Embed Size (px)
Citation preview
SPEKKONC
Ka
KTROSCENTR
Maatja Kert,
Mojca
Mes
Komi
SKOPSRACIJE
RAZIS
arjeta Gradijakinja 4Drofenik
stna obči
isija Mlad
SKE ME VODIK
SKOVALNA
AvtorDomen G
Mentordišnik Mi4. letnika Čerček, u
ina Celje
di za Celj
ETODEKOVEG
A NALOGA
r: Goste
rice: rt, pred. uprograma
univ.dipl.in
je
E DOLOGA PER
A
učiteljica a Kemijskng.kem.te
OČANJROKSI
i tehnik eh.
JA DA
OSNOVNA ŠOLA LJUBEČNA
SPEKTROSKOPSKE METODE DOLOČANJA KONCENTRACIJE VODIKOVEGA PEROKSIDA
RAZISKOVALNA NALOGA
Avtor: Mentorice: Domen Goste, 8. b Marjeta Gradišnik Mirt, pred. učiteljica
Katja Kert, dijakinja programa Kemijski tehnik Mojca Drofenik Čerček, univ.dipl.ing.kem.teh.
Mestna občina Celje, Mladi za Celje
Celje, 2012
SPEKKONC
KTROSCENTR
Me
Kom
SKOPSRACIJE
RAZIS
Šifra
R
Ce
estna obči
misija Mlad
SKE ME VODIK
SKOVALN
: TITANOV
Razred: 8.
elje, febru
ina Celje
di za Celje
ETODEKOVEG
NA NALOG
V DIOKSID
razred
uar 2012
e
E DOLOGA PER
GA
D
OČANJROKSI
JA DA
i
KAZALO
KAZALO SLIK, TABEL IN GRAFOV ................................................................................................... ii
POVZETEK NALOGE ....................................................................................................................... 1
1 UVOD .......................................................................................................................................... 2
1.1 NAMEN NALOGE ........................................................................................................... 2
1.2 HIPOTEZE ....................................................................................................................... 3
1.3 METODE DELA ............................................................................................................... 3
2 TEORETIČNI DEL .................................................................................................................... 4
2.1 KOORDINACIJSKE SPOJINE ............................................................................................ 4
2.2 VODIKOV PEROKSID ...................................................................................................... 5
2.3 VULUMETRIJA ................................................................................................................ 6
2.4 SPEKTROFOTOMETRIJA ................................................................................................. 7
2.5 TITANOVI (IV) KOMPLEKSI Z VODIKOVIM PEROKSIDOM .............................................. 8
3 PRAKTIČNI DEL .................................................................................................................... 10
3.1 STANDARDIZACIJA RAZTOPINE KALIJEVEGA MANGANATA(VII) ................................. 10
3.2 DOLOČANJE KONCENTRACIJE VODIKOVEGA PEROKSIDA S KALIJEVIM PERMANGANATOM ................................................................................................................ 11
3.3 PRIPRAVA TITANOVEGA OKSIDA SULFATA(VI) IN OBARVANJE RAZTOPINE VODIKOVEGA PEROKSIDA ....................................................................................................... 13
4 REZULTATI ........................................................................................................................... 17
5 POTRDITEV HIPOTEZ ........................................................................................................... 21
6 ZAKLJUČEK ........................................................................................................................... 21
LITERATURA in VIRI ..................................................................................................................... 23
ZAHVALE ........................................................................................................................................ 0
ii
KAZALO SLIK, TABEL IN GRAFOV
SLIKA 1: RAZLIČNI ENERGETSKI NIVOJI V D‐ORBITALAH ................................................... 5 SLIKA 3: PREPROSTA SHEMA TITRACIJE ............................................................................ 7 SLIKA 4: SPEKTROFOTOMETER ......................................................................................... 8 SLIKA 5: OBARVANJE TITANOVIH(IV) SPOJIN Z VODIKOVIM PEROKSIDOM ..................... 9 SLIKA 6: BIRETA, UPORABLJENA PRI TITRACIJI................................................................ 12 SLIKA 7: RAZKLOP TITANOVEGA(IV) OKSIDA .................................................................. 14 SLIKA 8: ZELENO OBARVANJE MED SEGREVANJEM, DOMNEVNO POSLEDICA
POŠKODOVANEGA PALIČASTEGA MAGNETA .......................................................... 15 SLIKA 9: KIVETE Z IZBRANIMI VZORCI OBARVANE RAZTOPINE TITANOVEGA(IV) OKSIDA
................................................................................................................................. 16 SLIKA 10: PRIMERJAVA KONCENTRACIJ VODIKOVEGA PEROKSIDA V DVEH RAZTOPINAH
ZA LEČE AOSEPT ....................................................................................................... 20
TABELA 1: ABOSRBANCA V ODVISNOSTI OD VALOVNE DOLŽINE. ................................. 17 TABELA 2: ABSORBANCA V ODVISNOSTI OD VOLUMNA VODIKOVEGA PEROKSIDA PO
RAZREDČENJU DO 100 ML ....................................................................................... 18 TABELA 3: ODVISNOST ABSORBANCE OD MASNEGA DELEŽA VODIKOVEGA PEROKSIDA
................................................................................................................................. 19
GRAF 1: MERITVENA KRIVULJA ZA ZAČETEK DELA S SPEKTROMETROM ....................... 17 GRAF 2: ODVISNOST ABSORBANCE OD VOLUMNA VODIKOVEGA PEROKSIDA PO
RAZREDČENJU DO 100 ML ....................................................................................... 18 GRAF 3: ABSORBANCA V ODVISNOSTI OD MASNEGA DELEŽA VODIKOVEGA PEROKSIDA
................................................................................................................................. 19
1
POVZETEK NALOGE
Skozi to raziskovalno nalogo me je vodilo moje neizmerno zanimanje za analizno in anorgansko kemijo, predvsem za koordinacijske spojine. Slednje so namreč vsestransko uporabne in predvsem zaradi pestrih barv vsakemu kemiku zelo zanimive. Letos sem se zato odločil to lastnost – barvo koordinacijskih spojin – uporabiti tudi v praksi in to pri določanju koncentracije vodikovega peroksida s titanom(IV). Zastavil sem si dve hipotezi. Pri prvi hipotezi sem sklepal, da je določanje koncentracije vodikovega peroksida s titanovimi spojinami mogoče. Ta hipoteza je bila potrjena, saj sem pri obarvanju vodikovega peroksida dobil izredno intenzivno oranžno obarvanje, ki je absorbiralo svetlobo pri optimalni valovni dolžini, tj. 410 nm. V drugi hipotezi sem domneval, da je mogoče to metodo primerjati s standardnimi metodami določanja koncentracije vodikovega peroksida, npr. z volumetrično analizo s kalijevim manganatom(VII). Ta hipoteza je bila le delno potrjena, saj sem dobil v primerjavi s titracijo s kalijevim manganatom(VII) dokaj nenatančne podatke (le‐ti so dali namreč le približno vrednost koncentracije vodikovega peroksida). Menim, da so ti podatki bržkone posledica napak pri meritvah in odstopanj od linearnosti pri merjenju absorbance in pomanjkanju ustreznih navodil za ta postopek, saj v literaturi nisem našel nobenega opisa, ki bi se nanašal izključno nanj.
2
1 UVOD
Osnovno idejo za svojo raziskovalno nalogo sem dobil nekega dne, ko sem razmišljal, kaj bi bilo za letošnjo nalogo primerno in hkrati zanimivo. Odločil sem se za koordinacijske spojine, ki so me že od nekdaj močno fascinirale. Barve, izjemno zanimiva struktura in mnogo zanimivih teoretičnih podrobnosti, ki stoje za to zanimivo skupino spojin, so bile moj navdih za to raziskovalno nalogo. Želel sem tudi, da bi imela moja naloga veljavnost v praksi in da ne bi zgolj na novo odkrival že odkritega.
Odločil sem se za eksperiment, ki sem ga pred kratkim že izvedel v svojem lastnem laboratoriju, saj se mi je zdelo, da bi lahko to čudovito oranžno obarvanje, ki je nastalo pri poizkusu, uporabil tudi v drugačne, bolj praktične namene – določanje koncentracije vodikovega peroksida s spektrofotometrijo. Pomislil sem namreč, da bi na tak način lahko meril absorbanco določene raztopine vodikovega peroksida ob dodatku titanove(IV) soli. Vedel sem sicer, da obstaja podoben postopek že za določanje koncentracije titana (oz. titanovih ionov), vendar me je zanimalo, če je mogoče postopek izpeljati v obratni smeri.
Kot sem pozneje uspel razbrati iz literature, zelo podoben (obraten) postopek že obstaja, vendar pa med nadaljnjim brskanjem po internetu oz. po knjigah nisem uspel najti nič zanimivega. Tako sem se odločil, da bom postopek vseeno malce bolj podrobno raziskal in ga objavil v obliki raziskovalne naloge.
1.1 NAMEN NALOGE
Namen naloge je bil raziskati ta »slabo poznan« postopek določanja koncentracije vodikovega peroksida in ga primerjati z že uveljavljenimi postopki, ki jih uporabljajo razna podjetja pri izvajanju meritev za lastne potrebe. Upal sem, da bi lahko na tak način prišel tudi do spoznanja, da bi bilo ponekod celo bolje uporabiti ta postopek kot pa ostale, saj ne zahteva večje količine vzorca in z njim lahko določamo relativno majhne koncentracije.
3
1.2 HIPOTEZE
Za potrebe dela sem si pri svoji nalogi zastavil dve hipotezi, na osnovi katerih sem lahko čim bolj natančno sledil cilju svoje naloge.
Ti dve hipotezi sta bili:
‐ Titanovi(IV) perokso kompleksi so močno oranžno obarvani, zato lahko s spektrofotometričnimi metodami določamo koncentracijo titanovih spojin v raztopinah po dodatku vodikovega peroksida. Prva hipoteza v tej nalogi je, da lahko na enak način merimo tudi koncentracijo vodikovega peroksida v raztopini.
‐ Določanje koncentracije vodikovega peroksida s spektrofotometričnimi metodami je enako (oz. podobno) učinkovito, kot standardni postopki za določanje koncentracije vodikovega peroksida (redoks titracije).
Na koncu naloge sem obe hipotezi ovrednotil in tako preveril realnost svojega razmišljanja, ki me je vodilo v izdelavo te naloge.
1.3 METODE DELA
Raziskovalno delo je bilo, kot je značilno za vsako raziskovalno nalogo, razdeljeno na tri dele – teoretičnega, praktičnega in pisni del, v katerem sem poročal o rezultatih.
Na začetku projekta sem se poglobil v študij literature in osnoval hipoteze ter izrisal osnutek kasnejšega raziskovalnega dela.
Praktični del je bil prav tako razdeljen na več delov – na začetku sem si izbral pribor, primeren za delo, in kemikalije, ki sem jih pri delu potreboval. Po že prej izrisanem osnutku sem tudi oblikoval postopek dela in nato pričel z delom, ki je, kljub manjšim zapletom in primanjkovanju podatkov, potekalo večino časa ustaljeno. Rezultate sem spotoma dokumentiral s fotografiranjem.
Po končanem praktičnem delu sem se lotil pisanja raziskovalne naloge. Pri pisanju sem navedel vse pomembnejše rezultate in fotografije, ki so pomembne za bralčevo predstavo o namembnosti moje naloge in rezultatih, do katerih sem prišel.
4
2 TEORETIČNI DEL
Naloga je od mene pogosto zahtevala poznavanje težkih pojmov in konceptov, ki pa so bili vsi za mojo nalogo izjemnega pomena. Tako bom tudi v teoretičnem delu te naloge razložil nekaj osnovnih pojmov, ki so pomembni za pravilno razumevanje raziskovalne naloge.
2.1 KOORDINACIJSKE SPOJINE Pod pojmom »koordinacijske« ali »kompleksne« spojine si velikokrat predstavljamo zapletene molekule kovin, obdane z raznimi molekulami ali ioni, ali pa celo močno obarvanje, ki pogosto spremlja to skupino spojin. F. Lazarini in J. Brenčič v svoji knjigi Splošna in anorganska kemija opredeljujeta koordinacijske spojine kot1: » …. Koordinacijsko spojino lahko definiramo kot spojino, pri kateri so na nek centralni atom ali ion vezani ali koordinirani ligandi … Centralni ion mora dejansko obstajati pri pogojih, pod katerimi potekajo kemijske sinteze, pri takšnih pogojih mora koordinacijska spojina nastati neposredno iz centralnega atoma ali iona in ligandov.«
Koordinacijska spojina je tako malodane vsaka spojina kovine, ki je obdana z molekulami ali ioni (npr. kelati), ki so po navadi nanjo vezani s semipolarno (koordinativno) vezjo, v katero prispevajo vse elektrone ligandi (Lewisove baze). Zaradi prisotnosti d‐orbital so koordinacijske spojine d‐bloka periodnega sistema pogosto obarvane (razen koordinacijskih spojin, katerih centralni ion ima elektronsko konfiguracijo d0, e.g. cink, Zn2+ in skandij, Sc3+) .
Obarvanost lahko razložimo kot posledico d‐orbital, če si ogledamo Teorijo kristalnega polja (tudi Teorija polja ligandov), ki dobro opiše situacijo, čeprav na malce zgrešen način. Pri Teoriji polja ligandov gre torej za princip, po katerem ligandi, razporejeni v okolici centralnega iona, vplivajo na d‐orbitale elementov, ki imajo najvišjo energijo (najmanj intenzivno prodiranje in dobro zasenčeno jedro). Tako se nekaterim od petih d‐orbital energija zmanjša (t2g), nekaterim pa poveča (eg). Ko sprejmejo elektroni na mestih z nižjo energijo foton s točno določeno frekvenco (oz. valovno dolžino), preskoči na mesto z višjo energijo (d‐d preskok). _______________________________________________________________________
1 Brenčič J., Lazarini, F. 1989. Splošna in anorganska kemija. Ljubljana, DZS.
5
Elektroni ne morejo zasedati vmesnih energetskih stanj, temveč pravimo, da lahko sprejmejo le en kvant energije. Tako lahko koordinacijske spojine tvorijo celo paleto barv – vse je pač odvisno od velikosti polja ligandov, velikosti centralnega iona in zasedenosti d‐orbital. Kljub tej preprosti in elegantni razlagi ima teorija veliko pomanjkljivost – ne upošteva realne velikosti ligandov (točkasti ligandi), čeprav vemo, da so ligandi pogosto večji od centralnih ionov, kar bi lahko imelo velik vpliv na razlago. Prav tako niso upoštevani elektroni, ki v semipolarno vez v spojini prispevajo ligand sami. Zato se dandanes pogosto uporablja kar teorija molekulskih orbital, ki pa je na žalost veliko bolj zapletena in je izven meja mojega razumevanja, zato je ne morem obravnavati.
Slika 1: Različni energetski nivoji v d‐orbitalah
(Vir slike: ChemWiki, 2012)
S teorijo polja ligandov, ki je kljub svoji netočnosti zelo svojevrstna, pa je mogoče razložiti tudi magnetne lastnosti koordinacijskih spojin; če je polje ligandov šibko in je energijski preskok med orbitalami relativno majhen, se d‐orbitale polnijo, kot bi bile energetsko degenerirane. To pomeni, da je v določeni spojini lahko hkrati tudi do 5 samskih elektronov, ki imajo vsi svoje lastno magnetno polje, ki ne izvira iz njihovega gibanja. V tem primeru je spojina paramagnetna. V primeru, da je energijska razlika med t2g in eg orbitalami večja, so lahko samski največ trije elektroni – od tod izvira razlika v magnetnih momentih teh spojin. (J. Brenčič, F. Lazarini: Splošna in anorganska kemija, str. 251‐257)
2.2 VODIKOV PEROKSID
Vodikov peroksid je močan oksidant, s katerim smo se spoznali malodane že vsi. Je namreč pogost dodatek k barvam za lase kot belilo, prav tako se uporablja v drugih proizvodih, kot je na primer raztopina za leče. Na sobni temperaturi je to viskozna
6
tekočina, ki lahko zlahka in hitro razpade. Razpad vodikovega peroksida je s stališča termodinamike tako ugoden, pa vendar zaradi kinetičnih razlogov (hitrost kemijske reakcije) ne razpade takoj, ampak razpada relativno počasi. Seveda poznamo mnoge katalizatorje, ki lahko razpad močno pospešijo. Eden takšnih katalizatorjev je encim katalaza. Snovi, ki pospešujejo razpad, so tudi mnoge kovine (npr. srebro) in celo manganov dioksid.
Zaradi vsesplošne uporabe in tendence k razpadanju je treba uporabljati pri vodikovem peroksidu kar se da natančno metodo za določanje koncentracije. Najpogosteje se uporablja metoda z oksidacijo s kalijevim manganatom(VII), pri čemer le‐tega titriramo v raztopino vodikovega peroksida in počakamo na vijolično obarvanje. Enačba za to reakcijo je:
2 KMnO4 (aq) + 5 H2O2 (aq) + 3H2SO4(aq) ‐ 2 MnSO4 (aq) + 5O2 (g) + 8H2O (l) + K2SO4 (aq)
2.3 VULUMETRIJA Volumetrija (tudi titrimetrija) je metoda za določanje koncentracije v analizni kemiji. Pri dodajanju ene raztopine drugi poteka med njima kemijska reakcija. Konec titracije, ko eden izmed reaktantov reagira popolnoma, imenujemo ekvivalentna točka. Za določanje ekvivalentne točke po navadi uporabljamo indikator, ki s spremembo barve naznani konec titracije. Med najbolj poznanimi titracijami so kislinsko‐bazne oz. nevtralizacijske titracije. Pri teh titracijah so indikatorji razne šibke kisline ali baze, katerih konjugirane kisline oz. baze so drugače obarvane od spojin samih, zato lahko z njimi dokaj natančno določimo presežek hidroksidnih ali oksonijevih ionov in tako konec titracije. Na isti princip deluje večina indikatorjev. Obstajajo pa tudi titracije, kjer indikatorjev ne potrebujemo, saj so spojine, udeležene v reakciji sami, že same po sebi močno obarvane (titracija med kalijevim manganatom(VII) in vodikovim peroksidom).
Osnovna pripomočka, ki ju rabimo pri titraciji sta bireta in erlenmajerica. Z bireto odmerjamo količino titranta v erlenmajerico. Ko preskok barve v erlenmajerici napove konec reakcije in s tem tudi konec titracije, ustavimo titracijo in odčitamo vrednost porabljenega titranta. Nato iz znane koncentracije in volumna porabljenega titranta izračunamo koncentracijo preiskovane raztopine.
7
Slika 2: Preprosta shema titracije
(Vir slike: BT Yahoo, 2012)
Na zgornji sliki lahko vidimo preprosto shemo titracije. Nad erlenmajerico (conical) je v stojalo (stand) vpeta bireta (burette). Z bireto natančno odmerjamo volumen titranta. Slika na desni nas opozarja na pravilno odčitavanje volumna – spodnja meja meniska (meniscus) mora biti v višini oči.
2.4 SPEKTROFOTOMETRIJA Spektrofotometrija je analitska metoda, ki je navadno v rabi za določanje koncentracij različnih raztopin. Poznamo več tipov spektrofotometrije, pri razlagi pa se bom omejil samo na tistega, ki sem ga pri svojem praktičnem delu tudi dejansko uporabljal – to je UV – vidna spektroskopija (UV/Vis), ki s prehodom žarka skozi raztopino izmeri absorbanco te raztopine. Absorbanca je pojem, s katerim opišemo »količino« v raztopini absorbirane svetlobe (posledica česar je tudi barva raztopine). Poznamo dve osnovni definiciji absorbance:
log
Pri prvi definiciji predstavlja absorbanca desetiški logaritem od količnika intenzitete vpadnega žarka in intenzitete žarka, ki je že prešel čez raztopino vzorca – transmitance.
Drugo definicijo imenujemo tudi kar Beer‐Lambertov zakon, podaja pa neposredno relacijo med molarno koncentracijo in absorbanco (l predstavlja dolžino poti žarka
8
skozi raztopino vzorca). je konstanta, ki je značilna za vsako posamezno spojino. Na ta način je mogoče določati koncentracijo precej natančno – dokler nimamo opravka z večjimi koncentracijami, kjer je intenziteta izstopnega žarka preslaba oz. se zaradi nasičenosti spremeni energija nivojev v zunanjih orbitalah ionov, zato sem moral tudi pri svojem raziskovalnem delu paziti, da so bile preveč nasičene raztopine razredčene, saj je bila linearnost rezultatov pri tem delu izrednega pomena. Razredčenost sem upošteval pri računanju začetne koncentracije.
Naprava, ki jo uporabljamo za namene spektrofotometrije, se imenuje spektrometer (ali spektrofotometer). Z njim lahko odčitamo absorbanco raztopine pri določeni valovni dolžini (ki jo lahko prav tako poljubno nastavimo), pri čemer aparat pošlje žarek skozi kivete z vzorci in izmeri intenziteto žarkov, ki izstopijo iz raztopine. Pri tem je zmeraj uporabljena tudi kiveta s »slepo probo«, ki vsebuje le topilo, in s katero nastavimo instrument na 100 % prepustnost, s čimer izničimo morebitno absorbanco topila, kivete ipd..
Slika 3: Spektrofotometer
(Vir slike: Zasebni arhiv)
2.5 TITANOVI (IV) KOMPLEKSI Z VODIKOVIM PEROKSIDOM Kot preostali prehodni elementi, tudi titan tvori obarvane koordinacijske spojine. Zelo znane so neobstojne titanove(III) spojine, ki so modre barve. Poznamo pa tudi titanove(IV) koordinacijske spojine – najbolj znane in uporabne so spojine z vodikovim peroksidom, saj dajo zelo intenzivno rdeče‐oranžno barvo, ki je v nižjih koncentracijah lahko nekoliko rumenkasta.
9
Ena izmed teh spojin, s katero sem imel opraviti pri svojem delu, je tudi vodikov peroksodisulfatotitanat(IV), ki nastane pri naslednji reakciji (J. Brenčič, F. Lazarini, Splošna in anorganska kemija):
TiO(SO4) + H2SO4 + H2O2 + H2O 2H3O+ + [Ti(O2)(SO4)]
2‐
Sinteza te spojine je zahtevala pripravo vodotopne titanove(IV) soli, ki sem jo pripravil z razklopom titanovega(IV) oksida v koncentrirani žveplovi(VI) kislini.
Slika 4: Obarvanje titanovih(IV) spojin z vodikovim peroksidom
(Vir slike: Zasebni arhiv)
10
3 PRAKTIČNI DEL
Praktični del naloge sem izvajal v kemijskem laboratoriju Srednje šole za kemijo, elektrotehniko in računalništvo. Poskuse sem izvajal pod budnim očesom srednješolske mentorice in ob pomoči dijakinje četrtega letnika, ki mi je pomagala z nasveti glede tehnične izvedbe postopkov. Praktični del naloge je bil razdeljen na več korakov. V prvem delu je šlo za standardizacijo raztopine kalijevega manganata(VII), ki sem ga uporabil v nadaljnjih postopkih za določanje koncentracije vodikovega peroksida. V drugem delu sem določal koncentracijo vodikovega peroksida s standardnim postopkom, ki vključuje kalijev manganat(VII). V tretjem delu sem izvedel razklop titanovega dioksida in s pri razklopu nastalo raztopino obarval raztopino vodikovega peroksida. Sledila je priprava različnih koncentracij tako pripravljene raztopine in izdelava umeritvene krivulje s pomočjo spektrofotometrije. Nato sem določil koncentracijo dveh raztopin vodikovega peroksida s pomočjo spektrometra. Na koncu naloge sem prav tako razmišljal, ali je ta metoda primerljiva s standardnimi metodami določanja koncentracije vodikovega peroksida.
3.1 STANDARDIZACIJA RAZTOPINE KALIJEVEGA MANGANATA(VII) Za določanje natančne koncentracije kalijevega permanganata(VII) sem po nasvetu svoje mentorice izbral standardizacijo z natrijevim oksalatom (Na2C2O4). Pravilnost rezultatov je pri titraciji odvisna predvsem od točnosti določitve koncentracije snovi, s katero titriramo neznani vzorec. Raztopino, katere točno določeno koncentracijo poznamo, imenujemo standardna raztopina.
Pri tem postopku sem potreboval štiri erlenmajerice, bireto, koncentrirano žveplovo(VI) kislino, raztopino kalijevega manganata(VII) in posušen natrijev oksalat.
Kot postopek standardizacije sem uporabil metodo titracije. Najprej sem na analitski tehtnici zatehtal določeno maso natrijevega oksalata, ga prenesel v erlenmajerico ter raztopil v približno 100 mL vode. Raztopini sem dodal 10 mL H2SO4 (1:4), segrel na 70‐80° C in vroče titriral z raztopino kalijevega manganata(VII) do prve obstojne rožnate barve. Pri vsaki dodani kapljici je vijolična barva kalijevega permanganata zbledela, zato je obstojna rožnata barva naznanila, da je porabljen ves natrijev oksalat in je nastopil konec titracije. Titracijo sem ponovil štirikrat v štirih različnih erlenmajericah, na koncu pa izračunal povprečje dobljenih koncentracij.
11
Enačba reakcije je:
5H2C2O4 + 2KMnO4 + 3H2SO4 → K2SO4 + 2MnSO4 + 10CO2 + 8H2O
Iz enačbe je razvidno, da s petimi moli oksalne kisline, ali v našem primeru nakisanega natrijevega oksalata, porabimo 2 mola kalijevega manganata(VII). Iz te stehiometrične relacije sem izračunali molarnost raztopine kalijevega permanganata. Formula in izračuni koncentracije kalijevega manganata(VII) so takšni:
2 2 4
2 2 4 425
0,1913
134 0,0278
25 0,0205
0,1796
134 0,0268
25 0,0200
0,1796
134 0,027
25 0,01986
0,1754
134 0,0263
25 0,01991
Povprečje koncentracij je potemtakem 0,0201 mol/L kalijevega manganata(VII).
3.2 DOLOČANJE KONCENTRACIJE VODIKOVEGA PEROKSIDA S KALIJEVIM PERMANGANATOM
Za ustrezno nadaljnje delo sem moral določiti koncentracijo vzorca vodikovega peroksida s postopkom titracije, ki je že v rabi in bi ga zato lahko primerjal s svojim lastnim postopkom.
Ugotovil sem, da je v rabi postopek s kalijevim manganatom(VII), katerega standardizacijo sem izvedel že v prejšnjem koraku praktičnega dela.
Tako sem najprej pripravil vso potrebno opremo za izvedbo postopka: bireto, štiri erlenmajerice, 0,205 molarno raztopino kalijevega permanganata(VII), 6,5 g vodikovega peroksida neznane koncentracije in raztopino žveplove(VI) kisline (1 : 4).
Vzorec peroksida sem pripravil tako, da sem 6,5 g vzorca kvantitativno prenesel v 250 mL merilno bučko in jo dopolnil do oznake. Za analizo sem odpipetiral štiri alikvotne
12
dele po 50 mL in vsaki dodal 10 mL žveplove(VI) kislino (1:4), saj reakcija poteka v kislem mediju.
Nato sem z bireto previdno titriral raztopino vodikovega peroksida, dokler vijolična barva kalijevega manganata(VII) ni postala obstojna. Sprva je namreč z vsako dodano kapljico vijolična barva izginila, ob koncu titracije pa je vijolična barva ostala v raztopini. To pomeni, da je reagiral ves vodikov peroksid in hkrati naznanja konec titracije.
Slika 5: Bireta, uporabljena pri titraciji
(Vir slike: Zasebni arhiv)
Koncentracijo vodikovega peroksida sem izračunal po sledeči formuli, ki izhaja iz stehiometrije kemijske enačbe:
2 KMnO4 (aq) + 5 H2O2 (aq) + 3H2SO4(aq) ‐ 2 MnSO4 (aq) + 5O2 (g) + 8H2O (l) + K2SO4 (aq)
Formula in dejanski izračun koncentracije vodikovega peroksida:
2 24 4 2 2 5 5
2
0,02 0,027 34,02 56,5
52 0,036
Dobili smo torej 3,6 % raztopino vodikovega peroksida. Titracijo sem ponovil štirikrat in v vseh štirih primerih dobil porabo 27 ml kalijevega manganata(VII) z morebitnimi manjšimi odstopanji, ki pa zaradi svoje majhnosti niso vredna omembe. Faktor 5/2 je
13
vključen zaradi stehiometrije zgoraj napisane enačbe. Faktor 5 v števcu ulomka je vključen zaradi alikvotnega dela. Tako sem, če analiziramo zgornjo enačbo, najprej dobil maso vodikovega peroksida, ki sem jo delil z maso izvorne raztopine in tako dobil masni delež.
3.3 PRIPRAVA TITANOVEGA OKSIDA SULFATA(VI) IN OBARVANJE RAZTOPINE VODIKOVEGA PEROKSIDA
Za nadaljnje delo sem potreboval tudi vodotopno titanovo(IV) spojino, ki sem jo pripravil tik pred poizkusom. Na tak način sem varčeval s svojimi sredstvi, namenjenimi za ta projekt, saj se spojino da izdelati tudi v laboratoriju. Tako sem se odločil izdelati titanov oksid sulfat(VI), ki je vodotopen in zagotavlja vir titanovih(IV) kationov, potrebnih za pripravo z vodikovim peroksidom obarvane raztopine.
Za pripravo sem potreboval 30 ml koncentrirane žveplove(VI) kisline, 1 g titanovega(IV) oksida (a) ter 8 g amonijevega sulfata(VI), ki je znižal vrelišče in zagotavljal, da pri razklopu žveplova(VI) kislina ne bi zavrela. Kot kemijski pribor sem uporabljal 500 ml čašo, paličasti magnet, magnetno mešalo, grelnik, merilni valj za odmerjanje žveplove(VI) kisline ter tehtnico.
Najprej sem v čašo natehtal 1 g titanovega(IV) oksida ter 8 g amonijevega sulfata in ju prelil s koncentrirano žveplovo(VI) kislino. Vsebino čaše sem nato segreval na magnetnem mešalu. Postopek je bil dolgotrajen. Za popolni razklop sem namreč potreboval od 3 do 4 ure. Razklop je bil končan, ko je raztopina postala prozorna oz. ni vsebovala delcev titanovega(IV) oksida, ki bi lahko vplivali na rezultate pridobljene s pomočjo spektrofotometrije. Pri tem bi namreč lahko prišlo do odboja svetlobe in posledično do navideznega zmanjšanja intenzitete izhodnega žarka.
14
Slika 6: Razklop titanovega(IV) oksida
(Vir slike: Zasebni arhiv)
Na koncu bi še omenil, da je razklop zaradi visokih temperatur in koncentrirane žveplove(VI) kisline zelo nevaren, zato sem ga izvajal v digestoriju ob vsej potrebni zaščiti, to so plašč, rokavice in zaščitna očala. Kljub vsem ukrepom pa sem pri delu imel nekaj nesreč. Teflonski paličasti magnet, ki je bil v čaši ves čas poteka razklopa, je namreč razpadel in s tem razkril kovinsko plast pod teflonom, zaradi česar se je verjetno raztopina obarvala zeleno. Zelena barva je pri ohlajanju zbledela.
15
Slika 7: Zeleno obarvanje med segrevanjem, domnevno posledica poškodovanega paličastega magneta
(Vir slike: Zasebni arhiv)
Kot zanimivost še lahko dodam, da obstaja postopek z natrijevim hidrogensulfatom(VI), ki da podobne rezultate. V pripravi na eksperiment sem ta postopek večkrat preizkusil doma in v šoli. Pri večstopenjskem razpadu natrijevega hidrogensulfata(VI) nastane namreč žveplov(VI) oksid (SO3), ki reagira s titanovim(IV) oksidom. Konec takšnega razklopa naznanijo pare žveplovega trioksida, ki izhajajo iz epruvete.
Pri razklopu nastalo raztopino sem nato dodal vodikovemu peroksidu, dokler se barva ob dodajanju ni nehala spreminjati, kar je pomenilo, da je reagiral ves vodikov peroksid v raztopini. Raztopino sem potem še dodatno razredčil, da ne bi dobili nezanesljivih rezultatov. Prišlo je namreč do izredno intenzivnega obarvanja. Iz te osnovne raztopine sem pripravil več raztopin z različnimi koncentracijami, ki so služile za umeritveno krivuljo. Nato sem raztopine titanovega oksida sulfata (VI) prelil v kivete, ki sem jih vstavil v spektrometer, s katerega sem kasneje odčital absorbanco.
16
Slika 8: Kivete z izbranimi vzorci obarvane raztopine titanovega(IV) oksida
(Vir slike: Zasebni arhiv)
17
4 REZULTATI Po koncu laboratorijskega dela je bilo na vrsti urejanje rezultatov. Dobil sem kar nekaj novih, zanimivih in predvsem koristnih informacij o svojem delu, ki so v naslednjih poglavjih predstavljene v tabelah z dodanimi rezultati. Razprava o rezultatih je uvrščena pod poglavje »Potrditev hipotez«.
Pred začetkom dela sem tako moral napraviti krivuljo, s katero sem določil optimalno valovno dolžino za naše nadaljnje eksperimente. Za določitev optimalne valovne dolžine, pri kateri naj bi bila absorbanca največja, sem vzel 20 ml 3,66 % vodikovega peroksida. Tej raztopini sem dodal razklopljen titanov(IV) oksid, zato se je obarvala oranžno. Raztopino sem na koncu redčil do 100 ml in takšno prelil v kiveto. Dobil sem naslednje rezultate:
Tabela 1: Absorbanca v odvisnosti od valovne dolžine
Valovna dolžina (λ)
350 nm
360 nm
370 nm
380 nm
390 nm
400 nm
410 nm
420 nm
430 nm
440 nm
450 nm
Absorbanca (A)
0.1531 0.2004 0.2550 0.2990 0.3330 0.3530 0.3569 0.3412 0.3180 0.2860 0.2500
Iz tabele 1 je razvidno, da je najbolj optimalna valovna dolžina pri 410 nm.
Graf 1: Meritvena krivulja za začetek dela s spektrometrom
Po izbiri optimalne valovne dolžine je bilo potrebno samo še izrisati graf, na katerem bi se pokazali vsi rezultati.
Za ta naslednji korak sem pripravil novo raztopino vodikovega peroksida, ki sem ji poprej določil koncentracijo 13 %. Raztopino sem obarval z razklopljenim titanovim(IV) oksidom ter jo razdelil na več delov z različnim volumnom. Volumni so bili 5, 10, 15, 20
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
350 nm
360 nm
370 nm
380 nm
390 nm
400 nm
410 nm
420 nm
430 nm
440 nm
450 nm
Določanje optimalne valovne dolžine
Absorbanca
18
in 25 ml. Vsak del sem v merilni bučki redčil z destilirano vodo do 100 ml. Dobil sem pet raztopin različnih koncentracij. Raztopine sem prelil v kivete. Vse kivete sem naenkrat vstavil v spektrofotometer, kjer so se kmalu potem na ekranu izrisale vrednosti absorbance. Dobil sem naslednje rezultate:
Tabela 2: Absorbanca v odvisnosti od volumna vodikovega peroksida po razredčenju do 100 ml
Volumen H2O2 5 ml 10 ml 15 ml 20 ml 25 ml Absorbanca 0.2977 0.5376 0.8191 1.19920 1.3914
Graf 2: Odvisnost absorbance od volumna vodikovega peroksida po razredčenju do 100 ml
Iz zgornjega grafa je razvidno, da je absorbanca več ali manj premo sorazmerna z volumnom (oz. koncentracijo) vodikovega peroksida. Odstopanja proti vrhu grafa je mogoče pojasniti z napako pri meritvah, saj je bila koncentracija vodikovega peroksida kljub razredčitvi precej visoka. Možne pa so tudi napake pri odmerjanju, morebitni preostanki prašnatega titanovega(IV) oksida, ali celo nečista zunanja površina vstavljenih kivet.
Na koncu sem poskusil določiti še koncentracijo dveh neznanih vzorcev, ki sem ju pripravil iz iste raztopine, s pomočjo katere sem določil meritveno krivuljo. Najprej sem tako odmeril 8 ml vzorca in ga po že prej opisanem postopku redčil do 100 ml ter raztopino prelil v kiveto. Dobil sem absorbanco v vrednosti 0,3667, ki po zgornjem grafu ustreza sedmim mililitrom začetne raztopine. Vidimo lahko, da odstopanje znaša 1 ml.
Tudi v drugem poizkusu, kjer sem odmeril 18 ml 13 % raztopine vodikovega peroksida, ki sem jo v merilni bučki razredčil z destilirano vodo do 100 ml, z rezultati nisem bil
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
5 ml 10 ml 15 ml 20 ml 25 ml
Absorbanca v odvisnosti od volumna vodikovega peroksida po razredčenju do 100 ml
Absorbanca (brez enote)
19
povsem zadovoljen. Izmerjena absorbanca v vrednosti 1,049 je namreč kazala na odstopanje v rangu enega mililitra (19 ml). Sklepal sem, da gre v tem primeru za nepopolno linearnost zgornjega dela grafa, ki bi lahko bila posledica mnogih merskih napak, ki sem jih po vsej verjetnosti zagrešil med delom.
Podobno primerjavo lahko izvedemo tudi, če volumne, glede na redčenje, pretvorimo v odstotne koncentracije. Graf pokaže odvisnost identično zgornjemu primeru, kjer smo uporabili volumne.
Tabela 3: Odvisnost absorbance od masnega deleža vodikovega peroksida
w (%) vodikovega peroksida
0,018 % 0,036 % 0,057 % 0,072 % 0,09 %
Absorbanca 0.2977 0.5376 0.8191 1.9920 1.3914
Graf 3: Absorbanca v odvisnosti od masnega deleža vodikovega peroksida
Neznani vzorec z absorbanco 1,049 je potemtakem koncentracije 0,0705 %, kar prav tako kaže na odstopanje od metode s kalijevim manganatom(VII), kjer sem isti raztopini določil koncentracijo 0,06 % po že zgoraj opisanem postopku. Po vsej verjetnosti je za neskladje kriva nelinearnost oz. nepopolno ujemanje dobljenih rezultatov, kot je že omenjeno zgoraj.
Za konec lahko dodam še sliko, ki nazorno prikazuje možnost kvalitativnega določanja prisotnosti vodikovega peroksida. Raztopinama za leče AOSept je namreč rok veljave potekel že pred dvema (leva plastenka) oz. štirimi leti (desna plastenka). Steklenici nista bili hranjeni na konstantnih in nizkih temperaturah, kot svetujejo navodila na embalaži. Kljub temu je mogoče s to metodo zanesljivo odkriti prisotnost sledov
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
0,02% 0,04% 0,06% 0,07% 0,09%
Absorbanca v odvisnosti od masnega deleža vodikovega peroksida
Absorbanca
20
vodikovega peroksida, ki so še ostali v raztopini. Ob dodatku razklopljenega titanovega(IV) oksida je namreč nastalo intenzivno oranžno obarvanje.
Poskusil sem določiti tudi natančno koncentracijo raztopine AOSept, vendar pa mi to zaradi neujemanja rezultatov pri absorbanci in pomanjkanja časa ni uspelo, za kar mi je tudi zelo žal.
Slika 9: Primerjava koncentracij vodikovega peroksida v dveh raztopinah za leče AOSept
(Vir slike: Zasebni arhiv)
21
5 POTRDITEV HIPOTEZ
Prvo hipotezo, v kateri sem sklepal, da je mogoče koncentracijo vodikovega peroksida določati na enak način kot koncentracijo titanovih spojin, lahko povsem potrdim. Živo oranžno obarvana raztopina namreč omogoča kvalitativno analizo prisotnosti vodikovega peroksida, uporaba spektrofotometra pa doprinese še h kvantitativni analizi prisotnosti vodikovega peroksida. Moja analiza je bila na žalost precej nenatančna, kar se je videlo tudi v ne povsem ravni »premici« na grafu. To pa se navezuje že na mojo drugo hipotezo. V tej sem sklepal, da je metoda podobno natančna kot ostale standardne metode za določanje koncentracije vodikovega peroksida. Te hipoteze zaradi večjih nejasnosti in odstopanj od premočrtnosti pri že omenjenem grafu ne morem povsem potrditi. Lahko jo potrdim le delno. Za natančnejšo analizo zadnje hipoteze bi potreboval več časa in bržkone tudi več natančnosti. Metode titracije zahtevajo od raziskovalca veliko ročnih spretnosti in rutine, ki je sam še nimam razvite. Sam sem nalogo, sicer ob pomoči izkušenejših, delal kot popoln laik glede dela v laboratoriju in nekaterih postopkov v analizni kemiji. Titracije, ki se uporabljajo za standardno določanje koncentracije vodikovega peroksida, sem prvič spoznal šele pri svojem letošnjem raziskovalnem delu.
6 ZAKLJUČEK
Pri tej raziskovalni nalogi sem neizmerno užival, prav tako pa sem se naučil mnogo novih in nadvse uporabnih reči. Še posebej sem vesel novega znanja glede praktičnega dela v laboratoriju, ki ga prej nisem imel. Šele sedaj se zavedam, koliko spretnosti in rutine potrebujejo v analiznih laboratorijih, če hočejo izvajati natančne analize in meritve. Z zanimanjem sem si ogledal ponudbo laboratorijskega pribora in naprav, ki dijakom v srednji šoli omogočajo suvereno učenje in razvijanje veščin laboratorijskega dela. Kot osnovnošolec v našem šolskem laboratoriju kljub kar dobri opremljenosti ne bi imel enakih pogojev za delo, zato sem Srednji šoli za kemijo, elektrotehniko in računalništvo, ki mi je omogočila izvedbo praktičnega dela raziskovalne naloge, zelo hvaležen.
V bodoče se bom moral izuriti v veščini natančnega in sprotnega beleženja rezultatov eksperimentalnega dela. Ker sem zaradi omejenega časa in poglobljenega praktičnega dela, ki je bilo zame novost, premalo časa posvetil zapiskom, sem imel kar nekaj težav z urejanjem podatkov in pisnim poročanjem o svojem raziskovalnem delu. To spoznanje mi je bilo v dobro šolo, zato si bom v prihodnje raje že v naprej pripravil tabele za
22
vnašanje rezultatov meritev in opažanj. Poskusil bom sproti komentirati rezultate poskusov in si beležiti postopke eksperimentalnega dela.
Dobro se mi zdi, da ima moja letošnja raziskovalna naloga tudi praktičen namen, saj je šlo za raziskovanje ne prav pogosto uporabljenega postopka določanja koncentracije vodikovega peroksida. Kot sem ugotovil, lahko na ta način določamo nižje koncentracije vodikovega peroksida. Vodik peroksid je namreč snov, ki ima veliko možnosti uporabe tako v industriji kot tudi v zdravstvu. Čeprav so bila pri končnih rezultatih odstopanja, sem prepričan, da je ta metoda do neke mere kljub vsemu uporabna, zlasti če bi imel bolje razvite veščine uporabljenih kemijskih tehnik in z njimi povezane ročne spretnosti.
Za konec svoje naloge sem hotel še raziskati cenovno dostopnost materialov, ki sem jih rabil pri svojem delu, vendar zaradi pomanjkanja časa tega nisem utegnil storiti. Sem se pa odločil, da bom z raziskovanjem ob prvi priložnosti nadaljeval. Priznati moram, da je bilo to leto raziskovanja zame namreč zelo težko, a temu navkljub polno pričakovanj in zelo pestro.
23
LITERATURA in VIRI
• F. Holler, D. Skoog, D. West 1996: Fundamentals of analytical chemistry. Saunders, Philadelphia.
• J. Brenčič, F. Lazarini 1989: Splošna in anorganska kemija. Ljubljana: DZS.
• BT Yahoo (2012). Najdeno 3. 1. 2012 na spletnem naslovu http://www.btinternet.com/~chemistry.diagrams/titration.gif
• Wikipedia: Spectrophotometry (2012). Najdeno 3. 1. 2012 na spletnem naslovu http://en.wikipedia.org/wiki/Spectrophotometry
• Dijaski.net: Titracija (2012). Najdeno 6. 1. 2012 na spletnem naslovu http://www.dijaski.net/get/kem_vaj_titracija_01.pdf
• ChemWiki: The Dynamic Chemistry Textbook (2012). Najdeno 3. 1. 2012 na spletnem naslovu http://chemwiki.ucdavis.edu/@api/deki/files/565/=module_orbital_filling.jpg
i
ZAHVALE
Posebna zahvala gre moji mentorici, ge. Marjeti Gradišnik Mirt, ki me je ustrezno vodila skozi raziskovalno nalogo in mi dajala napotke, prav tako pa mi je omogočila delo izven naše šole, kar je bilo bistvenega pomena za natančno izvedbo naloge.
Posebna zahvala gre tudi Šolskemu centru Celje za dovoljenje za navzočnost v laboratoriju, kjer sem imel možnost izvajati bistveni del svoje raziskovalne naloge, in ge. Mojci Drofenik Čerček, ki mi je bila pri koordinaciji dela v laboratoriju v izredno pomoč.
Zahvala gre tudi dijakinji 4. letnika Katji Kert, ki si je vzela čas za pomoč pri laboratorijskem delu. Tako mi je pri sami realizaciji naloge močno pomagala s svojim znanjem in veščinami, brez katerih svojega dela ne bi mogel korektno izvesti.
Zahvala gre tudi Cinkarni Celje in ge. Kseniji Gradišek za postopek, po katerem sem izvajal razklop titanovega dioksida in nekatera sredstva za izvedbo naloge (1 kg TiO2)
Zahvaljujem se ge. Mateji Samastur za jezikovni pregled naloge.
Vsem se še enkrat iskreno zahvaljujem!
