Innehåll 1. Ordningsregler Viktig information om laborationerna Laborationskurs KER Laborationskurs KER220...

Transkript

1 Innehåll 1. Ordningsregler Kurslaboratorierna i kemihuset Instruktion för dragskåpsanvändning Farosymboler Avfallshantering Laborationsmateriel Inläsningsanvisningar Viktig information om laborationerna Inför laborationen Laborationskurs KER Synteser Jonbytare Koppar Syre Termokemi - Kalorimetri Laborationskurs KER Alkalinitet Kemisk reaktionskinetik Oorganisk reaktionslära... 77

2 1. Ordningsregler Innan laborationskursen får påbörjas måste varje laborant ha genomgått och fått godkänt på ett skriftligt säkerhetsprov omfattande bl.a. vissa avsnitt i detta häfte samt avsnitt i Anders Lennartsons bok Laboratoriearbete. Se kap 1.6 i denna pärm för sidhänvisningar. Vid allt arbete på ett kemiskt laboratorium är det nödvändigt att alla som arbetar där är väl förtrogna med de säkerhetsföreskrifter som gäller. Du måste känna ansvar för både din egen säkerhet och dina medlaboranters. Slarv och obetänksamhet vid laboratoriearbete kan vålla svåra personella, materiella och ekonomiska skador. 1.1 Kurslaboratorierna i kemihuset Kurslaboratorierna är belägna på femte våningen i den mittersta delen av Kemihuset som kallas Kurshuset. Laboratorierna nås via Kemihusets huvudentré vid Kemigården. Varje laborant skall känna till placering och funktion av följande räddningsutrustning: Ögonduschar: varje laboratorium är utrustat med två ögondushar. De är monterade vid diskbänkarna vid utgångarna. Brandsläckare, brandfiltar, nödduschar och brandslangar: dessa finns i korridoren. Förbandsmateriel: i varje laboratorium finns en grön tavla med förbandsmateriel. Nödutgångar: vid brandlarm utrymmer man laboratorierna via huvudentrén och samlas på uppsamlingsplatsen (Kemigården). Hela gruppen måste samlas på ett ställe tillsammans med assistenten. Det är absolut förbjudet att gå tillbaka in i Kemihuset eller att avlägsna sig från uppsamlingsplatsen utan assistentens tillstånd. 2

3 Se till att passa laborationstiden! Alla laborationer börjar med en genomgång, missar man genomgången får man inte lov att laborera utan får göra laborationen nästa gång kursen ges. I många fall avslutas laborationen med en genomgång. Glöm inte att diska allt och ställa det på tork samt se till att er plats är ren innan ni lämnar laborationssalen. Assistentens anvisningar och instruktioner måste följas! Allmänna regler Skyddsglasögon ska alltid användas i laborationslokalerna oberoende av vad du gör. Alltså ska skyddsglasögon bäras även vid t.ex. beräkningsarbeten (det kan stänka från de mest oväntade håll!). Skyddsglasögon finns att låna från ställen vid fönstren i laboratorierna. Labbrock är obligatoriskt att använda och ska vara av material som ej är lättantändligt och ska kunna tas av utan att behöva dras över huvudet. Labbrockar finns att låna. Klädregler på laboratoriet: man måste ha täckta ben och fötter, man får inte ha nylonstrumpor och om man bär huvudbonad skall denna vara av sådan typ att den inte riskerar att antändas eller komma i vägen vid laborationen. Ytterkläder och väskor låses in i klädskåpen i korridoren; tag med ett eget hänglås. Skåpen får endast användas under laborationen. Om de lämnas låsta kan de komma att klippas upp. Mat och dryck får inte förtäras på laboratoriet. Rökning är endast tillåten utomhus. Om du snusar tänk då på att inte lägga in snus när du är inne på labbet. Brännare som inte används får inte lämnas brinnande. Utensilier (laboratorieutrustning) ska förvaras i skåpen då de inte används. Ett krav vid allt laboratoriearbete är att all apparatur och utensilier hålls rena. Ägna tid åt att diska i slutet av varje labbpass! Kranarna för avjonat vatten (gröna kranar) är väldigt ömtåliga, dra inte åt dem för hårt. Trasigt glas ska läggas i speciella kärl för glaskross. Det får absolut inte läggas i papperskorgen! 3

4 Meddela alltid assistenten när utrustning går sönder Kemikaliehantering Det övervägande antalet kemikalier utgör någon form av hälsorisk. Därför bör du betrakta alla kemikalier som farliga. Kemikalier får inte förvaras i omärkta kärl. Generellt sett skall alltid kemikalier hanteras i dragskåp, om inte laborationshandledaren uttryckligen ger andra anvisningar. Giftiga, explosiva, eldfarliga och illaluktande kemikalier ska alltid hanteras i dragskåp. Koncentrerade syror och baser hanteras också i dragskåp. Se även instruktion för Dragskåpsanvändning i avsnitt 1.2. Kemikalier och utensilier för gemensamt bruk ska snarast återställas på sin plats i rent skick. Häll aldrig tillbaka en kemikalie i förvaringskärlet! Fråga assistenten om du är osäker! Använda kemikalier i vattenlösning kan ofta hällas i vasken, och fasta ämnen kan läggas i plastkärl, se avsnittet Avfallshantering, 1.3. En del kemikalier måste hällas i speciella uppsamlingskärl för senare destruktion eller återanvändning. Använd aldrig papperskorgarna, även om substanserna är totalt harmlösa! Det är omöjligt för den som tömmer papperskorgama att veta om det vita pulvret är natriumsulfat eller natriumcyanid. Fråga assistenten om du är osäker! OBS! Utspillda kemikalier ska omedelbart omhändertas. Spola med vatten och torka upp (dock inte om risk för häftig reaktion med vatten föreligger, t.ex. koncentrerad svavelsyra eller natriummetall). Be assistenten om hjälp om så behövs! Läs noggrant igenom instruktioner. Jäkta inte! Gör ett flödesschema dagen före laborationen. Exempel finns i handledningen för Synteser. 4

5 1.1.3 Säkerhetsdata för kemikalier Alla anställda och studenter vid Göteborgs universitet har tillgång till kemikaliehanteringssystemet KLARA. Du kommer in utan inloggning om du sitter vid en dator som är ansluten till internet. Gå in på: Klicka på länken Till KLARA i högerkolumnen därefter på Produktregister/Chemical database i vänsterkolumnen. För att söka efter säkerhetsdatablad fyll i produktnamn eller CAS-nummer längst upp till vänster. Ofta får man flera träffar, till exempel lösningar med olika koncentrationer. Välj den produkt från listan som är mest relevant Hantering av brandfarliga eller brännbara ämnen När man skall tända en brännare har man ansvar att se till att det inte finns brännbara ämnen i närheten. När man skall laborera med brännbara ämnen har man ansvar att se till att det inte finns en tänd brännare i närheten. Använd inte brännare ifall vätgasutveckling kan tänkas uppkomma, t.ex. vid upplösning av metaller i syror. Ställ inte in brandfarliga ämnen i värmeskåp Farliga kemikalier några enkla regler Organiska ämnen skall inte hanteras eller förvaras i samma dragskåp som koncentrerade syror och baser. Oxiderande substanser, t.ex. HNO 3 och KMnO 4 får inte komma i kontakt med brännbara substanser. Starka syror ska spädas genom att blandas ut i vatten, inte tvärt om! SIV = syra i vatten. Rör om ordentligt när ni löser NaOH (s) i vatten. Värm inte! Kyl! Rikta aldrig provrör mot dig själv eller andra. Vätskor kan pipetteras i stället för att hällas. 5

6 Mobiltelefoner och datorer hör inte hemma i labbsalen. Pipettera alltid med Peleusboll. Hur en Peleusboll fungerar Tryck inte in pipetten för långt! Pressa ihop A samtidigt om du trycker ihop bollen för att pressa ut luften, tryck på S för att suga upp lösning, och på E för att tömma pipetten. Viktigt att pipettspetsen är under ytan under hela pipetteringen, samt att ingen vätska kommer upp i bollen. Om det skulle hända ska bollen kasseras. Be assistenten gå igenom hur den fungerar ifall du känner dig osäker. Läs också på sidan 72 i boken Laboratoriearbete. Peleusboll 6

7 1.2 Instruktion för dragskåpsanvändning Vi får inte ställa vad som helst tillsammans i dragskåpen. Här nedan kommer några av de viktigaste reglerna. Om detta finns i dragskåpet får detta inte finnas i samma dragskåp Orsak Starka syror Organiska lösningsmedel Vissa syror är starka oxidationsmedel Starka syror Brännare Risk for vätgasbildning om flaskan går sönder. Organiska lösningsmedel Brännare Brand och explosionsfara Assistenten planerar dragskåpsanvändningen och markerar ofta vad varje dragskåp skall användas till. Tänk på att alltid dra ned dragskåpets lucka så långt som möjligt. Utsugets effekt minskar kraftigt med ökande öppning mot rummet. 7

8 1.3 Farosymboler Det finns två uppsättningar av farosymboler. Fram till 1 juni 2015 gällde båda märkningssystemen, nu kommer de äldre att fasas ut och på sikt ska bara den nya märkningen gälla. Men det är bra att veta hur de äldre ser ut då det kan finnas förpackningar med dessa ett tag till. 1.4 Avfallshantering De flesta kemikalierester ska samlas upp i särskilda kärl (slask), och skickas på destruktion. I något fall skall rester samlas in för återanvändning. Avfallskärlen finns placerade i ett av dragskåpen i labbet; flytande avfall hälls i plastdunkar och fast avfall (fasta kemikalierester samt engångspipetter och papper som varit i kontakt med kemikalier) i vita plasthinkar. Tänk på att inte alla flytande kemikalier får blandas. Häll till exempel inte ihop starka syror och organiska lösningsmedel! Endast lösningar av hushållstyp som utan några som helst tvivel är helt ofarliga för personal, vattenlås, ledningssystem, rörmokare, reningsverkets olika processer, Göta älv och havet får hällas i avloppet. För GU och Chalmers gäller dock ett undantag, för att detta ska gälla måste följande tre punkter vara uppfyllda: Det rör sig om en mindre mängd experimentrester eller lösningsmedel som är svåra att samla upp vid t.ex. diskning ph-värdet ska vara mellan 5 och 11,5 Följande joner i vattenlösning får hällas ut i avloppet om det är små mängder: 8

9 Katjoner: Na +, Mg +, K +, Ca 2+, Ti(IV), Mn(IV), Fe 2+, Fe 3+, Al 3+ Anjoner: Cl -, Br -, I -, CO3 2-, NO3 -, PO4 3-, SO3 2-, SO4 2-, silikater, borater Följande joner får inte hällas ut: Mn(VII) eller Li + Av följande organiska kemikalier får maximalt 3 liter tioprocentig lösning/dygn och laboratorium hällas ut i avloppet: Metanol, Etanol, Propanol, Isopropanol, Butanol, Propanon (Aceton), Acetonitril Glukos, sackaros m.fl. sockerarter Myrsyra, Ättiksyra, Propionsyra, Citronsyra Alla andra substanser ska hällas i en av slaskbehållarna i de slaskdragskåp som finns i varje labbsal. Hushållspapper, plastpipetter etc som endast varit i kontakt med vatten slängs i papperskorgen. Man får däremot inte slänga kemikalier eller krossat glas i papperskorgarna. 9

10 1.5 Laborationsmateriel Följande föremål används ofta på laboratoriet. Skriv rätt namn under varje föremål. 10

11 Analystratt E-kolv Mätpipett Sprutflaska Bägare Exsickator Mortel Spatlar Bordsstativ Gastvättflaska Pasteurpipett Sugkolv Bunsenbrännare Klämmare Peleusboll Trådnät Büchnertratt Kokrör Provplatta Trefot Byrett Kristallisationsskål Provrör Triangel Centrifugrör Muff Provrörshållare Urglas Degel Mätcylinder/mätglas Rundkolv Vågskepp Degeltång Mätkolv Separertratt Vollpipett 11

12 1.6 Inläsningsanvisningar Dessa inläsningsanvisningar är det som gäller till provet i säkerhetsföreskrifter och laboratorieteknik. Observera att hälften av frågorna på skrivningen kommer att beröra säkerhetsföreskrifter, andra hälften laborationsteknik. För godkänt prov krävs att 75 procent av frågorna på säkerhetsföreskrifterna samt att 50 procent av frågorna på laborationsteknik är rätt besvarade. A) Detta laborationskompendium: Säkerhetsföreskrifter sid. Ordnings- och säkerhetsregler 3-10 Laborationsteknik sid Laborationsmateriel B) Anders Lennartson, Laboratoriearbete: Säkerhetsföreskrifter sid. Kap. 1 Säkerhet Kap. 4 Kemikalier Kap. 9.1 Faror med vakuum 89 Laborationsteknik sid. Kap.2.1 Glas Kap. 2.2 Porslin 39 Kap. 3 Laboratorieutrustning Kap. 6 Vägning och mätning Kap Värmning Kap. 7.7 Gasbrännare 79 Kap. 7.8 Värmning av vätskor 81 Kap. 8.2 Isbad Kap Filtrering Kap Tvättning av fällningar 117 Kap Dekantering 118 Kap Kristallisation Kap Gravimetrisk analys Kap Titrering; läs fram till avsnittet standardlösnigar

13 2. Viktig information om laborationerna Välkommen till kemilaboratoriet och de olika laborationerna som syftar till att du som laborant, med hjälp av enkla kemiska reaktioner, skall få en inblick i elementär kemi samtidigt som din praktiska förmåga övas. De enskilda laborationerna är valda så att ett antal viktiga experimentella moment övas samtidigt som experimenten visar allmängiltiga kemiska processer och bygger på de teoretiska moment som gås igenom under föreläsningarna. Samtliga laborationer utförs i par. 2.1 Inför laborationen Det är viktigt att vara väl förberedd inför laborationen, samt att komma i tid. Inför varje laboration (utom den sista, Oorganisk reaktionslära) måste du skriva ett flödesschema före laborationen; det kan skrivas antingen för hand eller på dator, men måste tas med i pappersform till laborationen. Assistenten kontrollerar alla flödesscheman före laborationen. Tänk på att detta häfte endast innehåller laborationshandledningar och förutsätter en kompletterande användning av boken Laboratoriearbete av Anders Lennartson. Flödesschemat gör du för din egen skull, så utforma det så att det är lätt för dig att följa under laborationen. Även om laborationen utförs i par, ska varje laborant förberett sig inför samtliga moment och skrivit ett eget flödesschema. Det är mycket viktigt att föra noggranna anteckningar i din laborationsjournal under tiden du laborerar, så minns du bättre vad du gjort efteråt. Om det i anvisningarna står att du ska väga upp 3,5 g FeSO4. 7 H2O men vågen visar 3,4986 g, ska du använda den senare (verkliga) siffran i dina beräkningar och i rapporten. Anteckna alla observationer och eventuella avvikelser. 13

14 Två olika förslag till flödesschema till ett av momenten i första laborationen: 1. Värm vatten i en kristallisationsskål till ca 70 C på en värmeplatta. 2. Mät upp vatten i två små kärl (bägare eller E- kolvar) (5 och 3 ml) genom att använda pipett. 3. Väg upp 3,5g FeSO 4 7 H 2O och 1,75g (NH 4) 2SO 4 i var sin muffinsform. 4. Droppa 3 droppar H 2SO 4 (FRÄTANDE) i behållaren där FeSO 4 7 H 2O ska tillsättas och tillsätt sedan de båda salterna i rätt kärl. 5. Ställ behållarna i vattenbadet och vänta på att salterna ska lösas upp. Tänk på att vara försiktig vid omrörning! 6. Slå samman de varma lösningarna i en bägare och låt lösningen svalna. Täck över bägaren med ett papper och låt stå till nästa tillfälle. Inför tre av laborationerna (Syre, Jonbytare och Oorganisk reaktionslära) måste du fylla i uppgifter och/eller besvara frågor i detta häfte före laborationen. Assistenten kontrollerar att du gjort de nödvändiga förberedelserna före laborationen. 14

15 2.2 Redovisning Samtliga laborationer ska redovisas i någon form. Rapportskrivning och muntlig redovisning är mycket viktiga moment både inom universitetsvärlden och i det privata näringslivet. Laborationerna Syntes, Koppar, Kinetik och Alkalinitet redovisas med en skriftlig laborationsrapport. Rapporten skrivs tillsammans med den person som du utförde laborationen med och lämnas in elektroniskt via Göteborgs Universitets Lärplatform GUL inom tre arbetsdagar. Mallar för hur rapporterna ska skrivas finns i detta häfte samt på GUL. Om laborationsrapporten inte godkänns av assistenten den skickas i retur till er för korrigering. Om rapporten inte blir godkänd vid andra inlämningen, måste laborationen göras om. Glöm inte att kontrollera enheter, värdesiffror, beräkningar, stavning och grammatik innan ni skickar in rapporten för att undvika onödiga poängavdrag. Tänk på att du och din labbpartner tillsammans är ansvariga för hela rapporten. Det är mycket oklokt att skriva var sin del och sedan foga samman delarna. Laborationerna Syre och Termokemi Kalorimetri redovisas i samband med laborationen. För att bli godkänd krävs att man är väl förberedd och har förstått laborationernas teoretiska bakgrund samt gjort beräkningarna rätt. På laborationen Jonbytare sker redovisningen av resultaten i samband med laborationen, men måste kompletteras med beräkningen av nickelkoncentrationen med tillhörande Excell-graf, som ska lämnas in via GUL. Laborationen Oorganisk reaktionslära redovisas muntligt. Laborationen genomförs vid det första av de tre schemalagda laborationstillfällena. Där blir du och din labbpartner också tilldelad ett avsnitt ur laborationen som ska redovisas muntligt. Vid det andra laborationstillfället ges möjlighet att diskutera din presentation med assistenten. Redovisningen sker muntligt under tredje laborationstillfället, och utförs lämpligen med hjälp av PowerPoint eller liknande programvara enligt assistentens anvisningar Tips inför rapportskrivandet Använd mallarna som finns i detta häfte samt på GUL. 15

16 Molförhållanden Molförhållanden ska skrivas i ett av följande två format: Exempel: 2 H2 + O2 2 H2O Molförhållande, alternativ 1: nn(h 2 ) nn(o 2 ) = 2 1 ; nn(h 2 ) nn(h 2 O) = 2 2 ; nn(o 2 ) nn(h 2 O) = 1 2 Molförhållande, alternativ 2: nn(h 2 ) 2 = nn(o 2 ) 1 = nn(h 2O) 2 Beräkningar Glöm inte att kontrollera antalet signifikanta siffror (värdesiffror) och se till att avrunda rätt. Glöm inte att skriva ut enheter. Infoga specialtecken! Skriv inte 6,022*10^23 utan 6, eller 6, Tänk på att man på svenska använder komma (,) och inte punkt (.) för att separera heltal och decimaler. För att infoga jämviktspilar ( ) kan man använda teckensnittet Lucida Sans Unicode. Storheter (men inte enheter) skrivs i kursiv stil: molmassa betecknas M medan enheten molar betecknas M; massa betecknas m medan enheten meter betecknas m. Kontrollera att alla beräkningar är korrekta och att svaret är rimligt! Om man till exempel kommer fram till att kopparhalten i ett prov är 623 g/ml har man uppenbarligen gjort ett misstag någonstans. Diskussion Börja med att identifiera vad som är relevant att diskutera, detta kan variera från laboration till laboration. Här följer några exempel på vad som kan ingå i en diskussion: Vilka faktorer påverkar primärdata / reaktionen? Vilka felkällor är möjliga? Är de erhållna resultaten rimliga? Om inte, kan det avvikande resultatet förklaras utifrån de felkällor som observerats? Vilka slutsatser kan man dra av laborationen? 16

17 Har några antaganden gjorts och är de i så fall rimliga? Kontrollera stavning och grammatik! Undvik särskrivning: på svenska skriver vi natriumsulfat och molmassa och inte natrium sulfat eller mol massa. Tänk på att många kemiska ord och namn stavas olika på svenska och engelska även om de kan låta lika. Vi skriver kalcium, inte calcium. Namnen på grundämnen stavas med gemen begynnelsebokstav (natrium inte Natrium). Undvik att skriva talspråk. 17

18 3. Laborationskurs KER210 Laborationskursen i KER210 omfattar fyra laborationer: Syntes, Jonbytare, Koppar och Syre. 3.1 Synteser Laborationen består av två synteser, framställning av ammoniumjärn(ii)sulfat hexahydrat (Mohrs salt) och tetraamminkoppar(ii)sulfat monohydrat. I båda fallen bildas produkten i lösning och ska sedan urskiljas i fast fas. Glöm inte att göra flödesschema innan laborationen! Fakta: Joner, salter, fällning, kristallisation, löslighetsjämvikter, moderlösning Färdigheter: Vägning, pipettering, dekantering, sugfiltrering, torkning Teori Då en fast fas ska urskiljas ur en lösning använder man sig av (ut)fällning eller kristallisation. Båda metoderna innebär att det bildas kristaller från en mättad lösning av ämnet. Vid fällning sker processen snabbt under bildning av många små kristaller. Kristallisation pågår under en längre tidsperiod varvid relativt få kristaller växer sig allt större. Gränsen mellan dessa två tekniker är flytande. Svårlösliga salter framställs ofta genom att blanda två olika lösningar, vilka var för sig innehåller ett av de jonslag som skall ingå i slutprodukten. När lösningarna blandas faller det önskade ämnet ut. Om man exempelvis blandar 0,1 M lösningar av blynitrat och natriumsulfat, kommer det svårlösliga saltet blysulfat att bildas. För att säkerställa att i detta fall allt bly faller ut, måste ett visst överskott av sulfatlösning tillsättas. Det är ofta fördelaktigt att använda varma, utspädda lösningar vid syntesen och att dessa slås samman långsamt under omrörning. Litteratur 18

19 Anders Lennartson, Laboratoriearbete Kap. 6, Vägning och mätning sid Kap , Värmning sid Kap. 9.2, Vattensug sid Kap , Filtrering sid Kap. 12.4, Tvättning av fällningar sid. 117 Kap , Kristallisation sid

20 3.1.2 Framställning av ammoniumjärn(ii)sulfat hexahydrat (Mohrs salt) Bered två lösningar, dels 3,5 g FeSO4. 7H2O i 5 ml vatten surgjort med tre droppar koncentrerad H2SO4, dels 1,75 g (NH4)2SO4 i 3 ml vatten. För att salterna skall lösa sig är det nödvändigt att värma blandningarna till ca 70 C, d.v.s. värm tills salterna löser sig. Slå sedan samman de varma lösningarna (FeSO4. 7H2O (aq) och (NH4)2SO4 (aq)) i en bägare och låt lösningen svalna, Mohrs salt faller nu ut. Täck bägaren med ett papper och låt åt kristallerna mogna i sin moderlut till nästa laborationstillfälle, dekantera och överför kristallerna till ett filterpapper på ett urglas. Torka de fuktiga kristallerna genom att pressa dem mellan två filterpapper, låt sedan kristallerna torka. Väg produkten och beräkna utbytet. Reaktionsformel: 2NH4 + +Fe 2+ +2SO H2O (NH4)2Fe(SO4)2. 6H2O Produkten utgörs av gröna kristaller som är lättlösliga i vatten. 20

21 3.1.3 Framställning av tetraamminkoppar(ii)sulfat monohydrat Utför laborationen så långt det går i ett dragskåp eftersom koncentrerad NH3 är en stark bas och har en mycket stark lukt. Bered en lösning bestående av 10 ml vatten och 10 ml koncentrerad NH3 och tillsätt 6,5 g CuSO4. 5H2O. Obs! Se till att CuSO4. 5H2O löser sig fullständigt. Tillsätt långsamt, under kontinuerlig omrörning, 10 ml etanol med hjälp av en pasteurpipett. Cu(NH3)4SO4. H2O är svårlöslig i etanol och faller nu ut. Häll försiktigt över fällningen till en Büchnertrat med filterpapper i, sug bort moderluten och tvätta fällning med etanol. Överför fällningen till en muffinsform, och torka den i en exsickator till nästa laborationstillfälle då ni väger produkten och beräknar utbytet. Reaktionsformler: Cu NH3 Cu(NH3)4 2+ Cu(NH3) SO H2O Cu(NH3)4SO4. H2O (s) Produkten utgörs av ett kristallpulver med starkt blåviolett färg. Detta kristallpulver är mycket lättlösligt i vatten. 21

22 Kurs Grupp Lab.sal Datum: Laborationshandledare: Utförd av: Syntes 1 Produktens namn: Reaktionsformler: Molförhållande: Invägda kemikalier: Substansmängd kemikalier: Begränsande kemikalie (motivera): Beräkning av utbyte: Felkällor: 22

23 Kurs Grupp Lab.sal Datum: Laborationshandledare: Utförd av: Syntes 2 Produktens namn: Reaktionsformler: Molförhållande: Invägda kemikalier: Substansmängd kemikalier: Begränsande kemikalie (motivera): Beräkning av utbyte: Felkällor: 23

24 3.2 Jonbytare Glöm inte att göra flödesschema och besvara frågorna innan laborationen! Avsikten med försöket är att separera en blandning av nickel- och järnjoner med anjonbytare (enl. Kraus), samt att bestämma mängderna av järn och nickel i provet volymetriskt resp. spektrofotometriskt, i mol/dm 3 och g. Fakta: Kromatografiska metoder, spektrofotometri, Lambert Beers lag, kalibreringskurva, komplexjämvikter, redox-reaktioner. Färdigheter: Hantering av kromatografikolonn, eluering. Uppsamling av fraktioner. Noggrann beredning av lösning. Kvantitativ (volymetrisk) analys av reducerande ämnen med kaliumpermanganat. Hantering av spektrofotometer och kyvetter. Kalibrering av spektrofotometer. Att tänka på: Kolonnen får inte köras torr. Konditionering med 5M HCl. Satsa all provlösning på en gång. Närvaro av nickel testas. Mätkolv för noggrann volym. Reduktion av järn med zink. Filtrering med analystratt. Kyvetten skall inte fyllas helt, 1 cm till överkant. Starta med svag koncentration och gå mot hög. Standardkurva! Måldeklaration. Efter laborationen ska laboranten kunna Diskutera med andra vad som händer på molekylär nivå under laborationens olika steg. Förklara funktionen hos en jonbytare. Applicera en blandning i en jonbytarkolonn, eluera ut blandningen, samla olika fraktioner och regenerera kolonnen. Själv planera, konstruera och genomföra en kalibrering för fotometrisk bestämning. Förklara redoxteorin som ingår i permanganattitreringen. Planera, konstruera och genomföra en redoxtitrering med kaliumpermanganat. 24

25 Litteratur Anders Lennartson, Laboratoriearbete Kap. 6, Vägning och mätning sid Kap. 16.4, Jonbyteskromatografi sid Kap. 17.3, Titrering sid Kap , Spektroskopi sid Teori Många metalljoner kan separeras som kloridkomplex med anjonbytare med saltsyra som så kallat elueringsmedel. Elueringsmedel är den vätska man sköljer genom kolonnen med för att få ut de komplex som inte adsorberats i kolonnen, och i detta fall för att komplexbinda den metalljon som ska separeras. I en vattenlösning av till exempel järn(iii)nitrat koordinerar (binder) järnjonerna sex vattenmolekyler, och bildar den komplexa jonen [Fe(H2O)6] 3+. Vid tillsatts av kloridjoner kommer dessa att byta ut vattenmolekyler runt järnjonerna enligt formlerna 1 4. Kloridjonens storlek gör att komplexjonens koordinationstal (antalet atomer som binder till järnjonen) minskar från 6 till 5 och slutligen 4. [Fe(H2O)6] 3+ + Cl - [FeCl(H2O)5] 2+ + H2O [FeCl(H2O)5] 2+ + Cl - [FeCl2(H2O)4] + + H2O [FeCl2(H2O)4] + + Cl - [FeCl3(H2O)n] + (4-n) H2O; n = 1 eller 2. [FeCl3(H2O)n] + Cl - [FeCl4] - + n H2O (1) (2) (3) (4) Resultatet blir ett negativt laddat kloridkomplex. Sådana komplex är relativt vanliga hos metalljoner. Negativt laddade kloridkomplex adsorberas på jonbytaren. Separationen av olika metallkomplex grundar sig på skillnader i komplexens styrka och affinitet (bindningsförmåga) till jonbytaren (affiniteten ökar med ökande negativ laddning och jonstorlek). Till skillnad från järn, ger nickel inga adsorberbara kloridkomplex, och passerar därför direkt genom kolonnen tillsammans med elueringsmedlet. Upptagningen av järn är i hög grad beroende av saltsyrans koncentration och ökar med stigande koncentration enligt reaktionerna nedan. 25

26 UV-Spektrometri Nickeljonen bildar i vattenlösning ett grönfärgat komplex, [Ni(H2O)6] 2+. Den gröna nickelfärgen kan utnyttjas för bestämning av höga nickelhalter vid våglängden 395 nm. Koncentrationen, ci, kan erhållas ur Lambert-Beers lag: A = εi l ci där A är absorbansen (absorbans anger hur mycket ljus som tagits upp av lösningen), l är längden på kuvetten och εi är den molära absorptiviteten (molär absorptivitet anger hur färgad lösningen blir vid en viss koncentration, ju högre tal desto mer färg) för partikelslag i. Absorbansen fås genom A = log10 (I0/I) I0 är ljusets intensitetet före och I är intensiteten efter att strålen har passerat kyvetten. Ett annat sätt att beräkna koncentrationen är genom att göra en graf och avsätta absorbansen (y) mot koncentrationen (x) för ett antal nickellösningar med känd koncentration. Koncentrationen för ett okänt prov kan sedan beräknas med hjälp av den räta linjens ekvation som beskriver standardkurvan. 26

27 3.2.2 Uppställning och utrustning a b c e f g d h a. Byrett med spruta b. Kolonn med gummisifon, napp c. Sprutflaska med saltsyra HCl d. Mikropipett med spruta e. Kyvett med lock f. E-kolv g. Mätkolv h. Provlösning, testreagens, fosforsyra och granulerad zink 27

28 Före laborationen har kolonnen förberetts på följande sätt: Först placerades lite glasull i botten av kolonnen (i detta fall en pasteurpipett). Jonbytarmassan slammades upp i vatten. Den uppslammade jonbytarmassan sugs upp med en 5 ml spruta och injicerades i kolonnen. Kolonnen fylldes upp med jonbytarmassa till ca 2,5 3 cm från toppen av kolonnen. Slutligen placerades lite glasull ovanpå jonbytarmassan. Vid användande av kolonner i fullskala är det viktigt att jonbytarmassan påfylls i flera portioner för att undvika fraktionering av jonbytarkornen efter deras storlek. Vid svåra separationer är det viktigt att kornstorleksfördelningen är mycket snäv Utförande A. Konditionering med 5 M HCl Före tillsatsen av saltsyra regleras vätskenivån i kolonnen genom att låta överflödig vätska rinna ut så att den är precis i överkant på glasullen ovan jonbytarmassan. Se till att kolonnen aldrig blir torr! Undvik luftbubblor i glasullen. Om luftbubblor skulle uppstå, kan dessa avlägsnas genom att en pasteurpipett används för att peta på glasullen. För att tömma kolonnen från eventuella rester från tidigare försök skall jonbytarmassan konditioneras genom att 0,5 M saltsyra tillförs kolonnen som sedan låts rinna ner till toppen på glasullen. Upprepa detta 3 ggr. Efter att 0,5 M saltsyra runnit genom kolonnen görs samma sak med 5,0 M saltsyra 3 ggr. Kolonnen skall hela tiden hållas fylld minst upp till den övre glasullens överkant. 28

29 B. Satsning av prov Vid försöket används en grön lösning av nickel(ii)- och järn(iii)klorider av okänd koncentration. Lösningen är 5 M med avseende på HCl. Gummiproppen avlägsnas och med en mikropipett satsas (tillförs) 0,2 ml av lösningen. Lösningen får rinna (endast med gravitation) ner i kolonnen tills kolonntoppen (glasullen) nätt och jämnt fuktas av provet. Provet förträngs (pressas ned i jonbytarmassan) genom att några droppar av elueringslösningen (5 M HCl) sätts till med pipett och tillåts rinna ner i kolonnen. Detta upprepas tills provet är nere i kolonnen. Om elueringsmedlet tillsätts i för stor volym förträngs inte provet eftersom det löser sig i hela elueringsmedlets volym! C. Eluering med 5 M HCl Den första fraktionen (delen av provet) som elueras ut är nickel (II) joner. För att eluera nickel (II) används 5 M saltsyra. Elueringsmedel sätts till jonbytaren tills vätskenivån är några cm över glasullen (elueringslösningen som är ovanför glasullen skall om förträngningen är väl utförd vara helt färglös). Elueringslösningen tillåts rinna med gravitation genom kolonnen. Eluatet (det som kommer ut) uppsamlas i en 25 ml E-kolv. Elueringen avbryts efter att den gröna fraktionen har passerat jonbytarmassan och en droppe av eluatet i ett halvmikroprovrör inte ger nickelreaktion. Detta testas genom att först blanda 2 droppar dimetylglyoxim med en droppe koncentrerad ammoniak i ett halvmikroprovrör. Därefter tillsätts en droppe av eluatet (tagen från tippen av jonbytaren) och så länge lösningen är rödfärgad finns nickel i provet. Tänk på att blanda nya nickelreagens för varje experiment. D. Eluering med 0,5 M HCl Så snart den gröna fraktionen passerat genom jonbytaren, och nickel (II) testet visar negativt elueras järnkomplexet med 0,5 M saltsyra ner i en 25 ml mätkolv. Denna kolv skall innehålla en liten sked granulerad zink. Elueringen avbryts då en droppe av eluatet blandat med en droppe kaliumtiocyanatlösning, KSCN, i ett halvmikrorör inte ger rödfärgning. Tänk på att järnet från början är bundet längst upp i jonbytarmassan, och att det tar ett tag innan järnet kommer ut med eluatet. E. Analys av nickel Provets späds med 5 M HCl till 25 ml. Nickelprovet analyseras spektrofotometriskt vid 395 nm (assistenten visar spektrofotometern). Med hjälp av färdiga nickellösningar i koncentrationsintervallet 1-7 mm upptas en standardkurva med 5 M HCl som referens. 29

30 Uppmätt absorbans avsätts mot koncentration i en graf. Provets absorbans avläses i standardkurvan. Grafen skall finnas med i rapporten. F. Analys av järn Järn(III)lösningen reduceras till järn(ii) av zinken varvid lösningen avfärgas. Lösningen filtreras i analystratt ner i en E-kolv. (Tvätta zinken med lite vatten och spara den för återanvändning). Några droppar koncentrerad fosforsyra tillsätts. Titrera omedelbart med 0,010 M kaliumpermanganatlösning. Titrera tills färgen (violett/rosa) stannar ca 1 min. Genom att sätta ett vitt papper bakom E-kolven är det lättare att se färgen. Titrering genomförs till den punkt där man tror sig att ekvivalentspunkten ligger. Titrervolymen skrivs ned. 30

31 Laborationen avser att: Att fylla i före laborationen Bestämning av järn: Reaktionsformel för komplexbindning av Fe 3+ i saltsyra: Reaktionsformel för reduktion av Fe 3+ med Zn(s): Reaktion vid titrering med MnO 4- : Molförhållande: Resultat och Diskussion: 1. Beskriv vad en jonbytare är och beskriv skillnaden mellan en anjonbytare och en katjonbytare. 31

32 2. Beskriv komplexbildningen och förklara på molekylär nivå a. Satsning av provet b. Eluering med 5 M HCl c. Eluering med 0,5 M HCl 3. I en graf som återger värdena som erhållits i en kalibrering ritar man en rät linje som skall passera alla punkter så nära som möjligt. Förklara varför den linjen ger exaktare värden i analysen än om man skulle ha dragit linjer från punkt till punkt och fått en mer eller mindre krökt kurva. 32

33 Att fylla i under laborationen Bestämning av järn: V Ni2+/Fe3+ = c KMnO4 = V KMnO4 = Beräkning av Fe 3+ massa (g) och koncentration (mol dm -3 ): Bestämning av nickel: Standardkurva: ladda ned tabell med värden från GUL. Att rapportera efter laborationen Bestämning av nickel: Avsätt absorbansen mot koncentrationen i graf i Excel. Beräknad koncentration Ni 2+ från grafen: Beräkning av Ni 2+ massa (g) och koncentration (mol dm -3 ): Glöm inte att bifoga din standardkurvan! 33

34 3.3 Koppar Glöm inte att göra flödesschema innan laborationen! Laborationen avser att bestämma mängden kopparsulfatpentahydrat, CuSO 4 5H 2 O, i ett okänt prov både elektrolytiskt och titrimetriskt. Fakta: Elektrokemi, elektrokemisk cell, elekrolys, redoxjämvikter. Volymetri-gravimetri. Färdigheter: Jämförelse av två kvantitativa metoder. Kvantitativ upplösning i mätkolv. Elektrolytisk analys, koppling, elektroder, syra tillsätts för att öka konduktiviteten H + har hög mobilitet, utfällning, vägning. Titrimetrisk analys, jodometrisk titrering, stärkelseindikator. Att tänka på: Vid beräkningarna är det mycket viktigt att hålla i sär alla volymer. Måldeklaration. Efter laborationen ska laboranten kunna diskutera med andra vad som händer på molekylär nivå under elektrolysen förklara vad som händer på molekylär nivå under elektrolysen göra de utspädningar som önskas med en stamlösning, pipett och mätkolv själv planera och genomföra en elektrolys redogöra för och motivera de olika reaktionerna som ingår i en jodometrisk titrering planera och genomföra en jodometrisk titrering. Litteratur Anders Lennartson, Laboratoriearbete Kap. 6, Vägning och mätning sid Kap. 17.2, Elektrolytisk utfällning sid Kap. 17.3, Titrering sid

35 3.3.1 Teori En speciell form av redoxreaktioner åstadkoms med hjälp av elektrokemiska celler. I dessa fungerar katoden som reduktionselektrod och anoden som oxidationselektrod. Vid elektrolytisk analys utförs vanligen elektrolysen mellan två blanka platinaelektroder. Anoden är ofta utformad som en spiralvriden tråd medan katoden utgörs av en cylinder av platinanät som omger anoden. Vid volymetriska analyser används ett förfarande som kallas titrering. Då tillsätts från en byrett en lösning, titratorn, till en annan lösning, titranden, som ofta finns i en titrerkolv. I titrerkolven sker en reaktion mellan ett eller flera lösta ämnen A i titratorn med ett eller flera ämnen B i titranden. Titreringen avbryts när en mot B ekvivalent (likvärdig) substansmängd A tillsats, vilket inträffar vid ekvivalenspunkten Utförande Ur en behållare med okänd halt kopparpentasulfat löst i vatten tas 10 ml provlösning som överförs till en 50 ml mätkolv. Späd sedan till märket med avjoniserat vatten. Blanda lösningen tills den är homogen. Elektrolys Väg katoden! Tag med vollpipett ut 25,0 ml av provet och överför till en 250 ml bägare. Montera bägaren med provet i potentiostaten (apparaten som kontrollerar spänningen). Späd med avjoniserat vatten så att 2/3 av katoden täcks. Surgör med ca 1 ml av vardera koncentrerad H2SO4 och HNO3. Tillkalla labhandledaren för godkännande av uppställningen innan apparaturen nätansluts och strömmen slås på. Elektrolysera med en spänning på 2 3 V, samtidigt som strömstyrkan bör vara ca 0,3 A, tills lösningens blå färg har försvunnit. Detta tar ca en timme. Om strömstyrkan är för låg, kan ytterligare en mindre mängd syra tillsättas. Höj därefter vätskenivån några mm i bägaren genom tillsats av avjoniserat vatten och låt elektrolysen pågå ytterligare en kvart för att kontrollera att all koppar fallit ut. Om inte någon koppar fallit ut på den del av katoden, som kom under ytan vid vattentillsatsen, är elektrolysen fullbordad och avbryts enligt nedan. Om inte fortsätts elektrolysen en halvtimma, varefter kontrollen upprepas. 35

36 Viktigt! Avbryt elektrolysen genom att ta upp elektroderna med bibehållen spänning och spola dem samtidigt väl med avjoniserat vatten och därefter med aceton. Stäng av strömmen, torka och väg katoden. Titrering Av den återstående provlösningen tas med pipett ut tre stycken prov om vardera 5,0 ml. Överför dessa till titrerkolvar, späd med vatten till 10 ml och surgör med 0,4 ml 2 M ättiksyra, CH3COOH. Tillsätt 0,4 g kaliumjodid, KI, och 0,2 ml stärkelseindikator. Titrera med 10 mm Na2S2O3 tills en benvit/ljusrosa färg erhålls. För att säkert veta var titreringen ska avbrytas, noteras det första omslaget, och lösningen titreras sedan vidare tills man säkert vet vilken färg omslaget förväntas ha. Detta är en generell metod vid titreringar med okända omslag. 36

37 Kurs Grupp Lab.sal Datum: Laborationshandledare: Utförd av: Laborationen avser att: Bestämning av koppar Elektrolys: Skriv reaktionsformler för elektrodförloppen Reaktion vid katod: Reaktion vid anod: Totala reaktionen: Primärdata: Elektrolys: Katodvikt: Före: Efter: m Cu : Beräkning: 37

38 Kurs Grupp Lab.sal Datum: Laborationshandledare: Utförd av: Titrering: Reaktioner vid titrering: Molförhållanden: Primärdata: Titrering: V(1) Tiosulfat = V(2) Tiosulfat = V medel = V(3) Tiosulfat = Beräkningar: Resultat: Ange koncentrationen i provet ni fick ut i mol/liter samt g/m 3. För båda metoderna Elektrolys: Titrering: Diskussion (jämför metoder) och svara på frågorna: 1) Förklara varför syra tillsätts i elektrolysen. 2) Diskutera skillnader mellan de två metoderna. Vilka felkällor finns för respektive metod. Ge en förklaring till vad som kan orsaka en skillnad i de uppmätta värdena. 38

39 3.4 Syre Glöm inte att göra flödesschema och besvara frågorna innan laborationen! Avsikten med laborationen är att med Winklers titrimetriska metod bestämma koncentrationen av syrgas (O2) i sjö- eller havsvatten eller Göteborgs kranvatten. Fakta: Vattenkemi, Winklers titrimetriska metod, redoxjämvikter. Färdigheter: Hantering av Winklerflaskor, jodometrisk titrering från brun till ofärgad, stärkelseindikator. Kvantitativ analys av oxiderande ämnen med natriumtiosulfat, Na2S2O3 Måldeklaration. Efter laborationen ska laboranten kunna redogöra för de ingående reaktionerna i Winklermetoden samt förstå hur molförhållanden beräknas vid kopplade reaktioner kunna diskutera Winklermetoden på molekylär nivå med andra själv kunna planera, konstruera och genomföra en syreanalys av ett vattenprov. Litteratur Anders Lennartson, Laboratoriearbete Kap. 6, Vägning och mätning sid Kap. 17.3, Titrering sid Teori Det är genom fotosyntesen och de gröna växternas aktivitet som det finns syrgas på jorden. Indikationer tyder på att växtlivet och fotosyntesen startade genom cyanobakterier i havet för över 2 miljarder år sedan. Även om fotosyntes och bakteriell respiration (förbrukning) är de huvudsakliga processerna som påverkar syreinnehållet på jorden, beror förmågan hos ett vatten att lösa syrgas på bl.a. temperatur, salinitet och tryck. 39

40 För alla högre organismer är syre nödvändigt för att utvinna tillräckligt med energi för överlevnad och tillväxt. Genom en hög konsumtionshastighet av syre under nedbrytningsprocesser och begränsningar i tillförseln av syrerikt vatten kan syrgaskoncentrationen i vatten emellertid understiga den nivå under vilken högre liv är möjligt. Mikroorganismer (t.ex. bakterier och archaea) representerar då det liv som kan upprätthållas i syrefria (anoxiska) miljöer. Sammanfattningsvis utgör syre ett av de viktigaste oxidationsmedlen i naturliga system och spelar en betydelsefull roll i de globala kretsloppen av redoxkänsliga grundämnen såsom kol, kväve, fosfor, järn och mangan. I ett geologiskt perspektiv regleras det relativa förhållandet mellan luftens halt av koldioxid och syrgas genom en balans mellan fixering av koldioxid i biologiskt material under fotosyntesen (och bortförsel av detta material genom begravning i sediment), och respiration/oxidering av organiskt material (varvid syre konsumeras och koldioxid bildas). Winklertitrering Ludwig Wilhelm Winkler ( ) presenterade 1888 en metod för att bestämma löst syrgas i vatten. Denna Winklertitrering används fortfarande kontinuerligt över hela världen inom såväl forskning som grundutbildning. Även om optiska och elektrokemiska syresensorer används är Winklers ursprungliga metod fortfarande oöverträffad med avseende precision och riktighet. Metoden används som standard vid sensorkalibrering och interna jämförelser mellan tekniker att bestämma syrgas löst i vatten. Huvudprincipen att bestämma syrgas enligt Winkler bygger på att syre löst i vatten under alkaliska förhållanden immobiliseras i svårlöslig rödbrun mangan(iv)hydroxidoxid: 2 Mn(OH)2 (s) + O2 (g) 2 MnO(OH)2 (s) (1) Eftersom manganjoner tillsätts i överskott och reaktionen (1) är fördelaktig, kommer allt syre i provet att reagera. När blandningen surgörs med en stark syra löses fällningen, MnO(OH) 2, genom att Mn(IV) reduceras till lättlöslig Mn 2+ av jodidjoner i det alkaliska reagenset. Som en direkt följd av att mangan reduceras, oxideras jodid samtidigt till trijodid. MnO(OH)2 (s) + 3 I H3O + Mn 2+ + I H2O (2) (trijodidjämvikt i lösning: I2 + I - I3 - ) 40

41 Den bildade trijodiden titreras slutligen med tiosulfatlösning av känd koncentration: 2 S2O I3 - S4O I - (3) Omslagspunkten för trijodid/tiosulfat-reaktionen (3) indikeras med stärkelselösning 1. Förbrukad substansmängd tiosulfatlösning är stökiometriskt proportionell mot ursprunglig substansmängd syrgas i provet. I syrefria (anoxiska) vatten sker inte reaktionerna 1 3. Emellertid fälls Mn 2+ joner ut under alkaliska förhållanden till Mn(OH)2, en vit fällning. Mn OH - Mn(OH)2 (s) (1*) Om man tittar noga (speciellt ni som erhållit havsvattenprov som normalt har ph 8) syns den vita fällningen (även om det finns syrgas närvarande i provet) under ett kort ögonblick innan den oxideras vidare till MnO(OH)2 (s) i enlighet med reaktion (1) Utförande Materiel: 3 st. Winklerflaskor, notera volymen som står på flaskan (Dessa flaskor är kalibrerade, dvs de har en bestämd volym med rätt propp. Propp och flaska är numrerade.) 3 st. E-kolvar 250 ml Pipetter, 1 ml Byrett 50 ml Skölj alla kärl och pipetter väl med avjoniserat vatten före användandet! Fyll försiktigt tre förkalibrerade Winklerflaskor som vardera rymmer V 0 ml (varje flaska med tillhörande 1 I närvaro av I - 3 (egentligen I 2 som tillsammans med I - står i jämvikt med I 3 enligt I 3- I 2 + I - ) bildar stärkelse ett starkt blå/lila komplex. Färgen härrör sig från att I 2 inkorporeras i den 3-dimensionella strukturen (helix) av β-amylos, en makromolekyl som utgör en del av stärkelse. Det stora elektronmolnet hos I 2 interagerar med hydroxo dipoler i helixen, vilket resulterar i den intensivt blå färgen. Amylopektin, en annan makromolekyl i stärkelse, bildar ett röd/violett komplex med I 2. Jodid är i sig färglöst. 41

42 specifikt numrerade propp innehåller en känd volym) över flaskbredden med vatten utan att skapa luftbubblor. Bestäm temperaturen på vattnet. Blanda sedan de reagenser som ni skall använda (visa beräkningarna först!), KI och MnCl2 samt NaOH (KI skall lösas i NaOH). Tänk på: m = n M n = c V m = c V M Tabell 1: Spädningstabell för de tre salterna vilka utgör de två reagensen. I tabellen står totalvolymen ni ska späda till (V) och koncentrationen (c) för varje salt. Fyll i tabellen innan laborationstillfället (dvs, räkna ut molmassan (M) och massan (mberäknad) för vardera salt). Saltlösningar M (g/mol) c (mol/l) V (l) mberäknad (g) Lösningsmedel NaOH 1,58 0,025 Avjoniserat vatten (grön kran) MnCl2 4 H2O 1,26 0,025 Avjoniserat vatten (grön kran) KI 1,81 0,025 NaOH (aq) Tillsätt sedan med pipett 1,0 ml vardera av reagenslösningarna med mangan(ii)klorid (reagens I) och alkalisk kaliumjodid (reagens II) till varje Winklerflaska (reaktion 1). Det förstnämnda reagenset tillsätts vid flaskans botten och det andra något över flaskans mitt. Vid tillsatsen av reagens kommer alltså 2,0 ml prov att rinna över. Sätt omedelbart i glasproppen efter tillsatsen av kaliumjodidlösningen utan att innesluta någon luft. Skaka flaskorna väl och låt provet stå så att fällningen sedimenterar till botten. Efter en 42

43 timme tillsätts, i en följd och relativt snabbt till alla tre flaskor, 1 ml koncentrerad svavelsyra en bit ovanför fällningen. Sätt i glasproppen och skaka kraftigt så att fällningen löser sig (reaktion 2). Då fällningen är helt löst överförs lösningarna kvantitativt (fullständigt; häll över lösningen och skölj flaskan) till varsin E-kolv. Skölj Winklerflaskorna och propparna noga med destillerat vatten för att få med allt prov. Titrera den starkt gula färgen med 10,0 mm natriumtiosulfatlösning till dess att endast en svag gul färg kan skönjas (undvik övertitrering). Tillsätt sedan 1 ml stärkelselösning till varje prov för att indikera omslagspunkten. Fortsätt titrera med tiosulfat tills den blå/lila färgen försvunnit och lösningen är helt klar/transparent (reaktion 3). Beräkning av syrehalten Substansängden tiosulfat som åtgick under titreringen är stökiometriskt proportionell mot ursprunglig substansmängd syrgas i provet. Vardera flaskan innehåller Vo ml från början. Efter tillsats av de två reagensen återstår (V 0 2,0) ml. Denna korrigerade volym utgör provvolymen vid beräkning av syrgaskoncentrationen i provet. Uttryck halten i µm. 43

44 Laborationen avser att: Att besvara INNAN laborationen Reaktioner i lösningen efter tillsats av a) reagens, b) svavelsyra: Molförhållanden: Reaktioner under titreringen med natriumtiosulfat: Molförhållande: Molförhållandet mellan O 2 och S 2 O 3 2- : Fyll i tabell 1 (under Utförande). Vad innebär under- respektive övermättnad av syre och hur kan detta uppstå (besvara frågan utifrån gasers löslighet i vatten)? 44

45 Att besvara vid laborationstillfället T = cc SS2 OO 3 2-= Flaska nr V0 [l] VV SS22 OO [l] V0-0,002 L [l] Beräkningar: Beräkna syrehalten för varje flaska, uttryck halten i µm Flaska nr..: cc OO2 = Flaska nr..: cc OO2 = Flaska nr..: cc OO2 = cc OO2 medel = 45

46 Utifrån medelkoncentrationen i µm, uttryck cc OO2 i mg / l. Jämför erhållna resultat med tabelldata över lösligheten av syre vid olika temperaturer. Stämmer ert värde överens? Diskutera olika faktorer som påverkar hur väl uppmätta koncentrationer stämmer överens med värden på lösligheten för syre. Varför skall reagens I och II tillsättas var för sig och inte vara blandade redan från början? 46

47 3.5 Termokemi - Kalorimetri Glöm inte att göra flödesschema innan laborationen! Termokemi är den del av termodynamiken som behandlar värmeutbytet vid kemiska reaktioner. I nästan alla kemiska reaktioner frigörs eller absorberas värme. Mängden värme som utbyts under en reaktion kan mätas med en kalorimeter. När syra droppas i vatten frigörs värme, temperaturen i lösningen höjs. Detta är en s.k. exoterm reaktion. Ett exempel på en endoterm reaktion, d.v.s. en reaktion där värme upptas från omgivningen, är ammoniumnitrat som löses i vatten. I denna laboration skall du: A) Bestämma entalpiändringen, ΔH, för reaktionen H + (aq) + OH - (aq) H2O(l) B) Bestämma bildningsentalpin, ΔHᵒf(M 2+,aq), för den hydratiserade magnesiumjonen Teori Under de flesta kemiska reaktioner frigörs eller upptas energi då den inre energin hos produktera i allmänhet skiljer sig från den inre energin hos reaktanterna. Reaktionsblandningen, bestående av reaktanter och produkter, bildar ett termodynamiskt system (eventuellt tillsammans med en behållare). Systemet kan utbyta värme, q, och arbete, w, med omgivningen. En sådan ändring leder till ändring i systemets inre energi, ΔU. Detta sammanfattas i termodynamikens första huvudsats, lagen om energins bevarande. ΔU = q + w Reaktioner sker ofta under konstant tryck (t.ex. atmosfärstryck) och det enda arbete som utbytes med omgivningen är tryck-volymsarbete. I stället för att betrakta ändringar i den inre energin, ΔU, kan man mäta systemets totala energi, kallat systemets entalpi, H. Entalpi är definierad som summan av systemets inre energi och det tryck-volymsarbete som utförs på omgivningen: H = U + PV där V är systemets volym Om vi betraktar ändringar i entalpin så gäller: ΔH = ΔU + Δ(PV) Om trycket, P, hålls konstant: ΔH = ΔU + PΔ(V) 47

48 Om trycks-volymsarbete är det enda förekommande arbetet: ΔH = ΔU - w Enligt 1:a huvudsatsen: ΔH = qp qp är den värme som tas upp av systemet vid det konstanta trycket, P. Entalpiändringen för en kemisk reaktion definieras normalt vid en konstant temperatur, T1. ΔHT1 = (H för produkter vid T1) - (H för reaktanter vid T1) Eftersom H är en tillståndsstorhet, är ΔH oberoende av eventuella temperaturfluktuationer under reaktionen. Om en kemisk förändring sker i ett system så att: (Reaktanter vid T1) (Produkter vid T1) och H(produkter vid T1) - H(reaktanter vid T1) = ΔHT1 0 måste en värmemängd utbytas med omgivningen för att hålla temperaturen konstant vid T1. Om ΔHT1 < 0 avges värme till omgivningen och reaktionen sägs vara exoterm. Om ΔHT1 > 0 upptas värme från omgivningen och reaktionen är endoterm. En tillståndsstorhet är en storhet som enbart beror på det nuvarande tillståndet i systemet och inte på hur det kom dit. Ex. höjd över havet. Vi kan värmeisolera reaktionen från omgivningen, till exempel genom att utföra reaktionen i en termos. Då blir q = 0 och det sker en temperaturändring i systemet eftersom den energi som under den isotermiska reaktionen utbytes med omgivningen i form av värmemängden q, stannar kvar i systemet. I ett kalorimetriskt försök är den observerade processen I en isoterm reaktion är temperaturen konstant. (Reaktanter i behållaren vid T1) (Produkter i behållaren vid T2) Eftersom kalorimetern är termiskt isolerad är q = 0. Detta betyder att entalpiändringen för processen, ΔHa = qp också är lika med noll. Temperaturandringen, ΔT= T2 - T1, kan registreras med en termometer. 48

49 För att uppnå det önskade sluttillståndet, (Produkter i behållare vid T1) måste vi lägga till ett steg: (Produkter i behållare vid T2) (Produkter i behållare vid T1), som har entalpiändringen ΔHb, För detta steg gäller att ΔHb = C(T1 - T2) där C är värmekapaciteten för kalorimetern med innehåll (d.v.s. allt som kan utbyta värmeenergi med reaktionssystemet) Hela processen, från begynnelsetillståndet till sluttillståndet blir då: (Reaktanter i behållare vid T1) (Produkter i behållare vid T2) (Produkter i behållare vid T1) Eftersom H är en tillståndsstorhet kan vi skriva: ΔHT1 = ΔHa + ΔHb = 0 + C(T1 - T2) = -C (T2 T1) = -CΔT om ΔT > 0, är ΔH < 0 och reaktionen är exoterm. Under laborationen undersöks entalpiändringen för två olika kemiska reaktioner, under praktiskt taget adiabatiska förhållanden, i en kalorimeter, se fig. 1, bestående av en termos utrustad med lock, provrör, termometer och omrörare. Adiabatiskt förhållande innebär att ingen värmemängd utbytes med omgivningen, d.v.s. q = 0. Termometer Omrörare Provrör Plastlock Termos Figur 1. Kalorimeter av den typ som används i försöket. 49

50 6.2 Metod Del A) Bestämning av entalpiändringen, ΔH, för reaktionen H + (aq) + OH - (aq) H2O(l) Vid blandning av en stark syra, t ex HCl, och en stark bas, t ex NaOH, i vattenlösning är neutralisationsreaktionen H + (aq) + OH - (aq) H2O(1) den enda kemiska reaktion som sker, eftersom det bildade saltet, i detta fall NaCl, är fullständigt dissocierat i vattenlösning. Om x mol HCl i m mol H2O(1) blandas med y mol NaOH i n mol H2O sker följande två processer: (1) Initial utspädning av reaktanter [x HCl i mh2o] + [y NaOH i nh2o] [x HCl i (m+n) H2O] + [y NaOH i (m+n) H2O] Entalpiändringen ges av: ΔH1 = ΔHutsp(HCl) + ΔHutsp(NaOH) Om försöket utformas så att m << n, d.v.s. substansmängden H2O som HCl är blandad med << substansmängden H2O som NaOH är blandad med, så kan utspädningsentalpin för NaOH, ΔHutsp(NaOH), försummas. ΔH1 = ΔHutsp(HCl) (2) Neutralisationsreaktionen plus ytterligare utspädning p.g.a. det bildade vattnet (y>x) [x HCl i (m+n) H2O] + [y NaOH i (m+n) H2O] [x NaCl i (x+m+n) H2O] + [(y-x) NaOH i (x+m+n) H2O] Entalpiändringen ges av: ΔH2 = ΔHneut + ΔHutsp(NaCl) + ΔHutsp(NaOH) Om x << (n+m) dvs det bildas mycket lite vatten p.g.a reaktionen H + + OH - H2O så kan ΔHutsp(NaCl) och ΔHutsp(NaOH) försummas ΔH2 = ΔHneut Totala blandningsprocessen (1) + (2) ΔHbland = ΔH1 + ΔH2 = ΔHutsp(HCl) + ΔHneut eftersom H är en tillståndsstorhet. ΔHbland och ΔHutsp(HCl) bestäms vid två separata försök. 50

51 ΔHneut kan nu beräknas. ΔHneut gäller endast för de under försöket rådande tillståndsförhållandena för reaktanter och produkter (koncentration och temperatur). ΔH-data för olika reaktioner blir betydligt mer värdefulla om de alla refererar till reaktioner där reaktanter och produkter befinner sig i standardtillstånd. ΔH betecknas då ΔHᵒ. För elektrolyter i lösningar har man valt en 1 molarig-lösning där det lösta ämnets egenskaper motsvarar de man finner i en oändligt utspädd lösning. (Detta standardtillstånd kan således aldrig realiseras fysikaliskt). Detta innebär att för utspädningen HCl (standardtillstånd i vatten) HCl i H2O gäller ΔH = 0. Därför är ΔHᵒneut detsamma som ΔH för reaktionen. HCl (oändligt utspädd i H2O) + NaOH (oändligt utspädd i H2O) NaCl (oändligt utspädd i H2O) + H2O ΔHᵒneut kan fås ur ΔH i vårt försök om de olika ΔH-värdena för utspädning av reaktanterna och produkter från de koncentrationer som råder under vårt försök till oändligt utspädda lösningar är kända. Dessa ΔH-värden är emellertid små och kan försummas vid vårt förenklade försök: ΔHᵒneut = ΔHneut/ x = (ΔHbland - ΔHutsp(HCl)) / x Del B) Bestämning av bildningsentalpin, ΔHᵒf(M 2+,aq), för den hydratiserade magnesiumjonen Bildningsentalpin ΔHᵒf (M 2+,aq) är identisk med ΔH för reaktionen Mg(s) + 2H + (aq) Mg 2+ (aq) + H2(g, 1 atm) eftersom alla grundämnen i sina standardtillstånd har ΔHᵒf = 0 och bildningsentalpin för H + (aq) definitionsmässigt har satts lika med noll. Symbolen (aq) anger att respektive jonslag förekommer i vattenlösning. ΔHᵒf (M 2+,aq) = - (M/m)(Clösn + Ckal) ΔT 51

52 3.5.3 Utförande Del A) Bestämning av entalpiändringen, ΔH, för reaktionen H + (aq) + OH - (aq) H2O(l) Materiel: Kalorimeter bestående av termoskärl med plastlock, omrörare, provrör, termometer, klocka, mätcylinder, 25 ml pipett, peleusboll, 5.00 M HCl, 0.52 M NaOH, fenolftaleinlösning och hushållspapper. (I) Blandning av 5.00 M HCl och 0.52 M NaOH 1) Mät noggrant upp 250 ml NaOH med en mätcylinder. Häll över lösningen i termosen och lägg på locket efter att omröraren satts på plats. Sänk ned termometern i därför avsett hål. 2) Skölj ur provröret med ett par milliliter HCl och ställ det sedan på sin plats. Kontrollera att o-ringen (alt. gummibandet), sitter på 3-4 cm avstånd från provrörets mynning. Fyll provröret med 25 ml HCl med hjälp av pipetten. OBS! Var försiktig så att ingen lösning kommer upp i peleusbollen, då MÅSTE den kasseras. 3) Vänta tills lösningarna i termoskärlet och provröret antagit samma temperatur, vilket bör ha skett efter ca 10 min. Rör om då och då under väntetiden. 4) Avläs temperaturen på 1/10 grad varje hel minut under fem minuter, undvik parallaxfel, d.v.s. avläs termometern med ögonen i samma höjd varje gång. Samma person bör avläsa temperatur under ett helt försök. Rör om lugnt. 5) Tag upp provröret ur kalorimetern, torka av det med en bit hushållspapper. Håll i överdelen så att innehållet värms så lite som möjligt. När klockan visar hel minut: töm ned syran i kalorimetern genom hålet i plastlocket. Provröret skall inte ställas tillbaka i kalorimetern. Rör om lugnt och avläs som tidigare temperaturen varje hel minut under fem minuters tid. 6) Kontrollera att syran neutraliserats genom att tillsätta ett par droppar fenolftaleinlösning (färglöst vid ph< 8.3, rött vid ph> 10.4). Töm kalorimetern och skölj ur den noga med vatten. (II) Utspädning av 5.00 M HCl Utför punkt 1-5 som i försök (I) men använd vatten i stället for 0.52 M NaOH. När du är färdig: Spara lösningen till Mg 2+ försöket. 52

53 Del B) Bestämning av bildningsentalpin, ΔHᵒf(M 2+,aq), för den hydratiserade magnesiumjonen Materiel: Kalorimeter bestående av termoskärl med plastlock, omrörare, provrör och termometer, klocka, mätcylinder, magnesiumband och analysvåg. 1) Tag en bit magnesiumband. Bandet bör väga g. 2) Väg magnesiumbandet noggrant på en analysvåg. 3) Sätt i glasröret i kalorimeter-locket. Lyft på locket, dra upp glasröret och fäst det med packningen så att det sticker ned ca 5cm under lockets kant. Linda upp magnesiumbandet på den korta delen av glasröret, se till så att bandet sitter fast på röret. Sätt tillbaka locket. OBS! Magnesiumbandet skall inte vidröra lösningen ännu. 4) Avläs temperaturen, rör om försiktigt hela tiden. Gör en avläsning/minut i fem minuter. 5) När klockan visar hel minut: sänk ned glasröret med det lindade magnesiumbandet i lösningen genom att försiktigt föra ned provröret i lösningen. 6) Avläs temperaturen varje hel minut tills den maximala temperaturen garanterat har passerats. Läs därefter av varannan minut under ytterligare tio minuter. 7) Töm och diska kalorimetern. Den skall vara ren och torr och alla delar skall stå på labbänken. 53

54 3.5.4 Beräkningar Del A) Bestämning av entalpiändringen, ΔH, för reaktionen H + (aq) + OH - (aq) H2O(l) Rita två diagram enligt fig. 2 med kalorimeterinnehållets temperatur vid respektive försök som funktion av tiden. Använd välvässad penna och utnyttja hela millimeterpappret (tänk på HUR du graderar axlarna). Markera axlarna och skriv rubrik. Bestäm temperaturhöjningarna ΔT(I) och ΔT(II) genom extrapolation till blandningsögonblicket. För beräkning av ΔHbland vid försök A(I) krävs kännedom om värmekapaciteterna för kalorimetern och dess innehåll. Under de givna försöksbetingelserna är: Ckal = 60 J*K -1 CNaCI.lösn = 1145 J*K -1 Under försök A(II) är värmekapaciteterna Ckal = 60 J*K -1 CHCI.lösn = 1130 J*K -1 Tiden för blandning Figur 2. Schematiskt diagram för försök A(I) och A(II). Dra två räta linje genom mätpunkterna enl. figuren. Dra en lodrät linje vid tiden för blandningen. Längden på linjen motsvarar ΔT. 54

55 Del B) Bestämning av bildningsentalpin, ΔHᵒf(M 2+,aq), för den hydratiserade magnesiumjonen Rita ett diagram enligt fig. 3 och bestäm temperaturhöjningen ΔT. Markera axlarna och skriv rubrik. Värmekapaciteterna är: CHCI-lösn = 1130 J*K -1 Ckal = 65 J*K -1 Temp (ᵒC) Tid (min) Figur 3. Schematiskt diagram för försök A(I) och A(II). Sammanbind mätpunkterna enl. figuren. Dra en lodrät linje vid temperaturen där A1 = A2, längden på den räta linjen motsvarar ΔT. Skriv en rapport för båda försöken enligt rapportmallen i GUL. Mallen finns även på nästa sida. Glöm inte att ta med alla bilagor till rättning. 55

56 Kurs Grupp Lab.sal Datum: Laborationshandledare: Utförd av: Del A) Kalorimetri Bestämning av entalpiändringen, ΔH, för reaktionen H + (aq) + OH - (aq) H2O(l) Temperaturökning vid neutralisationsförsöket ΔT1 = Hbland = ΔHneut + ΔHutsp.HCl = -(CNaCl-lösn + Ckal) ΔT1 = Temperaturökning vid utspädningsförsöket ΔT2 = ΔHutsp.HCl = - (CHCl + CKal ) ΔT2 = ΔHneut = (ΔHbland - ΔHutsp.HCl) = Mängd neutraliserad syra (x) = K J K J J mol Neutralisationsentalpin ΔHᵒneut = ΔHneut/ x = J mol -1 Del B) Bestämning av bildningsentalpin, ΔHᵒf(M 2+,aq), för den hydratiserade magnesiumjonen Substansängd Mg: Temperaturhöjningen ΔT = mol K ΔHᵒf = -(M/m) (Clösn + Ckal) ΔT = J mol -1 56

57 4. Laborationskurs KER220 Laborationskursen i KER220 består av tre laborationer: alkalinitet, kemisk reaktionskinetik och oorganisk reaktionslära. 4.1 Alkalinitet Glöm inte att göra flödesschema innan laborationen! Laborationen alkalinitet anknyter till jämviktsläran i kursens teoridel och mer specifikt syrabas jämvikter. Fakta: Syrabasjämvikt, ph, LeChateliers princip, karbonatsystemet, buffert Färdigheter: Hantering av brännare, användning av byrett, differensvägning, ställning av lut med kaliumväteftalat. Att tänka på: Omslaget vid titrering med lut skall vara svagt rosa. Första omslaget gäller. Vid ph-test, doppa aldrig ph-papper i lösningen. Tag med pipett en droppe. Temperaturen bestämmer färgen på Universalindikatorn. Måldeklaration. Efter laborationen ska laboranten kunna diskutera med andra vad som händer på molekylär nivå under titreringen förklara begreppet buffertförmåga på molekylär nivå förklara varför kaliumväteftalat används för att bestämma halten hos en lut förklara varför man använder återtitrering av syraöverskottet med NaOH istället för att direkttitrera karbonatinnehållet med syran själv planera, konstruera och genomföra en alkalinitetsbestämning motivera varför karbonatsystemet är viktigt för livet på vår planet 57

58 Avsikten med laborationen är att bestämma ett vattens alkalinitet. Begreppet alkalinitet (total alkalinitet, At) betecknar den sammanlagda koncentrationen av föreningar som kan ta upp vätejoner och på så vis neutralisera starka syror (exempelvis från försurning). Man talar om alkalinitet som ett systems buffertförmåga, d.v.s. kapacitet att stå emot tillförsel av vätejoner utan att koncentrationen av fria vätejoner (ph) väsentligen förändras. Den formella definitionen av At i ett syreinnehållande havsvatten är (Dickson, 1981): The total alkalinity (At) of a natural water is defined as the number of moles of hydrogen ions equivalent to the excess of proton acceptors (bases formed from weak acids with a dissociation constant K , at zero ionic strength and 25 C) over proton donors (i.e. acids with K> ) in one kg of water sample. At = [HCO3 - ] + 2[CO3 2- ] + [OH - ] [H + ] + [Xrest - ] (E1) där [Xrest - ] = [HPO4 2- ] + 2[PO4 3- ] + [SiO(OH)3 - ] - [HSO4 - ] - [HF - ] - [H3PO4] Alkalinitetsbegreppets huvudsakliga komponenter (vätekarbonat- och karbonatjoner) härrör sig från karbonatsystemet. Dessa verkar neutraliserande enligt: CO H + H2CO3 (1) HCO3 - + H + H2CO3 (2) Ovanstående reaktioner är också huvudreaktioner vid alkalinitetsbestämningen Concentration (µmol kg -1 ) CO 3 HCO 3 H 2 CO ph Fig Speciering av karbonatsystemet (H2CO3, HCO3 - och CO3 2- ) i ett havsvatten (T=20 o C, S=35) som funktion av ph. 58

59 Bortser man från övriga protolyter (Xrest ) i (E1) bestäms en förenklad alkalinitet enbart av karbonatsystemet At [HCO3 - ] + 2[CO3 2- ] + [OH - ] [H + ] (E2) Idé Den huvudsakliga idén bakom laborationen är att surgöra vattenprovet med en förbestämd mängd saltsyra i överskott, varvid alkaliniteten övertitreras och fria vätejoner sänker ph i provet. Titrering med karbonatfri natriumhydroxid tillbaka till ursprungligt ph efter att karbonatsystemet drivits bort, ger värdet på alkaliniteten. Den ursprungliga alkaliniteten är då skillnaden mellan tillsatta H + och tillsatta OH Teori När den starka syran tillsätts titreras protolyterna i provet och karbonatsystemets jämvikter (3-6) förskjuts mer eller mindre fullständigt åt vänster: CO2 (g) CO2 (aq) (3) CO2 (aq) + H2O H2CO3 (4) H2CO3 HCO3 - + H + (5) HCO3 - CO H + (6) En mer komplett bild av vad som händer under tillförsel av stark syra till ett havsvattenprov visas nedan. Fig Koncentrationer (mm) av huvudsakliga protolyter i havsvatten mot v ml av 0.1 M HCl under titrering av 250 g havsvatten (salinitet 35). Figur från Hansson och Jagner (1973). 59

60 Efter tillsats av syran föreligger (existerar) karbonatsystemet huvudsakligen som CO2 (g) och H2CO3 (aq). Dehydratiseringen (borttagandet av vatten) av H2CO3 till CO2 sker relativt snabbt, vilket innebär att [CO2] (koncentrationen) är signifikant (> 100 ggr) högre än [H2CO3]. Genom värmning av provet påskyndas processen under vilken koldioxid avgår (lämnar systemet). På så vis avlägsnas hela karbonatsystemet, varefter ursprunglig alkalinitet bestäms genom att provet tillbakatitreras till vattnets ursprungliga ph med karbonatfri natriumhydroxid. Sammantaget överförs alltså all CO3 2- och HCO3 1- till CO2(g) och man får vid återtitreringen direkt ut antalet protoner som använts till just detta. Utförande Skölj alla kärl och pipetter väl med avjoniserat vatten före användandet! Ställning av 0,01 M natriumhydroxidlösning Fast natriumhydroxid innehåller varierande mängder vatten och natriumkarbonat. En lösning av natriumhydroxid (lut-lösning) med helt känd halt kan ej erhållas (fås) genom noggrann invägning av fast natriumhydroxid. För att bestämma lutens halt exakt måste lösningen, som i detta fall är cirka 0,01 M, ställas (koncentrationbestämmas) mot ett väldefinierat ämne, t ex kaliumväteftalat, KH(OOC) 2 C 6 H 4. Tag tre 10 ml titrerkolvar och tillsätt 1 ml 0,0122 M kaliumväteftalatlösning till varje titrerkolv. Tillsätt en droppe fenolftaleinindikator till var och en av lösningarna och titrera till svagt rosa omslag med natriumhydroxidlösningen. H(OOC)2C6H4 - + OH - (OOC)2C6H H2O (7) Ur de erhållna värdena beräknas lutens halt. De tre värdena bör ej skilja sig åt med mer än 3 %. Som koncentration används medelvärdet av de tre bestämningarna. Vattenprov Vid laborationen kommer ett provvatten att analyseras. Varje grupp skall göra en trippel bestämning av alkaliniteten hos vattnet. Tag med pipett ut fyra vattenprov om 5,0 ml, överför dessa till 10 ml titrerkolvar. Vattenproven ska ha cirka ph 3, detta ph-värde kontrolleras enklast med att tillsätta en droppe brom-kresol-grönt indikator till endast den första titrerkolven som sedan titreras med 0,0100 M saltsyra till gult omslag. Övertitrera lösningen med några extra par droppar för att vara riktigt säker att ph 3. Till de tre andra vattenproven tillsätts sedan samma volym av 0,0100 M saltsyra utan indikator. 60

61 Koka proven i 5 minuter på kokplatta. Använd ett par kokstenar för att undvika stötkokning. Tänk på att proverna inte ska koka bort! (OBS! Lämna tillbaka kokstenarna tvättade.) Låt provet svalna till rumstemperatur på ett isbad. Provet skall återtitreras till vattnets ursprungliga ph. För att veta vilken slutfärg detta ph innebär tillsätts cirka 2 droppar universalindikator till 5 ml vatten (samma sorts vatten som i vattenprovet!) detta ger indikatorns färg vid titrerpunkten. Titrera lösningen med den ställda cirka 0,01 M natriumhydroxiden och med cirka 2 droppar universalindikator. Man bör titrera relativt snabbt. Anledningen är att koldioxid från luften annars löser sig mot slutet av titreringen då lösningen är nära neutral. Beräkna alkaliniteten (medelvärde på de tre titreringarna). Redogörelse Laborationen redovisas i en skriftlig rapport enligt en mall som finns på GUL samt på nästa sida. 61

62 Kurs Grupp Lab.sal Datum: Laborationshandledare: Utförd av: Allmänna inledande frågor Alkalinitet Definiera begreppet Alkalinitet, alternativt förklara med dina egna ord så gott du kan vad alkalinitet innebär. Halten av NaOH sjunker för var dag och luten måste därför ställas före varje laborationstillfälle. Varför? Förklara med formler vad som sker! Moment 1 (ställning av NaOH) E-kolv 1 E-kolv 2 E-kolv 3 Medelvärde Ange reaktionsformel för reaktion mellan kaliumväteftalat och natriumhydroxid. Åskådarjoner behöver inte anges uttryckligen. Fyll i nedanstående tabell. Enheterna är liter för volym, mol för substansmängd och molar för koncentration. V(KHP) n(khp) V(NaOH) C(NaOH) 62

63 Kurs Grupp Lab.sal Datum: Laborationshandledare: Utförd av: Moment 2 (bestämning av alkalinitet) E-kolv 1 E-kolv 2 E-kolv 3 Medelvärde Ange reaktionsformler för jämvikterna mellan karbonat-, vätekarbonatjoner och koldioxid! Åt vilket håll drivs jämvikten vid tillsats av saltsyra? Fyll i nedanstående tabell med värden för tillsatt saltsyra, och natriumhydroxid (återtitrering). Samma enheter som föregående tabell. V(HCl) n(hcl) V(NaOH) n(naoh) Beräkna: Beräkna och ange alkaliniteten utifrån medelvärdena ur tabellen ovan. Resultat och Diskussion: 1. Varför återtitreras provet? 2. I sjö- och havsvatten kan det även förekomma andra protolyter än de som beskrivs i (E1). Vilka är dessa och vilken primär egenskap har de för att kunna påverka alkaliniteten? 3. Vilka faktorer påverkar huvudsakligen alkaliniteten i havet? Hur påverkas exempelvis alkaliniteten av att koldioxid löser sig i vattnet? 4. Varför kan förhållandevis (jämfört med andra gaser, exempelvis syre) mycket koldioxid lösa sig i vatten? Motivera dina svar! 63

64 4.2 Kemisk reaktionskinetik Glöm inte att göra flödesschema innan laborationen! Reaktionskinetik är det område inom kemin som handlar om hur snabbt reaktioner sker. Kemiska reaktioner som sker för långsamt är opraktiska, reaktioner som sker för snabbt kan vara livsfarliga. Temperaturen spelar en stor roll när det kommer till hastigheten för de flesta reaktioner. Ett exempel på detta är mjölk, som surnar på en dag om den får stå framme i rumstemperatur, men håller sig en vecka om den får stå i kylen. Reaktionskinetik är även användbart för att kontrollera vilka reaktionsmekanismer en reaktion sker med. I den här laborationen skall vi titta på en reaktion som sker via två olika mekanismer Teori Vi har en reaktion mellan väteperoxid, jodidjoner och vätejoner i vattenlösning enligt följande: (1) H2O2 + 2I - + 2H + 2H2O + I2 Reaktionshastigheten, r, är hastigheten för reaktionen och har enheten mol/(ls). Vid konstant volym, är r definierad som: (2) rr = 1 vv ii dd[aa] dddd där [A] är koncentrationen av ämne A, och νi är den stökiometriska koefficienten för ämnet (alltså siffran framför ämnet i reaktionsformeln). För reaktionen ovan får vi: (3) rr = 1 dd[hh 2OO 2 ] = 1 dd[ii ] = 1 dd[hh+ ] = dd[ii 2] 1 dddd 2 dddd 2 dddd dddd Observera att den stökiometriska koefficienten per definition innehåller ett minus-tecken för reaktanterna. Eftersom reaktionen sker i vattenlösning kommer koncentrationen av vatten inte att ändras märkbart under reaktionen. Reaktionen H2O2 + 2I - + 2H + 2H2O + I2 sker egentligen via två parallella reaktioner, eller reaktionsmekanismer, som båda består av två steg. 64

65 Mekanism A: (4) H2O2 + I - H2O + IO - mekanism A, steg 1. Långsam (5) IO - + I - + 2H + H2O + I2 mekanism A, steg 2. Snabb Mekanism B: (6) H2O2 + I - + H + H2O + HIO mekanism B, steg 1. Långsam (7) HIO + I - + H + H2O + I2 mekanism B, steg 2. Snabb Totalreaktionen för båda mekanismerna är samma som reaktion (1). För båda mekanismerna gäller att det andra steget är mycket snabbare än det första. Detta innebär att reaktionshastigheten bara beror av det långsamma första steget, det hastighetsbegränsande steget. Alla produkter som bildas i steg 1 reagerar omedelbart vidare till slutprodukterna. Det betyder att hastighetsekvationen för mekanism A kommer att bli: (8) ra = ka[h2o2][i - ] Och för reaktion B: (9) rb = kb[h2o2][i - ][H + ] Om båda reaktionerna sker samtidigt blir den totala reaktionshastigheten: (10) rtot = ra + rb Om vi tillsätter ett stort överskott av vätejoner till reaktionslösningen kommer halten inte ändras nämnbart under reaktionen. Då kan [H + ] betraktas som konstant. Vi kan även hålla [I - ] konstant genom att tillsätta natriumtiosulfat, Na2S2O3. (11) I2 + 2S2O3 2-2I - + S4O6 2- Denna reaktion är mycket snabb i jämförelse med de andra reaktionerna, så om vi tillsätter natriumtiosulfat till reaktionslösningen så kommer all jod som bildats i reaktion (1) att omedelbart reduceras till jodidjoner. Detta gör att [I - ] är konstant och [I2] = 0 så länge som det finns tiosulfatjoner kvar i lösningen. 65

66 Den totala reaktionshastigheten, precis som i (10), blir: (12) rtot = ra + rb = ka[h2o2][i - ] + kb[h2o2][i - ][H + ] = (ka[i - ] + kb[i - ][H + ]) [H2O2] Detta är en tredje ordningens reaktion, som beror på 3 specier: [H2O2], [I - ] och [H + ]. Men både [H + ] och [I - ] är konstanta, så vi kan baka ihop dessa med ka och kb (som också är konstanter) till en ny skenbar, pseudo, hastighets-konstant k''. (13) k'' = ka[i - ] + kb[i - ][H + ] Vi får då: (14) rtot = k'' [H2O2] vilket är en första ordningens reaktion, som bara beror av [H2O2]. Detta kallas en pseudo första ordningens reaktion. Genom att hålla alla reaktanter utom en konstanta under reaktionen kan en tredje ordningens reaktion (12) skrivas som, en betydligt enklare, pseudo första ordningens reaktion i (14). Om hastighetsekvationen (14) kombineras med definitionen av reaktionshastigheten (3) för H2O2: dd[h 2O 2 ] dddd = kk [H 2 O 2 ] (15) Genom att integrera det här uttrycket så får vi den integrerade hastighetsekvationen: (16) ln[h2o2]t = -k''t + ln[h2o2]0 Där t är tiden. [H2O2]t är koncentrationen av väteperoxid vid tiden t. [H2O2]0 är startkoncentrationen av väteperoxid. Ekvation (16) kan jämföras med räta linjens ekvation: y = a x + b, ln[h2o2]t = -k''t + ln[h2o2]0 66 ln[h2o2]t Experiment y = -2,69E-04x - 5,08E+00 R² = 9,99E-01 tid (s) Figur 1. ln[h2o2]t plottat som en funktion av tiden.

67 Om koncentrationen väteperoxid i lösning vid olika tidpunkter är känd, så kan ln[h2o2]t plottas som funktion av tiden t. Lutningen i grafens kommer motsvara -k'', se Figur Metod I reaktionslösningen finns reaktanterna, H2O2, I - och H + och en liten mängd natriumtiosulfatlösning (Na2S2O3(aq)) samt stärkelse som tillsatts som indikator. När reaktionen sker kommer jod bildas (se Fig 2). Joden kommer omedelbart att reagera med tiosulfatjonen (S2O3 2- ) och återbilda jodidjonerna. Detta sker så länge som det finns tiosulfatjoner kvar i lösningen. När tiosulfatet har förbrukats kommer den bildade joden att reagera med stärkelsen och bilda ett komplex som gör reaktionslösningen blåfärgad. Figur 2. Schematisk bild över reaktionen. När reaktionslösningen blir blå har alla tiosulfatjoner förbrukats. Om den tillsatta mängden natriumtiosulfatlösning är känd kan mängden reagerad jod beräknas enligt (11): I2 + 2S2O3 2-2I - + S4O6 2- Eftersom joden är bildad i reaktion (1): H2O2 + 2I - + 2H + 2H2O + I2 Kan även mängden väteperoxid som gått åt beräknas. När mängden väteperoxid som fanns från början är känd samt vi vet hur mycket som gått åt i experimentet, kan den kvarvarande mängden väteperoxid beräknas. 67

68 nh2o2,t = nh2o2,0-nh2o2,förbrukad Där 0 indikerar substansmängden vid tiden t = 0, d.v.s. startmängden. Eftersom väteperoxid sönderfaller spontant måste startkoncentrationen bestämmas experimentellt. Detta kan göras genom att titrera väteperoxid + jod + stärkelse med natriumtiosulfatlösning till blått färgomslag. Den mängd natriumtiosulfatlösning som behövs för att reducera all bildad jod kan användas för att beräkna startmängden väteperoxid i reaktionslösningen. Om volymen på reaktionslösningen är känd kan koncentrationen väteperoxid erhållas. Hastighetsexperimentetet utförs två gånger på samma sätt men med olika syra-koncentration. Eftersom hastigheten för mekanism B beror på syra-koncentrationen kan två olika k'' bestämmas, k''exp1 och k''exp2. Hastigheten för mekanism A beror inte på mängden tillsatt syra, (se (8)). Därför kommer mekanism A att ske lika fort i både experiment 1 och i experiment 2. Alltså: (17) k''exp1 = ka[i - ] + kb[i - ][H + ]exp1 (18) k''expe2= ka[i - ] + kb[i - ][H + ]exp2 Det som skiljer experimenten åt är värdet på k'' och [H + ]. ka, kb och [I - ] är desamma. Uttrycken ovan kan förenklas genom att beräkna differensen mellan dem. ka[i - ] finns i båda uttrycken och subtraheras därför bort: k''exp1 - k'' exp2= kb[i - ][H + ]exp1 - kb[i - ][H + ]exp2 =kb[i - ]([H + ]exp1 - [H + ]exp2 ) kb kan nu lösas ut (19) kk BB = kk" eeeeee1 kk" eeeeee2 [I - ]([H + ] eeeeee1 [H + ] eeeeee2 ) När kb är beräknad kan även ka beräknas genom ekvation (13) för ett av experimenten: k'' = ka[i - ] + kb[i - ][H + ] I denna ekvation är nu alla bekanta utom ka. 68

69 4.2.3 Utrustning och kemikalier I laborationen används följande utrustning: Bägare 1L E-kolv 300 ml Termometer Omrörare Provrör (2 st) Schillingbyrett för titrering Vattenbad Tidtagarur Termometer Labbutrustning. Vänster längst fram: tidtagarur, 2st provrör med gummiband, termometer, E-kolv med omrörare. I bakgrunden syns en schillingbyrett och ett vattenbad med en 1L bägare. 69