ve změření hmotnosti pyknometru prázdného a suchého
(m1), pyknometru naplněného vodou (m2) a pyknometru naplněného měřenou kapalinou (m3)
za teploty 20°C. hmotnost měřené kapaliny mk je dána rozdílem 13 mmmk . Objem
kapaliny Vk je týž, jako objem vody Vv vyplňující objem pyknometru Vp.
vpvk mmVVV 12 , kde v je hustota vody při teplotě a tlaku měření (t = 20°C, p =
patm). Pro hustotu měřené kapaliny k tedy platí: 1212 mmmm vk .
Postup stanovení:
a) Vyčištění a vysušení pyknometru. Po řádném vymytí vypláchněte pyknometr
vodou, destilovanou vodou a ethanolem a dejte vysušit do sušárny po dobu 15 minut při
teplotě 105°C. poté nechte pyknometr zchladnout na teplotu místnosti.
b) Měření hmotnosti prázdného pyknometru. Prázdný, čistý a suchý pyknometr se
zátkou zvážíme na analytických vahách - (m1).
c) Stanovení hmotnosti vody. Pyknometr naplníme destilovanou vodou do
poloviny hrdla. Zasuneme zátku, přebytečná voda unikne a pyknometr celý osušíme
filtračním papírem. Osušený pyknometr zvážíme - (m2).
d) Stanovení hmotnosti měřené kapaliny. Po vylití vody z pyknometru jej opět
vymyjeme ethanolem a osušíme. (popis viz výše). Poté naplníme pyknometr měřenou
kapalinou. A zvážíme (m3).
e) Výpočet hustoty kapaliny. Hustotu měřené kapaliny pak vypočteme ze vztahu
1212 mmmm vk .
Čistý a suchý pyknometr zvážíme se zátkou na analytických vahách s přesností 10-4
g
a zapíšeme si číslo pyknometru i zátky. I když stupnice pyknometru není označena, obsahuje
zpravidla šedesát dílků. Za nulu považujeme nejnižší velký dílek na spodním začátku
stupnice. Zvážený pyknometr naplníme pomocí injekční stříkačky (bez bublin) vzorkem,
jehož hustotu máme změřit, do libovolné výšky stupnice kapiláry, aniž ji potřísníme.
Pyknometr umístíme na 15 minut do termostatu vytemperovaného na 25 0C. Po
vytemperování co nejrychleji odečteme polohu menisku, pyknometr osušíme a zvážíme na
analytických vahách. Potom opět injekční stříkačkou odsajeme vzorek a vrátíme jej do
zásobní láhve.
Pro sestrojení kalibračního grafu postupujeme takto: pyknometr propláchneme 2-3 krát
destilovanou vodou a opět jej (bez vzduchových bublin) naplníme tak, aby hladina vody byla
mezi 0 až 10-tým dílkem od spodního konce stupnice. Pak jej umístíme do termostatu a
pokračujeme stejně jako při měření vzorku, jak je popsáno výše. Potom injekční stříkačkou
zvýšíme hladinu vody tak, abychom provedli přibližně 5 měření v různých místech po celém
rozsahu stupnice s opětovnou temperací, odečítáním polohy menisku, osušením a zvážením
pyknometru.
Z experimentálně naměřených hodnot sestrojíme kalibrační graf - přímku závislosti
dílků stupnice (osa x) na objemu vody v pyknometru (osa y). Z něj odečteme objem
odpovídající zjištěnému počtu dílků při měření neznámého vzorku a podle rovnice výše
vypočítáme jeho hustotu.
2. Stanovení hustoty kapaliny hustoměrem. Stanovení hustoty kapaliny vztlakovými
metodami.
Pro měření hustoty kapalin vztlakovými metodami jsou používány hustoměry. Hustoměry
jsou skleněné ztavené trubice sestávající ze 3 částí. Horní, úzká skleněná trubice tvoří stonek
hustoměru s vloženou stupnicí hustoty. Stonek přechází v rozšířenou část, jež plní funkci
plováku. Spodní část hustoměru je tvořena baňkou se zátěží. Hustoměr pracuji na bázi
Archimedova zákona.
Protože hustoměry jsou sestaveny vždy jen pro úzké rozmezí hustot, je nutné pro stanovení
hustoty kapaliny vzít vhodný hustoměr. K volbě vhodného hustoměru nám slouží předchozí
úloha 1. Podle hodnoty hustoty stanovené v této části práce vybereme vhodný hustoměr tak,
aby se stanovovaná hodnota hustoty ležela v rozmezí pracovního rozsahu hustoměru.
Zvolený hustoměr opět omyjeme a osušíme, aby stanovení nerušily zbytky předešle měřených
kapalin. Taktéž řádně vymyjeme a osušíme odměrný válec o objemu 250 cm3. poté naplníme
vymytý a vysušený odměrný válec měřenou kapalinou do cca 2/3 objemu. Válec opatrně
mírně nakloníme a pomalu do něj vkládáme zvolený hustoměr. NEPOUŠTĚJTE
HUSTOMĚR DO VÁLCE RYCHLE. MOHLO BY DOJÍT K ROZBITÍ HUSTOMĚRU
NEBO VÁLCE!
Z prstů vypustíme hustoměr až ve chvíli, kdy necítíme jeho tíhu!! Počkáme, až se hustoměr
ustálí v rovnovážné poloze. Hustoměr se nesmí dotýkat žádné stěny odměrného válce. Musí
volně plovat! Na stupnici hodnot odečteme hodnotu hustoty kapaliny v místě, kde se hodnota
stupnice dotýká hladiny kapaliny.
Při měření hustot velmi viskózních kapalin musíme před odečtením hustoty počkat i několik
minut, až se ustálí klesání hustoměru.
Po ukončení stanovení hustoměr i válec řádně opláchněte a osušte!
3. Stanovení viskozity a fluidity průtokovým Ubbelohdeovým viskozimetrem
v závislosti na teplotě.
Viskozitu budete měřit při 3 teplotách: 20, 30 a 40°C.
Ze sady viskozimetrů vyberte takový, u
něhož bude doba průtoku kapaliny
měřeným úsekem cca 120 s. (výběr se
provede zkusmo). Viskozimetr připněte
pomocí stojanu a ponořte do termostatu.
Nastavte na termostatu teplotu 20°C.
Viskozimetr vložíme do stojánku a
naplníme destilovanou vodou, kterou
použijeme k základnímu stanovení doby
průtoku. Před měřením se vzorkem
musíme přístroj vypláchnout ethanolem
a vysušit. Plnění: do trubice 1
viskozimetru nalijte tolik vzorku, aby
hladina kapaliny v trubici 1 byla někde
kolem spodní rysky. Viskozimetr
zasuňte do termostatu a nechte cca 10
minut temperovat. Poté nasaďte na
konec trubičky 2 hadičku, trubici 3
uspěte prstem a vzorek, bez
vzduchových bublin, nasajte nad horní
rysku trubice 2.
Pak uvolněte otvory trubic 2 a 3, měřenou kapalinu nechte volně stékat a stopkami měřte
dobu průchodu menisku kapaliny mezi horní a spodní ryskou trubice 2. měření doby průtoku
opakujte 10x. Pokud je rozptyl naměřených hodnot větší než 5 %, pokračujeme v měření
dalších hodnot, dokud nedosáhneme požadovanou přesnost.
Poté nastavíme na termostatu další, vyšší teplotu a necháme termostat i viskozimetr
vytemperovat, pokračujeme ve stanovení viskozity stejným způsobem. Máme-li takto
stanoveny doby průtoku vody při všech třech požadovaných teplotách, připravíme
viskozimetr pro měření se vzorkem. Při měření postupujeme stejně, jako u měření s vodou.
4. Stanovení viskozity a fluidity tělískovým Höpplerovým viskozimetrem v závislosti
na teplotě.
Viskozimetr připojte k termostatu. Nastavte na termostatu teplotu 20°C. Zkontrolujte ji
pomocí teploměru. Viskozitu budete měřit při 3 teplotách: 20, 30 a 40°C.
Po vytemperování termostatu i viskozimetru (cca po 10 minutách), naplňte viskozimetr
měřenou kapalinou po okraj. V trubici nesmí být vzduchová bublina. Připravte si stopky.
Nejprve je třeba nalézt kuličku vhodnou pro stanovení hustoty dané kapaliny. Vyjměte jednu
kuličku z krabičky. Vložte ji na hladinu měřené kapaliny a nechte volně padat kapalinou.
Jakmile spodní meniskus kuličky protne horní rysku měřeného úseku viskozimetru, začněte
měřit čas. Měření končí v době, kdy opět spodní meniskus protne spodní rysku měřené
oblasti. Pro měření dané kapaliny zvolte vždy takovou kuličku, jejíž doba pádu se pohybuje
v rozmezí 30 až 180 sekund. Kratší doba pádu by byla zatížena velkou chybou měření, delší
doba zbytečně prodlužuje dobu práce. Po nalezení vhodné kuličky proveďte 10x měření
viskozity dané kapaliny při první teplotě 20°C. Poté přednastavte teplotu termostatu na
hodnotu 30°C a zopakujte opět celé stanovení 10x. Pak totéž udělejte pro teplotu 40°C. Není
nutno při dalších teplotách měnit kuličky. Po ukončení celého stanovení pro jednu kapalinu
vyjměte kuličku, umyjte ji, osušte ji a zvažte. Dle zjištěné hmotnosti kuličky najděte v tabulce
parametrů přiložené v dřevěné bedně přístroje další údaje důležité pro výpočet: hustotu
kuličky a konstantu kuličky. V přiloženém návodu máte také vztah, podle něhož následně
vypočtete viskozitu. klkl Kmm , kde m je hmotnost, K je konstanta a je čas.
Index k značí kuličku a index l měřenou kapalinu.
Celé testování vhodné kuličky a stanovení viskozity proveďte i pro další dvě kapaliny při
všech 3 teplotách.
Úkoly po ukončení práce: I) všechny získané hodnoty uveďte do přehledné tabulky.
II) Všechny získané hodnoty statisticky vyhodnoťte, určete odlehlé hodnoty a po
jejich vyloučení vypočtěte průměrné hodnoty průtoku kapaliny kapilárou nebo
dobu pádu kuličky.
III) Pro každou látku uveďte do závěrečné tabulky všechny hodnoty určené Vámi a
nalezené v tabulkách. Porovnejte takto experimentální a tabelované hodnoty.
IV) S hodnot času vypočtěte pro každou látku a každou teplotu dynamickou a
kinematickou viskozitu, fluiditu. Vztahy naleznete na příbalových letácích u
jednotlivých viskozimetrů.
Pro závislost dynamické viskozity na teplotě platí vztah:
T
EA
Rexp , v níž
A,E a R značí konstanty a T absolutní teplotu. Tuto rovnici lze snadno linearizovat
do tvaru. Tuto rovnici lze snadno linearizovat do tvaru:
T
BClog . Ze
získaných hodnot sestrojte pro každou z látek graf závislosti Tf 1log a
určete z grafu obě konstanty vztahu B a C.
2. Extrakce látek vytřepáváním, stanovení
rozdělovacích koeficientů různými
technikami
1) Stanovení rozdělovacího koeficientu anorganické látky mezi anorganické a organické
rozpouštědlo titračně: Stanovení rozdělovacího koeficientu jodu mezi vodu a
chloroform a mezi toluenem a vodou
2) Stanovení rozdělovacího koeficientu anorganické látky mezi anorganické a organické
rozpouštědlo titračně: Stanovení rozdělovacího koeficientu kyseliny salicylové mezi
vodu a pentan-1-ol
3) Stanovení rozdělovacího koeficientu organokovové látky mezi anorganické a
organické rozpouštědlo spektrofotometricky: Stanovení rozdělovacího koeficientu
dithizonátu stříbrného mezi vodu a chloroform několikanásobnou extrakcí
Úloha č.1: Stanovení rozdělovacího koeficientu anorganické látky
mezi anorganické a organické rozpouštědlo titračně: Stanovení
rozdělovacího koeficientu jodu mezi vodu a chloroform a mezi
toluenem a vodou Teorie: Dvě nemísitelné kapaliny, ve kterých je rozpuštěna třetí složka, představují ternární
systém o dvou kapalných fázích a parní fázi. Za konstantní teploty a tlaku má systém nulový
stupeň volnosti: 022332 Cfk . To znamená, že při znalosti složení
jedné fáze je složení druhé fáze jednoznačně určeno.
Podle Nernsta za nízkých koncentrací rozpuštěné látky platí: 3231N ccK , kde c31, c32 jsou
koncentrace třetí složky 3 v kapalinách 1 a 2. KN bývá označován jako Nernstův rozdělovací
koeficient.
V laboratorní praxi se setkáváme s rozdělovací rovnováhou nejčastěji při extrakci, kterou
provádíme obvykle při převádění určité látky z vodného roztoku do rozpouštědla, v němž je
látka rozpustnější (za účelem získání koncentrovanějšího roztoku). Např. protřepáváním
vodného roztoku jodu s tetrachlormethanem přejde z vodné fáze do fáze bohaté na CCl4
podstatná část jodu. Množství jodu v jednotlivých fázích lze stanovit titrací thiosíranem
sodným.
Rozdělovací koeficient látky mezi dvěma rozpouštědly je také velmi významným
toxikologickým parametrem. Této veličiny se hojně využívá při různých otravách nebo např.
v chemii a toxikologii bojových látek. Při léčbě těchto otrav se právě skutečnosti, že díky
znalosti rozdělovacích koeficientů látky mezi vodou a některým jiným rozpouštědlem může
dojít k „vyvázání“ toxické látky absorbované v organismu.
Pomůcky: 3 dělicí nálevky (250 cm3), odměrný válec (10 cm
3), pipeta (10 cm
3), váhy,
6 Erlenmayerových baněk (100 cm3), 6 kádinek (50 cm
3), 2 kádinky (100 cm
3), automatická
byreta.
Chemikálie: odměrné roztoky cca 0,05 mol·dm-3
a cca 0,001 mol·dm-3
Na2S2O3, jod,
škrobový maz, KI, fenolftalein, chloroform, toluen
Pracovní postup:
A) Stanovení rozdělovací koeficientu jodu mezi vodu a chloroform:
Do 3 dělících nálevek nalijeme 100 cm3 vody. Do každé z nich přisypeme různé množství
jodu. Navažujte diferenčně! Do 1. děličky odvažte 0,15 g, do druhé 0,25 g a do třetí 0,35 g.
Všechny hmotnosti navažte s přesností 0,001 g. Poté do každé děličky přilijte 50 cm3
chloroformu. Každou z dělících baněk nyní důkladně protřepejte za častého odvzdušňování
soustavy vypouštěcím kohoutem. Pozor, abyste přitom vždy měli baňku v takové pozici, aby
Vám nevytékal obsah baňky!! Poté děličky nechte zavěšené ve stojanech a vyčkejte oddělení
fází. Toto může trvat delší dobu, proto ve volném čase nyní můžete přistoupit k bodu B) tohoto
stanovení a připravit si analogicky dělící baňky s obsahem pro získání rozdělovacího
koeficientu jodu mezi vodu a toluen. Postup přípravy směsí je zcela shodný s postupem pro
stanovení rozdělovacího koeficientu jodu mezi vodu a chloroform, jen místo 50 cm3
chloroformu přilijete do každé nálevky 50 cm3 toluenu.
Po oddělení vrstev od sebe, jednotlivé vrstvy odpustíme do baněk. Předem si je označte!.
Z každé odpipetujte 3x po 10 cm3 a titrujte roztok jodu v chloroformu cca 0,05 mol·dm
-3
roztokem Na2S2O3 a roztok jodu ve vodě cca 0,001 mol·dm-3
Na2S2O3. Při výpočtu
koncentrace I2 vycházíme ze základní jodometrické rovnice
2 Na2S2O3 + I2 = 2 NaI + Na2S4O6
Při titraci vodné vrstvy přidáme k titrovanému roztoku několik kapek roztoku KI, čímž
zvýšíme rozpustnost jodu ve vodě (KI tvoří s jodem trijodidový anion, který se škrobem
použitým na konci titrace vytváří intenzivnější zbarvení než samotný jod, a konec titrace tedy
bude lépe pozorovatelný). Titrujte do zesvětlání žlutého zbarvení. Poté přidejte 1 ml roztoku
škrobového mazu a dotitrujte do odbarvení. Stanovení proveďte vždy 3x. Koncentrace jodu
v chloroformové a vodné fázi je dána výrazy
f.CHCl
OSNaOSNa
ACHClI
3
322322
32 V
V
2
ccc ,
f.OH
OSNaOSNa
BOHI
2
322322
22 V
V
2
ccc
kde 322 OSNac je příslušná koncentrace thiosíranu sodného, f.CHCl3
V resp. f.OH 2V jsou odebrané
objemy chloroformové resp. vodné fáze k titraci v cm3
(tedy 10 cm3),
322 OSNaV je objem
roztoku thiosíranu sodného o dané koncentraci spotřebovaný při titraci.
Podobným způsobem zjistíme koncentrace jodu v ostatních roztocích a výsledky sestavíme do
tabulky.
Titrace zředěných roztoků jodu se provádí tak, že k titrovanému roztoku se přidává odměrný
roztok thiosíranu za stálého míchání tak dlouho, až je roztok jen nepatrně žlutě zbarven. Pak
se přidá asi 1 cm3 (na 100 cm
3 vzorku) škrobového mazu a modře zbarvená kapalina se titruje
až do úplného odbarvení. Někdy jsou obě kapalné fáze tak velmi intenzivně zbarvené a tmavé, že nelze rozlišit jejich
rozhraní. Snadnou pomocí bývá použití infralampy – v jejím světle se obvykle fázové rozhraní
ukáže.
Nakonec vypočítejte distribuční koeficient jodu mezi chloroformem a vodou podle
vztahu:
OH2
ClCH2
O)H Cl,CH( N,
2
3
23 I
IK .
B) Stanovení rozdělovací koeficientu jodu mezi vodu a chloroform: Tuto úlohu proveďte přesně podle předchozího návodu, s tím rozdílem, že k rozpuštění
jodu použijete 50 ml toluenu. Pozor však, organická fáze bude tvořit v tomto případě lehčí (tj.
horní) vrstvu.
Úkoly po ukončení práce:
I) jak barví jod roztoky vodní a roztoky organických rozpouštědel a proč?
II) Zaneste hodnoty všech titrací do přehledných tabulek včetně hodnot počátečních
hmotností jodu. Zvlášť pro systém voda-chloroform a voda-toluen. III) Vypočtěte hodnoty rozdělovacího koeficientu jodu mezi chloroformem a vodou a
vodou a toluenem.
IV) Ke kterému z použitých rozpouštědel má jod největší afinitu?
V) Jaký je tvar trijodidového aniontu?
Úloha č.2: Stanovení rozdělovacího koeficientu anorganické látky
mezi anorganické a organické rozpouštědlo titračně: Stanovení
rozdělovacího koeficientu kyseliny salicylové mezi vodu a pentan-
1-ol (amylalkohol)
Teorie: zopakujte si rozdělovací rovnováhu mezi dvěma nemísitelnými rozpouštědly a třetí
rozpuštěnou složkou. Odvození Nernstova rozdělovacího zákona.
Pomůcky: dělící nálevky, titrační baňky, byreta
Chemikálie: kyselina salicylová (2-hydroxybenzoová), pentanol (amylalkohol), fenolftalein,
hydroxid sodný, roztok o koncentraci c(NaOH) = 0,1 mol·dm-3
Pracovní postup: do 3 kuželových dělících baněk odpipetujte 50 cm3 vody a 50 cm
3
amylakoholu. Do každé děličky přidejte rozdílné množství kyseliny salicylové. Do první
baňky cca 0,5 g, do druhé 0,7 a do poslední cca 0,85 g. Všechny navážky važte diferenčně
s přesností na 0,001 g. Protřepejte důkladně všechny 3 děličky. Nezapomeňte při protřepávání
vyrovnávat tlaky v nálevce pomocí vypouštěcího kohoutu. Pozor na vylití obsahu baňky při
vyrovnávání tlaků.
Dělicí baňky pak zavěste do kruhu na stojan a nechte oddělovat.
Jakmile se vytvoří dvě čiré vrstvy, 2 čiré roztoky s ostrým rozhraním, oddělte obě vzniklé
fáze do rozdílných nádob.
Z vodné vrstvy odpipetujte 20 cm3 roztoku do titrační baňky, přikápněte 3 kapky indikátoru
fenolftaleinu a titrujte roztokem NaOH o koncentraci c(NaOH) = 0,1 mol·dm-3
. POZOR!!
Spotřeba u vodné vrstvy bude velmi nízká!!! Titrujeme do slabě růžovofialového zabarvení.
Celou titraci zopakujte.
Poté odpipetujte do titrační baňky 20 cm3 roztoku organické fáze a proveďte stejnou titraci.
Také 2x. protože se v průběhu titrace vytváří opět 2 nemísitelné fáze (alkohol voda), musíte
po každém přídavku směs řádně promíchat, zejména, začne-li se zbarvovat indikátor.
Titrujeme do světle růžového zabarvení, které ani po intenzivním zamíchání nevymizí.
Obdobně titrujte i vodné a organické fáze z ostatních dvou dělicích baněk.
Úkoly po ukončení práce: I) všechny získané hodnoty uveďte do přehledné tabulky
II) spočítejte pro každou navážku kyseliny salicylové rozdělovací koeficient dle
vztahu: vodak.salic
alkoholk.salic
vodak.salic
alkoholk.salick.salicyl )(
)()(
)(.
VV
cc
K , kde c, resp. V
jsou koncentrace, resp. objemy kyseliny salicylové v alkoholové a vodné vrstvě.
III) Sestrojte graf závislosti rozdělovacího koeficientu kyselonjy salicylové na
počátečním látkovém množství kyseliny salicylové: k.salick.salicyl. nfK .
Získanými body proložte přímku a extrapolujte ji do nulového látkového množství.
Tím určíte rozdělovací koeficient K.
Úloha č.3: Stanovení rozdělovacího koeficientu organokovové
látky mezi anorganické a organické rozpouštědlo
spektrofotometricky: Stanovení rozdělovacího koeficientu
dithizonátu stříbrného mezi vodu a chloroform několikanásobnou
extrakcí
Teorie: zopakujte si chemii komplexních sloučenin. Zopakujte si, co je spektrofotometrie,
Lambertův – Beerův zákon. Pojmy jednorázová a několikanásobná extrakce.
Pomůcky: dělící baňka, odměrné baňky, pipety, spektrofotometr MARCEL.
Chemikálie: dithizon, 0,0005 % roztok v CHCl3 připravíte následujícím způsobem: rozpusťte
50 mg dithizonu ve 100 cm3 chloroformu. Pipetováním 1 cm
3 tohoto roztoku do odměrné
baňky o objemu 100 cm3 a doplněním baňky po rysku chloroformem. Roztok AgNO3 o
koncentraci c(AgNO3) = 1·10-3
mol·dm-3
a objemu 100 cm3. Kyselina sírová, 2 roztoky o
koncentracích c(H2SO4) = 0,5 mol·dm-3
a objemu 1000 cm3 a c(H2SO4) = 0,1 mol·dm
-3 a
objemu 100 cm3. Amoniak, vodný roztok zředěný 1:100, objemu 100 cm
3.
Pracovní postup:
Ze zásobního roztoku AgNO3 odpipetujte 1 cm3 do odměrné baňky 100 cm
3 a doplňte baňku
po rysku roztokem kyseliny sírové o koncentraci c(H2SO4) = 0,5 mol·dm-3
. Tím dostaneme
roztok dusičnanu stříbrného zředěného kyselinou sírovou o koncentraci c(AgNO3) = 1·10-5
mol·dm-3
.
Několikanásobná extrakce:
Po promíchání odpipetujte z připraveného roztoku 10 cm3 do dělící nálevky. Do stejné dělící
nálevky odpipetujte 5 cm3 připraveného dithizonové činidla. Důkladně protřepávejte za
občasného vyrovnávání tlaku v děličce.
Pak vrstvu chloroformu oddělte. Extrakci opakujte s dalšími dávkami dithizonového činidla
(po 2 cm3) tak dlouho, až poslední dávka zůstane zeleně zbarvena.
Poté ještě naposledy vodnou vrstvu protřepejte 1 cm3 čistého chloroformu.
Všechny spojené (barevné) výtřepky spolu s posledním podílem čistého rozpouštědla nalijte
do dělící nálevky. Promyjte (protřepejte) 10 cm3 kyseliny sírové o koncentraci c(H2SO4) = 0,1
mol·dm-3
, čímž se odstraní zbytky látek, které by rušili stanovení (např. Zn, Pb).
Poté výtřepky nejméně 2x promyjte 5 cm3 připraveného roztoku amoniaku, až se jeho vrstva
již nebarví do žluta.
Tím se odstraní nadbytek volného dithizonu.
Roztok dithizonátu stříbra zfiltrujte suchým filtrem, aby se odstranily zbytky vody.
Absorbanci vzniklého žlutě až červeně zabarveného roztoku změřte pomocí spektrofotometru
MARCEL (popis obsluhy níže). (Nejprve musíte vynulovat na čisté rozpouštědlo, pak
proměřit absorpční maximum a po jeho zjištění nastavit správnou vlnovou délku a změřit
absorbanci roztoku).
Jednorázová extrakce:
Z připraveného roztoku dusičnanu stříbrného zředěného kyselinou sírovou o koncentraci
c(AgNO3) = 1·10-5
mol·dm-3
odpipetujte znovu 10 cm3 do dělící nálevky. K tomu odpipetujte
najednou takové množství dithizonového činidla, které je součtem všech přídavků, které jste
dohromady odpipetovali v předchozím bodě při několikanásobné extrakci.
Směs opět dobře protřepejte za vyrovnávání tlaku.
Oddělte opět chloroformovou vrstvu (barevnou), promyjte ji nejprve10 cm3 kyseliny sírové o
koncentraci c(H2SO4) = 0,1 mol·dm-3
, poté několikrát 5 cm3 připraveného roztoku amoniaku,
až se jeho vrstva již nebarví do žluta. Roztok dithizonátu stříbra zfiltrujte suchým filtrem a
proměřte spektrofotometrem za stejných podmínek, jako v předchozím bodě. (není již nutné
nulovat a proměřovat spektrum. Stačí pouze změřit absorbanci roztoku při předem určené
vlnové délce).
Úkoly po ukončení práce:
I) ze známé hodnoty molárního absorpčního koeficientu dithizonátu stříbrného (460
= 3,05105 dm
2mol
-1), ze změřené absorbance Di a známé tloušťky kyvety l
vypočítejte koncentraci stříbra c v obou roztocích získaných extrakcemi
(několikanásobnou a jednorázovou). lcDi . Výsledek první –
několikanásobné extrakce považujte za celkovou koncentraci Ag ve vzorku cAg,
výsledek druhé za koncentraci Ag v organické fázi po jedné extrakci corg.
II) Vypočítejte rozdělovací koeficient K dithizonátu stříbrného v daném rozpouštědle.
vodorg ccK , kde cvod = cAg - corg.
III) Vše uveďte do přehledné tabulky
IV) Napište rovnici chemické reakce vzniku dithizonátu stříbrného
Spektrofotometr Marcel.
Obsluha:
Síťový kabel do sítě. Pak zapneme hlavní vypínač do polohy I (zapnutý – zeleně se rozsvítí).
Automaticky proběhne test všech jednotek. Po skončení testu je přístroj připraven k měření.
Vybereme program měření pomocí šipek nebo rovnou čísly. Protože nejprve musíme proměřit
spektrum stanovovaných roztoků, abychom získali hodnotu vlnové délky, při níž budeme dále
měřit roztoky. Pro případ proměření spektra navolíme program č. 97 - SPECTRUM a výběr
ukončíme klávesou ENTER. Přístroj nahlásí, že nebylo provedeno nulování.
Nulování: Vezmeme jednu z kyvet umístěných ve stojanu u přístroje, do kyvety vlijeme
dostatečné množství látky, jejíž absorbance je rovna nule. (většinou se jedná o čisté
rozpouštědlo – podrobněji k jednotlivým úlohám viz dále). V kyvetě musí být minimálně 1 ml
látky, protože světlo prochází kyvetou ve výši okolo 8 mm ode dna. Kyvetu umístíme do
měřeného prostoru tak, aby paprsek (svazek paprsků je rovnoběžný s přední stěnou přístroje)
procházel hladkými stěnami kyvety. Směr paprsků je u komory vyznačen bílou šipkou.
Před jakýmkoli novým měřením je nutno provést nulování v zadaném intervalu vlnové délky.
Automaticky je zadáno, že se provádí nulování přes celý měřící rozsah přístroje. Pokud by
tomu tak nebylo, pak z důvodu, že dále budeme provádět proměření spektra v celém rozsahu
přístroje, i nulování provedeme v celém tomto rozsahu (380 až 880 nm). Není-li tedy
automaticky vloženo, pomocí nápověd na monitoru přístroje navolíme rozsah. Vložíme
správně kyvetu s nulovým roztokem (absorbance roztoku je rovna 0 – v případě stanovení
acidobazického indikátoru je jím tlumivý roztok o hodnotě pH = 3,4 bez přídavku
methyloranže, v případě extrakce anorganických iontů je jím čisté rozpouštědlo (chloroform)
a v kinetických stanovením také čisté rozpouštědlo - voda) do měřícího prostoru. Zmáčkneme
klávesu ZERO A. nulování probíhá cca 10 až 15 minut. Probíhá o tom informace na
monitoru.
Po nulování můžeme přejít ke stanovení absorpčního maxima, tedy proměření absorpčního
spektra měřené látky: po provedeném nulování vlijeme do kyvety roztok methyloranže o
koncentraci 6·10-5
mol·dm-3
. Kyvetu správně vložíme do měrného prostoru. Protože jsme již
před nulováním navolili program k proměření spektra (97 – SPECTRUM), stiskne nyní pouze
klávesu START. Měření probíhá samo, na pravé straně monitoru se zobrazuje měřené
spektrum. Měření trvá cca 5 minut.
Po ukončení programu vytiskneme výsledek a z obrázku odečteme maximální dosaženou
hodnotu absorbance na křivce. Pro tisk naměřených hodnot stiskněte tlačítko PRINT. Po
každém proběhnutém měření nechte vytisknout výsledek. V případě proměření absorpční
křivky a získání absorpčního maxima zvolte tisk s volbou 1 - absorpčního diagramu.
V případě dalších měření tisk s volbou 3 - výsledkovou tabulku.
Na tištěném záznamu nyní vidíme podrobné absorpční spektrum. Na něm odečteme vlnovou
délku, při níž látka vykazuje své absorpční maximum. Tuto vlnovou délku budeme nadále
používat pro stanovení absorbance připravených měřených roztoků.
Pro měření absorbance připravených roztoků musíme opět změnit program. Stiskne klávesu
PROGRAM a navolíme nyní nový program – 99 – ABSORBANCE. Volbu opět potvrdíme
stiskem klávesy ENTER. Jakmile je přístroj představen, je nutno zadat novou vlnovou délku,
při níž budeme absorbanci roztoků měřit. Přístroj nabízí možnost změny vlnové délky pod
volbou 1 – změna vlnové délky. Změňte vlnovou délku na hodnotu absorpčního maxima,
které jste získali v předchozím stanovení. (u roztoku methyloranže i u roztoku dithizonátu
stříbra by měla vyjít kolem hodnoty 460 nm, vodný roztok bromu cca 430 nm a vodný roztok
krystalové violeti cca 574 nm).
Do kyvety vždy nalijte měřený roztok, kyvetu vložte správně do měřeného prostoru. Protože
přístroj si ukládá naměřené hodnoty za sebou, je třeba před měřením nového roztoku přiřadit
mu nové číslo měřeného vzorku na přístroji. To proveďte stiskem klávesy „0“ (viz nápověda
na monitoru), nově vepsané číslo vzorku potvrďte klávesou ENTER. Měření každého vzorku
odstartujte klávesou START.
Nakonec si nechte vytisknout všechny výsledky – pomocí klávesy PRINT, volba 3 –
výsledková tabulka.
3. Stanovení disociační konstanty látek různými
technikami
Úloha č.1: Stanovení disociační konstanty slabé kyseliny potenciometricky
Teorie: Slabá kyselina obecného vzorce HA ve vodném roztoku částečně disociuje podle
schématu: HA H+ + A
-. Rovnováhu mezi nedisociovanou kyselinou a ionty, která se v
roztoku ustaví, můžeme popsat tzv. disociační konstantou K:
KH A
HA
,
kde výrazy v hranatých závorkách vyjadřují rovnovážné molární koncentrace jednotlivých
složek. Termodynamicky exaktně bychom namísto molárních koncentrací měli používat
aktivity. U zředěných roztoků, které nyní budeme uvažovat, lze však aktivity ztotožnit s
koncentracemi. Vztah můžeme upravit do tvaru:
pK pHHA
A
log , v níž pK je záporný
dekadický logaritmus disociační konstanty a pH záporný dekadický logaritmus molární
koncentrace vodíkových kationtů. Veličina pH je kvantitativní mírou kyselosti roztoku a lze ji
snadno měřit.
Připravíme-li řadu roztoků slabé kyseliny o stejné analytické koncentraci cHA se vzrůstající
analytickou koncentrací hydroxidu sodného cOH- (tak, aby cHA zůstalo vždy větší než cOH
-),
získáme po změření pH těchto roztoků všechny veličiny potřebné pro výpočet pK
z uvedeného vztahu. Grafem závislosti pH uvedených roztoků na procentuálním množství
zneutralizované kyseliny pc
c
OH
HA
100 je tzv. neutralizační křivka znázorněná na obr. 1.
Z neutralizační křivky je možné odečíst hodnotu pK. V roztoku zneutralizovaném z 50% platí
HA = A-. Poměr těchto koncentrací je proto 1 a logaritmus tohoto poměru je roven nule.
Obr. 1: Neutralizační křivka kyseliny octové:
Disociační konstanta stanovená uvedeným způsobem se označuje jako smíšená. Při jejím
výpočtu totiž používáme jak koncentrací (HA a A-), tak aktivit, neboť potenciometricky
měřené pH odpovídá zápornému dekadickému logaritmu aktivity vodíkových kationtů.
Na míře disociace rozpuštěných látek, tedy na koncentraci volných iontů, závisí elektrická
vodivost roztoků. Míru disociace charakterizuje stupeň disociace :: n
n
d, kde nd - je
počet disociovaných molekul a n - je celkový počet molekul rozpuštěných v roztoku. Jestliže
analytická (celková) koncentrace slabé jednosytné kyseliny je c a koncentrace disociované
kyseliny je c’, je stupeň disociace: c
c.
Protože z každého disociovaného molu kyseliny vzniká 1 mol aniontů a 1 mol kationtů, platí:
c H A c. a HA c c c c c . 1 . Po dosazení z těchto vztahů
do rovnice pro K dostaneme:
Kc c
c
c
.
1 1
2
.
Pomůcky: pH-metr s kombinovanou elektrodou, odměrné baňky, kádinky, pipety, byreta.
Chemikálie: roztok slabé kyseliny (CH3COOH), odměrný roztok NaOH o koncentraci 0,1
mol·dm-3
, roztok HCl o koncentraci 0,1 mol·dm-3.
Musí být přesně známá (určíte ji titrací
tetraboritanu disodného, viz níže), fenolftalein
Pracovní postup:
Stanovení titru roztoku HCl: odvažte cca 0,2 g Na2B407, rozpusťte v cca 20 cm3 destilované
vody, přidejte pár kapek indikátoru methyloranže a titrujte roztokem HCl ze žlutého do
cibulově oranžového zbarvení. Jakmile roztok zrůžoví, je již přetitrováno. Titraci proveďte
3x.
Stanovení přesné koncentrace roztoku NaOH a přesnou koncentraci slabé kyseliny:
odměrným roztokem NaOH o koncentraci 0,1 mol·dm-3
titrujte 10 cm3 roztoku HCl přesně
známé koncentrace, abychom určili přesnou koncentraci odměrného roztoku NaOH.
Poté stejným roztokem titrujeme 10 cm3
roztoku slabé kyseliny, abychom zjistili její přesnou
koncentraci. Obě stanovení provedeme třikrát.
Stanovení disociační konstanty: do devíti očíslovaných odměrných baněk o objemu 50 cm3
odpipetujeme po 20 cm3 roztoku slabé kyseliny o koncentraci 0,1 mol·dm
-3 a přidejte roztok
NaOH v množství 2 cm3 (do baňky č. 1), 4 cm
3 (baňka č. 2), ... až 18 cm
3 (baňka č. 9). Baňky
doplňte vodou po značku, řádně promícháme. Poté změřte hodnotu pH jednotlivých vzorků.
Úkoly po ukončení práce:
I) Všechny získané údaje uveďte do přehledných tabulek.
II) Vypočítejte přesnou koncentraci roztoku HCl. Z dalších hodnot pak i koncentraci
hydroxidu cOH- a slabé kyseliny cHA v každé baňce. Z rovnic HA c c
HA OH a
A cOH
zjistěte hodnoty HA a A-,
III) Z výše uvedených vztahů pak určete hodnotu pK a jejím odlogaritmováním
konečně hodnotu disociační konstanty K. Z jednotlivých hodnot K určete
průměrnou hodnotu disociační konstanty slabé kyseliny.
IV) Ze vztahu pc
c
OH
HA
100 vypočítejte procento zneutralizované kyseliny v každé
baňce. Zkonstruujte neutralizační křivku, z ní graficky určete pK a následně K a
tuto hodnotu porovnejte s průměrnou hodnotou K získanou výpočtem.
Úloha č.2: Stanovení disociační konstanty slabé kyseliny nebo
baze konduktometricky
Teorie: Zopakujte si pojmy vodivost, měrná vodivost, specifická vodivost, jejich jednotky a
vztahy mezi nimi.
Stupeň disociace je možné určit také z vodivostních měření jako poměr molární vodivosti
roztoku při dané koncentraci () a molární vodivosti roztoku při nekonečném zředění (0):
0
. Molární vodivost při nekonečném zředění je vodivost roztoku natolik zředěného, že
ionty v něm obsažené se navzájem nijak neovlivňují. Molární vodivost je závislá na
koncentraci elektrolytu (rozpuštěné látky) a roste se zřeďováním roztoku (s klesající
koncentrací roztoku). Při nulové koncentraci dosahuje hodnoty 0. Hodnota 0 elektrolytu je
součtem molární vodivosti kationtu při nekonečném zředění a molární vodivosti aniontu při
nekonečném zředění
000 .
Molární vodivost je definována pomocí tzv. specifické vodivosti a molární koncentrace
roztoku c:
c
. Dosazením do výše uvedené vztahu dostaneme tzv. Ostwaldův zřeďovací
zákon:
Kc
2
0 0
. Na obr. 2 je uveden průběh závislosti molární vodivosti na
odmocnině z koncentrace pro slabý elektrolyt a pro silný elektrolyt.
Obr. 2: Závislost molární vodivosti roztoku slabého elektrolytu a silného elektrolytu na
odmocnině z koncentrace
Vidíme, že závislost se pro oba typy elektrolytů výrazně liší. Zatímco pro silný elektrolyt je
uvedená závislost téměř lineární a hodnotu 0 je tak možné zjistit přibližně extrapolací
naměřených dat na nulovou koncentraci, nepovede takovýto postup v případě elektrolytů
slabých k uspokojivému výsledku. Hodnotu molární vodivosti při nekonečném zředění 0 lze
snáze získat z tabelovaných dat pomocí vztahu: 00 , kde 0+ a 0
- jsou limitní molární
vodivosti kationtu a aniontu příslušného elektrolytu, což jsou hodnoty dostupné v tabulkách.
Jednotkou vodivosti je siemens - S, což je -1
. Specifická vodivost se udává v S.m-1
a molární
vodivost v S.m2.mol
-1.
Pomůcky: konduktometr s vodivostní celou, termostatovaná nádobka, termostat, magnetická
míchačka, míchadlo, odměrné baňky, kádinky, pipety
Chemikálie: roztok slabé kyseliny nebo slabé zásady (např. roztok CH3COOH o koncentraci
c(CH3COOH) = 1 mol·dm-3
), roztok KCl o koncentraci c(KCl) = 0,1 mol·dm-3
Pracovní postup:
Stanovení konstanty nádobky (měrného článku): do vysoká úzké kádinky 150 cm3 nalijte cca
100 cm3
roztoku KCl o koncentraci c(KCl) = 0,1 mol·dm-3
. kádinku umístěte do termostatu,
který předtím vytemperujete na teplotu 25 °C. kádinku nechte cca 15 minut vytemperovat.
Poté do ní vložte měrný článek konduktometru tak, aby byly ponořeny všechny 3 Pt plíšky
článku a aby uvnitř článku nezůstaly vzduchové bubliny. Zapněte konduktometr, vyčkejte cca
10 minut a změřte vodivost tohoto roztoku. Konstanta článku k je pak dána vztahem:
Gk , kde je specifická vodivost roztoku KCl. Je závislá na teplotě a na koncentraci. Její
hodnota při teplotě 25 °C a dané koncentraci je: (KCl)25°C = 0,01288 S·cm-1
. G je naměřená
vodivost roztoku.
Stanovení disociační konstanty: Všechna další stanovení provádíme v termostatu při teplotě
25 °C, z důvodu závislosti vodivosti na teplotě T. Po každém měření měrný článek opláchněte
destilovanou vodou a důkladně opatrně osušte. Do řady odměrných baněk o objemu 100 cm3
odpipetujte jednotlivě 50, 25, 5, 1, 0,5 a 0,1 cm3 roztoku kyseliny octové o koncentraci
c(CH3COOH) = 1 mol·dm-3
. Všechny odměrné baňky poté doplňte destilovanou vodou po
rysku a dobře promíchejte. Poté každý takto připravený roztok proměřte: nalijte jej do vysoké
kádinky objemu 150 cm3, vložte do termostatu, nechte 10 minut temperovat a poté vložte
měrný článek a změřte vodivost roztoku.
Úkoly po ukončení práce: I) Všechny získané hodnoty uveďte do přehledné tabulky. (hodnoty koncentrací
jednotlivých roztoků, jejich vodivosti, ..).
II) Vypočtěte konstantu měrného článku.
III) Molární vodivost při nekonečném zředění zjistěte pro CH3COOH při teplotě 25 C v
elektrochemických tabulkách.
IV) Z všech získaných údajů vypočtěte pro každý roztok specifickou a molární vodivost,
hodnoty 1/, ·c, stupeň disociace a disociační konstantu a hodnotu pK.
V) Nakonec vypočtěte průměrnou hodnotu disociační konstanty.
VI) Do 1. grafu vyneste závislost molární vodivosti na odmocnině z koncentrace pro slabý
i pro silný elektrolyt. Do 2. grafu vyneste lineární závislost Ostwaldova zřeďovacího
vztahu pro prvé tři nejméně koncentrované roztoky v souřadnicích -1, ·c. V obou
případech z grafu extrapolací na nulovou koncentraci zjistěte hodnotu 0 pro nulovou
koncentraci. Takto zjištěnou hodnotu porovnáme s hodnotou vypočítanou pomocí
rvztahu 00 . (0+(H3O
+) = 349,8 S·cm
-2·mol
-1, 0
+(CH3COOH
-) = 40,9 S·cm
-
2·mol
-1).
4. Adsorpce na aktivní uhlí: Stanovení
adsorpční izotermy kyseliny octové na
aktivní uhlí
Teorie: zopakujte si pojmy: adsorpce, adsorpční izotermy, typy adsorpčních izoterem.
Adsorpcí je označováno hromadění určité látky v tzv. fázovém rozhraní, což je přechodová
oblast molekulárních rozměrů na rozhraní kterýchkoliv dvou fází. Tato přechodová oblast
vzniká vlivem povrchových sil určených povahou a složením obou fází a má odlišné složení
než obě fáze. V praxi se s adsorpcí setkáváme nejčastěji při styku plynu nebo roztoku s tuhou
fází, která je označována jako adsorbent, látka adsorbovaná jako adsorbát.
Adsorpce je povrchový jev. Jako adsorbent se proto používají látky pórovité nebo velmi
jemně rozptýlené, jejichž povrch je relativně velký (např. aktivní uhlí, silikagel, kaolin, oxid
hlinitý). Dalším činitelem, který ovlivňuje adsorpci, je teplota T a tlak p, resp. koncentrace
adsorbátu. Při konstantní teplotě je množství látky a adsorbované jednotkou hmoty
adsorbentu jednoznačnou funkcí tlaku p nebo koncentrace c.
Rozborem rovnovážného stavu za konstantní teploty odvodil J. Langmuir (1916) rovnici tzv,
adsorpční izotermy:
pk
pk
ck
cka
2
1
2
1
11
kde a je látkové množství adsorbátu adsorbovaného na 1 g adsorbentu, k1 a k2 jsou konstanty
charakterizující adsorbent a adsorbát, c je rovnovážná koncentrace, resp. p rovnovážný tlak po
adsorpci.
V některých případech, kdy dochází k adsorpci ve více vrstvách, vystihuje data a = f(c) lépe
empirická rovnice, kterou navrhl Freundlich:
ckckm
xa n
1
kde k, 11
αn
jsou konstanty charakterizující adsorbent a adsorbát za dané teploty; x je
látkové množství adsorbované látky na m gramů adsorbentu, c je koncentrace látky po
dosažení adsorpční rovnováhy.
Pomůcky: sada pipet, 6 odměrných baněk (200 cm3), 6 Erlenmayrových baněk (250 cm
3),
6 kádinek (400 cm3), 6 analytických nálevek, byreta (50 cm
3)
Chemikálie: roztok kyseliny octové o koncentraci c(CH3COOH) = 0,8 mol·dm-3
, objem 1
dm3, roztok hydroxidu sodného o koncentraci c(NaOH) = mol·dm
-3, fenolftalein, aktivní uhlí
Pracovní postup: Do šesti očíslovaných odměrných baněk připravte podle tabulky 1 roztoky
kyseliny octové. Ze zásobního roztoku kyseliny octové (c mol·dm-3
) odpipetujte objem
uvedený v tabulce 1 a doplňte destilovanou vodou do 250 cm3.
Tabulka č. 1
c(CH3COOH) [mol·dm-
3]
0,8 0,4 0,2 0,1 0,05 0,025
Objem odpipetovaný ze
zásobního roztoku [cm3]
250 125 62,5 31,5 15,62 7,81
Objem odpipetovaný
k titraci [cm3]
2,5 5 12,5 12,5 25 25
Přesnou koncentraci každého z takto připravených roztoků zjistíme titrací cca 0,1 mol·dm-3
roztokem NaOH na fenolftalein. K titraci odpipetujeme z každého roztoku objem udaný
v tabulce. Koncentraci kyseliny octové v jednotlivých baňkách vyjádříme počtem cm3 cca 0,1
mol·dm-3
roztoku NaOH, odpovídajících 100 cm3 titrovaného roztoku.
Do šesti očíslovaných, suchých Erlenmayerových baněk navážíme aktivní uhlí (0,95 g – 1,05
g) a do každé baňky odpipetujeme po 100 cm3 z připravených roztoků kyseliny octové.
Obsahem každé z baněk důkladně asi 10 minut třepeme, pak každý roztok zfiltrujeme suchým
filtrem do suché kádinky. První podíl filtrátu (asi 5 cm3) jímáme do jiné nádoby, abychom
vyloučili rušivý vliv adsorpce kyseliny octové na filtračním papíře. Získaným roztokem
zamícháme a titrací zjistíme koncentraci kyseliny octové po adsorpci. Titrujeme 0,1 mol·dm-3
NaOH na fenolftalein stejně jako před adsorpcí objemy uvedené v tabulce pro příslušnou
koncentraci. Koncentraci určíme z cm3 cca 0,1 mol·dm
-3 NaOH spotřebovaného k neutralizaci
100 cm3 roztoku kyseliny octové. Výsledky doplníme do tabulky 2.
Tabulka č.2
Baňk
a
m
C
[g]
Vp
[cm3
]
V0(NaOH
)
[cm3]
Vk(NaOH
)
[cm3]
n0(CH3COOH
)
[mol]
nk(CH3COOH
)
[mol]
ck(CH3COOH
)
[mol·dm-3
]
a
[mol·g-1
]
1
2
3
4
5
6
mC navážka aktivního uhlí v [g]
c0(NaOH) molární koncentrace použitého NaOH v [mol·dm-3
]
Vp objem roztoku odpipetovaného k titraci v [cm3]
V0(NaOH) objem NaOH spotřebovaný na titraci roztoku CH3COOH před adsorpcí
v [cm3]
Vk(NaOH) objem NaOH spotřebovaný na titraci roztoku CH3COOH po adsorpci v
[cm3]
n0(CH3COOH) počáteční látkové množství CH3COOH obsažené ve 100 cm3 roztoku
CH3COOH (před adsorpcí)
p
p
V
NaOHVNaOHc
VNaOHVNaOHcCOOHCHn
10
1
1000
100
00
0030
nk(CH3COOH) konečné látkové množství CH3COOH obsažené ve 100 cm3 roztoku
CH3COOH (po adsorpci)
p
k
p
kk
V
NaOHVNaOHc
VNaOHVNaOHcCOOHCHn
10
1
1000
100
0
03
ck(CH3COOH) rovnovážná koncentrace CH3COOH po adsorpci
COOHCHnCOOHCHc kk 33 10
a měrné látkové množství CH3COOH adsorbované 1 g aktivního uhlí v
[mol/g]
C
k
m
COOHCHnCOOHCHna 330
Úkoly po ukončení práce:
I) Všechny hodnoty uveďte do tabulek. Do protokolu vlžte vyplněné obě tabulky 1 i
2.
II) Sestrojte Freundlichovu adsorpční izotermu (viz přiložený vzor, zpracujte
v Excelu).
III) Určete konstanty a k Freundlichovy rovnice.
5. Sestrojení diagramu třísložkové soustavy:
Sestavení fázového diagramu systému voda +
kyselina octová + toluen
Teorie: Chování kondenzovaných systémů se třemi kapalnými složkami určuje vzájemná
rozpustnost kapalných složek. Protože změny tlaku nemají prakticky vliv na složení
koexistujících kapalných fází (kondenzovaný systém), je jediným činitelem, který působí na
složení fází v rovnovážném systému, teplota. Podle Gibbsova fázového pravidla je:
Cfkv 2 , kde v je počet stupňů volnosti systému, k počet složek, f počet fází
v systému. C je počet vazných podmínek. Máme-li 2 vazné podmínky (konstantní teplota T a
tlak p), dostaneme tento vztah pro třísložkovou soustavu ve tvaru:
ffv 3223 [T, p]
K zobrazení těchto systémů jsou třeba dva údaje o složení a jeden o teplotě, tzn. prostorový
diagram. Ke znázornění těchto soustav slouží rovnostranný trojúhelník (viz obr. 1 až 3).
Vrcholy trojúhelníkového diagramu A, B, C představují čisté složky, strany dvousložkové
systémy za konstantní teploty a tlaku. Body na stranách odpovídají binárním směsím a
udávají hmotnostní, objemový nebo molární zlomek příslušných složek této směsi. Každý
vnitřní bod trojúhelníku odpovídá složení ternárního systému a určuje hmotnostní, objemový
nebo molární zlomek složek.
Na obr. 1 je zobrazen nejčastější typ ternárního diagramu, ve kterém za dané teploty a tlaku je
dvojice složek (A – B) omezeně mísitelných a zbývající dvojice (A – C, B – C) jsou složky
neomezeně mísitelné. Křivka EFKHB představuje hranici mezi homogenní a heterogenní
oblastí a označuje se jako binodální křivka. Oblast pod binodální křivkou EFKHB je
heterogenní, výchozí ternární směs o složení udaném např. bodem J se rozdělí na dvě
koexistující fáze, jejichž složení je vyjádřeno body F a H. Oblast nad binodální křivkou
EFKHB odpovídá homogenním směsím a po smíchání složek v tomto poměru získáme
homogenní kapalnou směs (1 jedinou fázi).
Obr. 1: obecný trojúhelníkový diagram třísložkové soustavy
Obr. 2: trojúhelníkový diagram pro případ soustavy se dvěma dvojicemi omezeně mísitelných
kapalin (omezeně mísitelné dvojice složek A – C a B – C)
A B
C
M
N
F K
HJ
E
Obr. 3: trojúhelníkový diagram pro systém, v nichž jsou všechny tři složky vzájemně omezeně
mísitelné. (a, b, c, d)
A B
C
aA B
C
b
A B
C
A B
C
P R
S
c d
Pomůcky: kádinky, byreta, automatická byreta, 2 odměrné válce, 2 kapátka, technické váhy,
magnetická míchačka
Chemikálie: toluen, propan-2-ol (úloha 1), toluen, kyselina octová (úloha 2)
Pracovní postup:
Na předvážkách s přesností 10-1
g navážíme do 100 ml Erlenmayerových baňek se
zabroušenou zátkou 9 binárních směsí látek A (vody) a C (kys. octové). Každou směs
připravíme v množství 25 ml a jejich koncentrace se pohybuje v rozsahu od 50 do 90 obj.%
kyseliny octové ve vodě po 5% (tzn., že do první baňky odpipetujeme množství odpovídající
50 obj. % kyseliny octové, do druhé baňky 55 obj. %, do třetí 60 obj. %, … a do poslední
odpipetujeme množství odpovídající 90 obj. % kyseliny octové. Zbylé množství do 100 obj.
% pak odpovídá druhé složce, tedy vodě!). Směs titrujeme složkou B (toluen) do slabého
bílého zákalu (vznik druhé konjugované fáze). Během celého měření je nutno po každém
přidání složky B směsí silně třepat. Při třepání se dostanou do roztoku bublinky vzduchu,
které nesmí být pokládány za druhou fázi! Důležité je titrovat malými přídavky, po protřepání
počkat až zmizí bublinky vzduchu a zakalení v systému pozorovat při vhodném bočním
osvětlení proti tmavé podložce.
Pozn.: 1. Pro lepší orientaci nejprve měřte roztok 70 obj.% kys. octové na 30 obj.% vody a
ztitrujte toluenem. Spotřeba se při této koncentraci pohybuje v rozmezí 1 až 1,5 ml toluenu.
2. Směsi připravujte do suchých baněk.
Úkoly po ukončení práce:
I) Všechny získané údaje vyneste do přehledné tabulky
II) Všechna získaná data vyneste do trojúhelníkového diagramu (síť dělená po 5 %) a
sestrojte binodální křivku.
III) Složení roztoku vyjádřete v objemových a hmotnostních procentech.
6. Elektrolýza vody
Teorie: zopakujte si, co je elektrolýza, co elektrolytický článek,
Pomůcky: Hofmanův přístroj, nový zdroj stejnosměrného napětí, 2 nové digitální multimetry
HGL 2000N, jeden zapojen jako ampérmetr, druhý jako voltmetr, kabely, 2 nové Ag
elektrody přizpůsobené zapojení do Hofmanova přístroje – viz obrázek.
Chemikálie: roztok síranu sodného o hmotnostním zlomku w(Na2SO4) = 0,1 a objemu 1000
cm3.
Obr.1 Schéma zapojení: Z je zdroj stejnosměrného napětí, V je voltmetr, A je ampérmetr a EČ
je eletrolytický článek tvořený dvěma Ag elektrodami.
Klasifikace používaných chemických látek: síran sodný není klasifikován jako NCHL.
Likvidace odpadů: roztok síranu sodného můžete vylít do výlevky
Pracovní postup: Připravte roztok síranu sodného. Do Hofmanova přístroje zespodu zasuňte dvě Ag elektrody
(viz obrázek). Otevřete oba kohouty postranních trubic a prostřední trubicí vlijte roztok síranu
sodného, až se prostor pod kohouty zcela zaplní. Poté oba kohouty uzavřete. Zapojte zdroj
stejnosměrného napětí, oba multimetry a Hofmanův přístroj s elektrodami dle přiloženého
schéma zapojení.
Zapněte zdroj stejnosměrného napětí a nastavte reostatem na zdroji proud cca 0,3 A. nechte
jej procházet cca 5 minut. V každém rameni Hofmanova přístroje dochází k vývoji plynu. Po
5 minutách vypusťte každý z plynů do zkumavky a dokažte je (vodík štěknutím v plameni,
kyslík rozžhavenou špejlí).
a) Závislost látkového množství vylučovaných plynů na intenzitě proudu:
Znovu sepněte obvod, seřiďte reostatem napětí tak, aby obvodem protékal proud 0,2 A.
nechte probíhat elektrolýzu, dokud hladina elektrolytu klesne na počátek stupnice.
Odečtěte objemy obou plynů. Nastavte proud 0,1 A a nechte jej procházet po dobu 4 minuty.
Poté elektrolýzu zastavte. Odečtěte opět objemy obou plynů.
Znovu spusťte elektrolýzu. Nastavte proud 0,15 A. Opět po 4 minutách zastavte elektrolýzu a
odečtěte objemy obou plynů.
Nastavte proud 0,2 A a elektrolyzujte opět 4 minuty. Po 4 minutách elektrolýzu zastavte a
odečtete objemy obou plynů.
Změřte rozdíly výšky sloupce elektrolytu ve všech 3 trubicích Hofmanova přístroje.
Vypusťte z trubic oba plyny.
b) Závislost látkového množství vylučovaných plynů na době elektrolýzy:
Doplňte v Hofmanově přístroji roztok síranu sodného tak, aby jeho hladina byla v obou
ramenech na počátku stupnice.
Sepněte elektrolýzu. Nastavte proud 0,2 A a držte jej konstantní po celou dobu stanovení.
V časových intervalech 3, 6, 9, 12, 15 a 18 minut odečtěte objemy vyloučených plynů. Při
každém odečtu objemů plynů odečtěte též napětí.
Úkoly po ukončení práce:
I) všechny získané údaje pro všechny části této úlohy zaneste do přehledné tabulky
II) pro pokus A) vše uveďte do tabulky. Pomocí vztahů: FzIn ,
TRnVP vypočtěte látkové množství n a hmotnost m obou vyvinutých
plynů. Vyneste graf závislosti Ifn pro oba plyny.
III) pro pokus B) vše uveďte do tabulky. Opět vypočtěte n a m vyvinutých plynů.
Vyneste graf závislosti fn pro oba plyny.