STANOVENÍ MOLÁRNÍ HMOTNOSTI KYSLÍKU Úloha č. 1 Molární hmotnost plynu lze obecně určit ze stavové rovnice plynů, známe-li hmotnost určitého objemu plynu při známém tlaku a teplotě. Průpravné otázky 1. Ze stavové rovnice ideálního plynu vyjádřete obecně a) molární hmotnost plynu b) hustotu plynu c) molární koncentraci plynu 2. Uveďte hodnotu a rozměr molární plynové konstanty R Zadání Změřte objem kyslíku uvolněného tepelným rozkladem mananistanu draselného. Určete hmotnost uvolněného kyslíku. Molární hmotnost kyslíku vypočítejte ze stavové rovnice. Výsledek porovnejte s tabelovanou hodnotou. Pracovní postup Měření uskutečníme v aparatuře znázorněné na obrázku. 1. Do čisté a suché zkumavky nasypeme lžičku mananistanu draselného, do horní části vložíme kousek skleněné vaty a vše zvážíme s přesností 0,01. Zváženou zkumavku připojíme k aparatuře. 2. Odečteme počáteční objem vody v odměrném válci tak, aby hladina vody ve válci a baňce byly ve stejné výšce. 3. Dolní konec zkumavky mírně žíháme plamenem kahanu. Kyslík vznikající termickým rozkladem mananistanu draselného vytěsňuje vodu z baňky do odměrného válce. Po vytlačení asi 350 cm 3 vody z baňky přerušíme ohřev a zkumavku necháme zchladnout. 4. Po zchladnutí zkumavky na teplotu místnosti odečteme konečný objem vody stejným způsobem jako v bodě 2. Rozdíl konečné a počáteční hodnoty objemu odpovídá objemu uvolněného kyslíku. 5. Zvážíme zkumavku (se zbytkem vzorku a vatou) s přesností 0,01. Rozdíl hmotností před a po žíhání přestavuje hmotnost uvolněného kyslíku.
Výpočty 1. Molární hmotnost kyslíku vypočteme ze stavové rovnice plynu: M ( O ) 2 m( O2 ). R. T p( O ). V ( O ) 2 2 Tlak plynu však neodpovídá atmosférickému tlaku, ale je zmenšený o tlak nasycených par vody. p (O2) = p(a) - p(h2o) Hodnotu tlaku nasycených par vody najdeme v tabulce umístěné na nástěnce v laboratoři. Za teplotu plynu je možno považovat teplotu v laboratoři. Tabulka naměřených a vypočtených hodnot hmotnost zkumavky před žíháním hmotnost zkumavky po žíhání hmotnost uvolněného kyslíku počáteční objem vody dm 3 konečný objem vody dm 3 objem uvolněného kyslíku dm 3 teplota v laboratoři K atmosférický tlak kpa tlak nasycené vodní páry kpa tlak uvolněného kyslíku kpa vypočítaná molární hmotnost O 2 / mol tabelovaná molární hmotnost O 2 / mol relativní odchylka * % zkumavka odměrný válec bańka
URČENÍ VZORCE KRYSTALOHYDRÁTU SOLI Úloha č. 2 Ve vodných roztocích solí působí mezi vodou a částicemi soli mezimolekulární síly. U některých solí jsou tyto síly velmi veliké, 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 vyšších teplot (řádově stovky stupňů Celsia) krystalohydráty uvolňují vodu a přecházejí až na bezvodé soli. Přitom obvykle dochází ke změně vlastností, např. změně barvy. Příkladem krystalohydrátu je modrá skalice CuSO4.5H2O (pentahydrát síranu měďnatého), která má modrou barvu. Žíháním postupně přechází na bezvodý síran měďnatý CuSO4, který je bílý. Průpravné otázky 1. Uveďte chemické názvy a vzorce alespoň pěti krystalohydrátů solí. 2. Vypočítejte hmotnostní zlomek krystalové vody v modré skalici. Zadání Určete vzorec neznámého krystalohydrátu, který vám bude zadán. Předpokládejte, že to může být pouze jedna z následujících látek: NaH2PO4. H2O, Ca(NO3) 2.4 H2O, KAl(SO4) 2.12 H2O, Na2CO3.10 H2O Pracovní postup Do tří zvážených porcelánových misek navážíme (s přesností na 0,01 ) zadaný vzorek krystalohydrátu, který jsme předem rozetřeli ve třecí misce na jemný prášek. Navážku volíme v rozmezí 3-5 ramů. Misky se vzorkem žíháme ne elektrickém vařiči asi 30 minut. Teplotu je nutné reulovat tak, aby krystaly soli neprskaly z misky. Po odstranění veškeré krystalové vody (kontrolu provádíme pomocí hodinového skla) necháme misky se vzorkem vychladnout v exsikátoru a pak zvážíme. Pozn.: Bezvodá sůl je velmi hyroskopická a slučuje se opět se vzdušnou vlhkostí, proto je nutno provést vážení v co nejkratší době. Všechny potřebné hmotnosti zaznamenáme do přehledné tabulky a provedeme příslušné výpočty hmotnostních zlomků krystalové vody u všech tří vzorků a hodnoty zprůměrujeme. Nakonec určíme vzorec krystalohydrátu a porovnáme námi stanovenou hodnotu hmotnostního zlomku vody se skutečnou hodnotou a zdůvodníme rozdíl.
Tabulka naměřených a vypočtených hodnot: Hmotnost prázdného kelímku..m1 Hmotnost kelímku se vzorkem m2 Hmotnost kelímku se vzorkem po vyžíhání m3 Navážka krystalohydrátu ms = m2 m1 Hmotnost odpařené vody m(h2o) = m2 m3 Hmotnostní zlomek vody w(h2o) = [m(h2o)/ms].100 %
OXIDACE A REDUKCE Úloha č. 3 Oxidačně redukční reakce se vždy skládá z děje oxidačního (ztráta elektronů, zvýšení kladného oxidačního čísla) a z děje redukčního (přijímání elektronů, snižování kladného oxidačního čísla). Látka obsahující prvek, který elektrony přijímá, se nazývá oxidační činidlo (oxidovadlo) a naopak látka, v níž prvek elektrony ztrácí, se označuje jako redukční činidlo (redukovadlo). Dvě látky, v nichž tentýž prvek vystupuje ve dvou různých oxidačních stupních, vytvářejí konjuovaný (spřažený) oxidačně redukční pár. Látku, v níž má prvek vyšší oxidační číslo, označujeme symbolem Ox (oxidovaná forma), druhou látku symbolem Red (redukovaná forma). 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 a 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 konjuovaného páru buď oxidovaná, nebo redukovaná forma. Aby reakce mohla probíhat, musí spolu reaovat oxidovaná forma systému s vyšším potenciálem a redukovaná forma systému s nižším potenciálem. Průpravné otázky 1. Napište elektronové rovnice ke všem zadaným oxidačně redukčním rovnicím 2. V tabulce VII v Příkladech z chemie najděte aspoň dvě látky, které mohou vystupovat jako oxidační i jako redukční činidla Zadání a) Proveďte zadané oxidačně redukční reakce a popište jejich průběh rovnicemi v molekulovém i iontovém tvaru. Vyčíslení proveďte pomocí připravených elektronových rovnic. b) Proveďte předepsané reakce rozpouštění kovů, popište jejich průběh a vyložte jej z hlediska postavení dotyčného kovu v řadě napětí kovů. Reakce vyjádřete rovnicemi v molekulovém i iontovém tvaru. Vyčíslení proveďte pomocí připravených elektronových rovnic.
Oxidačně-redukční reakce - A Čísla v závorkách označují pořadová čísla oxidačně-redukčních systémů v tab. VII v Příkladech z chemie. Pracovní postup 1. Menší množství roztoku KMnO4 ve zkumavce okyselte zředěnou kyselinou sírovou a přidejte roztok FeSO4, který si připravíte ve zkumavce z pevné soli těsně před pokusem. Zbarvení mananistanu mizí a vzniká žlutohnědý roztok železité soli. (69-48) 2. K malému množství roztoku MnSO4 ve zkumavce přidejte na špičku lžičky PbO2, okyselte koncentrovanou HNO3 a zahřejte k varu. Zřeďte vodou a nerozpustný zbytek nechte usadit. Roztok se zbarví fialově mananistanovými ionty, část PbO2 se zredukuje na olovnatou sůl. (69-67) 3. Malé množství roztoku K2Cr2O7 ve zkumavce okyselte H2SO4 (w = 0,20) a přidejte dusitan sodný NaNO2 (pevný nebo v roztoku). Po zahřátí dochází k redukci dichromanu na chromitou sůl (zelené zbarvení). (63-32) 4. Roztok FeCl3 ve zkumavce okyselte HCl (w = 0,15) a přidejte několik kapek roztoku KI. Vzniklý elementární jod dokažte dvěma způsoby. Část roztoku odlijte, zřeďte ve zkumavce vodou, až je roztok jen mírně nažloutlý, a přidejte roztok škrobu. Přítomnost jodu se projeví modrým zbarvením. Zbylou část původního roztoku povařte. Ve zkumavce nad roztokem se objeví fialové páry jodu. (48-42) 5. Roztok jodu ve zkumavce mírně okyselte H2SO4 (w = 0,20) a přidejte pevný Na2SO3 nebo K2SO3. Jod vystupuje vůči siřičitanu jako oxidační činidlo a redukuje se na jodid, čímž se roztok odbarvuje. (36-42) 6. Roztok KMnO4 ve zkumavce okyselte H2SO4 (w = 0,20) a přidejte H2O2 (w = 0,03). Peroxid vodíku se vůči KMnO4 chová jako redukční činidlo a oxiduje se na kyslík. Redukce mananistanu se projeví odbarvením roztoku. (69-47) 7. Roztok KI mírně okyselte H2SO4 (w = 0,20) a přidejte H2O2 (w = 0,03). Vůči jodidu se peroxid vodíku chová jako oxidační činidlo a redukuje se na vodu. Jod, vzniklý oxidací jodidu, dokažte způsobem popsaným v pokuse č. 4. (42-75) 8. Rozpouštění kovů budete provádět ve zkumavkách. Do zkumavky nalijte menší množství daného roztoku a vhoďte několik kousků hoblinek nebo drátků příslušného kovu. a) V koncentrované kyselině chlorovodíkové rozpouštějte zinek. Vznikající vodík jímejte do obrácené zkumavky a zapalte. (31-15) b) Velmi malé množství zinku (prudká reakce) rozpouštějte ve kyselině dusičné (w= 0,30). Při rozpouštění vzniká bezbarvý NO, ale ten se okamžitě oxiduje vzdušným kyslíkem na NO2, který uniká ve formě hnědých dýmů. (15-54) c) Do vody vhoďte drobné hoblinky hořčíku a chvílí povařte. Po úniku bublin vodní páry lze v horké vodě pozorovat vývin drobných bublinek vodíku. Přikápneme-li roztok
fenolftaleinu, zbarví se obsah zkumavky karmínově. Vysvětlete tyto úkazy. (7-14). Oxidačně - redukční rovnice - reakce A 1) KMnO4 + FeSO4 + H2SO4 = MnSO4 + Fe2(SO4)3 + K2SO4 + H2O 2) MnSO4 + PbO2 (s) + HNO3 = HMnO4 + Pb(NO3)2 + PbSO4 + H2O 3) K2Cr2O7 + NaNO2 + H2SO4 = Cr2(SO4)3 + NaNO3 + K2SO4 + H2O 4) FeCl3 + KI = FeCl2 + I2 + KCl 5) I2 + Na2SO3 + H2O = Na2SO4 + HI 6) KMnO4 + H2O2 + H2SO4 = MnSO4 + O2 + K2SO4 + H2O 7) KI + H2O2 + H2SO4 = I2 + H2O + K2SO4 8) a) Zn + HCl = ZnCl2 + H2 b) Zn + HNO3 = Zn(NO3)2 + NO + H2O c) M + H2O = M(OH)2 + H2
PŘÍPRAVA NEROZPUSTNÝCH UHLIČITANŮ SRÁŘENÍM Úloha č. 4 Uhličitan barnatý, strontnatý a vápenatý, získané z roztoků srážením, jsou bílé prášky ve vodě téměř nerozpustné. Ve 100 vody se při 18 o C rozpouští: 1,3 m CaCO3, 1,0 m SrCO3 a 1,7 m BaCO3. Nadbytečným oxidem uhličitým je lze převést ve snadno rozpustné hydroenuhličitany. Kyselinami se uhličitany kovů alkalických zemin rozkládají za vývoje CO2 stejně jako jiné uhličitany. Za žáru se štěpí nejsnáze uhličitan vápenatý, dále strontnatý a nejobtížněji barnatý za tvorby oxidu příslušného kovu a CO2. Průpravné otázky 1) Napište rovnice pro přípravu páleného vápna a pro tvrdnutí malty. 2) Vypočítejte, kolik ramů SrCl2.6H2O a Na2CO3 je zapotřebí k přípravě 10 SrCO3. Zadání Připravte zadané množství (3 5 ) uhličitanu vápenatého, barnatého nebo strontnatého srážením příslušné rozpustné soli roztokem uhličitanu sodného a stanovte výtěžek v %. Pracovní postup Potřebné množství chloridu vápenatého, barnatého nebo strontnatého, zjištěné výpočtem, rozpustíme ve 100cm 3 horké destilované vody a je-li roztok znečištěn a zakalen, zfiltrujeme jej. Vypočtené množství Na2CO3 rozpustíme ve 100cm 3 horké destilované vody. Ještě za tepla oba roztoky smícháme, popřípadě ještě chvíli povaříme. Sraženinu uhličitanu vyčistíme několikanásobnou dekantací vody až do neutrální reakce a pak zfiltrujeme na Büchnerově nálevce. Sušíme 30 minut při 120 o C a po vychladnutí v exikátoru zvážíme. Výpočty Potřebné množství reaujících látek zjistíme výpočtem podle chemické rovnice. Vypočteme také výtěžek uhličitanu v procentech oproti teoretickému výtěžku. Tabulka naměřených a vypočtených hodnot Zadané množství uhličitanu..m1 Navážka chloridu..m2 Potřebné množství Na2CO3..m3 Vyrobené množství uhličitanu..m4 Relativní výtěžek..m4/m1 %