VYSOKÁ ŠKOLA BÁŇSKÁ - TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA KATEDRA CHEMIE LABORATORNÍ CVIČENÍ - NÁVODY -

Transkript

1 VYSOKÁ ŠKOLA BÁŇSKÁ - TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA KATEDRA CHEMIE LABORATORNÍ CVIČENÍ - NÁVODY - OSTRAVA

2 VYSOKÁ ŠKOLA BÁŇSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA FAKULTA METALURGIE A MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ KATEDRA CHEMIE NÁVODY K LABORATORNÍMU CVIČENÍ Z CHEMIE (4H) 2

3 Příroda dala člověku rozum, aby se jí bránil, a srdce, aby se jí neubránil JEAN GALBERT DE CAMPRISTON 3

4 OBSAH Bezpečnost práce v chemické laboratoři.5 Chemické nádobí a pomůcky 8 Laboratorní řád..11 Používání chemikálií.12 Výpočty vztahující se k úlohám 13 Vedení poznámek a pracovní pomůcky 14 Úloha č. 1 Dělení směsí Úloha č. 2a Určení vzorce krystalohydrátu soli Úloha č. 2b Síla kyselin a zásad.. 20 Úloha č. 3a Srážecí reakce...22 Úloha č. 3b Ředění roztoků (kyseliny) volitelná úloha Úloha č. 3c Ředění roztoků (chlorid měďnatý dihydrát) volitelná úloha..26 Úloha č. 4a Acidobazický charakter roztoků Úloha č. 4b Acidobazická (neutralizační) titrace...29 Úloha č. 5a Elektrochemická řada napětí kovů...32 Úloha č. 5b Vlastnosti hydroxidů kovů..34 Úloha č. 6a Příprava nerozpustných uhličitanů srážením 38 Úloha č. 6b Stanovení molární hmotnosti kyslíku 41 Úloha č. 7a Oxidace a redukce. 43 Úloha č. 7b Příprava kyseliny trihydrogenborité..47 Úloha č. 8a Stanovení molární hmotnosti uhličitanů 48 Úloha č. 8b Příprava chromové žluti; sublimace kyseliny benzoové.50 Úloha č. 9a Neutralizace - příprava dusičnanu sodného; krystalizace..52 Úloha č. 9b Frakční krystalizace..55 Úloha č. 10 Příprava podvojných solí..57 Úloha volitelná: Příprava chromanu draselného..59 Úloha volitelná: Příprava Guinettovy zeleně.60 Úloha volitelná: Konverze solí Úloha volitelná: Příprava chromové zeleně..63 Přílohy.65 Tabulka: Tlak nasycených par vody Tabulka: Hustoty vody Použitá literatura

5 BEZPEČNOST PRÁCE V CHEMICKÉ LABORATOŘI Pro bezpečnou práci v chemické laboratoři platí předpisy určující povinnosti organizace a pracovníků, správné pracovní postupy, požadavky na vybavení laboratoří apod. Mezi nejdůležitější patří následující normy: Zákon 356/2003 Sb., o chemických látkách a přípravcích, ve znění pozdějších úprav. Zákon 258/2000 Sb., zákon o ochraně veřejného zdraví. ČSN Zásady pro bezpečnou práci v chemických laboratořích. ČSN Požární předpisy pro práci s hořlavými kapalinami [1]. 1) Provádíte pouze práce podle pokynů vyučujícího a pracovního návodu. 2) Seznámíte se s rozmístěním hasicích přístrojů a s únikovými východy z laboratoře. 3) V laboratoři nikdy nejíte, nepijete a nekouříte. Po skončení práce si důkladně umyjete ruce. 4) K jídlu a pití nikdy nepoužíváte chemické sklo. 5) Tašky a oblečení uložíte do skříní, nebo na místo, kde nebudou ohrožovat bezpečnost pohybu po laboratoři. 6) Při práci v laboratoři vždy nosíte pracovní plášť a vhodnou obuv. 7) Neprovádíte samovolné opravy nebo úpravy na elektrické instalaci a přístrojích. 8) Chemikálie nikdy nezkoušíte ústy a neinhalujete výpary. 9) Nepipetujete ústy. 10) Při práci se žíravinami a jinými nebezpečnými látkami si chrání te obličej a oči např. ochranným štítem, ruce gumovými rukavicemi. 11) Na pracovišti udržujete pořádek a čistotu. Dbejte, abyste vnější stěny používaných nádob a pracovní místo nepotřísnili chemikáliemi. 12) Koncentrované kyseliny a zásady ředí te tak, že kyselinu nebo zásadu lijete tenkým proudem po tyčince do vody za současného míchání a chlazení. 13) Při provádění pokusů ve zkumavkách drží te ústí zkumavek odvrácené od obličeje (svého i spolupracovníků). 14) Při práci s hořlavinami nesmí být v blízkosti otevřený oheň. Hořlaviny nikdy nezahříváte přímým plamenem, používáte lázně nebo topná hnízda. 15) Zvýšenou pozornost věnujte hlavně manipulaci s hořlavinami I. třídy, které mají teplotu vzplanutí do 21ºC (metanol, etanol, benzín, aceton, ether atd.). 16) Pokud vypukne požár, je každý povinen pokusit se ho zdolat vlastními silami (hasicím přístrojem, improvizovanými hasicími prostředky). Je nutno dále vypno ut elektrický 5

6 proud a pokusit se odstranit z okolí hořlavé látky a nádoby se stlačenými plyny. Nelze-li požár zvládnout vlastními silami, je nutné neprodleně volat hasiče (tel. číslo 150). 17) Střepy a jiné odpadky s ostrými hranami musí být odkládány do nádob zvlášť k tomu určených. 18) Zbytky nebezpečných látek likvidujte podle pokynů vyučujícího. 19) V případě nehody okamžitě informuj te vyučujícího a poskytněte první pomoc. Vedoucímu cvičení je třeba hlásit i každé nepatrné poranění. Ve všech případech je nutno sepsat protokol o poranění pro případ pozdějších komplikací. Se zásadami první pomoci Vás seznámí vedoucí cvičení na úvodní hodině [2]. Piktogramy používané k označování nebezpečnosti látek [3]. STRUČNÉ ZÁSADY PRVNÍ POMOCI Každý úraz v laboratoři musí být ihned ohlášen vedoucímu laboratorního cvičení, případně jeho asistentovi. V každé laboratoři je umístěna lékárnička. V řadě případů je však nutný okamžitý zásah, a proto jsou zde uvedeny pokyny pro poskytnutí první pomoci v nejběžnějších případech: 1. Poranění otevřená: a) Oděrky: na okolí rány aplikovat desinfekční prostředek a ránu opatřit sterilním krytím. b) Řezné rány: zastavit krvácení obvazem. Nedotýk áte se rány a té části obvazového materiálu, která se přiloží na ránu. Při velmi silném tepenném krvácení se tepna stiskne přímo v ráně, popř. se použije široké škrtidlo nad ranou. 2. Popálení, opaření: a) Menší: rychle ochladit (studená voda) minimálně 10 minut. 6

7 b) Větší: překrýt suchým sterilním krytím bez dalších zásahů, okamžitě zajistit rychlou dopravu k lékaři. 3. Poleptání kyselinami nebo louhem: a) Oči: rozevřete oční víčka a okamžitě důkladně vyplachuj te oči čistou vlažnou vodou směrem od vnitřního k vnějšímu koutku oka. Vyplachování má trvat asi 20 minut. b) Pokožka: odstraňte znečištěný oděv, oplachujte kůži proudem vody a pak ji omývejte gázou namočenou v neutralizačním roztoku: - při poleptání kyselinou: 2% NaHCO 3, v nouzi mýdlový roztok; - při poleptání zásadami: 3% kyselina citronová nebo 3% kyselina octová; - nakonec oplachujte v obou případech vodou. c) Ústní sliznice: ústa se vyplachují vodou a pak neutralizačním prostředkem (viz výše). 4. Při požití chemikálií: Vyvolat zvracení, např. požitím mýdlového roztoku, je -li třeba i opakovaně. Pak podat živočišné uhlí. Při bezvědomí a po požití kyselin nebo zásad zvracení nevyvolávat. Při požití kyselin: vypít co největší množství vody. Při požití zásad: opět vypít co největší množství vody, pak 2% kyselinu octovou. 5. Nadýchání toxických látek: Odstranit zamořený oděv, vynést postiženého na čerstvý vzduch a co nejdříve vyhledat lékařskou pomoc. V případech, kdy je nutný převoz do nemocnice, nebo při jakýchkoliv otravách a těžších úrazech, je třeba volat záchrannou službu, telefon ní číslo 155 [4]. Důležitá telefonní čísla: 7

8 CHEMICKÉ NÁDOBÍ A POMŮCKY Chemické nádobí je nejčastěji skleněné nebo porcelánové. Skleněné nádobí se podle vlastností a použití rozděluje na: a) skleněné nádobí varné (tzv. varné sklo) odolává prudkým změnám teploty a vyšším teplotám, b) skleněné nádobí technické (tzv. technické sklo) neodolává prudkým změnám teploty ani vyšší teplotě (praskne), c) skleněné nádobí odměrné (tzv. odměrné sklo) slouží k přesnému měření objemu kapalin. Nejčastěji používané základní laboratorní sklo je vyobrazeno na obrázcích s popisky uvedených níže. Pomůcky k měření objemů [5]. 1 odměrný válec, 2 odměrné baňky, 3 pipeta, 4 dělená pipeta, 5 byrety, 6 automatická pipeta. 8

9 9

10 Běžně používané laboratorní pomůcky [5]. 33- Petriho miska, 36 hustoměr, 39 zásobní lahve pro chemikálie, 40 skleněná tyčinka 10

11 LABORATORNÍ ŘÁD 1) Student je povinen se seznámit před zahájením práce v laboratoři s laboratorním řádem, s bezpečnostními předpisy a s poskytováním první pomoci. 2) Student je povinen přicházet do laboratoře včas a řádně připraven. Musí mít provedeny potřebné výpočty, znát vlastnosti látek, se kterými bude pracovat apod. Před zahájením cvičení vyučující ověřuje vypracování průpravných otázek a znalosti studentů k dané úloze. Pokud student nemá dostatečné znalosti k řešení dané úlohy, cvičení vykoná v náhradním termínu po domluvě s vyučujícím. 3) Každá absence musí být omluvena. Má-li student vážné osobní důvody, pro kte ré se nemůže zúčastnit cvičení, sdělí to vedoucímu cvičení předem. Každá zameškaná úloha musí být nahrazena. Na termínu náhradního cvičení se dohodne student s vedoucím cvičení. 4) Při práci v laboratoři musí mít student pracovní plášť a vhodnou obuv. 5) Před zahájením práce student odevzdá vyučujícímu vypracované průpravné otázky jako přípravu na výuku, dané úlohy, na listu papíru formátu A4. 6) Před zahájením práce student zkontroluje dle návodu pracovní stůl a připrave né pomůcky k absolvování úlohy. Všechny závady zjištěné před zahájením práce nebo v jejím průběhu neprodleně hlásí vedoucímu cvičení. 7) Při práci je nutné postupovat přesně podle návodů zadané úlohy a pokynů vyučujícího. Před používáním přístrojů se musí student nejprve seznámit s jejich obsluhou. 8) Průběh práce a dosažené výsledky si každý student zaznamenává do pracovního sešitu. Po skončení cvičení předloží výsledky, např. výpočty, chemické rovnice atd. vedoucímu cvičení ke kontrole. 9) Následující cvičení odevzdá každý student vypracovaný protokol, který musí obsahovat: a. Záhlaví: jméno a příjmení, datum, číslo a název úlohy. b. Teorie úlohy: stručný popis základního principu dané práce (neopisovat doslovně z návodu) c. Zadání: konkrétní úkoly, které je nutno provést d. Pracovní postup: krátký a výstižný popis činnosti. Postup je vhodné psát v bodech, které by měly mít časovou a logickou posloupnost 11

12 e. Výsledky práce: prezentace výsledků je odlišná podle typu úlohy. U chemických reakcí uveďte rovnice v molekulovém a iontovém tvaru. V případě měřených úloh je vhodné uvést naměřené údaje ve formě tabulky. f. Výpočty: je nutné uvést všechny typy provedených výpočtů. U každého výpočtu napište obecný vzorec, výraz s dosazenými hodnotami včetně jednotek a konečný výsledek. Je-li to účelné, uveďte výsledná data rovněž ve formě tabulky. g. Závěr: obsahuje krátké shrnutí celé práce a vyhodnocení dosažených výsledků. Zdůvodněte případné chyby při provádění práce, popř. zdůvodněte rozdíly mezi teoretickým a skutečným výsledkem. 10) Po skončení práce je student povinen dát své pracovní místo do pořádku, řádně umýt laboratorní sklo a opláchnout je destilovanou vodou. 11) Po skončení práce uzavřeme vodovodní kohoutky, plynový přívod k hořákům a vypneme elektrické spotřebiče. 12) Student smí opustit laboratoř až po kontrole dosažených výsledků a stavu pracovního stolu vyučujícím. 13) V laboratoři je zakázáno jíst, pít a kouřit. 14) Studenti jsou povinni dodržovat bezpečnostní předpisy. 15) Práce s jedovatými, těkavými a páchnoucími látk ami se provádí pouze v digestoři. 16) Při manipulaci s otevřeným ohněm, hořlavinami, žíravinami a jedovatými látkami je potřeba být zvláště opatrný. 17) Případné závady, nedostatky, nehody nebo poranění je nutné ihned hlásit vyučujícímu a v případě potřeby poskytnout okamžitě první pom oc. Se zásadami první pomoci Vás seznámí vedoucí cvičení. 18) Práce v laboratoři je zakázána těhotným ženám a matkám do konce 9. měsíce po porodu. POUŽÍVÁNÍ CHEMIKÁLIÍ 1) Při práci s chemikáliemi se seznamte, jak s danou chemikálií zacházet (především zda je chemikálie toxická a jak likvidovat její zbytky). 2) Student je zodpovědný za to, že používání m chemikálií neohrožuje zdraví své ani ostatních. 12

13 3) V případě, že student kontaminuje zařízení laboratoř e, je zodpovědný za řádný úklid. V případě, že je kontaminace takového rozsahu, že to nezvládne sám, kontaktuje vedoucího cvičení. 4) Student je povinný nekontaminovat zásobní lahve a originální balení chemikálií, které jsou určeny k výuce. Zakázáno je nabírat pipetou roztoky přímo ze zásobních či originálních lahví. 5) Použité chemikálie a jejich zbytky vylejte do výlevky a spláchněte proudem vody. Pokud nějaká chemikálie dochází, informujte vedoucího cvičení. 6) Hustota používaných roztoků je udávána při 20 C v g cm -3. Výstražné symboly na obalech podle zákona o chemických látkách a přípravcích [6]. VÝPOČTY VZTAHUJÍCÍ SE K ÚLOHÁM Množství produktu vzniklého chemickou reakcí se nazývá výtěžek reakce. Rozlišují se 3 typy těchto výtěžků: 1. Skutečný výtěžek (SV), který je roven množství produktu, jež skutečně získá te jeho izolací z reakční směsi. 2. Teoretický výtěžek (TV) udává maximální teoretické množství produktu, které může vzniknout z daných množství reaktantů. Zjišťuje se stechiometrickým výpočtem z chemické rovnice. 3. Relativní výtěžek (RV) je roven podílu skutečného a teoretického výtěžku produktu RV = SV TV 100% Relativní výtěžek charakterizuje úspěšnost provedení dané chemické reakce. Udává se obvykle v procentech, a proto bývá často označován jako procent uální výtěžek. 13

14 VEDENÍ POZNÁMEK A PRACOVNÍ POMŮCKY Do pracovního deníku je nutné provádět zápis výsledků laboratorních měření. Uvádí se zde veškeré výpočty související s danou úlohou, které v průběhu laboratorního cvičení kontroluje vedoucí laboratorního cvičení. Veškeré takto vypracované poznámky student řádně zpra cuje do laboratorního protokolu odpovídající kvality. Kromě pomůcek, které studenti obdrží k dané úloze, dále k práci v laboratoři bezpodmínečně potřebují: - ochranné pomůcky (plášť, gumové rukavice) - hadr, zápalky - kalkulačku - periodickou tabulku prvků, případně chemické tabulky. VZOR LABORATORNÍHO PROTOKOLU VYSOKÁ ŠKOLA BÁŇSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství KATEDRA CHEMIE Název a číslo laboratorní úlohy: Studijní skupina: Číslo pracovního stolu: Akademický rok: Studium: prezenční Ročník: Datum práce: Autor protokolu: Hodnocení: Teorie úlohy: Zadání úlohy: Pracovní postup: Výsledky práce: Výpočty: Závěr: 14

15 PLÁN LABORATORNÍCH CVIČENÍ (1. ročník FMMI) týden datum náplň 1. Úvodní hodina: Bezpečnost práce, organizace práce, podmínky zápočtu, laboratorní sklo a jiné pomůcky 2. Úloha č. 1: Dělení směsí Úloha č. 2a: Určení vzorce krystalohydrátu soli Úloha č. 2b: Síla kyselin a zásad Úloha č. 3a: Srážecí reakce Úloha č. 3b-3c: Příprava a ředění roztoků (výběr jedné úlohy) Úloha č. 4a: Acidobazický charakter roztoků Úloha č. 4b: Acidobazická (neutralizační) titrace Úloha č. 5a: Elektrochemická řada napětí kovů Úloha č. 5b: Vlastnosti hydroxidů kovů Úloha č. 6a: Příprava nerozpustných uhličitanů srážením Úloha č. 6b: Stanovení molární hmotnosti kyslíku Úloha č. 7a: Oxidace a redukce 7b: Příprava kyseliny trihydrogenborité Úloha č. 8a: Stanovení molární hmotnosti uhličitanů Úloha č.8b: Příprava chromové žluti; sublimace kyseliny benzoové Úloha č. 9a: Neutralizace příprava KNO 3, krystalizace. 9b: Frakční krystalizace 11. Úloha č. 10: Příprava podvojných solí 12. Náhrada chybějících úloh volitelné úlohy 13. Náhrada chybějících úloh volitelné úlohy 14. Udělování zápočtů Bodové hodnocení: každá úloha je hodnocena 3 body (2 body za domácí přípravu, praktické provedení a úspěšné zpracování výsledků; 1 bod za protokol v požadované kvalitě) celkem z deseti úloh je tedy možné získat maximální počet 30 bodů podmínkou udělení zápočtu je zisk minimálně 16 bodů 15

16 DĚLENÍ SMĚSÍ V technické praxi i v běžném životě se obvykle nesetkává me s čistými látkami, ale se směsmi. Existují heterogenní a homogenní soustavy. Má-li se určit složení směsi, je nutno jednotlivé složky směsi oddělit a zjistit jejich procentuální zastoupení. Obsah složky, která je obtížně stanovitelná, je možno určit dopočtem do 100%. Postup skládání filtračního papíru, schéma filtrace za sníženého tlaku [7]. Průpravné otázky jako příprava na výuku: 1. Vysvětlete pojem homogenní a heterogenní soustava. 2. Uvedené typy směsí rozdělte na homogenní a heterogenní: mořská voda (neberte v úvahu poletující písek a jiné nečistoty), smog, sklo, žula, mosaz, cement, ropa, vzduch (neberte v úvahu poletující popel, prach a jiné nečistoty), hasící pěna, křída ve vodě 3. Chemickou rovnicí vyjádřete vznik uhličitanu vápenatého podle bodu 3) pracovního postupu části B. Vypočítejte, jaká hmotnost uhličitanu draselného odpovídá vzniku 4 g uhličitanu vápenatého. Průpravné otázky ke zpracování do laboratorního protokolu: 1. Uveďte 3 metody dělení směsí, stručně je popište a na základě známých metod navrhněte oddělení těchto směsí: líh od vody, křídu od vody, jód od železných pilin, sůl z mořské vody, prach od vzduchu 2. Uveďte 3 fyzikální vlastnosti, na základě kterých je možné směsi oddělit. Zadání úkolů: Část A: Připravte heterogenní směsi. Část B: V zadaném vzorku směsi určete obsah vlhkosti, písku, uhličitanu draselného a chloridu sodného. Obsah jednotlivých složek vyjádřete pomocí hmotnostních a molárních zlomků a výsledky uspořádejte do tabulky. 16

17 Pracovní postup: Část A: 1) Do 3 zkumavek nalijte destilovanou vodu do poloviny jejich objemu. 2) Do první zkumavky přidejte trochu písku, do druhé saponát a do třetí olej. 3) Všechny zkumavky důkladně protřepejte. 4) Vzniklé 3 typy směsi pojmenujte a zapište do tabulky. Část B: zkumavka druh směsi 1) Stanovení vlhkosti Na porcelánovou misku navažte 10 g zadané směsi (všechna vážení provádějte s přesností na 0,01g), vložte do sušárny a sušte při teplotě 120 C asi 30 min. Vysušený vzorek nechte zchladnout v exsikátoru a zvažte. 2) Určení obsahu písku (nerozpustná složka) Nákres aparatury na filtraci za normálního tlaku. 1 stojan, 2- kádinka s filtrátem, 3- filtrační kruh, 4 nálevka, 5 skleněná tyčinka, 6 kádinka se směsí určenou k filtraci. Během sušení vzorku znovu navažte 10 g směsi, sesypte ji do kádinky a zalijte ji 50 cm 3 horké destilované vody (vodu zahřejte na začátku práce). Do filtrační nálevky založte filtrační papír a písek oddělte filtrací. Písek na filtru promyjte malým množstvím horké vody, a poté jej i s filtračním papírem vyjm ěte, rozložte na hodinové sklo a dejte sušit do sušárny. Po 30 minutách písek vyjm ěte ze sušárny a po zchladnutí v exsikátoru jej zv ažte. 3) Určení obsahu K 2 CO 3 Filtrát po oddělení písku zahřejte k varu a přidejte 50 cm 3 roztoku CaCl 2. Vzniklou sraženinu uhličitanu vápenatého nechte ustát a přefiltrujte na Bűchnerově nálevce. Po promytí sraženiny destilovanou vodou vyjm ěte filtrační papír s uhličitanem vápenatým a na hodinovém sklíčku jej vložte do sušárny asi na 15 minut. Suchý CaCO 3 zvažte a stechiometrickým výpočtem zjistěte obsah K 2 CO 3 ve směsi. Nutno uvést chemickou rovnici potřebnou k výpočtu. 17

18 4) Určení obsahu NaCl Obsah NaCl dopočítejte do 100%. Všechny potřebné údaje zaznamenejte do tabulky naměřených a vypočtených hodnot. Výpočty: stanovovaná složka vlhkost písek K 2 CO 3 porcelánová miska miska + směs miska + směs po vysušení vlhkost navážka směsi filtrační papír hodinové sklo písek po vysušení + sklo + filtr písek filtrační papír hodinové sklo CaCO 3 po vysušení + sklo + filtr CaCO 3 vypočtený K 2 CO 3 hmotnost [g] Vypočítejte hmotnosti zbylých složek tj. K 2 CO 3 a NaCl, dále určete hmotnostní a molární zlomky všech složek a výsledky uspořádejte do následující tabulky. složka m [g] M [g mol -1 ] n [mol] w x H 2 O SiO 2 K 2 CO 3 NaCl celkem URČENÍ VZORCE KRYSTALOHYDRÁTU SOLI Ve vodných roztocích solí působí mezi molekulami vody a částicemi solí mezimolekulární síly. U některých solí jsou tyto síly velké, což se projeví tím, že při krystalizaci soli z roztoku si daná sůl ponechá vodu ve své krystalové struktuře. Takto vázaná voda se nazývá krystalová voda a vzniklé soli krystalohydráty. Teprve za 18

19 vyšších teplot (řádově stovky stupňů Celsia) krystalohydrá ty uvolňují vodu a přecházejí na bezvodé soli. Příkladem krystalohydrátu je modrá skalice CuSO 4.5H 2 O (pentahydrát síranu měďnatého), která má modrou barvu. Žíháním postupně přechází na bezvodý síran měďnatý CuSO 4, který je bílý. Průpravné otázky jako příprava na výuku: 1) Určete molární hmotnost a název krystalohydrátů: MnCO 3.2H 2 O NaH 2 PO 4.H 2 O CaSO 4.½H 2 O 2) Vypočítejte, kolik gramů krystalové vody obsahuje 12 g Glauberovy soli Na 2 SO 4 10H 2 O. Průpravné otázky ke zpracování do laboratorního protokolu: 1) Určete název nebo vzorec uvedených krystalohydrátů: MgSO 4.7H 2 O hemihydrát síranu vápenatého KAl(SO 4 ) 2.12H 2 O tetrahydrát dusičnanu vápenatého (NH 4 ) 2 CO 3.H 2 O modrá skalice (NH 4 ) 2 Fe(SO 4 ) 2.6H 2 O monohydrát fluoridu sodného Zadání úkolu: 2) Uveďte alespoň dvě fyzikálně-chemické změny probíhající při zahřívání krystalohydrátů. Část A: Připravte dihydrát síranu vápenatého. Část B: Určete vzorec neznámého krystalohydrátu, který Vám bude zadán vyučujícím. Předpokládejte, že to bude jedna z následujících látek: Pracovní postup: CaSO 4.2H 2 O, Ca(NO 3 ) 2.4H 2 O, KAl(SO 4 ) 2.12H 2 O, Na 2 CO 3.10H 2 O. Část A: Do kádinky o objemu 100 cm 3 nalijte 10 cm 3 5% roztoku chloridu vápenatého (ρ=1,03 g cm -3 ). Roztok zahřejte a za neustálého míchání přidejte asi 12 cm 3 20% kyseliny sírové (ρ = 1,1394 g cm -3 ). Kádinku ochlaďte pod tekoucí vodou a sledujte vyloučení dihydrátu síranu vápenatého. 19

20 Sraženinu nechte usadit (dekantovat) na dně kádinky a opatrně odlijte čirou kapalinu. Produkt 2x promyjte destilovanou vodou, zfiltrujte na Büchnerově nálevce a vysušte v sušárně při teplotě maximálně 120ºC. Chemickou reakci zapište rovnicí. Vypočtěte teoretický a zjistěte skutečný výtěžek. Část B: Do tří zvážených porcelánových misek nav ažte (s přesností na 0,01 g) zadaný vzorek krystalohydrátu, který js te předem rozetřeli ve třecí misce na jemný prášek. Navážku volte v rozmezí 3-5 gramů. Misky se vzorkem žíhejte na elektrickém vařiči asi 45 minut. Teplotu je nutné regulovat tak, aby krystaly soli neprskaly z misky. Po odstranění veškeré krystalové vody (kontrolu prov eďte pomocí chladného hodinového skla) nechte misky se vzorkem vychladnout v exsikátoru a pak zvažte. Pozn.: Bezvodá sůl je velmi hygroskopická a slučuje se opět se vzdušnou vlhkostí, proto je nutno provést vážení v co nejkratší době. Všechny potřebné hmotnosti zaznamen ejte do tabulky. Proveďte příslušné výpočty hmotnostních zlomků krystalové vody u všech tří vzorků a získané hodnoty zprůměrujte. Označení vzorku Vzorek 1 Vzorek 2 Vzorek 3 hmotnost kelímku m 1 (g) hmotnost kelímku + vzorek m 2 (g) hmotnost kelímku po vyžíhání m 3 (g) navážka vzorku mvz = m 2 m 1 (g) hmotnost odpařené vody m 2 m 3 hmotnostní zlomek vody w H 2 O Nakonec určete vzorec krystalohydrátu tak, že porovnáte Vámi stanovenou hodnotu hmotnostního zlomku krystalové vody s vypočtenými hodnotami pro možné krystalohydráty. Případný rozdíl zdůvodněte. SÍLA KYSELIN A ZÁSAD Síla kyselin a zásad je dána hodnotou konstanty acidity K a respektive konstantou bazicity K b. Hodnota K a silných kyselin je větší než 10 0, slabých kyselin je kolem 10-4 a menší. Pro K b platí obdobná závislost, velká hodnota K b odpovídá silné zásadě. Reakcí kyseliny se zásadou vznikají soli. Po kud byla sůl vytvořena ze slabé kyseliny (tj. obsahuje anion slabé kyseliny), je tato kyselina při styku se silnější kyselinou ze soli vytěsněna. Vznikla-li sůl ze slabé zásady (tj. obsahuje kation slabé zásady), je obdobně možné vytěsnit tuto zásadu zásad ou silnější. Některé slabé kyseliny a zásady jsou tak nestálé, že se po kratší době rozloží. 20

21 Např.: H 2 CO 3 = H 2 O + CO 2 H 2 SO 3 = H 2 O + SO 2 H 4 SiO 4 = 2H 2 O + SiO 2 NH 4 OH = H 2 O + NH 3 Průpravné otázky jako příprava na výuku: 1) Na základě znalostí o síle kyselin a zásad rozhodněte, zda mohou či nemohou probíhat následující reakce a zdůvodněte: Ca 3 (PO 4 ) 2 + 3H 2 SO 4 2H 3 PO 4 + 3CaSO 4 KIO 4 + HCN HIO 4 + KCN Průpravné otázky ke zpracování do laboratorního protokolu: 1) Napište výraz pro konstantu acidity a bazicity pro dvě zvolené kyseliny a dvě zásady. 2) Pojmenujte a seřaďte kyseliny, zásady vzestupně podle rostoucí relativní síly od nejslabší po nejsilnější: HClO, HNO 3, HClO 4 CsOH, KOH, Cu(OH) 2 Zadání úkolu: Proveďte předepsané reakce a zaznamenejte jejich průběh pomocí molekulových a iontových rovnic. V tabulkách vyhledejte K a resp. K b příslušných kyselin a zásad a reakce zdůvodněte. Do protokolu zaznamenejte všechny pozorované změny při průběhu zadaných reakcí (např. změna barvy, zápach, bouřlivost reakce atd.). Pracovní postup: 1) K roztoku NH 4 Cl ve zkumavce přidejte 5% roztok NaOH (1,05 g cm -3 ) a zkumavku zahřejte. Vlhkým lakmusovým papírkem zjistěte reakci unikajícího plynu a čichovou zkouškou plyn identifikujte. 2) Do zkumavky s malým množstvím práškového uhličitanu vápenatého přidejte několik kapek 15% kyseliny chlorovodíkové (1,07 g cm -3 ). Pozorujte vznik plynu a popište jeho vlastnosti. 3) Upozornění: pracujte v digestoři! K trošce pevného siřičitanu sodného nebo draselného ve zkumavce přidejte pár kapek 20% kyseliny sírové (1,14 g cm -3 ). Upozornění: Vznikající slabá kyselina siřičitá se rozkládá a uniká štiplavě zapáchající oxid siřičitý. 4) Upozornění: pracujte v digestoři! Do zkumavky nasypte malé množství sulfidu železnatého a přidejte po kapkách 15% HCl (1,07 g cm -3 ). Pozorujte vznik plynu, popište jeho vlastnosti. Po ukončení reakce zkumavku důkladně vymyjte rovněž v digestoři! Zdůvodněte proč. 21

22 SRÁŽECÍ REAKCE Elektrolyty jsou látky, které jsou ve vodných roztocích disociovány na nabité částice ionty. Při smíchání roztoků dvou různých elektrolytů probíhá reakce mezi tě mito ionty. Jako srážecí se označují reakce, při nichž vzniká málo rozpustná látka sraženina. Ionty, které se sloučily na špatně rozpustnou látku, jsou v této sraženině pevně vázány. Vzniklá sraženina je v rovnováze s ionty, ze kterých vznikla. Koncentrace těchto iontů v roztoku je tím menší, čím menší je rozpustnost sraženiny. Mírou rozpustnosti obtížně rozpustných látek je tzv. součin rozpustnosti K S, který je definován jako součin relativních rovnovážných koncentrací jed notlivých iontů, umocněných na příslušné stechiometrické koeficienty. Např. z rovnice pro disociaci Fe(OH) 3 : vyjádříme součin rozpustnosti K S /Fe(OH) 3 /: Fe(OH) 3 (s) = Fe OH - K S /Fe(OH) 3 / = [Fe 3+ ]. [OH - ] 3 = 1, Čím menší je hodnota K S, tím je sraženina méně rozpustná. Ke vzniku sraženiny dojde tehdy, jsou-li koncentrace iontů v roztoku vyšší než odpovídá součinu rozpustnosti. Součin rozpustnosti je závislý na teplotě a je pro těžce rozpustné látky tabelován. Pro názornost jsou uvedeny hodnoty součinu rozpustnosti při t = 25 C pro vybrané sloučeniny: K S /BaSO 4 / = [Ba 2+ ]. [SO ] = 1, K S /Fe(OH) 2 / = [Fe 2+ ]. [OH - ] 2 = 1, K S /Fe(OH) 3 / = [Fe 3+ ]. [OH - ] 3 = 1, K S /PbCl 2 / = [Pb 2+ ]. [Cl - ] 2 = 2, K S /PbI 2 / = [Pb 2+ ]. [I - ] 2 = 8, Z uvedených sloučenin je při dané teplotě nejrozpustnější chlorid olovnatý a nejméně rozpustný hydroxid železitý. Průpravné otázky jako příprava na výuku: 22

23 1) Napište molekulovou a iontovou rovnici srážení oranžového dichromanu barnatého z roztoku chloridu barnatého dichromanem draselným. 2) Napište vztahy pro součiny rozpustnosti těchto látek: Pb(OH) 2, Ag 3 PO 4, Sb 2 S 3, CdCO 3 Průpravné otázky ke zpracování do laboratorního protokolu : 1) Pomocí chemických rovnic navrhněte přípravu těchto sraženin: CuCO 3, Cr(OH) 3, Ag 2 CrO 4 K přípravě sraženin využijte tyto sloučeniny: CuCl 2, Cr 2 (SO 4 ) 3, AgNO 3, KOH, Na 2 CO 3, K 2 CrO 4. Zadání úkolu: Proveďte ve zkumavkách srážecí reakce podle pracovního postupu. Napište molekulové i iontové rovnice provedených reakcí a zapište barvu vzniklých sraženin. Pracovní postup: 1) Připravte sraženiny hydroxidů měďnatého, železitého a nikelnatého. Do tří zkumavek nalijte malé množství roztoku NaOH (w=5%; 1,05 g cm -3 ). Do první zkumavky přidejte roztok CuSO 4, do druhé roztok FeCl 3 a do třetí roztok Ni(NO 3 ) 2. Zleva: hydroxid měďnatý, hydroxid železitý, hydroxid nikelnatý. Sraženinu hydroxidu měďnatého v první zkumavce mírně zahřejte nad kahanem. Hydroxid měďnatý se rozkládá na oxid měďnatý. 2) Připravte sraženiny fosforečnanu měďnatého, železitého a olovnatého. Do tří zkumavek nalijte malé množství roztoku Na 3 PO 4. Do první zkumavky přidejte roztok CuSO 4, do druhé roztok FeCl 3 a do třetí roztok Pb(NO 3 ) 2. Fosforečnan měďnatý. 23

24 3) Připravte sraženiny jodidů měďného a olovnatého. Do dvou zkumavek nalijte přiměřené množství roztoku jodidu draselného. Do první zkumavky přidejte dále roztok CuSO 4 a do druhé roztok Pb(NO 3 ) 2. Větší část vzniklé suspenze PbI 2 ve druhé zkumavce odlijte a ke zbylému asi 1 cm 3 sraženiny přidejte přibližně stejný objem destilované vody. Suspenzi povařte do rozpuštění sraženiny. Pokud se sraženina nerozpustí, část suspenze znovu odlijte, přidejte trochu vody a opakujte zahřívání. Vzniklý čirý roztok ochlaďte pod tekoucí vodou. Po ochlazení se PbI 2 vysráží ve formě lesklých šupinek, zvaných zlatý déšť. Jodid olovnatý a jodid měďnatý stáním vznikl CuI a roztoku jódu. 4) Připravte sraženiny chromanu měďnatého, železitého a olovnatého. Do tří zkumavek nalijte přiměřené množství roztoku K 2 CrO 4. Do první zkumavky přidejte roztok CuSO 4, do druhé roztok FeCl 3 a do třetí roztok Pb(NO 3 ) 2. Porovnejte barevné odstíny sraženin Cu(I,II) v úkolech 1), 2), 3) a 4). Výsledná sraženina v úkolu 3) CuI je bílá, vysvětlete hnědé zabarvení roztoku. ŘEDĚNÍ ROZTOKŮ Roztok je definován jako homogenní soustava o dvou nebo více složkách. Podle skupenství se rozeznávají roztoky plynné, kapalné a tuhé. V laboratořích se nejčastěji setkáváme s kapalnými roztoky, které obsahují dvě složky. Kapalná složka, která bývá v nadbytku, se nazývá rozpouštědlo, druhá složka se nazývá rozpuštěná látka. Je-li rozpouštědlem voda, hovoří se o vodných roztocích. O ředění roztoků hovoříme tehdy, připravují-li se z koncentrovanějších roztoků roztoky zředěnější. K ředění lze použít buď čisté rozpouštědlo, např. vodu nebo roztoky o nižší koncentraci než je ta, která se má připravit. K výpočtu množství jednotlivých roztoků eventuálně rozpouštědla používáme směšovací rovnici, která vychází z hmotnostní bilance, protože neplatí aditivita objemů. Průpravné otázky jako příprava na výuku: 1) Vypočítejte hmotnost roztoku kyseliny sírové o hmotnostním zlomku w=10% (1,07 g cm -3 ), potřebnou k přípravě 100 cm 3 roztoku o koncentraci c = 0,5 mol dm

25 2) Napište směšovací rovnici pro ředění roztoků v takovém tvaru, aby z n í šlo vypočítat objemy roztoků. Průpravné otázky k vypracování do protokolu: 1) Vypočítejte hmotnost síranu draselného, kterou je třeba přidat do 250 g roztoku síranu o hmotnostním obsahu 10% K 2 SO 4, aby vznikl roztok nasycený při teplotě 100ºC. Rozpustnost síranu draselného při 100ºC je 23,1 g K 2 SO 4 /100 g vody. Zadání úkolu: Ze základního roztoku kyseliny sírové a vody připravte zředěnější roztok podle individuálního zadání vedoucího cvičení. Změřte objem a hustotu vzniklého roztoku a určete skutečný hmotnostní zlomek kyseliny sírové. Pracovní postup: Hustoměrem změřte hustotu výchozího roztoku H 2 SO 4. Podle tabulky hustot určete hmotnostní zlomek výchozí kyseliny (lineární interpolací vypočt ěte hmotnostní zlomek kyseliny sírové na tři platné číslice). Pomocí směšovací rovnice vypočtěte objem výchozí kyseliny sírové a vody potřebné k přípravě zadaného množství roztoku. Výpočet předlož te ke kontrole vedoucímu cvičení. Odměrným válcem odměřte vypočítaný objem vody, toto množství přelij te do kádinky a pomalu za stálého míchání přidáv ejte vypočtený objem výchozí kyseliny. Roztok nechte zchladnout, pak ho přelijte do odměrného válce a určete jeho objem. Hustoměrem změřte hustotu a za pomocí tabulky hustot roztoků kyseliny sírové urč ete skutečný hmotnostní zlomek připravené kyseliny sírové. Pozn.: Při ředění buďte opatrní, neboť dochází k uvolňování značného množství tepla. Při polití rukou kyselinou si je okamžitě opláchněte proudem vody a zneutralizujte roztokem Na 2 CO 3. K výpočtu použijte směšovací rovnici. Pro naměřené a vypočtené hodnoty sestavte výslednou tabulku. Zadaný roztok objem V 3 cm 3 hmotnostní zlomek w 3 % hustota ρ 3 g cm -3 Výchozí roztok hustota ρ 1 g cm -3 hmotnostní zlomek w 1 % objem V 1 cm 3 objem vody V 2 cm 3 Připravený roztok * objem V 3 * hustota ρ 3 * hmotnostní zlomek w 3 cm 3 g cm -3 % 25

26 ŘEDĚNÍ ROZTOKŮ (volitelná úloha za úlohu 3b) Příprava a ředění roztoků jsou častou laboratorní operací. Při přípravě molárních roztoků se vychází ze vztahu: c(a) = m(a) M(A) V Při ředění vodou se látkové množství látky rozpuštěné v roztoku nemění, proto platí vztah: c 1 molární koncentrace výchozího roztoku V 1 objem výchozího roztoku c 1 V 1 = c 2 V 2 c 2 molární koncentrace připravovaného roztoku V 2 objem připravovaného roztoku Příprava různě koncentrovaných roztoků dihydrátu chloridu měďnatého. Průpravné otázky jako příprava na výuku: 1) Vypočítejte hmotnost dihydrátu chloridu měďnatého potřebného k přípravě 100 cm 3 roztoku o koncentraci 0,4 mol dm -3. 2) Jaká je molární koncentrace roztoku HCl, který ve 200 cm 3 obsahuje 0,3 mol HCl? Průpravné otázky ke zpracování do laboratorního protokolu: 1) Vyhledejte minimálně dvě instrumentální metody, kterými lze stanovit koncentrace vodných roztoků. 2) Určete látkovou koncentraci roztoku HCl o hmotnostním zlomku 20 % a hustotě 1,1 g cm -3. Zadání úkolu: Připravte 100 cm 3 roztoku chloridu měďnatého o koncentraci 0,4 mol dm -3. Z tohoto roztoku připravte sadu roztoků o koncentraci 0,3; 0,1; 0,08; 0,06; 0,04 mol dm -3. Porovnejte barevné odstíny jednotlivých připravených roztoků. 26

27 S rostoucí koncentrací intenzita zbarvení roztoku roste. Pracovní postup: Nejprve vypočtěte hmotnost dihydrátu chloridu měďnatého potřebnou k přípravě 100 cm 3 roztoku o koncentraci 0,4 mol dm -3. Vypočítané množství navažte a rozpusťte v kádince v 50 cm 3 destilované vody. Roztok převeďte kvantitativně do odměrné baňky, doplňte destilovanou vodou do ¾ objemu baňky a důkladně promíchejte. Pak doplňte destilovanou vodou přesně na objem 100 cm 3 a znovu promíchejte. Z takto připraveného roztoku odpipetujte do připravených čistých zkumavek vypočtené objemy a doplňte vodou na objem 10 cm 3 (rovněž pipetou). Roztoky ve zkumavkách promíchejte. ACIDOBAZICKÝ CHARAKTER ROZTOKŮ Jednou z podstatných vlastností vodných roztoků je jejich acidobazický charakter. Kyselost či zásaditost roztoků lze určit pomocí látek, označovaných jako acidobazické indikátory. Jsou to látky, jejichž zbarvení závisí na hodnotě ph roztoku. Změna zabarve ní v závislosti na ph je způsobena změnou struktury indikátoru, což vyvolává absorpci světla v jiné oblasti viditelného spektra. Každý indikátor mění své zabarvení při určité hodnotě ph (např. pro indikátor methyloranž nastává barevná změna kolem ph = 4, p ro fenolftalein okolo ph = 8). S acidobazickými indikátory se setkává me v laboratoři buď ve formě roztoku, nebo indikačního papírku, což je proužek filtračního papíru napuštěný roztokem indikátoru a vysušený. Mírou kyselosti a zásaditosti roztoku je vodíkový exponent ph. Jeho hodnotu určujeme v laboratoři buď pomocí univerzálního ph papírku nebo pomocí elektronických přístrojů, tzv. ph-metrů. Obsah iontů H 3 O + má totiž vliv na potenciál některých elektrod (např. skleněné). Potenciál takovéto elektrody musí být měřen vůči referenční, na ph nezávislé, elektrodě. Pro tento účel se nejčastěji používá kalomelová elektroda. Ze změřeného napětí, tj. z rozdílu potenciálů skleněné a kalomelové elektrody, lze určit ph. Průpravné otázky jako příprava na výuku: 1) Uveďte, jaké hodnoty ph má prostředí kyselé, neutrální, zásadité a přiřaďte do každé ph oblasti dvě látky (roztoky). 27

28 2) Rozhodněte, ve které z následujících reakcí se voda chová jako kyselina a ve které jako zásada: HI + H 2 O H 3 O + + I - NH 3 + H 2 O NH OH - 3) Vypočítejte ph roztoku kyseliny chloristé o koncentraci mol dm -3. Průpravné otázky ke zpracování do laboratorního protokolu: 1) Napište definiční vzorce pro iontový součin vody K V a vodíkový exponent ph. 2) Který z následujících roztoků, popsaný určitou koncentrací oxoniových nebo hydroxidových iontů, je kyselý, zásaditý nebo neutrální: [OH - ] = 10-1 mol dm - 3 [H 3 O + ] = 10-3 mol dm -3 [H 3 O + ] = [OH - ] Zadání úkolů: a) Pomocí ph-metru změřte ph roztoků HCl (0,1 mol dm -3 ) a NaOH (0,1 mol dm -3 ) a porovnejte s hodnotou ph zjištěnou pomocí univerzálního ph -papírku. b) K dispozici máte neoznačený vzorek roztoku. Určete pomocí vybraných indikátorů, o který z uvedených roztoků se jedná: K 2 SO 4, AlCl 3, NaNO 3, Na 2 CO 3. Dvě z těchto solí mají přibližně stejné ph, díky tomu nelze tyto roztoky solí rozlišit. Navrhněte srážecí reakci a dokažte, o kterou sůl se přesně jedná. Napište rovnice hydrolýz y solí v molekulovém a iontovém tvaru. c) Zjistěte pomocí univerzálních indikátorových papírků ph roztoků: NaCl, NH 4 Cl, BaCl 2, Na 2 SO 3, NaOH, HCl a seřaďte roztoky do tabulky podle rostoucího ph. nejnižší ph nejvyšší ph Pracovní postup: ad a) Při práci s ph-metrem musíte dbát na to, aby před měřením ph zkoumaného roztoku byla elektroda omytá a osušená. Měřené roztoky nalijte do malých čistých nádobek a ponořte do nich elektrodu tak, aby se nedotýkala dna nádoby. Na displeji měřicího přístroje pak odečtěte hodnotu ph roztoku. Po ukončení práce s ph-metrem ponořte opláchnutou elektrodu do nádobky s destilovanou vodou. ad b) Zkumavku naplňte asi z jedné čtvrtiny roztokem neznámé soli a přid ejte vybrané indikátory. Určete acidobazický charakter roztoku a pomocí iontových rovnic hydrolýzy solí vyberte odpovídající sůl. Nápověda, viz tabulka. zabarvení v prostředí barevný indikátor kyselejším zásaditějším přechod v oblasti ph methylová červené/oranžové oranžové/žluté 3,1 4,4 oranž methylová červené žluté 4,4 6,3 červeň kongo červeň modré/modrofialové červené 3,0 5,5 tashiro fialové zelené 4,2 6,2 fenolftalein bezbarvé červenofialové 8,0 9,8 28

29 ad c) Na kousek indikátorového papírku kápněte čistou skleněnou tyčinkou kapku měřeného roztoku a zbarvení porovn ejte s barevnou stupnicí na obalu balení univerzálních indikátorových papírků. Výsledky zaznamenáte do následující tabulky. roztok ph (hodnota) barva ACIDOBAZICKÉ NEUTRALIZAČNÍ TITRACE Při smíchání vodných roztoků kyseliny a zásady proběhne protolytická reakce mezi ionty H 3 O + a OH - za vzniku vody (H 3 O + + OH - = 2H 2 O). Uvedená reakce se nazývá neutralizace. Je podstatou jedné z metod odměrné analýzy tzv. acidobazické titrace. Při této metodě se používají roztoky kyseliny nebo zásady o přesně známé molární koncentraci, které se nazývají odměrné roztoky. Při titraci se přidává z byrety (obrázek níže) po malých dávkách odměrný roztok jedné látky (tzv. titrantu) do titrační baňky s daným množstvím roztoku druhé látky až po dosažení kvantitativního průběhu reakce. To je stav, při kterém právě zreagovala ekvivalentní množství obou látek. Při titracích se kvantitativní ukončení reakce nazývá bod ekvivalence. Na jeho indikaci se používá vhodně vybraný acidobazický indikátor, který na přechod z kyselého prostředí do prostředí zásaditého nebo naopak reaguje barevnou změnou. Při vzájemné neutralizaci kyseliny K a zásady Z platí obecný vztah: n n k z k kde k, z jsou příslušné stechiometrické koeficienty. Dosazením za látková množství n = cv, dostaneme vztah: z ckv c V z k z k z 29

30 Schéma aparatury pro titraci [8]. Průpravné otázky jako příprava na výuku: 1) Jakou molární koncentraci bude mít roztok KOH, jestliže na neutralizaci 10 cm 3 tohoto roztoku bylo spotřebováno 5,25 cm 3 roztoku H 2 SO 4 o koncentraci 0,2528 mol dm -3? 2) Kolik gramů dusičnanu stříbrného (AgNO 3 ) je třeba navážit k přípravě 500 cm 3 roztoku o c = 0,050 mol dm -3? Průpravné otázky ke zpracování do laboratorního protokolu: 1) Napište molekulovou i iontovou rovnici neutralizace hydroxidu sodného roztokem kyseliny sírové. 2) Jaký objem 34% HCl (ρ = 1,1691 g cm -3 ) potřebujete na přípravu 1 dm 3 odměrného roztoku o c = 0,200 mol dm -3? Zadání úkolů: 1) Připravte 100 cm 3 roztoku NaOH o molární koncentraci, kterou zadá vedoucí cvičení. 2) Připravený roztok NaOH použijte k provedení acidobazické titrace. Roztok neutralizujte roztokem HCl o přesně známé koncentraci (c = 0,500 mol dm -3 ). Jako indikátor použijte tashiro nebo fenolftalein. 3) Změřte objem spotřebované kyseliny a výpočtem zjistěte skutečn ou hodnotu molární koncentrace Vámi připraveného vzorku. Pracovní postup: a) Příprava odměrného roztoku NaOH vypočtěte hmotnost NaOH potřebnou na přípravu zadaného roztoku. Vypočtené množství nav ažte na porcelánové lodičce a spláchněte střičkou do kádinky o objemu 100 cm 3. Přidejte destilovanou vodu asi do poloviny kádinky a NaOH rozpusťte. Po rozpuštění obsah kádinky kvantitativně převeďte do odměrné baňky o objemu 100 cm 3, doplňte vodou po rysku. Roztok homogenizujte protřepáním baňky (hrdlo baňky ucpěte prstem). 30

31 Kvantitativní převádění roztoku do odměrné baňky [8]. Správný způsob držení odměrné baňky při promíchávání roztoku; a) u malých odměrných baněk; b) držení oběma rukama u velkých odměrných baněk [8]. b) Byretu o objemu 25 cm 3 naplňte až po rysku roztokem HCl o známé koncentraci. Z připraveného roztoku hydroxidu odpipetujte do titrační baňky 20 cm 3 roztoku, přidejte několik kapek zvoleného indikátoru a z byrety přikapáv ejte kyselinu tak, že po každém přídavku krouživým pohybem zamích ejte roztok v titrační baňce. Pod titrační baňku je vhodné umístit filtrační papír, aby byl lépe viditelný barevný přechod při titraci. Jakmile první kapkou dosáhnete trvalé barevné změny indikátoru, odečtěte na stupnici byrety objem kyseliny. Spotřebovaný objem kyseliny použijte k výpočtu přesné koncentrace připraveného roztoku NaOH. c) Titraci opakujte 2x pro dosažení přesnějších výsledků. Výsledky zpracujte do přehledné tabulky. zadaná koncentrace NaOH (mol dm -3 ) vypočtená navážka NaOH pro přípravu 100 cm 3 (g) objem spotřebované HCl o c=0,500 mol dm -3 (cm 3 ) 1. měření 2. měření skutečná koncentrace NaOH (mol dm -3 ) 31

32 ELEKTROCHEMICKÁ ŘADA NAPĚTÍ KOVŮ Kovy ve styku se svými kationty vytvářejí kationtové elektrody. Jejich seřazením podle rostoucí hodnoty standardních elektrodových potenciálů vznikne řada napětí kovů. Na postavení kovů v této řadě závisí jejich chemické chování, především možnost jejich vytěsnění (tj. redukce) z roztoku nebo naopak jejich rozpouštění (tj. oxidace). Kovový prvek s nižším potenciálem vytěsní z roztoku kov s potenciálem vyšším a vystupuje proto jako redukční činidlo. Ukázka vybraných kovů: zleva měď, hliník, olovo, zinek a cín. Kovy se záporným potenciálem neboli kovy neušlechtilé, mohou redukovat ionty H 3 O + a rozpouštějí se proto v neoxidujících kyselinách (HCl, HBr, zředěná H 2 SO 4 a další) za vývoje vodíku. Kovy s kladným potenciálem, tj. kovy ušlechtilé, lze rozpouštět v kyselinách s oxidačními účinky (horká konc. H 2 SO 4, HNO 3 a další), přičemž nemůže vznikat vodík. Při použití neoxidujících kyselin je nutné přidat oxidační činidlo. Kov 2 reaguje s oxoaniontem kyseliny (SO - - 4, NO 3 atd.) a redukuje ho za vzniku SO 2, NO, NO 2 apod. V kyselinách se silnými oxidačními účinky nevzniká vodík ani při rozpouštění neušlechtilých kovů. Kovy se značně zápornými potenciály lze rozpouštět i ve vodě, neboť velmi neušlechtilý kov je schopen redukovat ionty H 3 O + i při tak nízké koncentraci, jaká je ve vodě. Některé neušlechtilé kovy, jejichž oxidy vykazují amfoterní charakter, se rozpouštějí za vzniku vodíku i v roztocích silných hydroxidů (NaOH, KOH ). Průpravné otázky jako příprava na výuku: 1) Napište a vysvětlete Nernstovu rovnici pro výpočet elektrodového potenciálu kationtové elektrody. 2) Určete, zda reakce bude probíhat. Pokud ano, zapište úplnou chemickou rovnici: a) Zn + AgNO 3 b) Cu + HCl c) Fe + NaCl d) CdCl 2 + H 2 Průpravné otázky ke zpracování do protokolu: 1) Rozdělte tyto kovy mezi ušlechtilé a neušlechtilé. Uveďte hodnoty jejich standardních elektrodových potenciálů: a) Rtuť 32

33 b) Platina c) Kadmium d) Nikl e) Molybden 2) Kolik gramů železa je zapotřebí k vytěsnění 5 g mědi z roztoku síranu měďnatého? Zadání úkolů: Část A: Ověřte možnost vytěsnění zadaných kovů z jejich roztoků mědí, železem a zinkem (případně cínem, hliníkem, olovem). Zdůvodněte průběh reakcí a vyjádřete jej iontovými rovnicemi. Část B: Proveďte předepsané reakce rozpouštění kovů, popište jejich průběh a vysvětlete je z hlediska postavení kovu v elektrochemické řadě napětí. Reakce vyjádřete rovnicemi v molekulovém a iontovém tvaru. Pracovní postup: Část A: Do šesti zkumavek nalijte postupně roztoky solí daných kovů v pořadí uvedeném ve výsledkové tabulce. Výška kapalinového sloupce ve zkumavce má být asi 1 cm. V uvedeném pořadí ponořte postupně na chvíli do roztoků očištěný měděný drát a sledujte vylučování kovů. Zaznamenejte, od kterého roztoku se již na mědi kovy nevylučují. Před ponořením do dalšího roztoku drát vždy dobře očist ěte smirkovým papírem, případně ponořením do kyseliny dusičné. Stejný postup opakujte s železnou tyčinkou. Povrch železa očist ěte smirkovým papírem a kyselinou chlorovodíkovou. Nakonec vyzkoušejte vylučování kovů na zinkovém pásku. Povrch zinku očist ěte podobně jako povrch železa. Ve všech případech zaznamenejte nejen vyloučení kovu, ale i jeho vzhled. Výsledky uveďte v tabulce (pozn.: pro vyloučení kovu použijte znaménko +, pokud se kov nevylučuje, znaménko - ) kov Sůl Cu 2+ Cr 3+ Co 2+ Pb 2+ Cd 2+ Mn 2+ Ni * Fe * Zn (Al) * Sn * Cu (Pb) * * kov, s kterým se nepracuje, škrtn ěte Část B: Rozpouštění kovů proveďte ve zkumavkách. Do zkumavky nalijte menší množství daného roztoku a přidejte několik kousků hoblinek nebo drátků příslušného kovu. Průběh reakcí zapište chemickými rovnicemi. 1) Do zkumavky uchycené ve stojanu vložte hliníkový plíšek ( nastříhaný alobal). Přilijte 5 cm 3 roztoku 0,1 mol dm -3 NaOH. Vznikající vodík jímejte do zkumavky 33

34 otočené dnem vzhůru a jeho přítomnost dokažte přiložením ústí zkumavky k plameni kahanu (zvuková zkouška). 2) Ve dvou zkumavkách rozpusťte trochu olověných pilin, jednou v koncentrované kyselině chlorovodíkové a podruhé v koncentrované kyselině dusičné. Zdůvodněte průběh obou reakcí. 3) Připravte 4 zkumavky, dvě se zředěnými kyselinami dusičnou a chlorovodíkovou a dvě s koncentrovanými kyselinami dusičnou a chlorovodíkovou. - Do zkumavek se zředěnými kyselinami, přidejte kousek mědi a sledujte průběhy chemických reakcí. - Do zkumavek s koncentrovanými kyselinami přidejte kousek mědi a sledujte průběhy chemických reakcí. - Porovnejte průběhy reakcí mědi s koncentrovanými a zředěnými kyselinami a vysvětlete případné rozdíly. - Do zkumavky s mědí a zředěnou kyselinu chlorovodíkovou přidejte peroxid vodíku H 2 O 2 (konc.). Roztok změní barvu, což je důsledkem rozpouštění mědi. Peroxid vodíku oxiduje měď na CuO a ten reagu je s kyselinou chlorovodíkovou. VLASTNOSTI HYDROXIDŮ KOVŮ Oxidy většiny prvků reagují s vodou. Při této reakci vznikají buď kyseliny, nebo zásady: Na 2 O (zásadotvorný oxid) + H 2 O = 2NaOH (zásada) SO 3 (kyselinotvorný oxid) + H 2 O = H 2 SO 4 (kyselina) Hydráty některých oxidů mohou v závislosti na prostředí vystupovat jako kyseliny i jako zásady. Označujeme je jako amfoterní hydroxidy. Amfoterní hydroxidy vykazují v kyselém prostředí vlastnosti zásad a v zásaditém prostředí vlastnosti kyselin, např.: As OH - = As(OH) 3 = 3H + + AsO Podobně lze vysvětlit i disociaci jiných amfoterních hydroxidů, např. hydroxidu zinečnatého a hlinitého s tím rozdílem, že v zásaditém prostředí vznikají komplexní tetrahydroxozinečnatanové ionty [Zn(OH) 4 ] 2 - a tetrahydroxohlinitanové ionty [Al(OH) 4 ] -. Při reakci amfoterního hydroxidu se silnými kyselinami a se silnými zásadami vzniká vždy sůl. Kov amfoterního hydroxidu je však v prvním případě vázán v kationtu a ve druhém případě v aniontu vzniklé soli. Průpravné otázky jako příprava na výuku: 1) Rozdělte oxidy na kyselinotvorné, zásadotvorné, am foterní a uveďte jejich vzorce: a) oxid boritý b) oxid barnatý c) oxid dusitý d) oxid chromový e) oxid křemičitý f) oxid beryllnatý 34

35 Průpravné otázky ke zpracování do laboratorního protokolu: 1) Vyberte amfoterní hydroxidy přechodných kovů, napište jejich vzorce a navrhněte přípravy: a) hydroxid strontnatý b) hydroxid zinečnatý c) hydroxid chromitý 2) Napište rovnici termického rozkladu hydroxidu zinečnatého. Pojmenujte produkt a napište možné aplikační možnosti vzniklého produktu. Zadání úkolů: Přesvědčte se o vlastnostech hydroxidu olovnatého, chromitého a kobaltnatého. Průběhy reakcí popište (barevné změny, rychlost reakce, uvolňování případných plynných produktů, změny u produktů sraženin rozpuštění, popř. vyloučení) a sestavte molekulové rovnice. V digestoři budou pracovat maximálně 2 studenti (u úloh označených symbolem ). Ostatní studenti budou pokračovat v dalších dílčích úkolech. Poté se studenti prostřídají. Pracovní postup: 1) Připravte si tři zkumavky A, B a C. Do zkumavky A dejte roztok olovnaté soli a přídavkem zředěného roztoku hydroxidu amonného kvantitativně vysrážejte hydroxid olovnatý. Vzniklou suspenzi rozdělte do dalších dvou zkumavek B a C tak, aby ve zkumavce A část sraženiny zůstala. Pb 2+ (aq) + 2 OH (aq) Pb(OH) 2 (s) Zkumavka A ke sraženině hydroxidu olovnatého přidejte nadbytek roztoku hydroxidu sodného (5%; 1,05 g cm -3 ). Následně přidejte ještě několik kapek 30% peroxidu vodíku. Pb(OH) 2 (s) + 2 OH (aq) [Pb(OH) 4 ] 2 - (aq) Zkumavka B ke sraženině hydroxidu olovnatého přidejte nadbytek roztoku kyseliny dusičné (30%; 1,18 g cm -3 ). Pb(OH) 2 (s) + 2 HNO 3 (aq) Pb(NO 3 ) 2 (aq) + 2 H 2 O (l) 35

36 Zkumavka C V digestoři! Ke sraženině Pb(OH) 2 přidejte mírný nadbytek koncentrovaného roztoku amoniaku. V tomto případě nedochází k rozpouštění sraženiny hydroxidu olovnatého. Obsah zkumavky poté ihned vylijte do výlevky a zkumavku vypláchněte vodou. Pb(OH) 2 (s) + NH 4 OH(aq) 2) Připravte si opět tři zkumavky A, B a C. Do zkumavky A dejte roztok chromité soli a přídavkem roztoku hydroxidu sodného (5%) kvantitativně vysrážejte hydroxid chromitý. Vzniklou suspenzi rozdělte do dalších dvou zkumavek B a C tak, aby ve zkumavce A část sraženiny zůstala. Cr 3+ (aq) + 3 OH (aq) Cr(OH) 3 (s) Zkumavka A ke sraženině hydroxidu chromitého přidejte nadbytek roztoku hydroxidu sodného (5%; 1,05 g cm -3 ). Nadbytkem silné zásady se zelená sraženina hydroxidu chromitého rozpouští na tmavozelený roztok obsahující ionty Cr(OH) 4 -. Cr(OH) 3 (s) + OH (aq) [Cr(OH) 4 ] (aq) Do zkumavky následně přidejte několik kapek 30% peroxidu vodíku. Vzniká žlutý roztok chromanu sodného. 2 Cr(OH) 4 (aq) + 3 H 2 O 2 (aq) + 2 OH (aq) 2 CrO 4 2 (aq) + 8 H 2 O(l) 36

37 Zkumavka B ke sraženině hydroxidu chromitého přidejte nadbytek roztoku kyseliny dusičné (30%; 1,18 g cm -3 ). Dochází k rozpuštění sraženiny, vzniká Cr(NO 3 ) 3. Cr(OH) 3 (s) + 3 HNO 3 (l) Cr(NO 3 ) 3 (aq) + 3 H 2 O(l) Zkumavka C V digestoři! Ke sraženině hydroxidu chromitého přidejte mírný nadbytek koncentrovaného amoniaku. Dochází k rozpouštění sraženiny hydroxidu chromitého za vzniku hexaamminchromitého iontu [Cr (NH 3 ) 6 ] 3+. Z roztoku se v průběhu času vylučuje modrofialová sraženina. Cr(OH) 3 (s) + 6 NH 3 (l) [Cr(NH 3 ) 6 ](OH) 3 3) Připravte si tři zkumavky A, B a C. Zkumavka A K roztoku kobaltnaté soli přidejte roztok hydroxidu sodného (5%; 1,05 g cm -3 ), vzniká modrá sraženina hydroxidu kobaltnatého. Zkumavku poté zahřejte. Modrá sraženina hydroxidu kobaltnatého je rychle oxidován a na hnědou sraženinu hydroxidu kobaltitého. Část vzniklé suspenze odlijte do zkumavky B. Co 2+ (aq) + 2 OH Co(OH) 2 (s) oxidace vzduchem Co(OH) 3 (s) 37

38 Ke vzniklé sraženině hydroxidu kobaltitého ve zkumavce A následně přidejte kyselinu dusičnou (30%). Dochází k rozpuštění sraženiny, vzniká Co(NO 3 ) 2. 4 Co(OH) 3 (s) + 8 HNO 3 (aq) 4 Co(NO 3 ) 2 (aq) + 10 H 2 O(l) + O 2 (g) Zkumavka B V digestoři! Do zkumavky se sraženinou hydroxidu kobaltitého přidejte malé množství koncentrované kyseliny chlorovodíkové. Dochází k rozpuštění sraženiny, vzniká CoCl 2 2 Co(OH) HCl(aq) 2 CoCl 2 (aq) + Cl 2 (g) + 6 H 2 O(l) Zkumavka C V digestoři! K roztoku kobaltnaté soli přidejte mírný nadbytek koncentrovaného roztoku amoniaku. Chvíli vyčkejte a poté do zkumavky přidejte ještě několik kapek 30% peroxidu vodíku. Vzniká oranžově-hnědý roztok hexaaminkobaltitého komplexu. Co 2+ (aq)+ 12 NH 3 (aq) + H 2 O 2 (aq) 2 [Co(NH 3 ) 6 ] 3+ (aq) + 2 OH (aq) Veškeré změny v průběhu chemických reakcí si zapisujte. PŘÍPRAVA NEROZPUSTNÝCH UHLIČITANŮ SRÁŽENÍM 38

39 Srážecí reakce, jejichž podstatu jste poznali v úloze č. 3a, můžete v laboratoři použít k přípravě obtížně rozpustných sloučenin. Tyto sloučeniny (sraženiny) vzniknou smícháním dvou vhodných ve vodě rozpustných elektrolytů. Vlastnosti vzniklé sraženiny jsou mimo jiné závislé na teplotě, při které se srážení provádí. Obvykle je výhodnější srážet při vyšší teplotě a pak sraženinu nechat určitou dobu stát, protože tak vznikají větší a lépe oddělitelné krystaly (tzv. dozrávání sraženiny ). Srážením lze připravit např. uhličitany kovů alkalických zemin (BaCO 3, SrCO 3 resp. CaCO 3 ), což jsou bílé práškovité látky ve vodě téměř nerozpustné (ve 100g vody se při teplotě 18 C rozpouští 1,3 mg CaCO 3, 1,0 mg SrCO 3 a 1,7 mg BaCO 3 ). Přebytkem oxidu uhličitého je lze převést ve snadno rozpustné hydrogenuhličitany. Průpravné otázky jako příprava na výuku: 1) Jaké množství uhličitanu berylnatého je obsaženo v 1 cm 3 roztoku uhličitanu beryllnatého o koncentraci 0,5 mol dm -3? 2) Vypočítejte, kolik gramů ZnCl 2 a (NH 4 ) 2 CO 3 je zapotřebí k přípravě 15 g ZnCO 3. Průpravné otázky ke zpracování do laboratorního protokolu: 1) Napište chemickou rovnici reakce uhličitanu vápenatého s přírodní vodou s obsahem CO 2. 2) Uhličitan alkalického kovu o hmotnosti 10 g byl rozpuštěn ve vodě. Okyselením vzniklého roztoku zředěnou kyselinou sírovou se uvolnil objem 1,62 dm 3 oxidu uhličitého za normálních podmínek. Určete, o jaký uhličitan se jedná. Zadání úkolů: Připravte nerozpustný uhličitan dle zadání vedoucího cvičení. Přípravu zadaného uhličitanu zapište molekulovou a iontovou rovnicí. Pracovní postup: Navažte vypočítaná množství solí. V případě přípravy uhličitanu zinečnatého a železitého použijte hydrogenuhličitan sodný. Uhličitan případně hydrogenuhličitan sodný navažte v mírném přebytku. Obě soli rozpusťte přibližně v 50 cm 3 horké destilované vody. Získané horké roztoky smíchejte tak, že k roztoku zadané soli přilijete po malých dávkách za stálého míchání roztok Na 2 CO 3 nebo NaHCO 3. Vzniklou sraženinu nechte asi 10 minut dozrát, pak zfiltrujte na Büchnerově nálevce. Sraženinu na filtru promyj te malým množstvím horké destilované vody. Vysušte v sušárně při 110 C asi 30 minut. Produkt po vychladnutí v exsikátoru zvažte. Aparatura pro filtraci za sníženého tlaku [9]. 39

40 Výpočty: Potřebná množství reaktantů zjistěte stechiometrickými výpočty podle chemické rovnice. Relativní výtěžek (RV) uhličitanu vypočítejte dle vztahu uvedeného v úvodní části úlohy. Všechny získané a potřebné údaje zapište do tabulky. M [g mol - 1 ] m [g] Na 2 CO 3 nebo * NaHCO 3 zadaná vých o zí sůl (v zor ec ) MeCO 3 (TV) MeCO 3 (SV) MeCO 3 (RV) % barva připraveného uhličitanu * - n ehodící se škrtn e Me zn ačka kovu Nahoře: uhličitan zinečnatý, kobaltnatý, barnatý, chromitý, kademnatý ; Dole: uhličitan železitý. 40

41 STANOVENÍ MOLÁRNÍ HMOTNOSTI KYSLÍKU Molární hmotnost plynu lze obecně určit ze stavové rovnice ideálního pl ynu, znáteli hmotnost určitého objemu plynu při známém tlaku a teplotě. Průpravné otázky jako příprava na výuku: 1) Jaký objem peroxidu vodíku o koncentraci 8 mol dm -3 je teoreticky potřeba na přípravu 2000 cm 3 kyslíku při tlaku 100 kpa a teplotě 25ºC? 2) Při teplotě 25ºC a tlaku 100 kpa je hustota neznámého plynu 1,63 g dm -3. Určete molární hmotnost neznámého plynu a identifikujte ho. Průpravné otázky ke zpracování do laboratorního protokolu: 1) Navrhněte pomocí chemických rovnic další dva způsoby přípravy kyslíku mimo zde uvedenou reakci. 2) Ze stavové rovnice ideálního plynu vyjádřete obecně: a. molární hmotnost plynu b. hustotu plynu c. molární koncentraci plynu 3) Uveďte hodnotu a rozměr molární plynové konstanty R. Zadání úkolů: Změřte objem kyslíku uvolněného tepelným rozkladem manganistanu draselného. Určete hmotnost uvolněného kyslíku. Molární hmotnost kyslíku vypočítejte ze stavové rovnice. Výsledek porovnejte s tabelovanou hodnotou a určete relativní odchylku. Pracovní postup: Aparatura pro termický rozklad KMnO 4. 41

42 1. Do čisté a suché zkumavky nasypte manganistanu draselného do výšky cca 2 cm. Do horní části zkumavky vložte kousek skelné vaty a vše zvažte s přesností 0,01 g. Zváženou zkumavku připojte k aparatuře. 2. Při vyrovnaných hladinách odečtěte počáteční objem vody v odměrném válci. 3. Dolní konec zkumavky mírně žíhejte plamenem kahanu. Kyslík vznikající termickým rozkladem manganistanu draselného vytěsňuje vodu z baňky do odměrného válce. Po vytlačení asi 350 cm 3 vody z baňky přerušte ohřev a zkumavku nechte zchladnout. 4. Po zchladnutí zkumavky na teplotu místnosti odečt ěte konečný objem vody stejným způsobem jako v bodě 2. Rozdíl konečné a počáteční hodnoty objemu odpovídá objemu uvolněného kyslíku. 5. Zvažte zkumavku (se zbytkem vzorku a vatou) s přesností 0,01 g. Rozdíl hmotností před a po žíhání odpovídá hmotnosti uvolněného kyslíku. Výpočty: Molární hmotnost kyslíku vypočtěte ze stavové rovnice ideálního plynu. K výpočtu potřebujete znát kromě naměřené hmotnosti kyslíku a objemu uvolněného kyslíku, rovněž tlak plynu a teplotu plynu. Tlak plynu však neodpovídá atmosférickému tlaku, ale je zmenšený o tlak nasycených par vody při dané teplotě: p (O 2 ) = p (a) p (H 2 O) Hodnotu tlaku nasycených par vody najdete v tabulkách v laboratoři. Za teplotu plynu je možno považovat teplotu v laboratoři. hmotnost zkumavky + KMnO 4 + vata (před žíháním) hmotnost zkumavky + KMnO 4 + vata (po žíhání) hmotnost uvolněného kyslíku g g g počáteční objem vody dm 3 konečný objem vody dm 3 objem uvolněného kyslíku dm 3 teplota v laboratoři atmosférický tlak tlak nasycené vodní páry tlak uvolněného kyslíku K kpa kpa kpa vypočítaná molární hmotnost O 2 g mol - 1 tabelovaná molární hmotnost O 2 g mol - 1 relativní odchylka % 42

43 OXIDACE A REDUKCE Oxidačně redukční reakce se vždy skládá z děje oxidačního (ztráta elektronů, zvýšení oxidačního čísla) a z děje redukčního (přijímání elektronů, snižování oxidačního čísla). Látka, obsahující prvek, který elektrony přijímá, se nazývá oxidační činidlo (oxidovadlo) a naopak látka, obsahující prvek, který elektrony ztrácí, se označuje jako redukční činidlo (redukovadlo). Dvě látky, v nichž tentýž prvek vystupuje ve dvou různých oxidačních stupních, vytvářejí konjugovaný (spřažený) oxidačně-redukční pár. Látka, v níž má prvek vyšší oxidační číslo, se označuje jako oxidovaná forma symbolem (Ox). Druhá látka se stejným prvkem v nižším ox. čísle je redukovaná forma (Red). Při přímém styku obou látek se ustaví rovnovážný stav reakce Ox + z e - = Red a systém se nabije na určitý potenciál. Uvedený systém se označuje jako jednoduchý oxidačně-redukční systém. Jeho potenciál, měřený vůči standardní vodíkové elektrodě při jednotkových aktivitách všech látek, se nazývá standardní oxidačně-redukční potenciál E 0. Hodnoty standardních elektrodových potenciálů jsou uvedeny v tabulce VII v Příkladech z chemie. Podle hodnoty E 0 převládá u konjugovaného páru buď oxidovaná, nebo redukovaná forma. Čím větší je E 0, tím silnějším oxidačním činidlem je oxidovaná forma a současně tím slabším redukčním činidlem je redukovaná forma daného páru. Aby reakce mohla probíhat, musí spolu reagovat oxidovaná forma systému s vyšším potenciálem a redukovaná forma druhého redoxního systému s nižším potenciálem. Př.: Rozhodněte, zda proběhne následující reakce: 3Ag + 4HNO 3 = 3AgNO 3 + NO + 2H 2 O V tabulkách lze najít pro příslušné oxidačně-redukční systémy tyto hodnoty standardních potenciálů: Ag + + e - = Ag 0 E 1 0 = 0,779V NO H + + 3e - = NO + 2H 2 O E 2 0 = 0,960V Protože E 2 0 > E 1 0, reakce může proběhnout. 43

44 Hodnoty standardních potenciálů jsou důležité termodynamické veličiny, které umožňují kvantitativně charakterizovat oxidačně-redukční působení jednotlivých látek a relativní stálost různých oxidačních stavů daného prvku. K těmto účelům slouží tzv. Frostovy diagramy. Frostovy diagramy představují závislost součinu z.e 0 na oxidačním čísle. Nejstabilnějším oxidačním stavem daného prvku je ten, který je ve Frostově diagramu umístěn nejníže. Směrnice spojnice dvou oxidačních stavů ve Frostově diagramu odpovídá přímo hodnotě E 0 daného oxidačně-redukčního páru. Čím strmější je tato spojnice, tím je absolutní hodnota potenciálu větší. Je-li tato spojnice vodorovná, je hodnota E 0 = 0V. Oxidační stav, který leží nad spojnicí dvou sousedních stavů (a vytváří tedy relativní maximum), je nestabilní a jeví snahu disproporcionovat. Opačný případ nastane u oxidačního stavu ležícího pod spojnicí dvou sousedních stavů (relativní minimum). V tomto případě se jedná o stav relativně stálý, který může vznikat vzájemnou reakcí (tzv. komproporcionací) sousedních oxidačních stavů. Průpravné otázky jako příprava na výuku: 1) Rozdělte následující látky na oxidační a redukční činidla. V případě, že látka může být i oxidačním i redukčním činidlem uveďte za jakých podmínek. a) PbO 2 b) Zn c) H 2 O 2 d) KNO 2 2) Vyčíslete uvedené oxidačně-redukční rovnice: HNO 2 + H 2 S NH 3 + S + H 2 O Br 2 + KOH KBr + KBrO 3 + H 2 O Určete: - prvky, které mění oxidační čísla a vyjádřete tuto změnu elektronovými rovnicemi. - oxidační a redukční činidlo. Průpravné otázky ke zpracování do laboratorního protokolu: 1) Jakou hodnotu oxidačního čísla má atom vodíku a jakou atom kyslíku v peroxidu vodíku? 2) Které reaktanty se při redoxních reakcích označuji jako oxidační a které jako redukční činidla? 3) Rozhodněte a zdůvodněte, zda daná reakce může či nemůže probíhat: I 2 + 2NaBr 2NaI + Br 2 I 2 + 2e - = 2I - E 0 1 = 0,535V Br 2 + 2e - = 2Br - E 0 1 = 1,065V Zadání úkolů: Proveďte zadané oxidačně redukční reakce a jejich průběh zapište rovnicemi v molekulovém i iontovém tvaru. Svá pozorování vyhodnoťte pomocí Frostova diagramu manganu v kyselém a zásaditém prostředí. 44

45 Pracovní postup: a) Do tří zkumavek nalijte přiměřené množství roztoku manganistanu draselného. Do první zkumavky přidejte asi 1 cm 3 zředěné H 2 SO 4 a do třetí zkumavky přidejte asi 1 cm 3 roztoku NaOH. Do všech zkumavek dále přidejte půlku lžičky siřičitanu sodného. Pozorujte probíhající změny a zaznamenejte je. b) K pevnému KMnO 4 ve zkumavce přilijte HCl (15%; 1,07 g cm -3 ). Vzniká chlor, který lze dokázat papírkem ovlhčeným roztokem KI (zapište a vysvětlete zabarvení papírku). c) Roztok KI ve zkumavce mírně okyselte 20% H 2 SO 4 (1,14 g cm -3 ) a přidejte 3 kapky roztoku KMnO 4. Vzniká jód, který lze dokázat reakcí se škrobem (vysvětlete barevné změny). d) Proveďte komproporcionační reakci v zásaditém prostředí. K malému objemu NaOH (5%; 1,05 g cm -3 ) přidejte 2 kousky kovového manganu, jednu kapku roztoku KMnO 4 a vzniklou směs mírně zahřejte. Protože stabilnější sloučeniny Mn(OH) 2, Mn 2 O 3, resp. MnO 2 vznikají až po určité době, pozorujte komproporcionační reakci mezi Mn a MnO 4 - za vzniku modrého manganičnanu nebo zeleného mangananu. e) Do zkumavky nalijte přiměřené množství roztoku dichromanu draselného, který okyselte několika kapkami zředěné H 2 SO 4 a k tomuto roztoku přidejte půlku malé lžičky siřičitanu sodného a pozorujte změny. f) K roztoku železnaté soli ve zkumavce přidejte několik kapek roztoku K SCN a zaznamenejte barvu roztoku. Poté přidejte několik kapek peroxidu vodíku a pozorujte změnu zbarvení. Fe 2+ (aq) + SCN (aq) [Fe(SCN)] 2+ (aq) g) Do malé kuželové baňky nalijte 10 cm 3 3% peroxidu vodíku a přisypte půlku malé lžičky manganistanu draselného. Pozor, probíhá bouřlivá reakce kyslíku a vodní páry.. Vzniká směs h) Ve zkumavce s vodou (3 cm 3 ) rozpusťte malé množství KI. Roztok okyselte 3 kapkami zředěné H 2 SO 4 (20%). Protřepejte a poté přidejte po kapkách 3% peroxid vodíku (asi 5 kapek nemíchat, sledovat hladinu). Pozorujte žluté zabarvení roztoku. Následně roztok promíchejte a přidejte škrobový roztok (cca 1 cm 3 ), zamíchejte a sledujte změnu zbarvení. i) K malému množství roztoku MnSO 4 ve zkumavce přidejte na špičku lžičky PbO 2, okyselte koncentrovanou HNO 3 a zahřeje k varu. Zřeďte vodou a nerozpustný zbytek nechte usadit. j) Do zkumavky přidejte několik krystalků manganistanu draselného a poté ještě přilijte 2 cm 3 roztoku manganistanu draselného (2%). V malé kádince připravte roztok obsahující 0,5 g hydroxidu sodného a 1 g cukru v 50 cm 3 destilované vody. Řádně zamíchejte až do úplného rozpuštění. K roztoku manganistanu draselného přilijte část roztoku cukru a hydroxidu sodného. Pozorujte změny a zaznamenejte je. 45

46 MnO 4 + OH + C 12 H 22 O 11 CO 2 + H 2 O + MnO MnO Mn +3 Oxidační stavy manganu. k) Do zkumavky dejte několik krystalků KMnO 4 a přilijte asi 3 cm 3 kyseliny sírové. Roztok protřepejte do úplného rozpuštění krystalků KMnO 4. Poté přidejte FeSO 4 (případně NaHSO 3 nebo železné piliny) a protřepejte. Sledujte barevné změny, vysvětlete je a děj zapište chemickou rovnicí. 46

47 PŘÍPRAVA KYSELINY TRIHYDROGENBORITÉ H 3 BO 3 tvoří bílé průsvitné, na omak mastné šupinkovité krystaly perleťového lesku. Krystalizuje v soustavě trojklonné. Ve studené vodě je málo rozpustná, dobře se rozpouští v horké vodě. Je velmi slabou kyselinou (K a = 5, ). H 3 BO 3 (aq) + 2 H 2 O(l) [B(OH) 4 ] (aq) + H 3 O + (aq) Průpravné otázky jako příprava na výuku: 1) Vypočítejte jaká množství výchozích látek (boraxu, 15% HCl o hustotě ρ=1,073 g cm -3 ) jsou zapotřebí k přípravě 5 g H 3 BO 3. 2) Vypočítejte v jakém množství vody je potřeba rozpustit vypočtené množství boraxu (Na 2 [B 4 O 5 (OH) 4 ].8H 2 O), aby vznikl 20% roztok. Průpravné otázky ke zpracování do laboratorního protokolu: 1) Určete sytnost kyseliny trihydrogenborité. 2) Jaký produkt vzniká termickým rozkladem H 3 BO 3? Uvedenou reakci zapište rovnicí. Zadání úkolů: Připravte kyselinu trihydrogenboritou protolytickou reakcí boraxu s kyselinou chlorovodíkovou podle chemické rovnice: Na 2 [B 4 O 5 (OH) 4 ] 8H 2 O (s) + 2 HCl (aq) 4 H 3 BO 3 (aq) + 2 NaCl(aq) + 5H 2 O (l) 47

48 Pracovní postup: V kuželové baňce (s plochým dnem) zahřejte k varu destilovanou vodu o objemu, který jste vypočetli v průpravné otázce 2). Dokonale v ní rozpusťte krystalický tetraboritan disodný (navážku jste si vypočetli v průpravné otázce 1). Kapku připraveného roztoku přeneste skleněnou tyčinkou na uni verzální indikátorový papírek a zaznamenejte ph. Do odměrného válce odměřte o 1/4 objemu více, než činí spotřeba 15% kyseliny chlorovodíkové vypočtená v průpravné otázce 1). Odměřený objem kyseliny pozvolna přilijte k zahřátému roztoku v kuželové baňce. Roztok promíchejte a zaznamenejte jeho ph. Pokud není roztok dostatečné kyselý (ph<3), přidejte ještě malé množství HCl. Baňku se směsí ochlaďte proudem studené vody. Pokud se produkt nevyloučí, třete o stěnu baňky skleněnou tyčinkou, abyste krystalizaci urychlili. Pokud při ochlazování nedojde ke krystalizaci, zahustěte roztok odpařením 1/3 vody. Kyselina trihydrogenboritá. Krystaly kyseliny trihydrogenborité vyloučené z roztoku odsajte na Büchnerově nálevce, promyjte malým množstvím destilované vody, vysušte v sušárně (do teploty 100ºC) a zvažte. Čistý a suchý produkt odevzdejte vedoucímu cvičení. STANOVENÍ MOLÁRNÍ HMOTNOSTI UHLIČITANŮ Uhličitany nerozpustné ve vodě lze stanovit tak, že se vzorek rozpustí ve známém množství odměrného roztoku kyseliny chlorovodíkové. Její nezreagované množství se stanoví zpětnou titrací odměrným roztokem hydroxidu sodného na fenolftalein. Odměrného roztoku kyseliny chlorovodíkové se přidává vždy asi o jednu čtvrtinu více, než je třeba k rozpuštění uhličitanu. Průpravné otázky jako příprava na výuku: 1) Vyjádřete hmotnostním zlomkem složení suspenze připravené suspendací 15 g uhličitanu vápenatého ve 100 g vody. 2) Vypočítejte hmotnost hydroxidu sodného potřebného k přípravě 100 cm 3 odměrného roztoku o koncentraci 0,5 mol dm

49 Zadání úkolů: Stanovte molární hmotnost neznámého uhličitanu zadaného vedoucím cvičení. Pomocí chemické rovnice zapište p růběh titrace. K dispozici jsou dva různé typy uhličitanů a to uhličitan alkalického kovu a uhličitan kovu alkalických zemin. Úloha náročná je na preciznost provedení a čistotu použitého laboratorního skla, kterou je nutné si před začátkem práce zkontrolovat! Pracovní postup: Navažte asi 0,5 g vzorku uhličitanu přesně, vzorek převeďte kvantitativně do titrační baňky a přidejte přesně 25 cm 3 odměrného roztoku kyseliny chlorovodíkové o koncentraci 0,500 mol dm -3. Směs v titrační baňce krátce povařte tak, aby se všechen pevný vzorek rozpustil. Vzniklý roztok zřeďte vlažnou destilovanou vodou na celkový objem 50 cm 3. Přidejte dvě až tři kapky roztoku fenolftaleinu a nezreagované množství kyseliny chlorovodíkové titruje odměrným roztokem hydroxidu sodného o koncentraci 0,500 mol dm -3 z byrety. Titrujte do trvalého karmínového ( ) zbarvení roztoku. Aparatura na titraci. Výpočty: Látkové množství neznámého uhličitanu MeCO 3 vypočtěte ze vztahu: c = n V n(meco 3 ) = 1/2 [n(hcl) n(naoh)] Zjistěte, o jaký neznámý kationt Me 2+ se jedná. Vypočtenou hodnotu molární hmotnosti srovnejte s hodnotami v periodické tabulce a určete neznámý uhličitan. 49

50 navážka vzorku g objem odměrného roztoku HCl cm 3 objem přidaného titrantu NaOH cm 3 látkové množství HCl látkové množství NaOH látkové množství neznámého uhličitanu vypočítaná molární hmotnost uhličitanu tabelovaná molární hmotnost uhličitanu mol mol mol g mol - 1 g mol - 1 relativní odchylka % PŘÍPRAVA CHROMOVÉ ŽLUTI, SUBLIMACE KYSELINY BENZOOVÉ Část A: Mezi obtížně rozpustné soli patří chroman olovnatý (hodnota K s = 1, při 25 C). Lze ho, podobně jako uhličitany kovů alkalických zemin, připravit srážením z vodných roztoků vhodně vybranými elektrolyty. Je to žlutá, krystalická látka krystalizující v monoklinické soustavě. Pro své dobré krycí schopnosti a stálost na vzduchu se používá jako anorganický pigment pod názvem chromová žluť. Chroman olovnatý chromová žluť Část B: Sublimace je jednou ze základních metod čištění a oddělování jednotlivých složek směsi. Mnohé látky můžeme převést do plynného skupenství, aniž by roztály. Kondenzací par takových látek lze opět přímo získat pevnou látku. Teplota sublimace je tedy teplota, při níž se tenze par pevné látky vyrovná s vnějším tlakem. Nejjednodušším zařízením pro provedení sublimace látek s nepříliš vysokou sublimační teplotou mohou být dvě zabroušená hodinová skla, viz obrázek a. Jiné jednoduché zařízení pro sublimaci je znázorněno na obrázku b. Látky, které při normálním 50

51 tlaku nesublimují nebo sublimují pomalu, případně látky, které se při sublimaci za vyšší teploty rozkládají, lze sublimovat při sníženém tlaku. Nákresy aparatur na sublimaci. 1 hodinové sklo, 2 perforovaný kruh filtračního papíru, 3 kádinka, 4 varná baňka s kulatým dnem, 5 přívod chladicí vody, 6 odvod vody, 7 odvod par [10]. Průpravné otázky jako příprava na výuku: 1) Napište molekulovou i iontovou rovnici přípravy chromanu olovnatého srážením z vodných roztoků dusičnanu olovnatého a chromanu sodného. 2) Vypočítejte, kolik gramů dusičnanu olovnatého je potřeba na přípravu 10 g chromanu olovnatého. 3) Uveďte některé další látky, které sublimují (mimo zde uváděnou kyselinu benzoovou). Průpravné otázky ke zpracování do laboratorního protokolu : 1) Uveďte alespoň dvě další sloučeniny olova, které se v praxi používají jako anorganická barviva. 2) Stručně popište aplikační možnosti sublimace. Zadání úkolů: Část A: Připravte chromovou žluť srážením 10% roztoku dusičnanu olovnatého 10% roztokem chromanu sodného. Při přípravě vyjděte z navážky dusičnanu olovnatého, kterou vám zadá vedoucí cvičení. Vypočítejte teoretický výtěžek (TV) a relativní výtěžek (RV) produktu, zdůvodněte rozdíly. Část B: Pomocí sublimace v kádince s přikrytým sklíčkem (viz obrázek níže) stanovte hmotnostní zlomek kyseliny benzoové (C 6 H 5 COOH) ve vzorku konzervačního přípravku DEKO (obsahuje konzervant E210), který máte k dispozici na pracovním stole. Pracovní postup: Část A: Zadané množství dusičnanu olovnatého a vypočítané množství chromanu sodného navažte s přesností na 0,01 g, chroman sodný odvažte v mírném přebytku. 51

52 Z navážených solí připravte 10% roztoky jejich rozpuštěním v horké destilované vodě. Dále postupujte stejně jako při přípravě nerozpustných uhličitanů (úloha 6a). Pozn.: Při srážení přidávejte roztok chromanu sodného k roztoku dusičnanu olovnatého. Výpočty: Z chemické rovnice vypočítejte hmotnost chromanu sodného, která odpovídá zadanému množství dusičnanu olovnatého a teoretický výtěžek chromanu olovnatého. Relativní výtěžek vypočítejte stejným způsobem jako v případě uhličitanů (úloha 6a). Všechny vypočtené hodnoty a další potřebné údaje přehledně zapiš te do tabulky naměřených a vypočtených hodnot. Část B: Do kádinky vneste 5 g (přesně) řádně protřepaného vzorku konzervačního přípravku DEKO (bez kuliček koření). Kádinku položte na elektrický vařič a přikryjte sklíčkem spodní (vypouklou) stranou dolů. Případné mezery mezi sklíčkem a kádinkou vyplňte vatou, ať nedochází k úniku par kyseliny benzoové, a tím pádem ke ztrátě produktu. Sublimace kyseliny benzoové. Na sklíčko střičkou nalijte trochu studené vody a kádinku opatrně zahřívejte. Po sublimaci (cca 30 min) nechte kádinku vychladnout. Sublimát opatrně seškrábejte ze stěn kádinky a ze sklíčka, zvažte a následně odevzdejte vedoucímu laboratorního cvičení. Výpočty: Z rozdílu hmotností vzorku před a po sublimaci určete hmotnost kyseliny benzoové a vypočítejte její hmotnostní zlomek ve vzorku přípravku DEKO. Zdůvodněte případné rozdíly. označení vzorku počáteční hmotnost vzorku hmotnost vzorku po sublimaci hmotnost kyseliny benzoové hmotnostní zlomek kyseliny benzoové ve vzorku DEKO (g) (g) (g) (%) 52

53 KRYSTALIZACE NEUTRALIZACE - PŘÍPRAVA DUSIČNANU DRASELNÉHO krystalizace = úloha prováděná ve dvojicích Část A: Krystalizace patří mezi základní chemické operace, které slouží k oddělení jednotlivých složek homogenní soustavy. Krystalizací se rozumí vylučování látky v pevném skupenství z roztoku, taveniny nebo z plynného stavu. Nejčastěji se provádí krystalizace z roztoku zbaveného mechanických nečistot. Je jednou z nejpoužívanějších metod čištění tuhých látek. Rozlišujeme několik typů krystalizace: Krystalizace volným odpařováním odpařováním roztoku za laboratorní teploty dojde ke stavu, kdy je roztok při dané teplotě nasycen a přebytečná látka se pak vylučuje z roztoku ve velkých, dobře vyvinutých krystalech. Krystalizace volným chladnutím nasycený roztok připravený za varu se přefiltruje a kádinka s vroucím filtrátem se ponechá volně chladnout. Tímto způsobem lze získat rovněž velké a dobře vyvinuté krystalky. Krystalizace rušená za horka se připraví nasycený roztok. Za trvalého míchání se roztok krouživým pohybem krystalizační nádoby prudce ochladí pod tekoucí vodou. Získá se tak velké množství drobných krystalků, které se odfiltrují od tzv. matečného louhu. Novým odpařením matečného louhu se dají získat další krystalky, ovšem již méně čistého podílu. O nasycenosti roztoku se můžete přesvědčit u rychle krystalizujících látek např. tak, že kapku roztoku přenesete tyčinkou na hodinové sklíčko. Když se roztok zak alí vyloučenými krystalky, je již dostatečně zahuštěn. Počátek krystalizace je možno urychlit tzv. očkováním roztoku (přidáním několika krystalků dané látky) nebo třením tyčinky o stěny krystalizační nádoby. Vytváří se tak krystalizační centra, na kterých dochází ke krystalizaci. Část B a C: Dusičnan draselný se připraví neutralizací hydroxidu draselného kyselinou dusičnou nebo rozpouštěním uhličitanu draselného v kyselině dusičné. 53

54 Průpravné otázky jako příprava na výuku: 1) Napište molekulovou a iontovou rovnici přípravy dusičnanu draselného. 2) Vypočtěte množství KOH a HNO 3 (65%; 1,3913 g cm -3 ) potřebná k přípravě 100 cm 3 jejich odměrných roztoků o koncentraci 1 mol dm -3. Průpravné otázky ke zpracování do laboratorního protokolu : 1) Vysvětlete, proč při prudkém ochlazení roztoku vznikají velmi malé krystalky ve srovnání s pozvolnou krystalizací. 2) Při krystalizaci trihydrátu octanu sodného se jedná o endotermickou nebo exotermickou reakci? Zdůvodněte. Zadání úkolu: Část A: Krystalizací připravte trihydrát octanu sodného. Část B nebo C vybere vyučující laboratorního cvičení. Část B: Připravte neutralizací dusičnan draselný z hydroxidu draselného a kyseliny dusičné. Zapište chemickou rovnicí. Část C: Připravte neutralizací dusičnan draselný rozpouštěním uhličitanu draselného v kyselině dusičné. Zapište chemickou rovnicí. Pracovní postup: Část A: V kádince (100 cm 3 ) roztavte 3 g trihydrátu octanu sodného s 2 cm 3 destilované vody. Po dokonalém roztavení CH 3 COONa 3H 2 O kádinku opatrně ochlaďte studenou vodou. Poté ochlazený roztok velmi opatrně přelijte na suché a čisté hodinové sklíčko. Vhodné je mít pod hodinovým sklíčkem tmavou podložku, aby krystalizace byla lépe pozorovatelná. Přidejte 1 malý krystal pevného octanu sodného. Pozorujte opětovné vykrystalizování. V případě přítomnosti nečistot v nasyceném roztoku trihydrátu octanu sodného dojde k jeho vykrystalizování již během chlazení v kádince! Krystaly vysušte v sušárně při teplotě do 50ºC, jinak dochází k tavení krystalků a ztrátě vázané krystalové vody. Suchý a čistý produkt odevzdejte vedoucímu cvičení. Část B: Do titrační baňky odpipetujte 20 cm 3 roztoku hydroxidu draselného o koncentraci 1 mol dm -3. K tomuto roztoku přikápněte dvě kapky fenolftaleinu. Do byrety o objemu 25 cm 3 nalijte roztok kyseliny dusičné o koncentraci 1 mol dm -3. Pro lepší odhad barevné změny indikátoru je vhodné mít pod titrační baňkou bílý papír. Z byrety pomalu přikapávejte kyselinu dusičnou až do odbarvení celého roztoku v titrační baňce. Titrační baňku míchejte krouživými pohyby po celou dobu přidávání kyseli ny dusičné z byrety. Část C: Připravte 3 g dusičnanu draselného rozpouštěním uhličitanu draselného v koncentrované kyselině dusičné. Na základě stechiometrického výpočtu z chemické rovnice určete výchozí navážku uhličitanu draselného a objem kyseliny dusičné potřebný k rozpuštění uhličitanu. Do menší kádinky kvantitativně vlijte z odměrného válce vypočítaný objem kyseliny dusičné. Po malých množstvích přisypávejte bezvodý uhličitan draselný a promíchávejte tyčinkou. Pozor, směs silně pě ní a reaguje bouřlivě! Po přidání veškerého uhličitanu ověřte ph roztoku, které by mělo být neutrální. ad. B, C: Po ukončení neutralizace (ověřené ph papírkem neutrální ph) získaný roztok přelijte do předem zvážené prázdné krystalizační misky a zahřív ejte na elektrickém vařiči. 54

55 Aparatura pro přípravu KNO 3. Krystalický dusičnan draselný. Krystaly KNO 3 seškrábejte z krystalizační misky a vysušte v sušárně při 105 C. Získaný produkt zvažte a dále využijte v následující laboratorní úloze. Výpočty: Vypočtěte teoretický výtěžek dusičnanu draselného a porovnejte s praktickým výtěžkem. Výsledky zapište do příslušné tabulky. příprava KNO 3 v části B příprava KNO 3 v části C objem spotřebované kyseliny HNO 3 g g hmotnost prázdné krystalizační misky cm 3 cm 3 hmotnost krystalizační misky s produktem čistá hmotnost produktu po vysušení v sušárně g g g g skutečný výtěžek produktu g g teoretický výtěžek produktu g g 55

56 FRAKČNÍ KRYSTALIZACE Některé techniky používané k izolaci čistých látek ze směsí jsou založeny na rozdílné rozpustnosti jednotlivých složek směsi. Jednou z těchto technik je frakční krystalizace. Jedná se o separační techniku určenou k dělení dvou i více látek na základě jejich rozdílné rozpustnosti. Je důležité, aby rozdíl rozpustností separovaných látek v závislosti na teplotě byl co největší. Křivky rozpustností vybraných solí [11]. Průpravné otázky jako příprava na výuku: 1) Jaké množství KNO 3 lze rozpustit ve 100 g vody při 100ºC? Průpravné otázky ke zpracování do laboratorního protokolu : 1) Jaké množství vody je třeba k rozpuštění 2 g CuSO 4 při 100ºC? Zadání úkolu: Pomocí frakční krystalizace izolujte dusičnan draselný a síran měďnatý ze společného roztoku. Stanovte skutečný a relativní výtěžek obou solí Pracovní postup: Připravte 6 g směsi (1:1) tvořenou dusičnanem draselným (z předchozí úlohy) a síranem měďnatým (může být i pentahydrát síranu měďnatého). Takto připravenou směs kvantitativně převeďte do kádinky a přidejte 30 cm 3 destilované vody. Směs zahřívejte a průběžně míchejte, dokud se obě soli nerozpustí. 56

57 K roztoku přidejte 6 kapek kyseliny dusičné o koncentraci c = 6 mol dm -3 a zahřejte k varu do chvíle vzniku prvních krystalků síranu měďnatého na stěnách kádinky. Krystalizaci lze vyvolat třením skleněné tyčinky o stěny kádinky. Pokud ke krystalizaci nedojde, dalším ohřevem roztok zahustěte. Důležité je, aby roztok nebyl odpařen do sucha. Pokud se tak stane, přilijte 5 ml destilované vody. Vykrystalizovaný CuSO 4 odfiltrujte na Büchnerově nálevce a vysušte na předem zváženém filtračním papíře. Pozor! Nepromývat vodou! Filtrát znovu převeďte do kádinky, ohřevem zahustěte a následně ochlaďte nejprve studenou tekoucí vodou a pak v ledové lázni. Vzniklé krystaly dusičnanu draselného opět odfiltrujte na Büchnerově nálevce a vysušte na předem zváženém filtračním papíře. Zbývající filtrát převeďte do zvážené odpařovací misky a odpařte do sucha, čímž získáte další podíl síranu měďnatého. K jeho hmotnosti připočtěte hmotnost CuSO 4 na filtračním papíře. Výsledky doplňte do tabulky. Výpočty: hmotnost rozpuštěné soli [g] hmotnost izolované soli [g] relativní výtěžek [%] KNO 3 CuSO 4 PŘÍPRAVA PODVOJNÝCH SOLÍ Podvojné sírany obecného složení M I M II I (SO 4 ) 2 12H 2 O (M I = Na, K, Rb, Cs, NH 4, Tl a M III = Al, Cr, Mn, Fe, Co, Ga, In, Tl) tvoří tzv. kamence. Lze je připravit např. společnou krystalizací M I 2SO 4 s M III 2(SO 4 ) 3. Některé kamence jsou navzájem izomorfní, jsou to tedy látky s podobnou chemickou strukturou krystalizující v podobných krystalových tvarech. A) Mohrova sůl se využívá v analytické chemii v odměrné analýze. Na rozdíl od jednoduchých železnatých solí je stálá vůči oxidaci vzdušným kyslíkem. Ve vodě jen nepatrně hydrolyzuje. V laboratoři ji lze připravit společnou krystalizací z nasycených vodných roztoků síranu železnatého a síranu amonného smíchaných ve stechiometrickém poměru. Tvoří monoklinické modrozelené krystalky. Mohrova sůl - (NH 4 ) 2 Fe(SO 4 ) 2 6H 2 O. 57

58 Průpravné otázky jako příprava na výuku: 1) Napište chemickou rovnici přípravy Mohrovy soli. 2) Vypočítejte, kolik gramů zelené skalice FeSO 4. 7H 2 O potřebujete na přípravu 0,05 mol Mohrovy soli. 3) Napište chemické názvy a vzorce alespoň dvou hydrátů podvojných síranů (mimo uvedenou Mohrovu sůl a hexahydrát síranu diamonno-nikelnatého). Zadání úkolu: Připravte zadané látkové množství Mohrovy soli krystalizací z nasycených vodných roztoků síranu železnatého a síranu amonného. Vypočítejte příslušné hmotnosti obou reaktantů. Získaný produkt po vykrystalizování a vysušení zvažte a vypočítejte jeho relativní výtěžek. Pracovní postup: V kádince, v nejmenším možném množství destilované vody rozpusťte vypočítané množství síranu amonného (při 70 C) tak, aby vznikl nasycený roztok. Okyselte jej několika kapkami H 2 SO 4 (w = 0,20). Ve druhé kádince připravte podobným způsobem nasycený roztok síranu železnatého při téže teplotě. Roztoky slijte, zahřejte k varu a podrobte rušené krystalizaci (kádinku ochlaďte proudem studené vody, stěny třete tyčinkou). Vzniklé krystaly odsajte na Büchnerově nálevce. Matečný louh znovu zahustěte ke krystalizaci a zpracujte obdobně. Po vysušení produkt zvažte, vypočítejte jeho relativní výtěžek a zdůvodněte ztráty. Získané hodnoty zapište do přehledné tabulky. B) Hexahydrát síranu diamonno-nikelnatého (NH 4 ) 2 Ni(SO 4 ) 2 6H 2 O Průpravné otázky ke zpracování do laboratorního protokolu : 1) Vypočítejte molární hmotnost síranu diamonno -nikelnatého. 2) Vypočítejte, kolik gramů nikelnaté skalice NiSO 4.7H 2 O potřebujete na přípravu 0,02 mol hexahydrátu síranu diamonno-nikelnatého. 3) Napište chemickou rovnici přípravy hexahydrátu síranu diamonno -nikelnatého. Zadání úkolu: Připravte hexahydrát síranu diamonno-nikelnatého z nasycených vodných roztoků síranu nikelnatého a síranu amonného. 58

59 Vypočítejte příslušné hmotnosti obou reaktantů. Získaný produkt po vykrystalizování vysušte, zvažte a vypočítejte jeho relativní výtěžek. Pracovní postup: Vypočítané množství síranu amonného rozpusťte v horké destilované vodě (70 o C) tak, aby vznikl nasycený roztok a přidejte několik kapek H 2 SO 4 (20%; 1,14 g cm -3 ). Pak přidejte příslušné množství nasyceného roztoku síranu nikelnatého (připraví se stejně jako síran amonný). Vzniklý roztok zahřejte k varu a poté jej pomalu ochlazujte pod studenou tekoucí vodou. Získané krystalky odsajte na Büchnerově nálevce, vysušte v sušárně (při 110 ºC) a zvažte. Produkt odevzdejte vedoucímu laboratorního cvičení. PŘÍPRAVA CHROMANU DRASELNÉHO volitelná úloha Chroman draselný lze připravit např. oxidací oxidu chromitého dusičnanem draselným tavením v prostředí uhličitanu draselného. Jedná se o žlutý krystalický p rášek, dobře rozpustný ve vodě. Při práci s ním je třeba dodržovat bezpečnostní pravidla kvůli jeho toxickým vlastnostem. Okyselením roztoků chromanu draselného lze získat oranžový dichroman draselný, který je silnějším oxidačním činidlem než s amotný chroman draselný. Díky silným oxidačním vlastnostem je hojně využíván v chemických syntézách např. jako oxidimetrický standard pro titrace (bichrom atometrie, stanovení Fe 2+ ). Chromany jsou všeobecně hojně využívané sloučeniny (pigmenty, detergenty, pyrote chnické směsi, inhibitory koroze atd). Průpravné otázky jako příprava na výuku: 1) Určete oxidační číslo atomu chromu v (NH 4 ) 2 Cr 2 O 7. 2) Napište rovnici přípravy chromanu draselného z oxidu chromitého a dusičnanu draselného v prostředí hydroxidu draselného. 3) Vypočítejte, kolik gramů Cr 2 O 3 vznikne termickým rozkladem 15 g (NH 4 ) 2 Cr 2 O 7 a zapište rovnicí. Zadání úkolů: Připravte chroman draselný s použitím Vámi připravené chromité soli. Pracovní postup: Rozpusťte 0,008 mol síranu chromitého Cr 2 (SO 4 ) 3 v malém množství destilované vody a doplňte na objem 50 cm 3. Ke vzniklému roztoku přidávejte po kapkách 10% roztok KOH až do kvantitativního vysrážení šedozelené sraženiny Cr(OH) 3. Sraženinu hydroxidu chromitého dekantujte 2x teplou destilovanou vodou a 1x studenou destilovanou vodou. Hydroxid chromitý nefiltrujte a kapátkem přidávejte 10 % roztok hydroxidu draselného do alkalické reakce (ověřte ph papírkem). Pozor, nadbytkem hydroxidu draselného dochází k rozpouštění hydroxidu chromitého! 59

60 Po dosažení alkalické reakce velmi opatrně přidávejte kapátkem 30 % H 2 O 2. Peroxid je nutné přidávat po malých dávkách, protože směs silně pění. Během oxidace vzniká roztok žlutohnědého zabarvení (přítomnost peroxochromičnanu). Konec reakce je indikován rozpuštěním šedozelené sraženiny Cr(OH) 3. Roztok povařte minimálně 10 minut pro odstranění přebytku peroxidu vodíku. Následně zahustěte na krystalizační úroveň a poté převeďte do odpařovací misky a odpařte zbylou vodu. Produkt po vychlazení zvažte a odevzdejte vedoucímu cvičení. Výpočty: Vypočítejte teoretický a praktický výtěžek syntézy. PŘÍPRAVA SMARAGDOVÉ (GUINETOVY) ZELENĚ volitelná úloha Guinetova nebo také smaragdová zeleň je ve vodě nerozpustná minerální látka, jejíž složení přibližně vystihuje stechiometrický vzorec Cr 2 O 3 H 2 O. Obsahuje však vždy malé množství boritanu chromitého, protože se připravuje jeho hydrolýzou. Boritan chromitý lze připravit tavením dichromanu draselného (ostražitost při práci s K 2 Cr 2 O 7 vysoce toxický) s kyselinou trihydrogenboritou. Smaragdová zeleň se používá jako tiskařská barva. Průpravné otázky jako příprava na výuku: 1) Napište rovnici tavení dichromanu draselného s kyselinou trihydrogenboritou. 2) Napište rovnici hydrolýzy boritanu chromitého. 3) Vypočítejte hmotnost dichromanu draselného potřebnou k přípravě 15 g Cr 2 O 3 H 2 O Zadání úkolů: Připravte Guinetovu zeleň hydrolýzou taveniny dichromanu draselného s kyselinu trihydrogenboritou. Pracovní postup: Rozetřete v třecí misce 1g dichromanu draselného s 3 gramy kyseliny trihydrogenborité. Směs opatrně žíhejte nad kahanem v porcelánovém kelímku až do úplného roztavení. Během žíhaní dochází k uvolňování vody a kyslíku, takže tavenina zpočátku silně kypí. Pokud bude reakční směs stále pěnit, vznikající pěnu míchejte skleněnou tyčinkou, aby nedošlo k jejímu úniku z kelímku. Když prudký vývoj plynu ustane, směs intenzivně žíhejte dalších 15 minut v maximálním žáru plamene. Poté ponechte kelímek s taveninou vychladnout. Vychladlý kelímek vložte do kádinky s vroucí vodou a vyluhujte po dobu 5 minut, viz obrázek. 60

61 Produkt nechte usadit, nemíchejte a poté opatrně odsávejte přes Büchnerovu nálevku. Filtrační koláč promyjte cca 100 cm 3 destilované vody. Filtrační papír s produktem vyklopte na hodinové sklíčko a sušte v sušárně po dobu alespoň 20 minut při 100ºC. Vysušený produkt zvažte a odevzdejte vedoucímu cvičení. Výpočty: Vypočítejte teoretický a praktický výtěžek syntézy. KONVERZE SOLÍ volitelná úloha Rozpouští-li se pevná látka v určitém rozpouštědle, není toto rozpouštění neomezené, ale vede vždy k ustavení rovnovážného stavu mezi pevnou látkou a vzniklým roztokem. Roztok se při této rovnováze nazývá nasycený roztok a množství dané látky v tomto roztoku se označuje jako její rozpustnost. Rozpustnost je tedy největší množství dané látky v gramech, které lze rozpustit ve 100g rozpouštědla za stanovených fyzikálních podmínek (teplot a tlak). Rychlost rozpouštění pevné látky v kapalině závisí především na teplotě, intenzitě míchání a velikosti částic. Tzv. metoda konverze, používaná k přípravě solí anorganických kyselin, vychází z vyloučení sraženiny z roztoku dvou solí. Vyloučená sraženina je za daných podmínek v roztoku nejméně rozpustná. Typickým příkladem jsou srážecí reakce, při nichž vznikají látky v použitém rozpouštědle prakticky nerozpustné. Rozpustnost solí v určitém rozpouštědle se mění v závislosti na teplotě. Vhodnou kombinací dvou solí a teploty roztoku lze vytvořit takové podmínky, při nichž se podaří z roztoku izolovat rozpustné sloučeniny se vzájemně vyměněnými ionty. Příkladem takové konverze je reakce mezi dusičnanem sodným a chloridem draselným. Vyznačíme-li závislost rozpustnosti na teplotě graficky, získá me tzv. křivku rozpustnosti. Rozpustnosti látek při dané teplotě (v g na 100 g rozpouštědla - vody). látka 0 C 20 C 50 C 60 C 80 C 100 C chlorid sodný 35, ,7 37,3 37,97 39,8 dusičnan draselný 13,3 31,6 83, ,

62 Křivky rozpustností vybraných solí [11]. Z křivek rozpustnosti těchto solí můžeme zjistit, že při zahušťování roztoku, který obsahoval ekvimolární množství dusičnanu sodného a chloridu draselného, by se při 100 C vylučoval nejdříve chlorid sodný a při teplotách pod 10 C by z tohoto roztoku krystaloval chlorid draselný. Průpravné otázky jako příprava na výuku: 1) Napište molekulovou a iontovou rovnici konverze dusičnanu sodného s chloridem draselným. Průpravné otázky ke zpracování do laboratorního protokolu : 1) Vyhledejte triviální pojmenování dusičnanu sodného a uveďte jeho aplikační využití. 2) Vyhledejte hodnoty rozpustností chloridu sodného a dusičnanu draselného a určete, která sloučenina se bude při teplotě 100ºC/100 cm 3 vylučovat jako první a proč. Zadání úkolů: Konverzí solí připravte chlorid sodný a dusičnan draselný. Produkty konverze zvažte a zjistěte skutečný výtěžek. Pracovní postup: Odměrným válcem odměřte 30 cm 3 destilované vody, převeďte do 100 cm 3 kádinky a přiveďte k varu. V horké destilované vodě rozpusťte 2,13 g dusičnanu sodného. Do vzniklého roztoku pomalu vneste za stálého míchání 1,87 g chloridu draselného. Roztok zahřívejte tak dlouho, až se začnou na jeho povrchu tvořit krystalky chloridu sodného. K filtraci použijte suchou nálevku s krátkým stonkem a kádinku o objemu 250 cm 3. Získaný NaCl vysušte v sušárně při 100 C. Filtrace za atmosférického (vlevo) a sníženého tlaku (vpravo)[12]. 62

63 Filtrát ochlaďte proudem studené vody. Vzniklé krystaly dusičnanu draselného odsajte na Büchnerově nálevce a vysušte v sušárně při 10 0 C. Vysušené produkty (chlorid sodný a dusičnan draselný) odevzdejte vedoucímu cvičení. Výpočty: Vypočítejte relativní výtěžek. látka teoretický skutečný relativní výtěžek výtěžek [g] výtěžek [g] [%] NaCl KNO 3 PŘÍPRAVA CHROMOVÉ ZELENĚ volitelná úloha Oxid chromitý je zelená, ve vodě nerozpustná látka, která se používá jako anorganický pigment pod názvem chromová zeleň. V laboratoři můžeme oxid chromitý připravit tepelným rozkladem dichromanu amonného. Jedná se o oxidačně-redukční reakci, při které dochází ke změně oxidačního čísla chromu i ke změně barvy příslušné sloučeniny. Průpravné otázky jako příprava na výuku: 1) Napište chemickou rovnici tepelného rozkladu dichromanu amonného. 2) Vypočítejte, jakou hmotnost a jaké množství oxidu chromitého teoreticky získáte rozkladem 5 g dichromanu amonného. Průpravné otázky ke zpracování do laboratorního protokolu : 1) Uveďte tři sloučeniny chromu rozdílné barvy (mimo uvedené sloučeniny). 2) Vyhledejte aplikační možnosti oxidu olovnatého. Zadání úkolů: Připravte chromovou zeleň tepelným rozkladem dichromanu amonného. Při přípravě vyjděte z navážky dichromanu amonného, kterou vám zadá vedoucí cvičení. Pracovní postup: Navažte zadané množství dichromanu amonného. Navážku vsypte do porcelánové misky a umístěte na trojnožku. Podle obrázku sestavte experimentální aparaturu. 63

64 Aparatura pro termický rozklad dichromanu amonného. Porcelánovou misku opatrně žíhejte kahanem. Po určité době zahřívání proběhne prudká exotermní reakce. Vzniká kyprý zelený oxid chromitý. Po skončení reakce hořící špejlí ověřte přítomnost inertního dusíku v Erlenmayerově baňce. Oxid chromitý. Oxid chromitý sesypte do kádinky, povařte ve 150 cm 3 destilované vody a zfiltrujte. Produkt na filtračním papíře promyjte horkou destilovanou vodou, vysušte v sušárně a po vychladnutí zvažte. Výpočty: Vypočítejte teoretický a relativní výtěžek produktu a zapište do přehledné tabulky. 64

65 PŘÍLOHY (k dispozici v laboratořích) 65

66 TLAK NASYCENÝCH PAR VODY (mm Hg) vs.teplota ( o C) 0 C o o A48 4A A47 5A A A :.437 8A A A A A A A o

67 HUSTOTA VODY (g/m) vs. TEPLOTA ( C) C o o t C : t , o.99891o : ' :

68 POUŽITÁ LITERATURA e252e44b37c12571b0003f53b1. 2. POŠTA, A. et al. Laboratorní technika a bezpečnost práce. Praha: SNTL, Nařízení CLP č.1272/2008 o klasifikaci, označování a balení látek a směsí. 4. Provozně bezpečnostní zásady k zajištění bezpečnosti práce v chemických laboratořích, referent BOZP, VŠB-TUO, čování _chemikálií. 7. Handlíř K., Nádvorník M., Vlček M.: Výpočty a cvičení z obecné a anorganické chemie I., Skriptum Univerzity Pardubice, FChT, Beran J.A.: Chemistry in the Laboratory. J.Wiley, New York Gažo a kol.: Laboratorné cvičeni a a výpočty z anorganickéj chémie. SVTL, Bratislava Klikorka J., Klazar J., Zástěra A., Horák J.: Úvod do preparativní anorganické chemie. SNTL, Praha Klikorka J., Hájek B., Kůtek F., Kohout V.: Obecná a anorganická chemie. SNTL, Praha D.L. Pavia, G. S. Kriz, G. M. Lampman, R. G. Engel: Introduction to laboratory techniques, Orlando, Harcourt Brace & Comp Leško J., Tržil J., Ullrych J.: Obecná chemie, 1.vyd., Ostrava: VŠB Technická univerzita Ostrava, 168 s., Kostura B., Gregorová M.: Příklady z chemie pro bakalářské obory, 2.vyd., Ostrava: VŠB Technická univerzita Ostrava, 73 s., Polák R., Zahradník R.: Obecná chemie, Academia, Praha

69 Název: Laboratorní cvičení - návody - lek Ing. Hana Kohutová doc. RNDr. Bruno Kostura, Ph.D. Vydavatel: Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava Určeno pro: studenty FMMI a FBI Stran: 70 Rok tisku: