LABORATIONER GRUNDLÄGGANDE KEMI FÖR

Transkript

1 Grundläggande kemi för B och K LABORATIONER GRUNDLÄGGANDE KEMI FÖR 5 B OCH 19 K 10,81 39,10 Lund

2 2

3 Innehåll Hur man skriver om kemi... 4 LAB 1.: Titreringar... 7 LAB 2.: Spektrofotometriska undersökningar... 9 LAB 3.: Kalorimetri LAB 4.: Syra-basjämvikter LAB 5.: Elektrokemi och korrosion

4 Hur man skriver om kemi (Den allmänna texten fritt efter: H. Beall & J. Trimbur, A Short Guide To Writing About Chemistry, Harper Collins 1996). När man skriver om kemi gör man det på olika sätt beroende på sammanhanget. I kursen i Grundläggande kemi övar vi på två olika format: Lab-journal (anteckningsbok) och laborationsredogörelse (rapport). Det viktigaste med lab-journalen är att dokumentera i tidsordning arbetet på laboratoriet. Om det är riktigt strikt skall den signeras dagligen av den som för boken och kontrasigneras av en kollega som läst igenom och förstått anteckningarna. Läsekretsen är normalt begränsad till författaren själv och kolleger på universitetet eller företaget. Men labjournalen är grundvalen för till exempel patentanspråk från ett företag eller för publicering av vetenskapliga framsteg från en forskningsavdelning. Rapporten, eller laborationsredogörelsen, skrivs som en sammanfattning efter arbetets utförande och bygger då naturligtvis på anteckningarna i lab-journalen. Den är avsedd för en större läsekrets och förklarar varför det aktuella arbetet genomfördes och på vilket sätt det gjordes. Den visar på resultaten och diskuterar tolkningar av dem. Eventuellt kan den också föreslå vad mer som behöver göras för att ytterligare belägga resultaten. I stort har en rapport samma uppläggning som en artikel som publiceras i en vetenskaplig tidskrift. Den stora skillnaden ligger i att rapporten kan innehålla betydligt mer bakgrundsmaterial. En vetenskaplig tidskrift kräver normalt, på grund av utrymmesbrist, att allt som redan tidigare är tillgängligt i den vetenskapliga litteraturen bantas ner och bara beskrivs ytterst kortfattat. Under laborationerna i Grundläggande kemi skall lab-journal föras av varje teknolog. Lab-journaler som skrivs seriöst skall vara inbundna, ha syrafritt papper och numrerade sidor. Man skall använda kulspets- eller bläckpenna med arkivsäkert bläck etc. Förutom att man vill kunna spara data om experiment en längre tid, vill man också undvika att det i efterhand ändras i lab-journalen. Det måste helt enkelt gå att lita på att det som står i boken verkligen är de observationer som gjordes vid den aktuella tidpunkten. Vi kommer inte att vara så strikta under denna lab-kurs. Du använder den utdelade anteckningsboken och gör anteckningar enligt följande: 1. Skriv ditt namn på första sidan. 2. Lämna några sidor blanka, så att det finns plats att senare införa till exempel en innehållsförteckning. 3. För varje laboration skall du föra in: a) Dagens datum på varje sida b) Rubrik = aktuell laboration c) Avsikt (ej obligatoriskt) 4

5 d) Planering (ej obligatoriskt) e) Utförande f) Resultat g) Diskussion (ej obligatoriskt) h) Slutsatser (ej obligatoriskt) 4. Vid slutet av varje laboration skall du visa upp din lab-journal för godkännande av lab-handledaren. Avsikt och Planering förs in före själva laborationen, medan du förbereder dig. Under Avsikt redogör du kortfattat för det vetenskapliga problemet och hur det skall lösas under laborationen. Under Planering försöker du så exakt som möjligt (men kortfattat) beskriva vad som skall göras, gärna med hjälp av en figur över försöksuppställningen. Här kan också tas med beräkningar på hur mycket utgångsmaterial som behövs i en syntes, etc. Detta avsnitt visar hur du i förväg tänkt dig att göra, och det behöver naturligtvis inte stämma med Utförandet. Utförandet skrivs in i lab-journalen under försökets gång. Det visar vad du verkligen gör. Det skall vara så fullständigt att en annan kemist kan följa dina anteckningar och upprepa dina resultat. Skriv gärna detta avsnitt i jag-form, det blir oftast kortare och enklare. Här antecknas till exempel invägda eller uppmätta mängder av kemikalier, hur provet värms och till vilken temperatur, instrument som används och dess inställningar, etc. Vänta inte tills efter laborationen att skriva ner Utförandet! Då har du oftast glömt detaljerna eller minns inte säkert i vilket sammanhang de hör hemma. Resultat. Här antecknar du alla observationer och data från laborationen. Det är viktigt att anteckna rådata, dvs. avläsningar på instrument, från en titrering eller ph-avläsning etc. Man skall inte i förväg tolka resultaten. Det är då lätt att man gör anteckningarna så att de stämmer med tolkningen. Tvärtom måste man kunna gå tillbaka till sina rådata och göra nya beräkningar från dem, om det senare visar sig att man gjort något misstag i utvärderingen. Här skall du också skriva upp kemiska reaktioner som sker, observationer om gasbildning, utfällningar, färgomslag etc. Notera inte bara lyckade försök utan även sådant som du inte förväntade dig. Utmatning från instrument, till exempel titrerkurvor eller spektra, kan man vika ihop till anteckningsbokens storlek och tejpa in så att de fortfarande går att läsa av. Vid en syntes anger man verkligt utbyte och teoretiskt utbyte. För att belägga att produkten är den rätta anges till exempel smältpunkts- eller kokpunktsintervall, och om möjligt bifogas annat material som bekräftar syntesen. I Diskussionen skall du utvärdera dina resultat. Varför blev resultaten just så? Vilka kemiska principer kan förklara resultaten? Vilka felkällor har inverkat på experimentet? 5

6 Avsnittet Slutsatser sammanfattar målet med undersökningen och anger om det uppnåddes. Om du lärt något oväntat av experimentet så noteras detta här. Eventuella förslag till förbättringar kan också antecknas. 6

7 LAB 1.: Titreringar Syfte: Här tränar vi att göra korrekta invägningar. Detta är av största betydelse vid kemiska analyser. Noggrannhet vid titreringar och balansering av reaktionsformler samt utvärdering av resultaten tränas också här. Inledning: I den här laborationen skall du bestämma renheten i ett fast, oorganiskt salt: Fe(NH 4 ) 2 (SO 4 ) 2. 6H 2 O (Mohrs salt). Järn(II)joner oxideras lätt till järn(iii)joner även i fasta föreningar och dessa är därför instabila. Mohrs salt är ett undantag och använd därför för att tillverka järn(ii)jonlösningar när sådana behövs, som till exempel mossbekämpning i gräsmattor. Observera dock att en lösning av Mohrs salt är en färskvara. Redoxtitrering med permanganat Permanganatjonen, MnO 4 verkar oxiderande (är ett oxidationsmedel). I sur lösning reduceras den härvid till Mn 2+. Kaliumpermanganat kan användas för titrering av olika ämnen som lätt oxideras (reduktionsmedel), t ex Fe 2+. Permanganatjonen är violett och Mn 2+ nästan färglös. Vid titrering med MnO 4 försvinner den violetta färgen så länge det finns något reduktionsmedel kvar. Skriv reaktionsformel. Vid första droppes överskott av permanganatlösning färgas emellertid lösningen violett av. oförbrukad MnO 4 Man behöver således ingen separat indikator. Titerställning mot torkat* natriumoxalat. Väg in så mycket Na 2 C 2 O 4 som svarar mot 15 ml 0,02 M KMnO 4 -lösning och överför det till en ml E-kolv. Lös saltet i ca 100 ml ca 0,5 M svavelsyra. Värm lösningen till ca 70 C. Tillsätt vid titreringen permanganatjonlösningen droppvis under försiktig omsvängning av kolven till bestående, svag rödfärgning. Natriumoxalatet bildar i sur lösning oxalsyra som under titreringens gång bildar koldioxid. Skriv reaktionsformel. Titreringen utförs vid ca 70 C eftersom reaktionshastigheten är alltför låg vid rumstemperatur. Reaktionshastigheten är låg i början av titreringen men ökar därefter på grund av att de bildade Mn 2+ -jonerna katalyserar processen. Permanganatlösningen skall tillsättas i små portioner eftersom det annars föreligger risk för störande bireaktioner. Gör minst tre titreringar med överensstämmande resultat (erhållna värden skall vara lika inom 1 %). *Anm Natriumoxalatet har torkats i värmeskåp vid 155 C under 1 timme. Varför? Bestämning av järnhalten i Mohrs salt, Fe(NH 4 ) 2 (SO 4 ) 2 6H 2 O Metod: redoxtitrering med permanganat; titrator: 0,02 M KMnO 4 -lösning. Väg på analysvåg noggrant upp ca 0,6 g Mohrs salt i ett vågskepp. Överför saltet till en ml E-kolv och väg vågskeppet noggrant igen. Lös saltet i ca 100 ml 0,5 M svavelsyra genom försiktig 7

8 omsvängning av kolven. Titrera med permanganatlösningen till dess en kvarstående svagt rödaktig färg erhålls. Gör minst två titreringar med överensstämmande resultat (erhållna värden skall vara lika inom 1 %). I labjournalen Ange alla invägda mängder. Reaktionsformler, titrerdata och beräknade resultat från ställningen och järnhaltsbestämningen. Beräkna renheten i den burk med Mohrs salt som gruppen fått utlämnad. Ange massan rent preparat och beräkna renheten (i gram och %) samt preparatets järnhalt (i %). 8

9 LAB 2.: Spektrofotometriska undersökningar Syfte: Laborationen beskriver några vanliga analytiska metoder för bestämning av metallinnehållet i livsmedel. Inledning Målet för laborationen är att ge en introduktion till vanligt förekommande analystekniker för metallbestämning. Vid laborationen skall två metaller, järn och magnesium, bestämmas i ett fast prov dels med ultraviolett-visuellspektrometri (UV-Vis-spektrometri), dels med atomspektrometri. Före slutanalys överförs metalljonerna till en lösning genom nedbrytning av det fasta provet (frukostflingor) med hjälp av mineralsyror. I denna laboration kommer denna nedbrytning att göras med hjälp av mikrovågsuppslutning. Delar av denna laboration sker som demonstrationer i större grupper. Spektrometrisk bestämning av järn och magnesium i cornflakes Provupparbetning Teori I de flesta analysmetoder behöver man före slutanalysen överföra sina målsubstanser till en lösning. Detta gäller UV-VIS-spektrometriska mätningar och i allmänhet också vid atomabsorptionsspektrometri. I det senare fallet finns det ibland möjligheter att med hjälp av s.k. grafitugnsteknik även analysera fasta prover direkt. Man kan t ex väga in kaffepulver, lägga det i en s.k. grafitkopp och bestämma tungmetaller direkt på ppb-nivå. Här kan dock endast mycket små mängder av provet vägas in. Detta kan leda till problem med provhomogeniteten och ett stickprov taget på detta sätt ger då inte en korrekt bild av medelhalten i hela provet. Genom att lägga in ett provupparbetningssteg, där provet överförs till en lösning, är det möjligt att väga in större mängder av provet, vilket normalt innebär att bestämda analythalter blir mer representativa för hela provet. Dessutom är en lösning mer homogen än ett fast prov. För att överföra mätsubstanserna i ett fast prov till en lösning kan man använda många olika metoder. Ett vanligt sätt är en lösningsmedelsextraktion med utnyttjande av s.k. Sohxletteknik för vilket det nu finns automatiserade utrustningar som kan ta hand om flera prov samtidigt. Om målsubstanserna sitter hårt bundna i provet kan det dock bli nödvändigt att bryta ner provet. Denna nedbrytning kan göras på flera olika sätt. Enklast är i många fall att behandla provet med starka, oxiderande mineralsyror t ex för att frigöra metaller. I sitt enklaste utförande kan detta göras i större provrör (oftast försedda med kondensationskylare) nedsänkta i hål i ett elektriskt upphettat värmeblock. På senare tid har analysutrustningar utvecklats som är automatiserade och ger bättre kontroll av nedbrytningsprocessen. Under denna laboration skall en sådan modern utrustning användas för provupparbetningen. Denna utrustning är en mikrovågsutrustning, 9

10 där temperatur/tryck i provbehållaren kan regleras. Även upphettningshastigheten till önskad sluttemperatur kan regleras via effektuttaget. För övrigt påminner utrustningen om en vanlig mikrovågsutrustning för hemmabruk. Antalet prover, som samtidigt kan behandlas automatiskt är 12 st. Figur 1 ger en detaljerad bild av de använda provbehållarna. Figur 1. Schematisk genomskärning av provkärlen. 10

11 UV-VIS-Spektrometri Teori Litteratur: Atkins/Jones sid Spektrometri är en vanligt förekommande teknik i många sammanhang. En av anledningar till detta är att den grundläggande principen är relativt enkel att förstå och tillämpa. I stora drag grundar sig metoden på att prov absorberar ljus och att denna absorption bland annat beror på provets sammansättning och våglängden på ljuset som används. I 0 provlösning I l Figur 2: Infallande ljus av intensiteten I 0 får passera genom ett prov där ljusstrålens sträcka i provet (kyvettlängden) är l och intensiteten på det utgående ljuset är I. Om monokromatiskt ljus (ljus av en våglängd) av våglängden λ får passera genom ett prov så kommer ljusintensiteten, I, förändras (se figur 1). Denna förändring kommer att bero på provets koncentration, c, samt hur bra provet absorberar ljus av den aktuella våglängden, kλ. Utöver detta kommer förändringen i ljusintensitet även bero på kyvettlängden, l, det vill säga den sträcka ljusstrålen tar i provet. En rimlig ansats är därmed följande differentialekvation. di = kλ I c (1) dl I vårt fall har ekvationen (1) följande lösning, där I o är intensiteten av det infallande ljuset I = I o e kλ c l (2) Den erhållna lösningen är dock, i denna form, något olämplig för kvantitativa bestämningar. Detta lilla problem är dock lätt åtgärdat genom en mindre omskrivning av ekvation (2), vilket slutligen leder fram till den mer användbara ekvationen (5). I o I = ekλ c l (3) lg I o I lg I o I = kλ c l lg(e) (4) = ε c l (5) Föregående ekvation (5) kallas Lambert-Beers lag och brukar ofta skrivas som ekvation (6), där A är absorbansen och ε är den molara absorptiviteten. 11

12 A = ε c l (6) Den molara absorptiviteten, ε, även kallad molara absorptionskoefficienten, är bland annat beroende av vilken substans som undersöks, våglängden på ljuset, vilket lösningsmedel som används samt temperaturen. Dvs. vid upptagning av ett spektrum beror absorbansens ändring vid ändrad våglängd på den molara absorptiviteten. När det finns mer än en absorberande substans är det ofta möjligt att betrakta absorbansen som additiv. A tot = A 1 + A A m (7) Om A n A m antas vara absorbansen för lösningsmedlet, kyvettväggarna och så vidare, så kommer A 1...A n vara absorbansen för lösta, absorberande substanser. Detta innebär i sin tur att Lambert-Beers lag kan skrivas som ekvation (8), under förutsättning att absorbansen mäts relativt en identisk kyvett med rent lösningsmedel. A = (ε 1 c 1 + ε 2 c 2 + +ε n c n ) l (8) Det är önskvärt att det endast finns en absorberande substans i provet. Anledningen till detta är att absorbansen då blir direkt proportionell mot substansens koncentration. Detta gör att provbestämningar blir väsentligt enklare att utföra, jämfört med prov med mer än en absorberande substans. Om det endast finns en absorberande substans i provet är det mycket lätt att ta upp en kalibreringskurva och ett absorptionsspektrum (se figur 3a). Ett absorptionsspektrum visar hur ämnets absorbans, A, varierar med våglängden, λ, på det infallande ljuset. Det är med andra ord mycket lämpligt att ta upp ett absorptionsspektrum för att ta reda på vid vilken våglängd mätningarna skall göras. En kalibreringskurva visar däremot hur absorbansen, A, beror på ämnets koncentration, c, då våglängd och kyvettlängd hålls konstant (se figur 3b). A A=εcl c (mg/ml) Figur 3a: UV-spektra av fenol i etanol och i isooktan. Figur 3b: Kalibreringskurva för fenol vid λ=272 nm 12

13 Att mäta absorbansen Vid UV-VIS-spektrometriska mätningar passerar kontinuerligt ljus en monokromator, där ett smalt band av en våglängd väljs. Det monokromatiska ljuset får sedan passera provet där ljusabsorbans sker. Oftast väljer man en våglängd där maximal absorbans sker (spektrumets topp) av två skäl: 1. För maximal analyskänslighet, dvs. att vi får maximal respons for en given substanskoncentration. 2. Kurvan vid absorbansmaximum är relativt flack. Detta är en fördel då eventuella absorbansvariationer, orsakade av monokromatordrift eller andra instrumentella förändringar, blir små. För att Lambert-Beers lag skall gälla måste absorbansen för en vald våglängd vara konstant. Mätningar vid medelabsorbansnivåer (A ) ger bäst resultattillförlitlighet. Om för lite ljus passerar provet (hög absorbans), är ljusintensiteten svår att mäta. Om för mycket ljus passerar provet (låg absorbans), är det svårt att urskilja skillnaden mellan prov och blank. Man försöker därför att anpassa provkoncentrationerna till detta absorbansområde. Förövrigt måste alla luckor hållas stängda så att inget ljus utifrån (ströljus) kan påverka mätningen. Andra minst lika viktiga aspekter att tänka på är att även provhållaren (kyvetten), lösningsmedlet (som provmolekylerna är lösta i) och andra substanser lösta i provet absorberar ljus. Man korrigerar för detta genom att använda samma kyvett (alternativt matchade kyvetter) för referenslösningen då instrumentet nollas som för provlösningen. Referenslösningen kan vara en s.k. reagensblank, vilken innehåller allt provlösningen innehåller (lösningsmedel och alla reagens) utom själva provsubstansen man vill bestämma. Man bör också se till att lösningarna är fria från partiklar (t.ex. damm), vilka kan sprida ljuset. Damm kan undvikas genom filtrering och lock på kyvetterna. Fingeravtryck på kyvettens strålgång sprider och absorberar ljus. Undvik att sätta fingrarna på strålgången och torka kyvetten alltid innan den sätts ner i instrumentet. Tänk också på att rikta kyvetten åt samma håll varje gång du sätter ner den i instrumentet. Små skillnader på kyvettens väggar samt hur kyvetten placeras i instrumentet kan leda till systematiska fel. Vid mätningar i UV-området är det särskilt viktigt att tänka på att välja en kyvett av kvarts då glas och plast absorberar ljus. 13

14 Atomabsorptionspektrometri Teori Litteratur: Atkins/Jones kap Vid atomabsorptionsspektrometri utnyttjas att atomer i grundtillståndet kan absorbera energi om de bestrålas av ljus med lämpliga våglängder. Dessa våglängder är karaktäristiska för olika grundämnen, vilket ger metodiken en hög grad av specificitet. Processen som sker kan illustreras för en metall M i grundtillståndet M enligt M + hν M* där M* är energinivån för den exciterade atomen. Det ljus som skickas mot atomerna och som enligt ovan delvis absorberas kommer under sin passage genom provet givetvis att tappa i intensitet. Denna minskning i intensitet är beroende av det betraktade ämnets koncentration och bildar basen för mätningarna. Sambandet mellan koncentration och intensitetsminskning uttrycks liksom ovan (UV-VISspektrometriavsnittet) med hjälp av Lambert-Beers lag. Absorbansen hos provet registreras av atomabsorptionsinstrumentet. Den principiella uppbyggnaden av ett atomabsorptionsinstrument framgår av nedanstående figur. Figur 4. Schematisk bild på uppbyggnaden av atomabsorptionsinstrumentet Hålkatodlampan har en elektrod gjord av det ämne, som skall bestämmas, i vårt fall magnesium. Den sänder ut ett linjespektra med våglängder, som då kan absorberas av atomer från det ämne, som man mäter på (för Mg 285,2 nm). Ljusets intensitet P från hålkatodlampan sjunker till P då ljus absorberas av atomer från det ämne man vill mäta på i flamman. Flammans konstruktion är sådan att prov från provlösningen sugs upp och energin från flamman gör så att ämnen i provet blir atomer, som hamnar i strålgången från hålkatodlampan. 14

15 Med monokromatorn kan man välja ut en av de för ämnet karaktäristiska våglängderna i linjespektrat. Minskningen av ljusintensiteten vid denna våglängd registreras i detektorn. Oftast väljer man med monokromatorn ut den linje från hålkatodlampan från den aktuella målsubstansen, som har högst intensitet. I sällsynta fall kan det i provet finnas ett annat element, som absorberar ljus vid nästan samma våglängd. Eftersom man i praktiken inte registrerar en våglängd utan ett (visserligen mycket) smalt våglängdsintervall kan man då få en s k spektral interferens, som här yttrar sig i att för mycket ljus absorberas av provet, vilket leder till för hög koncentration av målsubstansen. I sådana fall kan man, för att undvika detta problem, med monokromatorn välja ut en annan våglängd i målsubstansens linjespektra, där man inte har denna störning. Detektorn, en fotomultiplikator, registrerar det ljus som når detektorn. För att nollställa absorbansmätningen bestämmes först hur mycket ljus, som når detektorn, då ingen målsubstans finns i provet (i praktiken P ). Detta gör man oftast genom att suga upp en ren, sur vattenlösning. Därefter bestämmer man ljusintensiteten, när provlösning med målsubstansen sugits upp i flamman (P). Ur detta beräknas absorbansen för målsubstansen ut av instrumentet. Mätning i atomabsorptionsspektrometri går oftast till så att lösningar med kända koncentrationer av målsubstansen (inklusive koncentrationen 0) sugs upp i flamman och absorbanserna för de olika koncentrationerna registreras. En kalibreringskurva (som inom ett relativt snävt område kan betraktas som linjär) tas upp med absorbansen som funktion av målsubstansens koncentration på samma sätt som vid spektrometriska mätningar. Målsubstansens koncentration i ett okänt prov bestämmes sedan genom att man registrerar målsubstansens absorbans och utnyttjar kalibreringskurvan för att få dess koncentration. Vid atomabsorptionsmätningar såväl som vid UV-VIS-spektrometriska bestämningar gör man alltså egentligen en relativ mätning. Detta innebär att man vid mätningar måste behandla prov och standardlösningar på samma sätt. För tillförlitligheten i resultaten blir det helt avgörande att kalibreringslösningarnas koncentrationer är rätt. Ett sätt att upptäcka fel på grund av den mänskliga faktorn vid beredning av någon kalibreringslösning är att tillverka varje kalibreringslösning ur separata invägningar snarare än genom utspädning av en stamlösning. Vid felkalibrering erhålls ett systematiskt fel vilket påverkar provmätningens riktighet. Systematiska fel kan upptäckas genom t.ex. analys av ett referensprov där substansinnehållet är känt. 15

16 Laborationsutförande Provuppslutning Väg in ca 1,0 g Kellogg s cornflakes och överför flingorna till kärlet Advanced Composite Vessel (se figur 1). Notera den exakta vikten. Tillsätt 8 ml milliporevatten och 2 ml koncentrerad HNO 3. Skruva ihop kärlet och kontrollera membranet. Samtliga steg i nedanstående beskrivning som innebär att något sätts in eller tas ut ur ugnen får endast utföras av assistent: För att ansluta referenskärlet ska följande utföras Vrid ratten till OPEN. Genomskölj slangen till tryckmätaren och spola tills dess att inga bubblor finns kvar. Vrid tillbaka ratten till NEUTRAL. Anslut tryckmätaren till referenskärlet. Anslut temperatursensorn till referenskärlet. Sensorn är mycket ömtålig och får under inga omständigheter klämmas i dörren eller böjas onödigt mycket när den hanteras. När alla behållarna är korrekt monterade i mikrovågsugnen startas programmet CORNFLAKES. När programmet kört klart öppnas ugnsluckan och behållarna får stå kvar i ugnen till dess temperaturen sjunkit till 70 C. Därefter kan behållarna tas ur ugnen och manschetterna tas av behållarna för att påskynda avsvalningen. När behållaren utan problem kan hanteras, öppnas den försiktigt i dragskåp. Trycket i behållaren är högt och de bildade nitrösa gaserna är mycket giftiga. Innehållet i behållaren överförs kvantitativt med hjälp av 1 mm HNO 3 till en 50 ml bägare och kokas min. Detta görs för att avlägsna eventuella rester av nitrösa gaser. För att minimera risken för stötkokning och att delar av provet stänker iväg skall magnetomrörare och urglas användas. Lösningen bör aldrig understiga 5 ml. När lösningen kokat klart skall den svalna till rumstemperatur innan den filtreras ner i en 25 ml mätkolv. Bägare och filterpapper sköljes med 1 mm HNO 3 till mätkolven. Späd med 1 mm HNO 3 till märket och blanda väl (vänd mätkolven upp och ner minst 20 ggr). 16

17 Laborationsutförande Bestämning av Fe Järn(III)jonen har den sympatiska egenskapen att den bildar ett kraftigt rödfärgat komplex med tiocyanatjoner enligt Fe SCN [Fe(SCN) 6 ] 3 Detta komplex fungerar bra då det gäller att bestämma järn(iii)koncentrationen i lösningar som inte innehåller störande joner. Lyckligtvis skall den tidigare gjorda provuppslutningen ha resulterat i en provlösning som har lagom hög koncentration av järn(iii) och tillräckligt låga halter av störande joner så att de senare inte påverkar resultatet. Dock är det tyvärr så att komplexet inte är stabilt under rådande betingelser. På grund av detta bör tiden mellan beredningen av mätlösningarna och absorbansmätningen av desamma vara så kort som möjligt. Kalibreringslösningar En kalibreringskurva för komplexet skall tas upp. Denna kommer senare användas vid bestämning av järnhalten i flingorna. Minst 5 olika kalibreringslösningar, med olika järnhalt, skall beredas. Lämpliga Fe 3+ -koncentrationer i de olika lösningarna är 20, 40, 60, 80 och 100 µm. Dessa blandas enklast genom att 5, 10, 15, 20 och 25 ml av den 200 µm stamlösningen mäts upp med Vollpipetter och späds till 50 ml i mätkolvar. I samtliga fall används 1,0 M HNO 3 för att späda lösningarna. Provlösningar För att undersöka metodens och automatpipetternas tillförlitlighet skall 3 provlösningar med olika koncentrationer beredas. Lämpliga lösningar för detta ändamål erhålls om följande blandas till i torra och rena bägare: Bara lösning från provberedningen 5,00 ml lösning från provberedning + 1,00 ml 1 M HNO 3 4,00 ml lösning från provberedning + 2,00 ml 1 M HNO 3 17

18 Figur 5. Absorptionsspektrum för [Fe(SCN 6 ] 3 (a) och lösningen från provuppslutningen (b). Figur 6. Principskiss över en spektrometers optiska system. 18

19 Absorbansmätningar För att minimera sönderfallet av komplexet är det lämpligt att gå till väga enligt följande: 1. Tillsätt 2,00 ml av kalibrerings/provlösningen med hjälp av en automatpipett till en torr och ren kyvett. 2. Tillsätt därefter 1,00 ml 1,5 M KSCN-lösning med hjälp av en automatpipett. 3. Sätt på det tillhörande locket och blanda väl. 4. Avlägsna eventuella luftbubblor från väggarna genom att försiktigt knäppa med fingrarna på sidan av kyvetten. 5. Torka av kyvettens utsidor med kleenexpapper och placera därefter kyvetten i spektrometern. 6. Mät absorbansen. 7. Töm kyvetten med hjälp av vakuumsug. Skölj därefter kyvetten flera gånger med milliporevatten och försök sedan att få kyvetten så torr och ren som möjligt. 8. Upprepa förfarandet tills samtliga lösningars absorbans bestämts. Alla mätningar skall göras relativt en identisk kyvett med rent lösningsmedel (1 M HNO 3 ). Samma våglängd, lämpligtvis 480 nm, skall användas vid samtliga absorbans-mätningar. Laborationsutförande Bestämning av Mg Vid spåranalyser (< ppm-nivå) av metaller skall glaset vara diskat i stark syra för att eliminera eventuell inbindning av metaller på glasytan. I detta fall mäter vi dock på så höga halter (ppm-nivå) att vanlig disk av glaset är tillräckligt. Kalibreringslösningar Fem kalibreringslösningar beredes med följande Mg 2+ -koncentrationer: 0,25; 0,5; 1,0; 2,0 och 3,0 µg/ml. Dessa lösningar blandas genom att lämpliga volymer av den 10 µg/ml stamlösningen mäts upp med automatpipetter och tillsättes i 10 ml mätkolvar. Använd sambandet V 1 c 1 = V 2 c 2 vid beräkningar av volymer. Späd därefter till 10 ml med 1 M HNO 3 och blanda väl. Provlösning Provlösningen filtreras med ett sprutfilter. För att hamna inom ett lämpligt absorbansområde vid mätningarna spädes provet. Tillsätt 2,5 ml av din provlösning till en 10 ml kolv och späd till 10 ml med 1 M HNO 3. Atomabsorptionsmätningar 1. Tänd flamman genom att först trycka på AIR/ACET och därefter på IGNITION. 2. Skölj systemet genom att sticka ned slangen i milliporevatten någon minut. Tryck sedan på start och nolla mot blanken (l M HNO 3 ). Därefter mäts absorbansen i 19

20 kalibreringslösningarna (börja lämpligtvis med den lägsta koncentrationen) och sedan i ditt prov. Mellan varje lösning måste systemet sköljas med vatten. 3. Rita upp en kalibreringskurva på millimeterpapper genom att avsätta den uppmätta absorbansen mot koncentrationen av dina kalibreringslösningar. Avläs sedan ur kalibreringskurvan Mg 2+ -koncentrationen i ditt prov. 20

21 Appendix Skriven fritt efter R. Tilley, Colour and the Optical Properties of Materials, Wiley När vi ser en färg beror det på att elektromagnetisk strålning träffat ögat och startat ett fysiologiskt samarbete mellan receptorer i näthinnan och hjärnan. Ögat kan bara uppfatta ett mycket begränsat frekvens- eller våglängdsområde: synligt ljus. Ändå kan man normalt särskilja storleksordningen en miljon färgnyanser, även om man inte kan namnge dem alla. Ögats känslighet har ett maximum för våglängden 555 nm som motsvarar gul-grönt. Känsligheten avtar snabbt med både ökande och minskande våglängd. Intressant nog har den solstrålning som når jordytan högst intensitet just vid denna våglängd. Ljus som bara består av en enda våglängd (med en viss bandbredd) kallas monokromatiskt. De flesta färger uppstår emellertid genom att flera olika våglängder samverkar. Man kan dela in sådana färger i additiva respektive subtraktiva färgblandningar. Om två eller flera färger blandas talar vi om addition. Om man ur ett färgspektrum tar bort vissa våglängder kallas det subtraktion. Till exempel beror färgen på himlen, när man tittar bort från solen, på spridning av ljus från gasmolekyler i atmosfären. Utan jordatmosfären skulle himlen vara svart. Denna typ av ljusspridning är proportionell mot λ -4, dvs mer spridning ju kortare våglängd. Man tycker då att himlen borde se violett ut, men på grund av ögats känslighetskurva blir resultatet en kompromiss: en blå himmel. Vid solnedgången kan man titta rakt mot solen, och färgen på himlen blir då röd, därför att den kortvågiga strålningen har spridits bort på vägen genom atmosfären. (Här hjälper även små partiklar till att sprida bort de korta våglängderna). Man kan säga att den blå färgen är ett exempel på additiv färg medan den röda beror på subtraktion. De många färgerna man kan se då olja täcker en vattenyta beror på ljusbrytning och reflektion i tunna skikt. På grund av interferens släcks vissa våglängder ut och man får en subtraktionsfärg. Här är det skiktets tjocklek i förhållande till ljusvåglängden som spelar in. Alla föremål sänder ut värmestrålning, dvs elektromagnetisk strålning, som beror av atomernas värmerörelse. Vid rumstemperatur har strålningen våglängder i det infraröda området. Men vid höga temperaturer förskjuts spektrum för den utsända strålningen mot kortare våglängder. Vid cirka 700 o C börjar ett föremål att se rödaktigt ut, och vid högre temperaturer går sedan färgen via orange och gult till vitt (>2000 o C). En vanlig glödlampa har en glödtråd av volfram som upphettas elektriskt till temperaturer över 2000 o C. För att undvika att glödtråden oxideras och brinner upp har man pumpat ut all luft ur lampan och fyllt den med en inert gas. Gasurladdningslampor ger oss synligt ljus på ett annorlunda sätt. Om man lägger en hög spänning över en lampa fylld med en gas vid lågt tryck får man en ström att gå igenom samtidigt som ljus sänds ut. Snabba elektroner exciterar gasmolekylerna, som vid återgång till grundtillståndet sänder ut synligt ljus. Neonljus är ett exempel där man använder olika ädelgasblandningar. Neon självt ger rosa-rött ljus, medan helium ger gult och argon och xenon ger blått ljus etc. Natriumlamporna som är vanliga längs våra vägar innehåller natriummetall som efter förångning exciteras och bland annat avger ljus i en dubblett med våglängderna och nm, dvs. gult ljus. När en natriumlampa tänds har den ett 21

22 rödaktigt sken. Det beror på att den innehåller lite neon som genom sin excitation hjälper till att få upp temperaturen så att natrium förångas. Lysrör innehåller normalt små mängder kvicksilverånga som exciteras av snabba elektroner. De exciterade kvicksilveratomerna återgår till grundtillståndet och sänder då ut strålning i UV-området med maximum intensitet vid 254 nm. Detta är en våglängd som ögat inte kan uppfatta. Genom att belägga insidan av lysröret med en så kallad fosfor (inte grundämnet fosfor!) kan man omvandla UV-ljuset till synligt ljus. För bästa funktion skall fosforn absorbera vid 254 nm och sedan återgå till grundtillståndet i flera steg. Ett av dessa steg skall avge en energi som motsvarar synligt ljus. Det vanligaste är att fosforn innehåller en katjon som efter excitationen övergår till lägre energinivåer genom utsändande av värmestrålning (IR) och sedan till sist avger ett kvantum synligt ljus. En vanlig fosfor består av Ca 5 F(PO 4 ) 3 som dopats med Sb 3+. Antimon(III) absorberar just vid 254 nm genom en övergång av valenselektroner från s 2 till s 1 p 1 -konfiguration och sänder sedan ut ljus med hög intensitet vid korta våglängder (kallt ljus). Om man dopar med Mn 2+ får man ut ljus också i det orangeröda området, och genom att variera förhållandet mellan Sb 3+ och Mn 2+ går det att få lysrör med olika grader av varmt ljus. Föreningar med halvledaregenskaper har ofta färg på grund av absorption av ljus. Absorption är ytterligare ett exempel på subtraktiv färgblandning. Bandgapet i en halvledare, dvs energiskillnaden mellan valensband och ledningsband, är större än det i en metall men mindre än i en isolator. I själva bandgapet finns inga energinivåer, såvida inte halvledaren är dopad. I både valensband och ledningsband ligger däremot de tillåtna energinivåerna mycket tätt. Det betyder att en halvledare med ett bandgap motsvarande infrarött ljus kan absorbera alla våglängder i det synliga området och färgen blir svart eller eventuellt metallglänsande. En LED (light-emitting diode) är gjord av halvledarmaterial. Numera används sådana i till exempel trafiksignaler och cykelbakljus. Då en spänning läggs över dioden, faller elektroner från ledningsbandet till valensbandet under utsändning av ljus. En diod består av en p-typ halvledare (överskott av hål) och en n-typ halvledare (överskott av elektroner) som sitter ihop. Normalt är de tillverkade genom dopning direkt på en enkristall av halvledarmaterialet. Om man lägger en spänning över dioden så att p-sidan blir positiv och n-sidan negativ kan man driva ledningselektronerna på n-sidan att rekombinera med hålen på p-sidan under utsändning av ljus. Halvledarna i en LED består av olika kombinationer av GaAs, GaP, GaN, AlAs, AlP och AlN. Föreningar av övergångselementen har ofta färg på grund av att d-elektronernas övergångar mellan olika energinivåer motsvarar energier i det synliga området av spektrum. Som exempel är vattenlösningar av Cu 2+ -salter blåa på grund av att Cu 2+ (aq)-jonen absorberar ljus med våglängder över cirka 600 nm (orange och rött), vilket ger en restfärg eller komplementfärg som är blå. Beroende på omgivningen till katjonen hamnar d-elektronernas energier något olika och samma jon kan därför i olika föreningar ge upphov till helt olika färger. Ett exempel är Ni(II) som i [Ni(H 2 O) 6 ] 2+ är grön och i [Ni(NH 3 ) 6 ] 2+ är blå. Mineralet hematit, Fe 2 O 3, fick sitt namn därför att dess röda färg påminner om färskt blod. Färgen beror på absorption genom att järnets d-elektroner exciteras. Det röda färgämnet i blodet, 22

23 hemoglobin, innehåller också järn men det är inte d-elektronövergångar som orsakar dess färg. Likaså är det inte d-elektronövergångar som orsakar den blå färgen hos eremitkräftans blod trots att färgämnet innehåller Cu 2+. I klorofyll har Mg 2+ en position som liknar den för järn- och kopparjonerna i de nämnda föreningarna. Klorofyll ger ju löven deras gröna färg och detta trots att magnesiumföreningar normalt är färglösa. Färgen beror i alla dessa tre fall på ett samspel mellan metallkatjon och konjugerade dubbelbindningar i den bundna organiska molekylen, där π-elektroner exciteras och absorberar i det synliga området. 23

24 LAB 3.: Kalorimetri Syfte: Energiöverföringar är av fundamental betydelse inom alla områden av naturvetenskap och teknik. Denna laboration skall ge en insikt i hur detta sker vid några kemiska processer och kunskap om hur man beräknar värmekapaciteter och reaktionsentalpier. Innan laborationen skall kapitel 7 i Chemical Principles läsas in och begreppen värmekapacitet, inre energi och entalpi samt Hess lag vara välbekanta. Inledning: Laborationen börjar med ett skriftligt förhör på kapitel 7 i läroboken samt nedanstående text. Tillåtna hjälpmedel är egen räknare och SI Chemical Data (SICD). Under laborationen kommer ni att arbeta med en enkel kalorimeter av den typ som läroboken kallar kaffemuggskalorimeter. Gruppen får på egen hand bygga en sådan kalorimeter och utföra ett antal mätningar. Mätresultaten jämförs med värden från Chemical Principles och SICD. Glöm inte att anteckna under laborationen. Anteckningarna skall godkännas av handledaren. I lokalen finns även en bomkalorimeter uppställd för att ni skall ha ett tillfälle att studera och ställa frågor om hur den fungerar. Utförande: KAFFEMUGGSKALORIMETER Detta är en öppen kalorimeter som arbetar vid konstant tryck och uppmätta värmeomsättningar svarar därför mot entalpiändringar, se Figur 7.11 i Chemical Principles. Försök 1: Värmekapacitet hos flytande vatten 1. Sätt ihop en kalorimeter av utdelat material termos, doppvärmare, termometrar, omrörare, tvättsvamp mm. 2. Läs instruktionen till doppvärmaren. Doppvärmaren får bara slås på när den är nerdoppad i vatten och skall monteras så att värmespiralen inte kommer i kontakt med kärlväggen. Använd ca 400 ml rumstempererat vatten i kalorimetern. Väg och notera massan vatten noga! 3. Bestäm värmekapaciteten hos kalorimetern genom att tillföra kalorimetern ett bestämt elektriskt arbete, dvs noggrant notera tiden doppvärmare är inkopplad. Det är lämpligt att bryta strömmen när temperaturen på vattnet nått ca 30 o C. Kontrollera att höljet på termometern är avtaget innan ni börjar mäta. Vänta tills temperaturen ej längre stiger och beräkna temperaturförändringen. 4. Uppskatta kalorimeterns värmekapacitet ur tabellvärden och jämför med det uppmätta värdet. 5. Hur kan vi bestämma vattnets värmekapacitet ur experimentet? 6. Analysera vilka felkällor som finns i försöket. Diskutera eventuell inverkan av de enskilda komponenterna i uppställningen och ge förslag på förbättringar och kompletterande försök. 24

25 Försök 2: Reaktionsvärme för en redoxreaktion 1. Väg upp ca 4 g koppar(ii)sulfatpentahydrat och lös saltet i ca 200 g rumstempererat vatten. Vänta till temperaturen blir konstaant. 2. Tillsätt zinkpulver i överskott (beräkna minsta mängd) och mät temperaturändringen. 3. Uppskatta värmekapaciteten för systemet med hjälp av tabelldata. Diskutera om man kan använda värdet för rent vatten eller om man måste man ta hänsyn till kristallvatten, metallpulver och lösta joner. Är systemets värmekapacitet konstant under försökets gång? 4. Bestäm det värme som utvecklas i ditt experiment per mol reaktion enligt formeln: Cu 2+ (aq) + Zn(s) Cu(s) + Zn 2+ (aq) 5. Beräkna entalpiändringen i standardtillstånd ur standardbildningsentalpier. 6. Jämför den uppmätta och den beräknade entalpiändringen. 7. Diskutera felkällor och förbättringar av försöket. Hur kan man t ex bestämma om jonerna i lösningen har någon inverkan på värmekapaciteten? 8. Fast zink och koppar insamlas efter försöket och hälls i slaskkärlen i dragskåpet. Försök 3: Lösningsvärme för ammoniumklorid och kalciumkloriddihydrat 1. Mät upp ca 200 g rumstempererat vatten i kalorimetern. 2. Väg upp ca 4 g av saltet. 3. Häll saltet i kalorimetern och mät temperaturändringen. 4. Beräkna det molära lösningsvärmet för saltet. 5. Beräkna lösningsvärmet för NH 4 Cl och CaCl 2 2H 2 O ur standardbildningsentalpier och jämför med uppmätta värden. Det finns även lösningsvärmen i Tabell 8.6 i Chemical Principles. 6. Beräkna lösningsvärmen för serien CaCl 2, CaCl 2 2H 2 O och CaCl 2 6H 2 O. Hur förklarar man den systematiska trenden i värdena? 25

26 Försök 4: Bestämning av förbränningsentalpi 1. Mät upp ca 200 cm 3 rumstempererat vatten (notera exakt mängd) och häll i ett isolerat kärl. Sätt i en termometer i mitten av vattnet. 2. Väg brännaren med. 3. Tänd lågan och sätt brännaren under kärlet med vatten. Försök undvika att lågan fladdrar av drag och se till att lågan värmer så effektivt som möjligt. Skaka kärlet så att värmen fördelar sig så jämt som möjligt. Låt temperaturen stiga ca 10 o C och beräkna den exakta temperaturhöjningen. 4. Släck lågan, väg brännaren och beräkna den förbrukade massan bränsle. 5. Beräkna förbränningsentalpin hos bränslet och jämför med tabellerade värden. Vilka aggregationstillstånd skall gälla? BOMBKALORIMETER Här sker förbränning i en stålbehållare vars volym inte ändras under försökets gång, se Figur 7.12 i Chemical Principles. Eftersom nästan inget tryck-volymarbete kan förekomma svarar uppmätta värmemängder mot ändringar i inre energi. För föreningar som innehåller C, H, O och N utgörs produkterna av CO 2, H 2 O och N 2. Stålbehållaren placeras i ett vattenfyllt kärl. Det vattenfyllda kärlet och stålbehållaren utgör tillsammans själva kalorimetern och dess temperatur mäts med en termometer neddoppad i vattnet. Hela kalorimetern placeras i en värmemantel och genom att reglera värmemantelns temperatur så att den är lika hög som kalorimeterns under försökets gång undviker man värmeläckage från kalorimetern. I stålbomben placeras ett organiskt ämne med känt förbränningsvärme (t ex bensoesyra) och bomben fylls med syrgas till maximalt 30 bars tryck. Därefter antänds provet och temperaturstegringen mäts. Det kända förbränningsvärmet och den uppmätta temperaturändringen används sen för att beräkna kalorimeterns värmekapacitet. När nu kalorimeterns värmekapacitet är känd kan man beräkna förbränningsvärmet för olika brännbara material ur den temperaturstegring som noteras när en invägd massa av materialet förbränns. Metoden lämpar sig för fasta och flytande material och kan användas för att bestämma förbränningsvärmet för t ex polymerer, bränslen och livsmedel ( kaloriinnehåll ). 26

27 LAB 4.: Syra-basjämvikter 1 Det inledande laborationsförhöret omfattar förutom denna laborationshandledning kapitel 10, 11 och 12 i Chemical Principles. Ta med räknare och SI Chemical Data! Laborationen avser att belysa syra-basjämvikters egenskaper och betydelse ur olika aspekter och innehåller två moment: Bestämning av ph 1. a) Kalibrering av en ph-meter. b) Bestämning av ph i jordprov. Titreranalys 2. a) Manuell titrering av stark syra med stark bas; färg- resp. potentiometrisk indikering. b) Bestämning av alkalinitet i vatten genom titrering med saltsyra och färgindikering. Tag med läroboken till laborationen. OBS! Till vissa laborationer får du gärna ta med egna prover av olika vatten och jordar (se vid Prov under Utförande). Inledning Syra-basjämvikter är mycket vanligt förekommande företeelser eftersom deprotonisering och protonisering kan ske hos många ämnen, nämligen hos alla syror, baser och amfolyter (ämnen som både kan ta upp och avge protoner, t.ex. HPO 2-4 eller H 2 PO - 4 ). Denna ämnesgrupp har ofta kallats protolyter eftersom de kan delta i protolysjämvikter. Eftersom en syra vid deprotonisering övergår i sin motsvarande bas (och tvärtom) kan ett ämne förekomma både i syraform och i basform. Syra-basreaktioner uppträder vanligast i vattenbaserade system men kan även förekomma i vattenfria medier. Det enda som krävs är att det finns en bas närvarande som kan acceptera den proton som en syra avger (och tvärtom). Ibland, som i fallet med vattenlösningar, kan mediet självt delta i en syrabasreaktion. Glaselektroden En mätkrets för ph-mätning med glaselektrod har den uppbyggnad som visas i figuren och cellschemat nedan. De olika potentialer som uppstår vid gränsytorna betecknas med bokstaven E. I texten nedan användes begreppet "aktivitet". För utspädda lösningar kan man ersätta aktiviteten för en viss jon med dess koncentration. 1 Laborationshandledning K-G Wahlund/Clas Wesén, Teknisk analytisk kemi 27

28 Cellschema: Glaselektrod Referenselektrod Inre referens- Inner - Glas- Ytterlösning Yttre referens- Yttre referens- Elektrod lösning membran (provlösning) lösning elektrod (Ag/AgCl) (0,1 M HCl) (mättad KCl) (Ag/AgCl) E 1 E 2 E 3 E j = E 4 E 5 Som du ser är det många olika potentialer man kan behöva ta hänsyn till, men under rätta betingelser är de flesta av dessa potentialer konstanta. Det viktiga är vad som sker över glasmembranet! I en glaselektrod för ph-mätning hålles innerlösningens vätejonaktivitet konstant, medan ytterlösningen utgör provet vars vätejonaktivitet (a H(ytter) ) ska bestämmas. En potentialskillnad (E 3 - E 2 ) uppstår om det råder olika vätejonaktivitet på glasmembranets båda sidor. Det har visat sig, och kan även härledas termodynamiskt, att potentialskillnaden över glasmembranet ges av: E 3 - E 2 = konstant + RT nf ln 10 lg a H(ytter) = konstant lg a H(ytter) (för H 3 O + är n = +1). Därigenom kan man bestämma vätejonaktiviteten i provet och beräkna ph-värdet. 28

29 Elektroder För att förenkla det praktiska utförandet bygger man in den yttre referenselektroden i en kammare runtom glaselektroden och får en kombinationselektrod (se figur bredvid). (silverklorid utfälld på silvertrådar) 1.a) Kalibrering av en ph-meter En ph-meter är en voltmeter med hög ingångsresistans som elektroniskt utför en omvandling så att avläsningen sker direkt i ph-enheter. Själva kalibreringen utgörs av mätning på standardlösningar tillsammans med inställning av aktuell temperatur. Då en glaselektrod kalibrerats med hjälp av minst en standardlösning med känt ph fastläggs därmed också en ph-skala för de följande mätningarna av ph. I praktiken kalibreras phmetern genom att standardlösningens ph-värde injusteras på ph-metern och temperaturen ställs in (enpunktskalibrering). Vid tvåpunktskalibrering används två standarder vars båda ph-värden injusteras. Detta ger en säkrare bestämning därför att lutningskoefficienten ofta avviker något från värdet Utförande Laborationen avser att belysa: procedur för kalibrering av en ph-meter. Instrument: Digital ph meter. Elektroder: Kombinationselektrod Lösningar: ph-standarder för ph = 4.01 och ph = Mätningar: OBS! När glaselektroden flyttas mellan olika provlösningar skall den sköljas med avjonat vatten och försiktigt torkas av med Kleenex-papper. Lägg helst papperet mot elektroden och låt det suga upp vätskan så att membranytan inte repas eller skadas. Kalibrera instrumentet med avseende på ph enligt instruktion vid laborationen. Börja med ph 7-bufferten. OBS! även temperaturen måste ställas in. Fortsätt sedan med laborationsmomentet 2a. Redovisning Besvara följande frågor (använd i första hand läroboken som kunskapskälla). Vilket syra-baspar används i ph7 standarden? 29

30 Jämför standardens ph med pka-värdet för den ingående syran. Ser du något samband? Beräkna standardlösningens ph med ledning av de ingående ämnenas koncentrationer. Förklara skillnaden. Vad händer med resultaten vid ph-mätning om temperaturen ändrar sig mellan kalibrering och provmätningen? 1.b) Bestämning av ph i jordprov (bestämning med ISFET-elektrod). Eftersom jord inte är något homogent ämne, går det inte att definiera markens ph-värde på något enkelt sätt. Behovet att känna till markens ph-värde är stort framförallt inom lantbruket, och därför har det utarbetats olika metoder för bestämning av markens phvärde. I den enklaste metoden gör man ett extrakt av jorden med avjonat vatten. Denna metod ger ett ph-värde i extraktet som anses motsvara det ph-värde som råder i markvätskan. Det erhållna värdet kan dock antagas bli något för högt eftersom man gör en utspädning av markvätskan. Det är därför viktigt att alltid ha samma proportion mellan vätska och jord för att få jämförbara värden på olika prover. Jord, och speciellt lerjord, innehåller ett mineral som heter montmorillonit vilket kan adsorbera katjoner och alltså kan fungera som en jonbytare. Därmed inses att jorden kan innehålla betydligt mer vätejoner än vad som finns i markvätskan. För att få reda på jordens totala vätejonaktivitet så extraherar man med en 0.2 mol. l -1 KCllösning, varvid de flesta adsorberade vätejoner byts ut mot kaliumjoner. Skillnaden mellan ph(h 2 O) och ph(kcl) är vanligen 0.5 till 1 ph-enhet, dvs. 3 till 10 gånger så hög vätejonaktivitet i KCl-lösningen. Tänkbara jordtyper är: fet åkerjord, ängsmark, gräsmatta, granskog, bokskog, på toppen av en bokskogsås respektive vid åsens fot. Försök finna andra jordtyper särskilt sådana du misstänker kan ha olika ph. Utförande Utför en enpunktskalibrering av en ISFET-pH-meter enligt anvisning vid laborationstillfället (ISFET = jonselektiv fälteffekttransistor). Denna ph-meter är mindre känslig för mekanisk påverkan än glaselektroden. Prov: Väg in 25 gram av ett jordprov i en E-kolv. Tillsätt 50 ml avjonat vatten eller 50 ml 0.2 mol. l -1 KCl-lösning (handledaren ger anvisning). Extrahera i 15 minuter med hjälp av magnetomrörare. Ställ lösningen att sedimentera. Häll av (dekantera) den övre delen av lösningen och bestäm dess ph. 30

31 Redovisning Uppmätta ph-värden. Diskutera även den eventuella skillnaden i ph hos proverna med andra grupper. Svara på frågan: I vilket prov sker sedimentation snabbast (jämför med samma sorts jord som fått den andra behandlingen)? Kom ihåg resultatet när du senare studerar ytkemi. Titreranalys En provlösning tillförs ökande volymer av en titratorlösning vilken innehåller en komponent som kan reagera med provsubstansen. Man följer kontinuerligt koncentrationen av provsubstansen eller någon annan komponent som deltar i reaktionen. Ur tillsatsen av titrator vid ekvivalenspunkten kan man sedan beräkna mängden provsubstans eftersom den skall vara lika med mängden tillsatt titrator (om de reagerar i 1:1-förhållande). Alltså kan titreringen, rätt utformad, användas för kvantitativ bestämning. Egenskaperna hos jämviktsreaktionen är sådana att omkring denna ekvivalenspunkt blir det stora relativa förändringar i koncentrationen av de olika komponenter som reagerar. Titreringen går ut på att observera vid vilken titratorvolym dessa koncentrationsändringar inträffar och därmed fastställa ekvivalenspunkten. Vid syra-bastitrering utnyttjar man en neutraliseringsreaktion och det blir stora ändringar av ph i lösningen omkring ekvivalenspunkten. Man kan även beräkna vilket ph som skall råda i ekvivalenspunkten om man känner den reagerande syran/basens syra- respektive baskonstant (K a eller K b ). Titreringens syfte blir då att fastställa vid vilken titratortillsats man nått det ph- värde som skall råda i ekvivalenspunkten. Detta kan man göra med en färgindikator (som i sig själv är en syra eller bas) vilken ändrar färg i det ph-område där ekvivalenspunkten skall ligga. Vid potentiometrisk indikering följer man i stället ph kontinuerligt under titreringens gång och ser efter var man får den största ändringen i ph per volym tillsatt titrator, d.v.s. var derivatan pη/ v har sitt maximum. Detta sker i mittpunkten av det s.k. ph-språnget som uppträder omkring ekvivalenspunkten. Notera dessutom att titrerkurvan visar en karaktäristisk egenskap omkring halvekvivalenspunkten (vad är pη/ v här?), d.v.s där man har satt till halva ekvivalenta mängden av titratorn (detta syns bäst för flerprotoniga syror). 2.a) Manuell titrering av stark syra med stark bas; färg- resp. potentiometrisk indikering. Du skall titrera den starka syran saltsyra med den starka basen natriumhydroxid och undersöka två indikeringsmetoder för ekvivalenspunkten, färgindikering respektive potentiometrisk indikering med glaselektrod. För att minska tidsåtgången använder du indikator och ph-elektrod samtidigt. 31