Laboratórna technika časť II (analytická)

Laboratórna technika časť II (analytická) (3 úlohy po 4 hodiny, spoločný úvodný seminár 4 hod.) Úlohy: 1. Kalibrácia odmerných nádob vážením 2. Meranie ph a príprava tlmivých roztokov s definovanou hodnotou ph 3. Odmerné stanovenie tvrdosti vody 1. Kalibrácia odmerných nádob vážením Pravidelné overovanie správnosti objemov odmerných nádob (kalibrácia) patrí k základným povinnostiam chemických laboratórií, ktoré pracujú podľa systému kvality, ktorý je definovaný norme STN ISO 17025, alebo podľa zásad správnej laboratórnej praxe. Pretože meranie hmotnosti vážením patrí k najpresnejším meraniam v chemických laboratóriách je kontrola správnosti objemov odmerných nádob (byrety, pipety, odmerné banky) založená na meraní hmotnosti kalibračnej kvapaliny, ktorou sa odmerná nádoba naplní. Princíp váženia na mechanických analytických váhach je založený na fyzikálnom princípe rovnováhy na páke. Hmotnosť váženého predmetu sa porovnáva so známou hmotnosťou závažia. závažie F 1 vážený predmet, F 2 Za rovnovážneho stavu platí: 1

F 1 = F 2 (1) Na závažie a vážený predmet pôsobí okrem gravitačnej sily aj sila vztlaková (Archimedov zákon). Preto pri celkovej bilancii musíme uvažovať pôsobenie všetkých síl. Ďalší predpoklad je, že váhy sú rovnoramenné (nie decimálky). Potom v rovnovážnom stave musí platiť rovnica: m z.g m 1,vz.g = m vp.g - m vz.g (2) kde m 1,vz je hmotnosť vzduchu vytlačená závažím m 2,vz je hmotnosť vzduchu vytlačená váženým predmetom. Gravitačné zrýchlenie g je na oboch stranách rovnice rovnaké a môže sa z rovnice odstrániť. Pri kalibrácii odmerných nádob sa zisťuje hmotnosť kalibračnej kvapaliny, ktorou je naplnená odmerná nádoba. Ako kalibračná kvapalina sa používa obvykle destilovaná voda, ktorej hustota pri teplote miestnosti T je ρ w. S použitím definičného vzťahu ρ = m/v môžeme rovnicu (2) rovnováhy na analytických váhach zapísať: m z - (m z /ρ z ).ρ vz = V vp. ρ w - V vp.ρ vz (3) Po úprave máme výsledný vzťah použiteľný pre kalibráciu odmernej nádoby: V vp ρ m vz z 1 ρ z = ρ ρ w vz (4) Ak uvážime, že ρ vz << ρ z a tiež ρ vz <<ρ w vzťah (4) sa ešte zjednoduší: V vp m z /ρ voda (5) Pri presnejších kalibráciách je potrebné použiť rovnicu (4) a urobiť aj korekciu na rozťažnosť skla (objem odmernej nádoby sa mení s teplotou). Hustota vzduchu závisí od teploty, vlhkosti a atmosférického tlaku a preto určenie správnej hodnoty ρ vz nie je 2

jednoduché. Príslušné korekcie pre danú teplotu, tlak a vlhkosť bývajú uvedené v tabuľkách. Pre naše účely je postačujúce použitie rovnice (5), kde zohľadníme iba hustotu vody pri danej teplote laboratória. Postup pri kalibrácii pipety: 1. Položíme prázdnu nádobku na misku predvažovačiek a zistíme orientačne hmotnosť nádobky. 2. Skontrolujeme nulovú polohu analytických váh. Pri nezaťažených váhach opatrne odaretujeme váhy a počkáme na ustálenie rovnováhy. Svetelný ukazovateľ sa má ustáliť na nulovom dieliku stupnice. Ak odchýlka nie je veľká (menšia ako 1 mg) skorigujeme nulovú polohu korekčnou skrutkou. Ak je odchýlka veľká hlásime chybu vedúcemu cvičenia. Iné spôsoby korekcie je zakázané používať, pre riziko poškodenia váh. Váhy zaaretujeme. 3. Opatrne položíme nádobku na misku analytických váh, pridáme celočíselnú hodnotu závažia zistenú z predvažovačiek a opatrne odaretuje asi na 50%. Z pohybu svetelného ukazovateľa usúdime či je hmotnosť závažia väčšia alebo menšia ako hmotnosť nádobky. Pridaním resp. ubratím závažia o celé jednotky gramu zistíme interval, v ktorom sa nachádza skutočná hmotnosť nádobky. Závažie upravíme na dolnú hodnotu intervalu a pridávame postupne prídavky po 0,1 g (100 mg) až kým nezistíme interval hmotnosti s presnosťou na 0,1g. Aretačný gombík otáčame maximálne na 50%. Postupne zúžime interval až na 0,01 g (10 mg). 4. Po spresnení intervalu hmotnosti na 0,01 g môžeme opatrne odaretovať váhy na 100% a odčítať skutočnú hmotnosť nádobky s presnosťou 0,0001 (0,1 mg), resp. aj presnejšie, podľa typu požitých analytických váh. 5. Do nádobky odpipetujeme potrebný objem kalibračnej kvapaliny (vody) a odmeriame jej hmotnosť. Prídavky zopakujeme niekoľko krát ( 5-20 krát) a výsledky zaznamenáme do tabuľky. ( viď. tabuľka 1) 6. Z nameraných hodnôt vypočítame strednú hodnotu objemu pipety (aritmetický priemer) a smerodajnú odchýlku. Rozdiel medzi vypočítaným objemom a menovitou hodnotou prestavuje sústavný (systematickú) chybu pipety a veľkosť smerodajnej odchýlky charakterizuje presnosť merania. Poznámka: Uvedený postup pri vážení je iba orientačný. V závislosti od typu a konštrukcie konkrétnych váh sa môže líšiť. Pri práci sa treba riadiť pokynmi vedúceho cvičenia. 3

Analogicky postupujeme aj pri kalibrácii odmernej banky. Rozdiel je však v tom, že po každom naplnení a odvážení banku vylejeme, vypláchneme etanolom alebo acetónom a vysušíme v prúde dusíka. Pri meraní vždy opakujeme váženie prázdnej a plnej odmernej banky a výsledky usporiadame do tabuľky podľa vzoru viď. tabuľka 2. Tabuľka 1. Kalibrácia pipety i m i /g m i /g = (m i - m i-1 )/g V i /ml 0. 38,9450 - - 1. 39,8596 0,9146 0,9164 2. 40,7648 0,9052 0,9070.... n m n m n V n V = n V i= 1 n i ( 6) sv ( ) = n i= 1 ( Vi V) n 1 2 ( 7) Tbuľka 2. Kalibrácia odmernej banky i m 0,i /g m i /g m i /g = (m i - m 0,i )/g V i /ml 1 30,2451 25, 2639 4,9812 4,9962 2 30,2468 25,2675 4,9793 4,9943 3 30,2501 25,2681 4,9820 4,9970..... n m 0,i m n m i V n Kontrolné otázky: 4

1.Vysvetlite postup kalibrácie 1 ml pipety vážením. Aké zjednodušenia robíme pri konečných výpočtoch? 2. Dá sa použiť ako kalibračná kvapalina Hg? Aké by to malo výhody resp. nevýhody? 3. Závažia na analytických váhach sú obvykle z mosadze (ρ = 8,8 g/cm 3 ). Zvýšila by sa presnosť kalibrácie odmerných nádob ak by sme ich vymenili za platinové? Odpoveď vysvetlite. 4. Môžeme použiť na kalibráciu destilovanú vodu, ktorá má inú teplotu ako je teplota vzduchu v miestnosti? Zdôvodnite! 2. Meranie ph Hodnota ph významným spôsobom ovplyvňuje mnohé chemické reakcie a procesy. Preto je znalosť tejto veličiny je dôležitá pre riadenie a optimálny priebeh chemických reakcií a procesov. Hodnotu ph môžeme získať dvojakým spôsobom. Ak poznáme rovnovážne koncentrácie a aktivity všetkých protolytov v roztoku môžeme na základe fyzikálnochemických teórií (napr. Debye-Hückelova) vypočítať teoretickú hodnotu ph. Vzhľadom na nedokonalosť týchto teórií pri aplikácií v reálnych, obvykle veľmi zložitých, vzorkách táto vypočítaná hodnota nemusí byť správna. Preto v praxi dávame prednosť experimentálnemu spôsobu zisťovania hodnoty ph. V laboratórnych podmienkach na tento účel najčastejšie používame článok zložený zo sklenej a kalomelovej elektródy, pričom tieto môžu byť spojené do jedného kompaktného celku. Potenciál sklenej elektródy je funkciou ph, zatiaľ čo potenciál referenčnej elektródy sa zmenou ph nemení. Preto napätie článku, ktoré môžeme merať napr. elektrónkovým voltmetrom, je tiež funkciou ph. Z nameraného napätia môžeme určiť hodnotu ph. Princíp: Potenciál sklenej elektródy je lineárnou funkciou ph : E sk = A + B.pH (8) Pre potenciál merného článku platí: 5

E = E sk - E ref = A + B.pH - E ref = A +B.pH (9) Pretože E ref je za daných podmienok konštantný môžeme ho zlúčiť s konštantou A. Konštanty A, B v rovnici (9) sú neznáme a navyše sa časom menia. Preto je potrebné ich určiť kalibráciou merného článku. Na kalibráciu sa používajú štandardné tlmivé roztoky, ktorých hodnota ph je známa. Pri použití jedného tlmivého roztoku môžeme určiť konštantu A (obvykle sa jej hodnota nepočíta, ale riešením sústavy 2 rovníc o 2 neznámych sa eliminuje). Za konštantu B sa dosadzuje hodnota B 60 mv/ph. Táto hodnota bola určená empiricky a má aj teoretickú interpretáciu, ale pre naše účely nie je potrebné detailne sa týmto problémom zaoberať. Pre neznámu hodnotu ph x potom platí: ph x = phs + Ex Es B (10) Pri kalibrácii 2 tlmivými roztokmi môžeme eliminovať aj druhú, nie celkom známu hodnotu B, ktorá je vlastne smernicou závislosti E = f(ph). Prakticky všetky elektronické voltmetre, ktoré sa používajú na meranie ph, sú konštruované tak, že výpočet konštánt A, B nie je potrebný. Ovládacími potenciometrami sa pri kalibrácii nastavia hodnoty ph štandardných tlmivých roztokov na stupnici voltmetra a potom ponorením článku do roztoku s neznámou hodnotou ph túto priamo odčítame na stupnici prístroja. Takéto voltmetre majú stupnicu ciachovanú priamo v jednotkách ph a nazývajú sa ph-metre. Pracovný postup kalibrácie konkrétneho ph-metra je potrebné zistiť v návode na obsluhu prístroja, pretože pre rôzne typy prístrojov od rôznych výrobcov môže byť tento postup rôzny. Postup: Z pripravených zásobných roztokov silných a slabých kyselín a zásad pripravte 100 resp. 250 ml roztoku s dopredu určenou hodnotou ph podľa pokynov vedúceho cvičenia. Podľa pracovného postupu, ktorý je uložený pri prístroji, okalibrujete merný článok jedným alebo dvomi štandardnými tlmivými roztokmi. Pri práci sa riaďte pokynmi vedúceho cvičenia a nemanipulujte samostatne s ph-metrom resp. merným článkom. Sklená elektróda je krehká a ľahko sa rozbije! 6

Premerajte niekoľko krát vami pripravený roztok a porovnajte nameranú hodnotu s hodnotou vypočítanou. Pokúste sa vysvetliť prípadné rozdiely. Na výpočet použite nasledovné vzťahy: ph = - log a(h 3 O + ) log [H + ] Definičný vzťah Sörensena [H + ] = c(hb) pre silné jednosýtne kyseliny [H + ] = 10-14 / c(b) pre silné jednosýtne zásady [H + ] = (c(hb).k(hb)) 1/2 pre slabé jednosýtne kyseliny [H + ] = 10-14 / (c(hb).k(hb)) 1/2 pre slabé jednosýtne zásady [H + ] = ([HB].K(HB))/[B] pre tlmivé roztoky (Henderson-Hasselbach) V diskusii vysvetlite za akých predpokladov je použitie uvedených zjednodušených vzťahov opodstatnené. Kontrolné otázky: 1. Dokážte, že s použitím aspoň 2 kalibračných roztokov na kalibráciu merného článku (ph-metra) hodnoty konštánt A, B neovplyvnia správnosť merania ph. 2. Môžeme použiť na kalibráciu merného článku viac kalibračných roztokov, napr. 10? Ako by ste riešili túto úlohu? 3. Vypočítajte ph roztoku H 2 SO 4, ktorej koncentrácia je 10-3. mol/l. 4. Vypočítajte ph 10-8 M HCl. 3. Stanovenie tvrdosti vody komplexometricky Princíp: Tvrdosť vody je tvorená vápenatými a horečnatými soľami silných a slabých kyselín (sírany, hydrogenuhličitany). Je to dôležitý parameter kvality vody v technológii prípravy pitnej vody, v energetike, potravinárstve a iných odvetviach kde sa voda používa ako surovina vo výrobnom procese. Jednou z možností stanovenia tvrdosti vody je sumárne stanovenie iónov Ca 2+ a Mg 2+ titráciou s kyselinou etyléndiaminotetraoctvou (EDTA, H 2 Y 2- ). EDTA tvorí stabilné komplexy (cheláty) s mnohými katiónmi kovov v pomere 1:1. M 2+ + H 2 Y 2- > MY 2- + 2 H + 7

Koniec komplexometrickej titrácie je indikovaný metalochrómnymi indikátormi, ktoré vytvárajú s titrovanými kovmi farebné cheláty, ktorých stabilita je menšia ako stabilita chelátu s EDTA. Preto v tesnej blízkosti bodu ekvivalencie farebný chelát MInd zanikne, v roztoku zostane voľný indikátor Ind a chelát MY. Pretože chelát MInd má pri hodnote ph použitej pri titrácii inú farbu ako samotný indikátor Ind, farebná zmena roztoku môže slúžiť na vizuálnu indikáciu konca titrácie. M 2+ + HInd > MInd + H + MInd + H 2 Y > Ind + MY + 2H + červený modrý Tvrdosť vody sa vyjadrí hmotnostnou koncentráciou Ca, alebo CaO, alebo CaCO 3 v jednotkách mg/l. Výpočet vzhľadom na jednoduchú stechiometriu je tiež jednoduchý. V bode ekvivalencie platí: n(m) = n(y) (11) m(m)/m(m) = c(y).v e (Y) (12) m(m) = c(y).v e (Y).M(M) (13) Ak sa netitruje celá vzorka, ale iba jej časť celý výsledok sa násobí prevrátenou hodnotou podielu (časti), ktorý bol titrovaný. Napr. ak celkový objem vzorky je 250 ml a na titráciu vezmeme iba 10 ml výsledok titrácie je potrebné násobiť číslom z = 250/10 = 25. Postup: K 100 ml analyzovanej vody pridáme 10-20 ml amoniakálneho tlmivého roztoku (ph = 9-10), niekoľko kvapiek 5% roztoku Na 2 S a toľko tuhého indikátora Eriochrómová čerň T (ErioT), aby bol roztok zreteľne sfarbený vínovo červeno. Titrujeme odmerným roztokom EDTA, resp. jej dvoj sodnej soli (Chelaton 3) do modrého sfarbenia. Titráciu zopakujem 5-10 krát a z výsledkov vypočítame priemernú hodnotu tvrdosti vody a jej smerodajnú odchýlku. Poznámka: 1.Indikátor ErioT je v roztoku nestabilný a preto sa používa v tuhej zmesi s NaCl v pomere 1:100, alebo 1:1000. 8

2. Rozpustnosť kyseliny EDTA vo vode je pomerne malá, preto sa používa jej dvoj sodná soľ Na 2 H 2 Y. 3. Ak je voda príliš tvrdá (minerálne vody) a spotreba odmerného roztoku je veľká môžeme použiť aj menší objem vzorky, ktorý doplníme na objem 100 ml destilovanou vodou. Tvrdosť použitej destilovanej vody by mala byť nulová. Môžeme sa o tom presvedčiť tzv. slepým pokusom, titráciou 100 ml destilovanej vody, ktorú urobíme za rovnakých podmienok ako samotné stanovenie. V prípade, že spotreba EDTA na destilovanú vodu nie je nulová môžeme ju odpočítať od objemu EDTA spotrebovaného na titráciu vzorky. Kontrolné otázky: 1. Ktoré roztoky v odmernej analýze odmeriavame pipetami, byretami resp. odmernými bankami a ktoré odmernými valcami? 2. Môžeme odmerať objem titrovanej vody odmerným valcom? 3. Prečo sa pri komplexometrickom stanovení tvrdosti vody pridáva k titrovanej vzorke amoniakálny tlmivý roztok? 4. Akú úlohu má Na 2 S pri tomto stanovení? Môžeme jeho prídavok odmerať odmerným valcom? Doporučená literatúra ku všetkým 3 úlohám: 1. E.Gyepes, M.Foltin: Cvičenia z metód analytickej chémie II. UK Bratislava 1990 str. 8-10, 18-22, 29-32, 61-65. 2. F.Vláčil a kol.: Příklady z chemické a instrumentální analýzy. SNTL Praha 1983. str.23-29, 69-90. 9