ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα. Χημική Τεχνολογία. Εργαστηριακό Μέρος

Transcript

1 ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Χημική Τεχνολογία Εργαστηριακό Μέρος Ενότητα 6: Διαλυμένο Οξυγόνο Ευάγγελος Φουντουκίδης Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Τ.Ε.

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3

4 Σκοποί Ενότητας Στην 6 η Εργαστηριακή Άσκηση θα πραγματοποιηθεί το εξής πείραμα: θα χρησιμοποιηθεί πρότυπο διάλυμα 0% DO. Είναι διάλυμα 2-5 % w/v θειώδους νατρίου Na 2 SO 3 σε απεσταγμένο νερό. Η προσθήκη μικρής ποσότητας χλωριούχου κοβαλτίου ή ελάχιστης ποσότητας πυκνού θειικού οξέος (2-3 σταγόνες/λίτρο διαλύματος), σαν καταλύτη επιταχύνει τη δέσμευση του οξυγόνου. 4

5 Περιεχόμενα Ενότητας Πειραματικό Μέρος Ρύθμιση του Οργάνου Εκτέλεση Μετρήσεων Μετρήσεις Συγκέντρωσης ppm (mg/l) DO Πίνακας 1 - Συντελεστής Διόρθωσης Kb Πίνακας 2 - Συντελεστής Διόρθωσης Ks Χημικός - Ιωδιομετρικός Προσδιορισμός (Μέθοδος Winkler) 5

6 Όργανα και Σκεύη α) Οξυγονόμετρο Πειραματικό Μέρος β) Κωνική φιάλη, μαγνητικός αναδευτήρας Αντιδραστήρια Πρότυπο διάλυμα 0% DO. Είναι διάλυμα 2-5 % w/v θειώδους νατρίου Na 2 SO 3 σε απεσταγμένο νερό. Η προσθήκη μικρής ποσότητας χλωριούχου κοβαλτίου ή ελάχιστης ποσότητας πυκνού θειικού οξέος (2-3 σταγόνες/λίτρο διαλύματος), σαν καταλύτη επιταχύνει τη δέσμευση του οξυγόνου. Εάν το διάλυμα δεν πρόκειται να χρησιμοποιηθεί αμέσως, δεν είναι απαραίτητη η προσθήκη καταλύτη. Δείγματα προς μέτρηση α) Aπιονισμένο νερό β) Πόσιμο νερό γ) Υδατικό διάλυμα 3,5% σε NaCl

7 Ρύθμιση του Οργάνου - 1 Πριν τεθεί σε λειτουργία το όργανο, πρέπει να ρυθμιστεί με το χρησιμοποιούμενο ηλεκτρόδιο και τις τοπικές συνθήκες ατμοσφαιρικής πίεσης. Η ρύθμιση είναι απαραίτητο να γίνεται μετά από κάθε αντικατάσταση ηλεκτρολύτη ή μεμβράνης στο ηλεκτρόδιο οξυγόνου ή εάν η διακοπή χρήσης είναι μεγαλύτερη από 24 ώρες. Η ρύθμιση του οξυγονόμετρου γίνεται ως εξής: α) Ρύθμιση Μηδενισμού Τοποθετείστε το διακόπτη επιλογής στη θέση % sat. Βυθίστε το ηλεκτρόδιο στο πρότυπο διάλυμα 0% DO και σε θερμοκρασία περίπου ίδια (±5 ο C) με τη θερμοκρασία των μετρήσεων. Η ένδειξη του οργάνου θα αρχίσει να μειώνεται. Περιμένετε 5-10 λεπτά ώστε να σταθεροποιηθεί η ένδειξη. Στρέψτε τον ρυθμιστή μηδενισμού zero ώστε η ένδειξη να γίνει 0 % sat.

8 Ρύθμιση του Οργάνου - 2 β) Ρύθμιση Κλίσης Η ρύθμιση κλίσης γίνεται στον αέρα κατά προτίμηση κορεσμένο σε υδρατμούς. Εάν ο αέρας δεν είναι κορεσμένος μπορεί να προκύψει ένα μικρό σφάλμα μέχρι 2%. Για να διορθωθεί το σφάλμα αυτό, πρέπει το ηλεκτρόδιο να είναι τοποθετημένο μέσα στην προστατευτική θήκη του και το σπογγώδες υλικό στο εσωτερικό της θήκης να είναι υγρό. Η ρύθμιση κλίσης γίνεται ως εξής: Μετά τη ρύθμιση μηδενισμού, ξεπλύνετε το ηλεκτρόδιο οξυγόνου με απεσταγμένο νερό και στη συνέχεια σκουπίστε το προσεκτικά με απορροφητικό χαρτί. Να μη παραμείνουν σταγονίδια νερού στην επιφάνεια της μεμβράνης. Τοποθετείστε το προστατευτικό κάλυμμα στο ηλεκτρόδιο και τοποθετείστε το σε σκιερή και προστατευμένη από ρεύματα αέρος θέση, σε κατακόρυφη ή ελαφρά κεκλιμένη θέση. Τοποθετείστε το διακόπτη επιλογής στη θέση % sat. Περιμένετε 5-10 λεπτά ώστε να σταθεροποιηθεί η ένδειξη. Στρέψτε το ρυθμιστή κλίσης ώστε η ένδειξη να γίνει 100% sat.

9 Εκτέλεση Μετρήσεων - 1 Τοποθετείστε το διακόπτη στη θέση on και συνδέστε το ηλεκτρόδιο οξυγόνου στο όργανο. Μετρήσεις Θερμοκρασίας Τοποθετείστε το διακόπτη στη θέση o C. Βυθίστε το ηλεκτρόδιο οξυγόνου στο υπό μέτρηση διάλυμα, έτσι ώστε το κάτω άκρο του να είναι βυθισμένο κατά 5 cm τουλάχιστον. Περιμένετε 1-3 λεπτά να σταθεροποιηθεί η ένδειξη. Στην οθόνη του οργάνου απεικονίζεται η θερμοκρασία του διαλύματος.

10 Εκτέλεση Μετρήσεων - 2 Μετρήσεις % κορεσμού σε οξυγόνο Τοποθετείστε τον διακόπτη επιλογής στη θέση % sat. Αφαιρέστε το προστατευτικό κάλυμμα του ηλεκτροδίου και βυθίστε το στο υπό μέτρηση διάλυμα τουλάχιστον κατά 5 cm. Το διάλυμα πρέπει να αναδεύεται συνεχώς, κατά προτίμηση με μαγνητικό αναδευτήρα, ώστε να υπάρχει συνεχής ροή κάτω από τη μεμβράνη χωρίς όμως να αναρροφώνται φυσαλίδες αέρα στο δείγμα. Εάν δεν υπάρχει επαρκής ανάδευση, το όργανο δίνει μικρότερες τιμές περιεκτικότητας διαλυμένου οξυγόνου από τις πραγματικές. Βεβαιωθείτε ότι δεν έχουν προσκληθεί φυσαλίδες αέρα στην περιοχή της μεμβράνης. Εάν προκληθούν, το όργανο δίνει λανθασμένες ενδείξεις. Περιμένετε λίγη ώρα να σταθεροποιηθεί η ένδειξη. Στην οθόνη εμφανίζεται η περιεκτικότητα σε διαλυμένο οξυγόνο σαν ποσοστό % κορεσμού.

11 Μετρήσεις Συγκέντρωσης ppm (mg/l) DO - 1 Τοποθετείστε το διακόπτη επιλογής στη θέση ppm. Ακολουθείστε την διαδικασία όπως στην προηγούμενη περίπτωση. Περιμένετε λίγη ώρα να σταθεροποιηθεί η ένδειξη. Στην οθόνη εμφανίζεται η περιεκτικότητα σε διαλυμένο οξυγόνο σε ppm. Εάν οι μετρήσεις εκτελούνται σε βαρομετρική πίεση αρκετά διαφορετική από 760 mm Hg (1013 mbar), είτε η περιεκτικότητα του δείγματος σε άλατα είναι υψηλή, η μέτρηση πρέπει να διορθωθεί, αφού προσδιοριστούν οι συντελεστές βαρομετρικής διόρθωσης K b και αλατότητας K s.

12 Μετρήσεις Συγκέντρωσης ppm (mg/l) DO - 2 Μετρήστε τη συγκέντρωση σε ppm με τον τρόπο που περιγράφεται προηγουμένως και σημειώστε την αρχική ένδειξη C o (mg/l ή ppm). Μετρήστε και σημειώστε τη θερμοκρασία του δείγματος. Υπολογίστε τη διορθωμένη συγκέντρωση κορεσμού C o (mg/l ή ppm) σύμφωνα με τον τύπο: C o = K b. (C o C s K s ) Όπου C s η συγκέντρωση αλάτων, εκφρασμένη σαν περιεκτικότητα ( ή g/l) σε χλωριούχο νάτριο (NaCl).

13 Μετρήσεις Συγκέντρωσης ppm (mg/l) DO - 3 Μετρήστε με ένα κατάλληλο βαρόμετρο την ατμοσφαιρική πίεση και υπολογίστε τον βαρομετρικό συντελεστή K b Με τον τύπο Κ b = P / P o Όπου: P η πίεση που μετρήσατε και P o η ατμοσφαιρική πίεση στο επίπεδο της θάλασσας (760 mm Hg ή 1013 mbar), Είτε εάν δεν είναι διαθέσιμο ένα ακριβές βαρόμετρο προσδιορίστε τον συντελεστή K b από τον παρακάτω Πίνακα 1.

14 Υψόμετρο m Πίνακας 1 Συντελεστής Διόρθωσης K b Ατμοσφαιρική πίεση mm Hg mbar Συντελεστής , , , , , , , , , , ,692 Κ b

15 Μετρήσεις Συγκέντρωσης ppm (mg/l) DO - 4 Προσδιορίστε από τον Πίνακα 2 τον συντελεστή διόρθωσης K s για τη θερμοκρασία του δείγματος. Ο συντελεστής εκφράζει τη μείωση της διαλυτότητας του οξυγόνου στο νερό ανά μονάδα (περιεκτικότητα ) αλατότητας σε mg/l.

16 Πίνακας 2 Συντελεστής Διόρθωσης K s - 1 Θερμοκρασία O C Συγκέντρωση κορεσμού mg/l (ppm DO) Συντελεστής αλατότητας Ks (mg/l)/(g/l) ή ppm/ 0 14,59 0, ,19 0, ,81 0, ,44 0, ,08 0, ,75 0, ,42 0, ,12 0, ,82 0, ,54 0, ,27 0, ,01 0, ,75 0,0593

17 Πίνακας 2 Συντελεστής Διόρθωσης K s - 2 Θερμοκρασία O C Συγκέντρωση κορεσμού mg/l (ppm DO) Συντελεστής αλατότητας Ks (mg/l)/(g/l) ή ppm/ 13 10,52 0, ,28 0, ,07 0, ,85 0, ,64 0, ,44 0, ,25 0, ,07 0, ,90 0, ,73 0, ,55 0, ,40 0, ,24 0,0421

18 Πίνακας 2 Συντελεστής Διόρθωσης K s - 3 Θερμοκρασία O C Συγκέντρωση κορεσμού mg/l (ppm DO) Συντελεστής αλατότητας Ks (mg/l)/(g/l) ή ppm/ 26 8,08 0, ,94 0, ,80 0, ,66 0, ,54 0, ,41 0, ,28 0, ,15 0, ,04 0, ,93 0, ,47 0,0295

19 Μετρήσεις Συγκέντρωσης ppm (mg/l) DO - 5 Υπολογίστε την διορθωμένη συγκέντρωση κορεσμού σύμφωνα με τον τύπο: C o = K b. (C o C s K s ) Όπου C s η συγκέντρωση αλάτων, εκφρασμένη σαν περιεκτικότητα ή g/l σε χλωριούχο νάτριο. Εάν η περιεκτικότητα του διαλύματος σε άλατα είναι μικρότερη από 0.2% ή και μέχρι 1% εάν δεν απαιτείται ακρίβεια καλύτερη του 5% στη μέτρηση DO, η διόρθωση λόγω αλατότητας μπορεί να αγνοηθεί.

20 Χημικός - Ιωδιομετρικός Προσδιορισμός (Μέθοδος Winkler) - 1 H μέθοδος Winkler εφαρμόζεται σε όλα τα νερά, αρκεί η συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου να είναι μεγαλύτερη από 0,2 mg/l, εκτός αν στο δείγμα υπάρχουν ενώσεις που δεσμεύουν το ιώδιο με αντιδράσεις αντικατάστασης ή προσθήκης. Όταν υπάρχουν ενώσεις, όπως χουμικά οξέα, τανίνες, λιγνίνες κ.α. ή αιωρούμενα σωματίδια ικανά να καταναλώσουν ιώδιο ή διαλυτές οξειδωτικές ή αναγωγικές ουσίες, προβλέπονται τροποποιήσεις της μεθόδου. Τα νιτρώδη καταστρέφονται με την προσθήκη νατραζιδίου.

21 Χημικός - Ιωδιομετρικός Προσδιορισμός (Μέθοδος Winkler) - 2 Κατά την μέθοδο Winkler, το διαλυμένο οξυγόνο αντιδρά με το υδροξείδιο του δισθενούς μαγγανίου. Το θειικό μαγγάνιο σχηματίζεται με την αντίδραση δισθενούς θειικού μαγγανίου και υδροξειδίου του νατρίου. Οξίνιση του διαλύματος επιτρέπει στο άλας μαγγανίου με το μεγαλύτερο σθένος, που σχηματίζεται με αυτό τον τρόπο, να οξειδώσει το ιωδιούχο κάλιο απελευθερώνοντας ισοδύναμη ποσότητα ιωδίου κατά τις αντιδράσεις: Mn OH - Mn(OH) 2 2Mn(OH) 2 + O 2 2MnO(OH) 2 MnO(OH) 2 + 4H + + 3I - Mn 2+ + I H 2 O Το ιώδιο προσδιορίζεται τιτλοδοτώντας με διάλυμα θειοθειικού νατρίου, σύμφωνα με την αντίδραση : I S 2 O 3 2-3I - + S 4 O 6 2-

22 Τέλος Ενότητας 22