RIEŠENIA PRAKTICKÝCH ÚLOH Z ANALYTICKEJ CHÉMIE Chemická olympiáda kategória A 44. ročník šk. rok 2007/08 Študijné kolo

Transcript

1 RIEŠENIA PRAKTICKÝCH ÚLOH Z ANALYTICKEJ CHÉMIE Chemická olympiáda kategória A 44. ročník šk. rok 2007/08 Študijné kolo Pavol Tarapčík Ústav analytickej chémie, FCHPT STU, Bratislava Riešenie úlohy 1.1 Možné sú viaceré postupy výpočtu. Napríklad: Pre kyselinu octovú v tabuľkách nájdeme: koncentrácia HAc v koncentrovanej kyseline je asi 17,4 mol dm -3 potrebný objem: V = 500 0,2/17,5 cm 3 = 5,7 cm 3, teda asi 6 cm 3 Riešenie úlohy 1.2 a) m = M.c.V = 126,07.0,1 0,25 = 3,1518 g (analytické váhy), pre predvažovačky: 3,152 g, resp. 3,15 g b) Referenčný materiál trvalým spôsobom reprodukuje určité chemické a fyzikálnochemické vlastnosti (napríklad zloženie). Základná látka (primárny štandard) je špeciálny prípad referenčného materiálu, ktorý ako čistá látka reprodukuje chemické zloženie. Na jeho vlastnosti sa kladú ďalšie zvláštne požiadavky, napríklad z hľadiska stability, jednoduchosti prípravy a uchovávania, obsahu nečistôt a spôsobov kontroly, rozpustnosti, reaktivity... Riešenie úlohy 1.3 a) H 2 C 2 O NaOH 2 H 2 O + Na 2 C 2 O 4 H 2 C 2 O 4 + CaCl 2 2 HCl + CaC 2 O 4 HCl + NaOH NaCl + H 2 O b) Kyselina šťaveľová je slabá dvojsýtna kyselina a zmena ph v blízkosti bodu ekvivalencie je nedostatočná pre náhlu zmenu sfarbenia vizuálneho indikátora. c) Experimentálne hodnoty sa dosadia do vzťahu c(naoh) = c(šť.) V(šť.) 2/V(NaOH), kde c(šť.) je koncentrácia kyseliny šťaveľovej základnej látky; V(šť.) je pipetovaný objem kyseliny šťaveľovej do titračného pokusu; V(NaOH) je spotreba hydroxidu sodného pri titrácii

2 Riešenie úlohy 1.4 a) HAc + NaOH NaAc + H 2 O b) Titruje sa slabá kyselina silnou zásadou, a preto ph v bode ekvivalencie je v zásaditej oblasti. c) Experimentálne hodnoty sa dosadia do vzťahu c(hac) = c(naoh) V(NaOH)/V(HAc) d) Z vody treba odstrániť rozpustený oxid uhličitý, ktorý je tiež kyselinou. Riešenie úlohy [ H 3O ][A- ] a) K a = alebo ph [HA] pk a (HAc) = 4,76 ph = p ph = p K a K a = pk a [A ] + log [HA] c(naoh) V(NaOH) + log c(hac) V(HAc) - c(naoh) V(NaOH) c(naoh). x + log c(hac) c(naoh). x b) Graf sa zostrojí na základe výpočtu v predchádzajúcej časti a). Pri zobrazení grafu treba dbať na označenie osí, použitie jednotiek a zápis hodnôt na osiach s vhodným počtom platných čísel, voľbu mierky tak, aby sa využila plocha grafu, zobrazenie bodov grafu vhodnou veľkosťou, vedenie krivky medzi bodmi. c) V mieste polovice ekvivalentného množstva teda pri ph = 4,76. d) V roztoku bude octan sodný. Odhadom: ph soli silnej zásady a slabej kyseliny je väčšie ako 7. Výpočtom: Reakcia octanu s vodou: Ac - + H 2 O HAc + OH - Jej rovnovážna konštanta je: _ [HAc][OH ] K w / Ka = a platí [ HAc ] = [ OH - ] a c(ac) = [ HAc ] + [Ac - ] [Ac-] Potom [OH - ] 2 Kw / Ka = c (Ac) [OH-] a riešením kvadratickej rovnice pre konkrétnu koncentráciu octanu dostaneme hodnotu ph.

3 Koncentrácia octanu v bode ekvivalencie: c(ac) = c(hac) V(HAc)/V(celkom) kde V(celkom) je 100 cm 3. e) V roztoku za bodom ekvivalencie je v nadbytku hydroxid sodný a jeho prítomnosťou sa reakcia octanu s vodou potlačí. ph bude určovať len koncentrácia hydroxidu spôsobená jeho nadbytkom. Riešenie úlohy 2.2 Pre metylovú oranžovú platí - Začiatok ph = 3,1 koniec ph = 4,5 (hranice funkčnej oblasti indikátora). (Pre ďalšie indikátory použite vhodné tabuľky.) Tento indikátor teda nie je vhodný na titráciu slabej kyseliny octovej silným hydroxidom sodným. Riešenie doplnkových úloh z analytickej chémie Riešenie doplnkovej úlohy δ(ha) = [H + ]/(K a + [H + ]) (δ(a - ) = K a /(K a + [H + ]), kde [H + ] = 10 -ph Tieto vzťahy použijeme najvhodnejšie v tabuľkovom procesore (Excel) na výpočet množstva jednotlivých bodov pre zostrojenie grafu. Riešenie doplnkovej úlohy 1.2 distribučný diagram slabej kyseliny s pk = 4,76 1 0,75 δ 0,5 A- HA 0, ph

4 Riešenie doplnkovej úlohy 1.3 ph = pk ± 1 kde hodnota ± 1, pochádza z log([ha]/[a]), z predpokladu, že pri pomere [HA]/[A] väčšom ako 10/1, resp. menšom ako 1/10, prevláda jedno sfarbenie danej formy indikátora. Riešenie doplnkovej úlohy 1.4 Distribučný diagram pre kyselinu šťaveľovú sa zostrojí rovnako, len rovnice majú o jeden člen viac. Rovnovážne konštanty vyhľadáme v tabuľkách. distribučný diagram H 2 A 1 0,75 δ 0,5 0,25 d(a) d(ha) d(h2a) ph Diskusia o význame postupu podľa Bruhnsa: Neexistuje oblasť prevládania formy HC 2 O 4 - široká 2 jednotky ph, čo je potrebné pre vizuálnu indikáciu. Prvý stupeň sa nedá odlíšiť, preto sa reakciou s CaCl 2 vyzráža šťaveľan vápenatý a v roztoku sa slabá kyselina vymení za silnú (HCl). Riešenie doplnkovej úlohy 2 a) Zrazenina je hydroxid železitý - Fe(OH) 3. b) Vyzrážanie viditeľného množstva zrazeniny sa pozoruje pri ph 4 až 5.1 a závisí aj od koncentrácie železitej soli v roztoku. c) Reakciu možno použiť na dôkaz. Vytvorením istého ph v roztoku môžeme dôkazové reakcie, založené na tvorbe zlúčenín so slabými kyselinami/zásadami, umožniť alebo ich znemožniť (maskovanie).

5 (Prítomnosť železitej soli v zmesi ovplyvní aj celkový vzhľad experimentálneho výsledku - pri menšom prídavku železitej soli (ďalšia kyselina) tlmivý roztok udrží ph, teda farebná zmena je na rovnakom poradovom mieste v stojane. Ak je množstvo tejto dodatočnej pridanej kyseliny veľké, posunie sa zmena k žltému sfarbeniu, t. j. k skúmavkám s vyšším poradovým číslom.) Riešenie doplnkovej úlohy 3 a) Vzorec kyseliny 3-karboxy-4-hydroxy-benzénsulfónovej (sulfosalicylovej) označme skrátene H 3 L. Fe 3+ + L 3 FeL Fe L 3 [FeL 2 ] 3 Fe L 3 [FeL 3 ] 6 (Stačí napísať jednu z nich.) V závislosti od ph a vzájomných koncentrácií vznikajú železité komplexy: [FeL 2 ] 3, [FeL 3 ] 6, prípadne [FeL]. b) V príliš kyslom roztoku uvedené komplexy nevznikajú, lebo sa nemôžu tvoriť anióny kyseliny sulfosalicylovej, v príliš zásaditom prostredí sa vyzráža hydroxid a z roztoku sa tým odstráni Fe 3+. Dôkaz bude preto negatívny. Riešenie doplnkovej úlohy 4 a) IO I H + 3 I H 2 O b) Intenzita sfarbenia roztoku klesá s poklesom acidity. Pri ph > 5 je sfarbenie nepostrehnuteľné, ale pridaním škrobu sa farebnosť zvýrazní. V odstupňovanom pokuse sa farebnými stanú ešte asi dve skúmavky pôvodne bezfarebné. c) Dôkaz jódu, indikácia pri jódometrii. Poznámky k úlohe 1: 1. Tento postup stanovenia koncentrácií hydroxidu sodného a kyseliny octovej nie je záväzný. Cieľom je poznať presné koncentrácie roztokov NaOH a HAc. Pri práci sa nacvičujú pracovné operácie prípravy roztokov práca s odmerným sklom, postupy pri titrácii, použitie indikátorov...

6 Ak nemáte k dispozícii kyselinu šťaveľovú, postup možno zmeniť a prispôsobiť dostupným chemikáliám. 2. Ak nemáte k dispozícii žiadnu možnosť presného porovnania, vykonajte analýzu kyseliny octovej s roztokom NaOH s približnou koncentráciou alebo naopak. V ďalších pokusoch stačí vedieť presne pomer ich koncentrácií. 3. Váženie základnej (referenčnej) látky pri štandardizácii treba uskutočniť na analytických váhach, ale dostatočné sú aj dobré bežné predvažovačky. Poznámka k úlohe 1.3: Kontrola neutrálnosti CaCl 2 roztoku 5 cm 3 roztoku sa zriedi s 25 cm 3 vody a pridajú sa 2 kvapky indikátora. Indikátor má mať sfarbenie kyslej formy a sfarbenie sa má zmeniť jednou kvapkou roztoku hydroxidu. Poznámka k úlohe 2: 1. Modifikáciou tlmivého roztoku, napríklad za fosfátový alebo amoniakálny, sa môžu skúsiť ďalšie indikátory s prechodom v zásaditejšej oblasti ph. 2. Ako farebné indikátory sa správajú viaceré farbivá v prírodných materiáloch. Skúste získať farbivá z cvikle, červených redkvičiek, červených vín, čučoriedok, bazy... a použite ich namiesto oficiálnych indikátorov. 3. Okrem roztokov z pripravenej série tlmivých roztokov, je vhodné použiť aj zvlášť kyslý roztok (čo je priamo zásobný roztok 0,2 mol/l kyseliny octovej) a zvlášť zásaditý roztok ( napríklad 2 kvapky zásobného roztoku NaOH 0,2 mol/l do 50 cm 3 vody). Poznámka k doplnkovej úlohe 1: Riešenie spôsobom pero-papier-kalkulačka je tiež možné, ale prácne, opakujú sa stále tie isté výpočty. Poznámka k doplnkovej úlohe 3: Ak nemáte kyselinu sulfosalicylovú, podobný jav možno pozorovať pri použití niektorej ďalšej dôkazovej reakcie. Do skúmaviek ako z úlohy 2 (bez indikátora) sa pridá vhodný nie veľmi kyslý roztok katiónu a organické činidlo tvoriace s nim farebný komplex, napríklad Fe 2+ a 1,10-fenantrolín.