praovní list studenta Aidobaziké rovnováhy Odměrná analýza aidobaziká titrae ýstup RP: Klíčová slova: Martin Krejčí experiment umožňuje žákům pohopit hování silnýh protolytů ve vodnýh roztoíh, žák se detailněji seznámí s -metrikou detekí bodu ekvivalene jako jednou ze základníh instrumentálníh analytikýh tehnik; během výpočtové části se žái naučí základním vztahům výpočtů silnýh protolytů; dle použité konentrae stanovovaného protolytu, případně odměrného roztoku, titrační křivka variuje a při interpretai si žák osvojuje podstatná fakta o vlivu konentrae roztoků na průběh stanovení; žái se seznámí s aparaturou pro titrai a prinipem titrační tehniky jako metody odměrné analýzy Alkalimetrie, silná kyselina, silná zásada,, bod ekvivalene, titrační křivka Kvinta Laboratorní práe Doba na přípravu: 0 min Doba na realizai: 05 min Doba na zpra. dat: 05 min Obtížnost: střední úloha Alkalimetriká titrae silné kyseliny ( silnou zásadou (Na s -metrikou detekí bodu ekvivalene Ůkol Cíl Teoretiký úvod Pomůky -metriké stanovení kyseliny hlorovodíkové odměrným roztokem hydroxidu sodného Na. Pomoí odměrné analytiké metody s instrumentální detekí bodu ekvivalene stanovit molární konentrai vodného roztoku kyseliny hlorovodíkové (. Z naměřenýh hodnot, měnííh se v důsledku přidaného objemu odměrného roztoku silné zásady (Na v průběhu stanovení, sestavit titrační křivku zobrazujíí průběh titrae. Povšimnout si tvaru titrační křivky. Pokusit se interpretovat rozdíly mezi titračními křivkami při titrai silné kyseliny silnou zásadou, avšak s jinými konentraemi kyseliny hlorovodíkové (, případně s rozdílnou konentraí odměrného roztoku hydroxidu sodného (Na. Grafiké zpraování a analýza titračníh křivek (deteke bodu ekvivalene. yužití první a druhé derivae při znázornění a deteki bodu ekvivalene. ýpočet přesné molární konentrae kyseliny hlorovodíkové na základě objemu odměrného roztoku Na zjištěného při titrai. Použití aidobazikýh indikátorů jako způsobu pro vizuální deteki bodu ekvivalene. Funkční oblast indikátoru (oblasti barevnýh přehodů jednotlivýh strukturníh forem indikátorů jako funke vodnýh roztoků kyselin a zásad. Seznámit se s titrační aparaturou používanou v kvantitativní odměrné analýze. (viz: aidobaziké rovnováhy Přístrojové vybavení: datalogger LABQUEST, počítač s nainstalovaným programem Logger Pro, -elektroda ernier, magnetiká míhačka magnetiké míhadlo Laboratorní tehnika: laboratorní stojan, držák na byrety, byreta ( 50 ml, odměrná pipeta ( 1 ml, 10 ml, 50 ml, titrační baňka ( 50 ml, odměrná baňka ( 100 ml, 50 ml, držák elektrody (není podmínkou, střička, pipetovaí balonek Chemikálie: roztok kyseliny hlorovodíkové 0,1 mol L -1, odměrný roztok hydroxidu sodného Na 0,1 mol L -1 pozn.: Pro dosažení vyšší přesnosti stanovení je nezbytností standardizae odměrného roztoku Na.
úloha praovní list studenta Odměrná analýza aidobaziká titrae Informae o nebezpečnosti použitýh hemikálií : Na: H-věty H1 Způsobuje těžké poleptání kůže a poškození očí. H5 Může způsobit podráždění dýhaíh est. R-věty R Způsobuje poleptání. R7 Dráždí dýhaí orgány. S-věty S1/ Uhovávejte uzamčené a mimo dosah dětí. S6 Při zasažení očí okamžitě důkladně vypláhněte vodou a vyhledejte lékařskou pomo. S5 případě nehody nebo neítíte-li se dobře, okamžitě vyhledejte lékařskou pomo (je-li možno, ukažte toto označení. H-věty H1 Způsobuje těžké poleptání kůže a poškození očí. R-věty R5 Způsobuje těžké poleptání. S-věty S1/ Uhovávejte uzamčené a mimo dosah dětí. S6 Při zasažení očí okamžitě důkladně vypláhněte vodou a vyhledejte lékařskou pomo. S7/9 Používejte vhodné ohranné rukavie a ohranné brýle nebo obličejový štít. S5 případě nehody nebo neítíte-li se dobře, okamžitě vyhledejte lékařskou pomo (je-li možno, ukažte toto označení. Postup práe 1 Do čisté titrační baňky (50 ml odpipetujeme odměrnou pipetou 10 ml roztoku kyseliny hlorovodíkové ( o přibližné konentrai 0,1 mol L -1, následně přidáme 50 ml destilované vody (měříí část -elektrody musí být zela ponořena do stanovovaného roztoku! K roztoku lze přidat kapky zvoleného aidobazikého indikátoru (fenolftalein, bromthymolová modř apod. Pozn.: Pro prái s aidobazikými indikátory je lepší provést samostatný experiment v rámi jiného laboratorního vičení, s širší škálou aidobazikýh indikátorů. Sestavte aparaturu pro titrai (obr. 1 a. Přes nálevku naplňte byretu odměrným roztokem Na, 0,1 mol L -1. Před vlastním plněním je třeba byretu pečlivě propláhnout destilovanou vodou a následně zbytek vody spláhnout malým množstvím připraveného odměrného roztoku (íl minimalizae hyby stanovení způsobené pozměněním konentrae odměrného roztoku destilovanou vodou poházejíí z počátečního výplahu byrety. Meniskus, vytvořený hladinou odměrného roztoku odpuštěním přebytečného množství odměrného roztoku, nastavíme na nulovou hodnotu (obr.. 5 Do titrační baňky s analyzovaným roztokem kyseliny hlorovodíkové vložíme magnetiké míhadlo. 6 Do držáku na elektrodu upevníme -senzor, elektroda může být umístěna i volně, poté dbáme na to, aby míhadlo zbytečně nenaráželo do měříí části -elektrody. obr. 1 obr. obr. 7 -metrikou elektrodu je nezbytné před experimentem kalibrovat. Kalibrai provádíme dvoubodově za pomoi roztoků o definovaném (při dvoubodové kalibrai používáme roztoky o a o 7. (místo ústojného roztoku o lze použít i roztok o 10. 8 Nyní je nezbytné nastavit režim měření v programu LoggerPro pro sběr dat. rozbalovaím seznamu Experiment zvolíme nabídku Sběr dat, po které se objeví dialogové
okno pro nastavení (obr.. Zde nastavíme variantu Události se vstupy (obr. 5. Následně doplníme informae o názvu sloupe, znače a jednote manuálně zadávané veličiny (obr. 6. Potvrzením Hotovo máme základní nastavení režimu měření a můžeme přistoupit k vlastní realizai měření. Lze překontrolovat nastavení grafu, hlavně měřítko os nebo formát zobrazovanýh bodů apod. Není to však nezbytné, poněvadž s tímto nastavením lze praovat i po sběru dat, ve fázi zpraování naměřenýh hodnot. (viz kapitola zpraování dat praovní list studenta Odměrná analýza aidobaziká titrae obr. úloha obr. 5 obr. 6 9 S takto připravenou aparaturou a nastaveným režimem měření můžeme začít vlastní titrai. -elektrodu ponoříme do analyzovaného roztoku. Otáčky magnetiké míhačky nastavíme v rozumné míře tak, aby se analyzovaný vzorek nerozstřikoval po stěnáh titrační baňky. Měření zahájíme příkazem Sběr dat (zelená šipka na monitoru v horní části. Současně se zahájením sběru dat se vedle zelené šipky objeví symbol modrého kroužku využívaný k zahování naměřené hodnoty a následnému manuálnímu zadání objemu přidaného odměrného roztoku. Během titrae volíme objem odměrného roztoku dle potřeby tak, abyhom získali dostatečné množství hodnot pro vykreslení titrační křivky. Jako ideální se jeví objemy v intervalu 1 ml (používané objemy závisí na konentrovanosti roztoků. Po každém přídavku je nezbytné počkat, až se na měříím přístroji nová hodnota změněného ustálí. Následně za pomoi tlačítka zahování hodnot zadáme přidaný objem odměrného roztoku a potvrdíme tlačítkem OK. Celou operai opakujeme tak, abyhom získali dostatek hodnot, a to jak před bodem ekvivalene, tak i za ním, aby výsledná titrační křivka byla úplná, s dobře patrnými body zlomu v elém svém průběhu. 10 Po naměření dostatečného počtu hodnot uzavřeme sběr dat tlačítkem Ukončit, a tím je experimentální část hotova. Následuje část analytiká, v které je třeba zpraovat naměřená data. Zpraování dat Na následujíím obrázku je zobrazen výsledek sběru dat. Z takto naměřenýh hodnot lze zjistit ( v bodě ekvivalene. Nejprve klikneme na tlačítko Odečet hodnot na základní liště a v rozbalovaím seznamu Analýza zatrhneme nabídku Interpolae, která nám zajistí dopočítávání hodnot i mimo hodnot naměřenýh. Pro vlastní identifikai bodu ekvivalene potom můžeme volit jednu z následujííh tehnik. 5
úloha informae pro učitele Odměrná analýza aidobaziká titrae 1 1 1 11 10 9 8 7 6 5 1 0 0 1 5 6 7 8 9 10 11 1 1 1 15 16 17 18 19 0 Objem ( (ml Metoda oskulačníh kružni programu LoggerPro je možno identifikovat bod ekvivalene metodou první derivae, případně metodou druhé derivae. Realizae je nutná následujíím postupem: nejprve v nabíde Data navolíme možnost Nový dopočítávaný sloupe. Objeví se dialogové okno pro nový dopočítávaný sloupe (obr. 7. yplníme okno Název, Značka a na závěr navolíme funki, kde volíme v nabíde alulus (matematiké funke a v nih derivae, případně druhá derivae (obr. 8. Následně v nabíde proměnné zvolíme tabule se objeví nové sloupe s hodnotami 1. či. derivae. Metoda tečen obr. 7 6 obr. 8 obr. 9
informae pro učitele Odměrná analýza aidobaziká titrae Nyní lze vykreslit grafy zobrazujíí průběh funkí první či druhé derivae a v nih identifikovat body ekvivalene, jež se nahází v maximu křivky, respektive v průsečíku s osou x. úloha Na následujííh obrázíh lze vidět výsledné grafy derivaí podle objemu a d ( d d ( s vyznačenými body ekvivalene pro graf první i druhé derivae. d ( d d ( Na 8 NaCl H O ( H O 7 Objem (: 10,57505695 ml 1. derivae: 6,5 1. derivae: 6,95 H Na NaCl H O 6 ( H O H n ( 5 ( ( ( ( O H O H 1. derivae ( ( H O ( n H n H O H ( O ( ( ( ( ( O ( ( H ( 5% 1 w M Automatiky proložit křivku pro: Měření I 1. derivae ( 1d A*exp(-CxB ρ 5% ( A: 7,98E-009 /-,9E-009 5% C: -1,96 /-0,0590 B: 1,78E007 /-0,08 RMSE: 0,06801 Automatiky proložit křivku pro: Měření I 1. derivae 1d A*exp(-CxB A:,18E005 /-7,05E00 C: 1,050 /-0,0165 B: 0,0896 /-0,00988 RMSE: 0,077 ( 5% w M ρ ( 5% ( 5% 0 6,5 9,5 10,5 ( 0 1 0,89 ml 0,95mL6 7 8 9 10 11 1 1 1 15 16 17 18 19 0 5 % 0,51,17 Objem ( (ml ( 0,89 ml 0,9 ml 5 % 6,5 0,51,17 Objem (: 10,685876 ml. derivae:,11. derivae: -,591. derivae: 0,00956 Automatiky proložit křivku pro: Měření I. derivae d mxb m (směrnie: -,516 b (průsečík s Y: 8,6 Correlation: -0,997 RMSE: 0,1. derivae 1 0-1 - Automatiky proložit křivku pro: Měření 1 I. derivae - 0 1 5 6 7 8 9 10 11 1 1 1 15 16 17 18 19 0 Objem ( (ml Automatiky proložit křivku pro: Měření 1 I. derivae 7
úloha ýpočty informae pro učitele d ( d( Odměrná analýza aidobaziká titrae d ( d d Přesná konentrae d d d ( Z hemiké rovnie je zřejmé, že hemiká reake d( probíhá při jednotkové ( d ( Na Na ( ( H O Na NaCl NaCl H O ( NaCl H H O H O H O (l (l NaCl H O H ( H O H stehiometrii. d Znamená to, že v bodě ekvivalene se rovnají látková množství titrovaný roztok a Na odměrný roztok. Platí tedy následujíí relae d ( ( ( n( H O n ( n( H O n ( ( ( ( ( ( H O H ( HO ( ( n( H O n ( Na NaCl H O ( ( ( Při H znalosti O H objemu (, který byl titrován, d( a při známýh harakteristikáh odměrného roztoku Na (molární konentrae d 0,1 mol L -1 a objem ( M - odečtený z grafů v bodě M ( ( 5% ( ekvivalene lze snadno určit přesnou konentrai kyseliny hlorovodíkové. 5% 5% w( 5% ρ w( ρ( ( 5% 5% M 5% Odtud d 5% 5% ( 5% w( ρ d d 5% ( 5% ( ( ( n( H O n ( ( ( d ( 0,1 0,1 6,5 6,5 ( 0,89 ml 0,9 ml 0,89 ml 0,9 5 % Na 5 % 5 % 0,5NaCl 1,17 0,51,17 Příprava roztoků pro realizai 6,5 H O experimentu ( Na 0,89 ml 0,9 ml 5 % ýpočet navážky Na 0,51,17 (s pro NaCl přípravu odměrného H roztoku O ( Na o konentrai 0,1 mol l -1 H O H a objemu 50 ml. ( M ( H O H 5% m w ρ Na Na. Na. M Na ( 5% ( 5% ( 0,1 O ( 6,5 ( ( ( n 0,89 ml 0,9 ml 5 % ( H O n ( ( ( ( O ( ml Po dosazení: m Na 0,1. 0,5. 0 1g ( ( n H n ( ( ( H O (pozn: zhledem 0,51,17 k nežádouím reakím Na se vzdušným CO je doporučeno před stanovením standardizovat odměrný roztok. ýpočet (, který je třeba odpipetovat pro přípravu roztoku o přibližné konentrai 0,1 mol L -1 a objemu 100 ml ( ( 5% 5% w M w M ρ ρ ( 5% ( 5% ( 5% ( 5% ( ( ( H O 8 Interpretae titrační křivky Po dosazení 6,5 ( 0,89 ml 0,9 ml 5 % 0,1 0,5 6,5 1,17 ( 0,89 ml 0,9 ml 5 % 0,51,17 Titrační křivka titrae silné kyseliny silnou zásadou má harakteristiký tvar s výrazným bodem zlomu. ýrazným znakem je velké rozpětí hodnot mezi počátkem a konem titrae. Hodnota se v počátku titrae může pohybovat v závislosti na konentrovanosti silné kyseliny. Tvar titrační křivky zůstává (při stejné konentrai odměrného roztoku za bodem ekvivalene konstantní. Bod ekvivalene lze detekovat nejen instrumentálně, ale i vizuálně. Strmý zlom v blízkosti bodu ekvivalene nám umožňuje, pro vizualizai bodu ekvivalene, větší volnost ve volbě aidobazikýh indikátorů. Lze volit indikátory s různými funkčními oblastmi (tj. s různými barevného přehodu. Je velmi prospěšné srovnat průběh stanovení i s titraemi silnýh kyselin při jinýh konentraíh, s titraemi silnýh kyselin slabými zásadami, s titraemi slabýh kyselin silnou zásadou, případně s titraemi víesytnýh kyselin (viz následujíí úlohy, případně teoretiký úvod.