Elektrokemisk bestämning av löslighetsprodukt och ligandtal



Relevanta dokument
Bestämning av hastighetskonstant för reaktionen mellan väteperoxid och jodidjon

Bestämning av livslängden för singlettexciterad naftalen

Bestämning av fluoridhalt i tandkräm

TENTAPLUGG.NU AV STUDENTER FÖR STUDENTER. Kursnamn Fysik 1. Datum LP Laboration Balkböjning. Kursexaminator. Betygsgränser.

1. a) Förklara, genom användning av något lämpligt kemiskt argument, varför H 2 SeO 4 är en starkare syra än H 2 SeO 3.

Kapitel 16. Löslighet och komplex

Kapitel 16. Lägre magtarmkanalen. Löslighet och komplex

Elektrokemi. KEMA02 VT2012, Kemiska Institutionen LU /KEBergquist F9

Repetition F12. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Experimentella metoder, FK3001. Datorövning: Finn ett samband

EXPERIMENTELLT PROV ONSDAG Provet omfattar en uppgift som redovisas enligt anvisningarna. Provtid: 180 minuter. Hjälpmedel: Miniräknare.

Titrering av en stark syra med en stark bas

Kapitel 18. Elektrokemi. oxidation-reduktion (redox): innebär överföring av elektroner från ett reduktionsmedel till ett oxidationsmedel.

Kapitel 18. Elektrokemi

Selektiv och katalytisk hydrogenering av 4-vinylcyklohexen

4. Kemisk jämvikt när motsatta reaktioner balanserar varandra

Svar: Halten koksalt är 16,7% uttryckt i massprocent

Lathund fo r rapportskrivning: LATEX-mall. F orfattare Institutionen f or teknikvetenskap och matematik

Övningar Homogena Jämvikter

Fysikalisk kemi KEM040. Clausius-Clapeyronekvationen Bestämning av ångtryck och ångbildningsentalpi för en ren vätska (Lab2)

AREA 41 KEMINS GRUNDER

Tentamen i KFKF01 Molekylära drivkrafter 2: Växelverkan och dynamik, 3 juni 2019

På samma sätt ges ph för en lösning av en svag bas och dess salt av:

1. Ett grundämne har atomnummer 82. En av dess isotoper har masstalet 206.

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 13-18

Jämviktsuppgifter. 2. Kolmonoxid och vattenånga bildar koldioxid och väte enligt följande reaktionsformel:

KEMA02 Oorganisk kemi grundkurs F?

UTTAGNING TILL KEMIOLYMPIADEN 2006

LABORATIONENS NAMN. CHEM-C2200 Kemisk termodynamik

Lösning till dugga för Grundläggande kemi Duggauppgifter enligt lottning; nr X, Y och Z.

Homogen gasjämvikt: FYSIKALISK KEMI. Laboration 2. Dissociation av dikvävetetraoxid. N2O4(g) 2 NO2(g)

Vilken av följande partiklar är det starkaste reduktionsmedlet? b) Båda syralösningarna har samma ph vid ekvivalenspunkten.

KEMA02 Oorganisk kemi grundkurs F10

KEMA02 Oorganisk kemi grundkurs F5

Kinetik, Föreläsning 2. Patrik Lundström

Kinetik, Föreläsning 1. Patrik Lundström

SVÄNGNINGSTIDEN FÖR EN PENDEL

Energiuppgifter. 2. Har reaktanterna (de reagerande ämnena) eller reaktionsprodukterna störst entalpi vid en exoterm reaktion? O (s) H 2.

KEMA02 Oorganisk kemi grundkurs F10

JÄMVIKT i LÖSNING A: Kap 12 Föreläsning 3(3)

Kapitel Kapitel 12. Repetition inför delförhör 2. Kemisk kinetik. 2BrNO 2NO + Br 2

JÄMVIKT i LÖSNING A: Kap 12 Föreläsning 2(2)

(tetrakloroauratjon) (2)

Rapportskrivningsinstruktioner plus Säkerhetsföreskrifter

Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik

Kapitel Repetition inför delförhör 2

Arbete A3 Bestämning av syrakoefficienten för metylrött

KURSPROGRAM Inledande kemi (5)

Kinetik. Föreläsning 2

TENTAMEN I KEMI TFKE16 (4 p)

Alla papper, även kladdpapper lämnas tillbaka.

GRUNDARBETEN I KEMI I

KURSPROGRAM Inledande kemi (5)

Konc. i början 0.1M 0 0. Ändring -x +x +x. Konc. i jämvikt 0,10-x +x +x

Elektrokemi (Lab 3) Bestämning av löslighetsprodukten AgCl(s), Jämviktskonstanten och ligandtalet för ett [Ag(NH 3 )] + komplex

Kapitel 4. Reaktioner i vattenlösningar

EXPERIMENTELLA METODER LABORATION 2 UPPTÄCK ETT SAMBAND BALKEN

Tentamen, Termodynamik och ytkemi, KFKA01,

Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik

Dagens Meny. Oxidation/Reduktion Elektrolys Galvanisk cell Termodynamik Batterier Korrosion/biomimetik Energimöjligheter

5B1147. Envariabelanalys. MATLAB Laboration. Laboration 1. Gränsvärden och Summor

Kap. 7. Laddade Gränsytor

Komponentfysik ESS030. Den bipolära transistorn

Tillämpad vågrörelselära FAF260, 6 hp

KEMIOLYMPIADEN 2007 Uttagning

Rättningstiden är i normalfall tre veckor, annars är det detta datum som gäller: Efter överenskommelse med studenterna är rättningstiden fem veckor.

Skriv reaktionsformeln då magnesium löses upp i starkt utspädd salpetersyra och det bildas kvävgas.

Allmän Kemi 2 (NKEA04 m.fl.)

TESTA DINA KUNSKAPER I KEMI

Koncentrationsbestämning med hjälp av spädningsteknik och spektrofotometri

Kemisk jämvikt. Kap 3

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 14-19

Föreläsning 4. Koncentrationer, reaktionsformler, ämnens aggregationstillstånd och intermolekylära bindningar.

Kapitel 17. Spontanitet, Entropi, och Fri Energi. Spontanitet Entropi Fri energi Jämvikt

TENTAMEN I TERMODYNAMIK för K2, Kf2 och TM2 (KVM091 och KVM090) kl

KEMA02 Oorganisk kemi grundkurs F4

aa + bb cc + dd gäller Q = a c d

Kapitel 17. Spontanitet, Entropi, och Fri Energi

Spänningsserien och galvaniska element. Niklas Dahrén

Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik

Tentamen i Kemi för miljö- och hälsoskyddsområdet: Allmän kemi och jämviktslära

Löslighetsjämvikter svårlösliga salter

Övningsuppgifter till Originintroduktion

Hjälpmedel: räknare, formelsamling, periodiska system. Spänningsserien: K Ca Na Mg Al Zn Cr Fe Ni Sn Pb H Cu Hg Ag Pt Au. Kemi A

Tentamen i Termodynamik för K och B kl 8-13

Tentamen i Allmän kemi NKEA02, 9KE211, 9KE , kl

BIMA15 HT Säkerhetsföreskrifter och kompletterande laborationer 1

Kemiolympiaden 2014 En tävling i regi av Svenska Kemistsamfundet

1 Tror du reaktionen nedan är momentan eller ej? Motivera. 1p S 2 O H + S(s) + SO 2 (g) + H 2 O(l)

KEMA02 Oorganisk kemi grundkurs F9

LABORATION 2 TERMODYNAMIK BESTÄMNING AV C p /C v

Grundläggande kemi I 10 hp

Övningar Stökiometri och Gaslagen

Schema och lite information för kzu200, moment-1 (jämvikt, 7.5hp) version:160815

Laboration i Tunneltransport. Fredrik Olsen

Membranegenskaper-hur modellera/förstå?

Ylioppilastutkintolautakunta S tudentexamensnämnden

SPEKTROFOTOMETRISK BESTÄMNING AV KOPPARHALTEN I MÄSSING

Räkneuppgifter. Lösningsberedning. 1. Vilka joner finns i vattenlösning av. a) KMnO 4 (s) b) NaHCO 3 (s) c) Na 2 C 2 O 4 (s) d) (NH 4 ) 2 SO 4 (s)

Repetition. UTFÄLLNINGAR ; TYPER - Hydroxider - Sulfider - Karbonater

Transkript:

Elektrokemisk bestämning av löslighetsprodukt och ligandtal Jesper Hagberg Simon Pedersen 1 december 011 Chalmers Tekniska Högskola Institutionen för Kemi och Bioteknik Fysikalisk Kemi Handledare Carolina Boström Laborationsdatum 011-11-11

Sammanfattning Laborationen syftar till att visa hur elektrokemiska mätningar kan utnyttjas för att bestämma jämviktskonstanter. Mätningar av cellpotentialen för en koncentrationscell används för att bestämma löslighetsprodukten för silverklorid och stabilitetskonstanten för ett silver-ammoniakkomplex. Beräkningarna utföres med hjälp av Debye-Hückelapproximationen och linjär anpassning av mätdata. Försöket gav förhållandevis dåliga resultat, vilket tros bero främst på utförandefel.

Innehåll 1 Inledning 1 1.1 Syfte....................................... 1 1. Jämviktsbestämning med elektrokemisk cell................. 1 Teori 1.1 Aktivitet, aktivitetsfaktor och Debye-Hückelekvationen........... 1. Nernsts ekvation.................................3 Komplexkonstant β n och ligandtal n..................... 3 Metod 3.1 Bestämning av liquid junction potential.................. 3. Bestämning av silverklorids löslighetsprodukt................ 3 3.3 Bestämning av komplexkonstant samt ligandtal för amminsilverkomplex. 3 3.4 Materiel..................................... 3 3.5 Utförande.................................... 3 4 Resultat 4 5 Diskussion 6 5.1 Jämförelse av experimentdata och litteraturvärden............. 6 5. Felkällor..................................... 6 Källförteckning 6

1 Inledning 1.1 Syfte Syftet med laborationen är att bestämma löslighetsprodukten för silverklorid i vatten samt ligandtalet för ett silveramminkomplex och jämviktskonstanten för bildningen av detta. 1. Jämviktsbestämning med elektrokemisk cell En galvanisk koncentrationscell används i laborationen för att bestämma två olika jämviktskonstanter. Cellen består av en referenshalvcell med konstant koncentration och en mäthalvcell där koncentrationen varieras. En saltbrygga av mättad kaliumnitratlösning och agar förbinder halvcellerna. Silvertrådar används som elektroder, och en voltmeter ger mätdata. Initialt innehöll båda halvcellerna 0,1 mm Ag +, 10,1 mm NH + 4 och 10,0 mm NO 3. Spänningen uppmättes för följande mätpunkter och förhållanden: Utan koncentrationsskillnad, för att bestämma potentialskillnaden mellan saltbrygga och lösningar och korrigera senare mätvärden. Efter tillsats av ammoniumkloridlösning, för ge data för bestämningen av silverklorids löslighetsprodukt. Efter tillsats av 5, 10, 15, 0 och 5 ml av en lösning innehållande ammoniak och ammoniumnitrat; detta för att ge mätpunkter till bestämningen av komplexkonstant och ligandtal. Teori.1 Aktivitet, aktivitetsfaktor och Debye-Hückelekvationen Ett ämnes aktivitet anger hur mycket speciens kemiska potential avviker från potentialen vid standardtillstånd [1]. Aktiviteten kan också ses som den effektiva koncentrationen av ämnet []. Ett ämnes aktivitet kan beskrivas som en dimensionslös aktivitetsfaktor γ gånger ämnets koncentration (molaritet, molalitet, molfraktion, partialtryck etc.) dividerat med standardkoncentrationen för vald storhet: c j a j = γ j c, c = 1 mol dm 1 (1) Ekvation (1) gäller för molaritet; uttrycken för andra storheter är analoga. Standardkoncentrationens syfte är att göra aktiviteten dimensionslös. Aktivitetsfaktorn för en enskild jon kan inte mätas upp, men den kan beräknas approximativt med hjälp av Debye-Hückelekvationen för låga jonstyrkor I (< 0,1). lg γ j = 0,509z j I 1 + () I Där z j är jonens laddningstal och I = I c /c är den koncentrationsbaserade jonstyrkan enligt ekvationen nedan, där summan är för samtliga jonslag i lösningen: I c = 1 c i zi (3) i 1

. Nernsts ekvation Cellpotentialen hos en galvanisk cell ges av Nernsts ekvation [], där ν är antalet elektroner som deltar i cellreaktionen och F är Faradays konstant: E = E RT ln Q (4) νf Då Nernsts ekvation (4) anpassas till försöksuppställningen med koncentrationscell erhålls följande ekvation [1]: E = RT νf ln Q + E lj (5) Här är E = 0 eftersom koncentrationscellen inte har någon potential vid standardtillstånd. E lj är den så kallade liquid junction potential, det vill säga potentialskillnaden på grund av saltbryggan. Q är reaktionskvoten: Q = a(ag+ ) a(ag + ref ) = ln Q = ln [ a(ag + ) ] ] ln [a(ag + ref ) Genom att definiera E k enligt följande (g = RT/νF 0,0569 V vid 5 C och ν = 1): ] E k = E lj + g ln [a(ag + ref ) (7) kan cellpotentialen uttryckas som (6) E = E k g ln [ a(ag + ) ] (8) varifrån aktiviteten löses ut: a(ag + ) = e ( ) Ek E g (9).3 Komplexkonstant β n och ligandtal n För komplexbildningen mellan silverjon och ammoniak kan följande reaktionsformel ställas upp: Ag + +nnh 3 [Ag(NH 3 ) n ] + (10) vilket ger en jämviktskonstant, här kallad komplexkonstanten β n : 3 Metod 3.1 Bestämning av liquid junction potential β n = a([ag(nh 3) n ] + ) a(ag + ) a(nh 3 ) n (11) E lj bestäms enkelt genom mätning av cellpotentialen då de båda halvcellerna innehåller samma koncentration silverjoner enligt ekvation (5). Vid dessa förhållanden är Q = 1 vilket medför att ln Q = 0, alltså E = E lj.

3. Bestämning av silverklorids löslighetsprodukt För att bestämma löslighetsprodukten för silverklorid i vatten utnyttjades att aktivitetsfaktorn för negativ och positiv jon i en jonlösning kan skrivas som γ + = γ = γ ± där γ ± är medelaktivitetsfaktorn [1]. Ur ekvation (9) fås silverjonens aktivitet, vilket tillsammans med medelaktivitetsfaktorn (från Debye-Hückelapproximationen) ger koncentrationen Ag +. Sambandet n(agcl) = n 0 (Ag + ) n(ag + ) där n 0 är den ursprungliga substansmängden silverjoner ger tillsammans med reaktionsformeln Ag + + Cl AgCl (s) en kloridjonkoncentration enligt följande: [Cl ] = n(cl tillsatt) [n 0 (Ag + ) n(ag + )] (1) V Aktiviteten för kloridjonen beräknas sedan med hjälp av medelaktivitetsfaktorn. Därefter kan löslighetsprodukten enkelt beräknas: K s = a(cl ) a(ag + ) (13) 3.3 Bestämning av komplexkonstant samt ligandtal för amminsilverkomplex För att beräkna komplexkonstanten och ligandtalet måste följande approximationer och antaganden göras [1]: i. Silverjonaktiviteten kan bestämmas ur cellpotentialen. ii. Halten fria silverjoner är låg och det kan därför antas att allt silver förekommer som amminkomplex, vilket innebär att komplexets koncentration kan beräknas ur den initiala substansmängden silverjoner. iii. Den totala silverhalten är så låg att halten komplex är försumbar i förhållande till ammoniakhalten, det vill säga mängden NH 3 är oförändrad från tillsatt mängd. iv. Aktivitetsfaktorn för ammoniak approximeras till 1,0. Ekvation (11) kan också skrivas på logaritmform enligt ekvation (14): 3.4 Materiel ln [ a([ag(nh 3 ) n ] + ) ] ln [ a(ag + ) ] = ln [β n ] + n ln [a(nh 3 )] (14) Stamlösning: 1,0 mm silvernitrat och 0,100 M ammoniumnitrat i vattenlösning Ammoniumkloridlösning, 0,0100 M Ammoniaklösning: 0,70 M ammoniak, 0,010 M ammoniumnitrat i vattenlösning 3.5 Utförande 15,0 ml av stamlösningen mättes upp och späddes till 150,0 ml. 100,0 ml av denna spädda lösning sattes till mätcellens bägare, och 50 ml sattes till referenscellen. Halvcellen förbands med en saltbrygga av mättad kaliumnitratlösning och agar. Cellpotentialen avlästes för att ge E lj. Därefter tillsattes 10,0 ml av ammoniumkloridlösningen till mätcellen och spänningen avlästes efter utfällandet av silverklorid. En mätserie om fem prover gjordes genom att ammoniaklösning tillsattes i portioner om 5,0 ml med avläsning av cellpotentialen efter varje tillsats. 3

4 Resultat Inititala koncentrationer och substansmängder av jonslagen i mätcellen visas i tabell 1. Tabell 1: Initiala data för mäthalvcellen (100,0 ml). Specie C/mol/dm 3 n/mol Ag + 1,000 10 4 1,500 10 4 NH + 4 1,000 10 1,500 10 3 NO 3 1,010 10 1,515 10 3 Cl 0 0 Utifrån dessa data beräknas jonstyrkan med ekvation (3), därefter silverjonaktiviteten enligt Debye-Hückelapproximationen (ekvation ()). I = 1 c 1 c i zi i = 1 1 ( 1,000 10 4 c (+1) + 1,000 10 (+1) + 1,010 10 ( 1) ) = 0,0101 (15) lg γ + = 0,509z j I 1 + I = 0,509(+1) 0,0101 1 + 0,0101 = 0,0467 = γ + = 0,898 (16) Med E lj = E = 0 från mätdata (tabell ) kan nu E k bestämmas (ekvation (7)): ] E k = g ln [a(ag + ref ) = 0.0569 ln [ 0,898 1,0 10 4] = 0,33V (17) Data från resterande mätningar visas i tabell : Tabell : Cellpotentialer för mätpunkterna. Prov A är nollprovet, prov B efter tillsats av kloridjoner. Proverna numrerade 1-5 är mätserien med ammoniaktillsatser. Mätpunkt V /ml totalt V /ml ammoniaklösning E/mV A 100,0-0 B 110,0-91 1 115,0 5,0 137 10,0 10,0 157 3 15,0 15,0 168 4 130,0 0,0 175 5 135,0 5,0 181 För bestämning av silverklorids löslighetsprodukt används följande beräkningsgång enligt avsnitt 3.. Jonstyrkan antas vara oförändrad: 4

(9) = a(ag + ) = e ( ) 0,33 0,091 0,0569 = 3,33 10 6 = [Ag + ] = a(ag+ ) 3,33 10 6 = mol/dm 3 = 3,711 10 6 mol/dm 3 γ + 0,898 = n(ag + ) = 3,711 10 6 110,0 10 3 mol = 4,08 10 7 mol n(cl tillsatt) = [Cl ] tillsatt V tillsatt = 10,0 10 3 0,0100 = 1,00 10 4 mol (1) = [Cl ] = 1,00 10 4 [ 1,500 10 4 4,08 10 7] 110,0 10 3 mol/dm 3 = 8,19 10 4 mol/dm 3 Aktivitetsfaktorn γ för kloridjonen är densamma som γ + för silverjonen: a(cl ) = [Cl ] c γ = 8,19 10 4 0,898 = 7,381 10 4 Med aktiviteterna kan slutligen löslighetsprodukten beräknas: K s = a(cl ) a(ag + ) = 7,381 10 4 3,33 10 6 =,458 10 9 För att beräkna ligandtalet och komplexkonstanten gjordes en linjär anpassning av mätpunkterna 1-5 i tabell enligt proceduren i 3.3. Denna plot visas i figur 1. Beräkningar av jonstyrka och aktiviteter gjordes på samma sätt som tidigare. Figur 1: Linjär anpassning till data från mätpunkterna 1-5 enligt tabell. Den linjära anpassningen kan beskrivas av formeln y = kx + m med x = ln [a(nh 3 )]. Enligt ekvation (14) råder följande samband: kx = n ln [a(nh 3 )] = n = k = 1,07 m = ln [β n ] = ln [β n ] = 9,08 = β n = 8795 Resultaten av beräkningarna redovisas i tabell 3. 5

Tabell 3: Beräknade värden. K s,46 10 9 n 1,07 β n 8795 5 Diskussion 5.1 Jämförelse av experimentdata och litteraturvärden Resultaten av försöken jämförs med hämtade litteraturvärden i tabell 4. Värt att notera är att n alltid är ett heltal större än eller lika med ett. Tabell 4: Litteraturvärden och experimentella värden i jämförelse. Storhet Experimentellt värde Litteraturvärde K s,46 10 9 1,77 10 10 [3] n 1,07 1 [4] β 1 8795,5 10 3 [4] Det är troligt att det erhållna komplexet har ligandtalet 1. Även ett komplex innehållande två ammoniakmolekyler finns. Detta har stabilitetskonstanten β = 1,7 10 7 [4]. Avvikelserna tros bero på utförandefel snarare än brister i approximationer och teorier, varför försöket borde upprepats för att undersöka riktigheten av den första serien mätningar. 5. Felkällor Det kan antas att mätutrustningen är tillräckligt noggrann för att dess bidrag till avvikelser skall kunna försummas. Bristande tillgång på glasvaror gjorde att mätningar och spädningar gjordes utan den noggrannhet som krävdes, vilket antas vara den största orsaken till fel. Att ingen liquid junction potential kunde uppmätas tros bero på att voltmeterns upplösning var för låg. Källförteckning 1 Laborationshandledning Elektrokemisk bestämning av löslighetsprodukt och ligandtal Atkins P., de Paula J., Friedman R. (009) Quanta, Matter, and Change. Oxford University Press, Oxford 3 W. M. Haynes, ed. (01) CRC Handbook of Chemistry and Physics (onlineversion) 9:a upplagan. CRC Press/Taylor and Francis, Boca Raton, FL 4 Speight, James G. (005) Lange s Handbook of Chemistry (onlineversion) 16:e upplagan. McGraw-Hill. 6