STUDIJNÍ OPORA PRO

LABORATORNÍ CVIČENÍ

Z FYZIKÁLNÍ CHEMIE

Magda Škvorová

2018

1. Kalorimetrická stanovení entalpií

rozpouštěcích, reakčních a neutralizačních.

Ke všem níže uvedeným úlohám použijte transparentní kalorimetr firmy Phywe

s příslušenstvím (viz obrázek níže). Základní sestava ke každé úloze je složena z kalorimetru,

teploměru s ochranným obalem, elektronického měřidla teploty a víkem ke kalorimetru. U

každé níže uvedené úlohy je třeba sestavu doplnit o příslušné komponenty.

Do transparentního kalorimetru vždy vložte úzkou vysokou kádinku 600 cm3!! Nikdy

nelijte žádné tekutiny přímo do kalorimetru!!!

Úloha 1. Entalpiometrické měření molárního rozpouštěcího tepla

Teorie: zopakujte si fyzikální pojmy: teplo, entalpie, tepelná kapacita (měrná, molární), jejich

vzájemné vztahy, symboly, jednotky.

Co je to molární rozpouštěcí teplo, integrální a diferenciální rozpouštěcí teplo, jejich

matematický a fyzikální smysl.

Pomocí literatury a internetu zjistěte metody stanovení rozpouštěcího tepla.

Pomůcky: transparentní kalorimetr, teploměr s ochranným obalem, elektronické měřidlo

teploty, víko kalorimetru s otvory pro teploměr, míchadlo a násypnou trubici pro pevné látky

se spodní zátkou..

Chemikálie: Voda, dusičnan draselný, hydroxid sodný, chlorid amonný

Pracovní postup:

A) stanovení celkové tepelné kapacity soustavy:

na analytických vahách navažte s přesností 0,001 g v násypné trubici uzavřené zátkou

okolo 5,6 g KNO3. Do kádinky v transparentním kalorimetru odměřte takové množství

destilované vody, které odpovídá odměřené hmotnosti KNO3. Objem vody zjistíte

výpočtem z hodnoty rozpouštěcí entalpie Hrozp.(100 mol H2O) = 34,2 kJmol-1

, která

udává molární rozpouštěcí teplo, jež se pohltí při rozpuštění 1 molu KNO3 ve 100 molech

vody.

Kádinku s odměřenou vodou vložte do kalorimetru, zavřete víkem a vložte míchadlo,

teploměr s ochranným pláštěm a do prostředního otvoru víka upevněte naplněnou

násypnou trubici.

Konektor teploměru připojte k měřidlu (zdířka T1). Měřidlo připojte do elektriky a

zapněte. Přepínač vzadu. Zmáčkněte tlačítko T1 u displeje na přední straně.

Za občasného míchání vody míchadlem odečítejte po dobu 5 minut ve 30

sekundových intervalech teplotu (tzv. předběžná perioda)

Předběžná perioda

Čas (s) 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300

Teplota t (°C)

Uvolněte zátku násypné trubice, vsypte látku do vody, míchejte a odečítejte teplotu

v co nejkratších intervalech, co stihnete, optimálně po 10 s. Jakmile se změna teploty

(pokles) zpomalí, prodlužte intervaly odečtu teploty a za stálého míchání doměřte tzv.

závěrečnou periodu. Měření ukončete, když se teplota nemění, případně se soustava začne

ohřívat na teplotu místnosti.

B) Měření molárního rozpouštěcího tepla NaOH a NH4Cl:

Stanovení molárního rozpouštěcího tepla obou látek určete zcela analogicky

předchozímu stanovení. Pro měření NaOH odvažte do násypné trubice s přesností

0,001 g asi 4 g NaOH a do kádinky v kalorimetru odpipetujte 100 cm3 destilované

vody.

Po vymytí a vysušení kalorimetru i násypné trubice pokračujte se stanovením NH4Cl.

Navážka NH4Cl je cca 5,3 G (měřeno na analytických vahách s přesností 0,001 g.

Objem destilované vody je opět 100 cm3.

Úkoly po ukončení práce:

I) Všechna stanovení uveďte do přehledné tabulek (pro každou látku zvlášť)

II) Pro všechna měření proveďte grafické znázornění získaných hodnot – vyneste závislost

tft . Z grafu odečtěte pro každou látku T.

III) Z hodnot získaných pro KNO3 vypočtěte celkovou tepelnou kapacitu soustavy K.

rozp.látky

rozp.látkyrozp

MT

mHK

, kde T je teplota v K, m je v g, M v gmol

-1.

IV) Ze stejného vztahu, jaký je uveden u bodu III) a získaných hodnot vypočtěte rozpouštěcí

entalpii NaOH a NH4Cl.

Úloha č.2: Určení reakčního tepla reakce zinku s roztokem

měďnaté soli Teorie: zopakujte si fyzikální pojmy: reakční teplo, reakční entalpie, tepelná kapacita (měrná,

molární), jejich vzájemné vztahy, symboly, jednotky.

Pomůcky: transparentní kalorimetr, teploměr s ochranným obalem, elektronické měřidlo

teploty, víko kalorimetru s otvory pro teploměr, míchadlo a násypnou trubici pro pevné látky

se spodní zátkou..

Chemikálie: Voda, roztok síranu měďnatého c(CuSO4) = 0,1 moldm-3

, práškový Zn.

Pracovní postup:

A) určení tepelné kapacity kalorimetru:

Do vysoké kádinky 600 cm3 odměřte hmotnost m1 (g) vody o teplotě t1.

Kádinku s vodou

vložte do kalorimetru, zavřete víkem, do otvoru ve víku vložte míchadlo, teploměr

s ochranným pláštěm. Konektor teploměru připojte k měřidlu (zdířka T1). Měřidlo připojte do

elektriky a zapněte. Přepínač vzadu. Zmáčkněte tlačítko T1 u displeje na přední straně. Zapište

si teplotu t1 zobrazenou na displeji. Do kádinky přilijte další vodu o hmotnosti m2 (g) a teplotě

t2. Směs zamíchejte a na displeji odečtěte výslednou teplotu t. (Teploty jsou voleny tak, aby

platilo: 12 ttt . S použitím měrné tepelné kapacity vody cp(H2O) = 4,185 JK

-1g

-1

vypočítejte tepelnou kapacitu kalorimetru Ke:

OH2p

1

1122e c

tt

ttmttmK

B) určení celkové tepelné kapacity soustavy:

Celková tepelná kapacita soustavy K je množství energie potřebné k ohřátí systému o 1 K a

v případě roztoků sestává ze střední tepelné kapacity roztoku zvolené reagující látky a střední

tepelné kapacity kalorimetru. Střední tepelná kapacita roztoku je určena jako součet tepelné

kapacity vzniklé látky Ks a rozpouštědla Kv. Tepelná kapacita látky je určena buď z měrně

tepelné kapacity a hmotnosti nebo molární tepelné kapacity a látkového množství. Kapacitu

kalorimetru jste si určili v bodě A této úlohy. evs KKKK ,

evvpssp KmcmcK

evvpssp KnCnCK

C) určení reakční entalpie reakce zinku se síranem měďnatým:

Do vysoké kádinky 600 cm3 odměřte 200 cm

3 roztoku síranu měďnatého c(CuSO4) = 0,1

moldm-3

. Kádinku s odměřeným roztokem vložte do kalorimetru, zavřete víkem, do otvoru

ve víku vložte míchadlo, teploměr s ochranným pláštěm. Do násypné trubice odměřte

s přesností 0,001 g práškový zinek o hmotnosti 2 g a trubici uzavřete dole zátkou. Vložte ji do

prostředního otvoru víka kalorimetru.

Konektor teploměru připojte k měřidlu (zdířka T1). Měřidlo připojte do elektriky a

zapněte. Přepínač vzadu. Zmáčkněte tlačítko T1 u displeje na přední straně.

Podobně, jako v předchozím případě, proměřte předběžnou periodu. Jakmile se teplota

nemění, uvolněte zátku násypné trubice a vsypte práškový zinek do roztoku síranu

měďnatého. Míchejte a v co nejkratších časových intervalech odečítejte na displeji teplotu.

Zaznamenávejte si závislost teploty na čase. Jakmile se růst teploty zpomalí, prodlužte

intervaly odečítání – závěrečná perioda. Měření ukončete, jakmile se teplota ustálí, případně

začne klesat na teplotu místnosti.

Úkoly po ukončení práce:

I) Všechny získané a vypočtené hodnoty uveďte do přehledné tabulky.

II) Vypočtěte tepelnou kapacitu soustavy a reakční entalpii měřené reakce ze vztahu

m

MTK

n

TKH r

, kde m (g), n (mol) a M (gmol

-1) jsou hmotnost,

látkové množství a molární hmotnost zvoleného produktu či reaktantu chemické

reakce.

III) Vypočtěte reakční teplo reakce zinku se síranem měďnatým pomocí tabelovaných

standardních slučovacích entalpií složek reakce. Tyto údaje nalezněte v tabulkách.

Hodnoty určené v bodě II) a III) porovnejte a rozdíly se pokuste vysvětlit.

IV) Určete látkové množství a hmotnost nezreagovaného zinku v reakční směsi.

Úloha č. 3: Stanovení poměru látkových množství reaktantů

z tepelného zabarvení chemické reakce

Teorie: zopakujte si fyzikální pojmy: neutralizace, neutralizační teplo, co je metoda

izomolárních serií.

Tepelné zabarvení neutralizační reakce může být použito ke stanovení stechiometrických

koeficientů reagujících látek. V různém poměru se smíchají roztoky kyseliny a hydroxidu o

stejné koncentraci tak, aby celkový objem byl vždy stejný. Po smíchání se zjistí změna teploty

každé reakční směsi. Závislost změny teploty reakční směsi a látkových poměrů reaktantů

probíhá maximem, které určuje teplotu úplné neutralizace látek a tím i jejich stechiometrické

koeficienty v chemické rovnici.

Pomůcky: transparentní kalorimetr, teploměr s ochranným obalem, elektronické měřidlo

teploty, víko kalorimetru s otvory pro teploměr, míchadlo a pipetu pro přilévání roztoků

kyselin nebo hydroxidů. Dvě sady odměrných válců o objemech 10, 25, 50 a 100 cm3.

Chemikálie: Hydroxid sodný, roztok c(NaOH) = 2 moldm-3

, kyslina sírová, roztok o

koncetraci c(H2SO4) = 2 moldm-3

.

Pracovní postup:

Odměrným válcem objemu 100 cm3 odměřte 90 cm

3 roztoku kyseliny sírové o koncentraci

c(H2SO4) = 2 moldm-3

a nalijte jej do vysoké kádinky o objemu 600 cm3. Kádinku vložte do

kalorimetru, zavřete ji víkem a do otvoru víka připevněte pipetu z příslušenství kalorimetru.

Do druhého otvoru ve víku připevněte teploměr s ochranným pláštěm. Konektor teploměru

připojte k měřidlu (zdířka T1). Měřidlo připojte do elektriky a zapněte. Přepínač vzadu.

Zmáčkněte tlačítko T1 u displeje na přední straně. Analogicky, jako v předchozích úlohách

proměřte předběžnou periodu. Odměřte 10 cm3 roztoku NaOH a vpravte do kádinky

v kalorimetru. Směsí pozvolna míchejte a odečítejte v co nejkratších intervalech teplotu

směsi. Jakmile se růst teploty zpomalí, prodlužte intervaly odečítání. Jakmile se teplota

soustavy ustálí nebo začne klesat, ukončete měření.

Všechny naměřené údaje pečlivě zaznamenávejte. Směs v kádince vylijte do výlevky,

vypláchněte a osušte.

Měření opakujte stejným způsobem pro vzájemné poměry roztoků: V(cm3 H2SO4)/ V(cm

3

NaOH): 80/20, 70/30, 60/40, 50/50.

Při dalších měřeních obraťte postup při slévání roztoků. Do kádinky nejprve vlijte 60 cm3

roztoku NaOH, proměřte předběžnou periodu a poté přilijte 40 cm3

H2SO4. Takto postupujte

dále s poměry objemů roztoků: V(cm3 NaOH)/ V(cm

3 H2SO4): 70/30, 80/20 a 90/10.

Úkoly po ukončení práce:

I) Jak byste dokázali, že neutralizace probíhá jako samovolná reakce?

II) Veškeré vypočtené a naměřené hodnoty uveďte do přehledné tabulky.

III) Vytvořte diagram závislosti

NaOH

SOH 42

VV

ft a stanovte poměr

látkových množství obou reaktantů. Napište rovnici probíhající neutralizace a

porovnejte vypočtené stechiometrické koeficienty s teoretickými.

IV) Vypočtěte celkové teplo uvolněné v bodě ekvivalence neutralizační reakce. Nutné

údaje vyhledejte v tabulkách.

1. Stanovení hustoty, viskozity a fluidity

kapalin různými technikami, stanovení

závislosti viskozity kapalin na teplotě

Celá práce se skládá z následujících bodů:

1. Stanovení hustoty pyknometricky

2. Stanovení hustoty hustoměrem

3. Stanovení viskozity a fluidity průtokovým viskozimetrem v závislosti na teplotě

4. Stanovení viskozity a fluidity tělískovým Höpplerovým viskozimetrem v závislosti na

teplotě

Všechny výše uvedené úlohy jsou určeny pro stanovení udaných vlastností 3 látek: voda,

ethanol a glycerol.

Studenti, kteří mají ve studijním programu kurz fyzikálně chemická cvičení nasazena jako

tříhodinová, provádí stanovení všech veličin pouze při jedné teplotě 20°C. Studenti, kteří

mají ve studijním programu kurz fyzikálně chemická cvičení nasazena jako čtyřhodinová

či bloková, provádí stanovení všech veličin při třech teplotách 20, 30 a 40°C.

Obr. 1: Příslušenství pro stanovování viskozity kapalin v závislosti na teplotě:

a) nová vodní lázeň MEMMERT b) Höpplerův tělískový viskozimetr c) průtokový (výtokový)

viskozimetr

Teorie: zopakujte si, co je hustota, viskozita, jaké jsou mezi nimi vztahy, jaké jsou jejich

jednotky. Jaké existují metody jejich stanovení. Vztahy pro závislost obou veličin na teplotě.

Hustota je hmotnost objemové jednotky látky a vyjádříme ji vztahem:

m

V [kg·m

-3, g·cm

-3] (1)

kde: m - hmotnost měřené kapaliny

V - objem kapaliny v pyknometru

Hustotu kapaliny určíme nejsnáze tak, že zjistíme hmotnost kapaliny, která zaujímá objem

vhodné nádobky (pyknometru). Objem pyknometru zjistíme kalibrací čistou destilovanou

vodou, jejíž hustotu odečteme z tabulky:

Hustota vody při tlaku 101,325 kPa (bez vztlaku vzduchu):

teplota vody [°C] hustota [kg·m-3

]

0 999,87

3,7 1000,00

10 999,73

15 999,13

20 998,23

25 997,08

30 995,68

K nejjednodušším zařízením pro stanovení viskozity patří kapilární viskozimetr Ostwaldův.

Zlepšenou konstrukci má Ubbelohdeho viskozimetr s visící hladinou (viz obr. 1 výše). Od

Ostwaldova viskozimetru se liší tím, že má přídavnou boční trubici, která eliminuje vliv

hydrostatického tlaku v širším rameni viskozimetru, čímž se značne snižuje chyba způsobená

různým povrchovým napětím měřených látek. Jako průtočná trubice se u obou typů používá

kapilára, aby i u méně viskozních kapalin bylo zaručeno laminární proudění.

Pomůcky: pyknometry, hustoměry, výtokové viskozimetry, průtokový viskozimetr, tělískový

Höpplerův viskozimetr nebo Rheo viskozimetr, vodní lázeň MEMMERT

Chemikálie: ethanol, glycerol

Pracovní postup:

1. Stanovení hustoty kapalin pyknometricky. Stanovení hustoty kapalin metodou

měření hmotnosti.

Metoda stanovení hmotnosti spočívá ve změření hmotnosti pyknometru prázdného a suchého

(m1), pyknometru naplněného vodou (m2) a pyknometru naplněného měřenou kapalinou (m3)

za teploty 20°C. hmotnost měřené kapaliny mk je dána rozdílem 13 mmmk . Objem

kapaliny Vk je týž, jako objem vody Vv vyplňující objem pyknometru Vp.

vpvk mmVVV 12 , kde v je hustota vody při teplotě a tlaku měření (t = 20°C, p =

patm). Pro hustotu měřené kapaliny k tedy platí: 1212 mmmm vk .

Postup stanovení:

a) Vyčištění a vysušení pyknometru. Po řádném vymytí vypláchněte pyknometr

vodou, destilovanou vodou a ethanolem a dejte vysušit do sušárny po dobu 15 minut při

teplotě 105°C. poté nechte pyknometr zchladnout na teplotu místnosti.

b) Měření hmotnosti prázdného pyknometru. Prázdný, čistý a suchý pyknometr se

zátkou zvážíme na analytických vahách - (m1).

c) Stanovení hmotnosti vody. Pyknometr naplníme destilovanou vodou do

poloviny hrdla. Zasuneme zátku, přebytečná voda unikne a pyknometr celý osušíme

filtračním papírem. Osušený pyknometr zvážíme - (m2).

d) Stanovení hmotnosti měřené kapaliny. Po vylití vody z pyknometru jej opět

vymyjeme ethanolem a osušíme. (popis viz výše). Poté naplníme pyknometr měřenou

kapalinou. A zvážíme (m3).

e) Výpočet hustoty kapaliny. Hustotu měřené kapaliny pak vypočteme ze vztahu

1212 mmmm vk .

Čistý a suchý pyknometr zvážíme se zátkou na analytických vahách s přesností 10-4

g

a zapíšeme si číslo pyknometru i zátky. I když stupnice pyknometru není označena, obsahuje

zpravidla šedesát dílků. Za nulu považujeme nejnižší velký dílek na spodním začátku

stupnice. Zvážený pyknometr naplníme pomocí injekční stříkačky (bez bublin) vzorkem,

jehož hustotu máme změřit, do libovolné výšky stupnice kapiláry, aniž ji potřísníme.

Pyknometr umístíme na 15 minut do termostatu vytemperovaného na 25 0C. Po

vytemperování co nejrychleji odečteme polohu menisku, pyknometr osušíme a zvážíme na

analytických vahách. Potom opět injekční stříkačkou odsajeme vzorek a vrátíme jej do

zásobní láhve.

Pro sestrojení kalibračního grafu postupujeme takto: pyknometr propláchneme 2-3 krát

destilovanou vodou a opět jej (bez vzduchových bublin) naplníme tak, aby hladina vody byla

mezi 0 až 10-tým dílkem od spodního konce stupnice. Pak jej umístíme do termostatu a

pokračujeme stejně jako při měření vzorku, jak je popsáno výše. Potom injekční stříkačkou

zvýšíme hladinu vody tak, abychom provedli přibližně 5 měření v různých místech po celém

rozsahu stupnice s opětovnou temperací, odečítáním polohy menisku, osušením a zvážením

pyknometru.

Z experimentálně naměřených hodnot sestrojíme kalibrační graf - přímku závislosti

dílků stupnice (osa x) na objemu vody v pyknometru (osa y). Z něj odečteme objem

odpovídající zjištěnému počtu dílků při měření neznámého vzorku a podle rovnice výše

vypočítáme jeho hustotu.

2. Stanovení hustoty kapaliny hustoměrem. Stanovení hustoty kapaliny vztlakovými

metodami.

Pro měření hustoty kapalin vztlakovými metodami jsou používány hustoměry. Hustoměry

jsou skleněné ztavené trubice sestávající ze 3 částí. Horní, úzká skleněná trubice tvoří stonek

hustoměru s vloženou stupnicí hustoty. Stonek přechází v rozšířenou část, jež plní funkci

plováku. Spodní část hustoměru je tvořena baňkou se zátěží. Hustoměr pracuji na bázi

Archimedova zákona.

Protože hustoměry jsou sestaveny vždy jen pro úzké rozmezí hustot, je nutné pro stanovení

hustoty kapaliny vzít vhodný hustoměr. K volbě vhodného hustoměru nám slouží předchozí

úloha 1. Podle hodnoty hustoty stanovené v této části práce vybereme vhodný hustoměr tak,

aby se stanovovaná hodnota hustoty ležela v rozmezí pracovního rozsahu hustoměru.

Zvolený hustoměr opět omyjeme a osušíme, aby stanovení nerušily zbytky předešle měřených

kapalin. Taktéž řádně vymyjeme a osušíme odměrný válec o objemu 250 cm3. poté naplníme

vymytý a vysušený odměrný válec měřenou kapalinou do cca 2/3 objemu. Válec opatrně

mírně nakloníme a pomalu do něj vkládáme zvolený hustoměr. NEPOUŠTĚJTE

HUSTOMĚR DO VÁLCE RYCHLE. MOHLO BY DOJÍT K ROZBITÍ HUSTOMĚRU

NEBO VÁLCE!

Z prstů vypustíme hustoměr až ve chvíli, kdy necítíme jeho tíhu!! Počkáme, až se hustoměr

ustálí v rovnovážné poloze. Hustoměr se nesmí dotýkat žádné stěny odměrného válce. Musí

volně plovat! Na stupnici hodnot odečteme hodnotu hustoty kapaliny v místě, kde se hodnota

stupnice dotýká hladiny kapaliny.

Při měření hustot velmi viskózních kapalin musíme před odečtením hustoty počkat i několik

minut, až se ustálí klesání hustoměru.

Po ukončení stanovení hustoměr i válec řádně opláchněte a osušte!

3. Stanovení viskozity a fluidity průtokovým Ubbelohdeovým viskozimetrem

v závislosti na teplotě.

Viskozitu budete měřit při 3 teplotách: 20, 30 a 40°C.

Ze sady viskozimetrů vyberte takový, u

něhož bude doba průtoku kapaliny

měřeným úsekem cca 120 s. (výběr se

provede zkusmo). Viskozimetr připněte

pomocí stojanu a ponořte do termostatu.

Nastavte na termostatu teplotu 20°C.

Viskozimetr vložíme do stojánku a

naplníme destilovanou vodou, kterou

použijeme k základnímu stanovení doby

průtoku. Před měřením se vzorkem

musíme přístroj vypláchnout ethanolem

a vysušit. Plnění: do trubice 1

viskozimetru nalijte tolik vzorku, aby

hladina kapaliny v trubici 1 byla někde

kolem spodní rysky. Viskozimetr

zasuňte do termostatu a nechte cca 10

minut temperovat. Poté nasaďte na

konec trubičky 2 hadičku, trubici 3

uspěte prstem a vzorek, bez

vzduchových bublin, nasajte nad horní

rysku trubice 2.

Pak uvolněte otvory trubic 2 a 3, měřenou kapalinu nechte volně stékat a stopkami měřte

dobu průchodu menisku kapaliny mezi horní a spodní ryskou trubice 2. měření doby průtoku

opakujte 10x. Pokud je rozptyl naměřených hodnot větší než 5 %, pokračujeme v měření

dalších hodnot, dokud nedosáhneme požadovanou přesnost.

Poté nastavíme na termostatu další, vyšší teplotu a necháme termostat i viskozimetr

vytemperovat, pokračujeme ve stanovení viskozity stejným způsobem. Máme-li takto

stanoveny doby průtoku vody při všech třech požadovaných teplotách, připravíme

viskozimetr pro měření se vzorkem. Při měření postupujeme stejně, jako u měření s vodou.

4. Stanovení viskozity a fluidity tělískovým Höpplerovým viskozimetrem v závislosti

na teplotě.

Viskozimetr připojte k termostatu. Nastavte na termostatu teplotu 20°C. Zkontrolujte ji

pomocí teploměru. Viskozitu budete měřit při 3 teplotách: 20, 30 a 40°C.

Po vytemperování termostatu i viskozimetru (cca po 10 minutách), naplňte viskozimetr

měřenou kapalinou po okraj. V trubici nesmí být vzduchová bublina. Připravte si stopky.

Nejprve je třeba nalézt kuličku vhodnou pro stanovení hustoty dané kapaliny. Vyjměte jednu

kuličku z krabičky. Vložte ji na hladinu měřené kapaliny a nechte volně padat kapalinou.

Jakmile spodní meniskus kuličky protne horní rysku měřeného úseku viskozimetru, začněte

měřit čas. Měření končí v době, kdy opět spodní meniskus protne spodní rysku měřené

oblasti. Pro měření dané kapaliny zvolte vždy takovou kuličku, jejíž doba pádu se pohybuje

v rozmezí 30 až 180 sekund. Kratší doba pádu by byla zatížena velkou chybou měření, delší

doba zbytečně prodlužuje dobu práce. Po nalezení vhodné kuličky proveďte 10x měření

viskozity dané kapaliny při první teplotě 20°C. Poté přednastavte teplotu termostatu na

hodnotu 30°C a zopakujte opět celé stanovení 10x. Pak totéž udělejte pro teplotu 40°C. Není

nutno při dalších teplotách měnit kuličky. Po ukončení celého stanovení pro jednu kapalinu

vyjměte kuličku, umyjte ji, osušte ji a zvažte. Dle zjištěné hmotnosti kuličky najděte v tabulce

parametrů přiložené v dřevěné bedně přístroje další údaje důležité pro výpočet: hustotu

kuličky a konstantu kuličky. V přiloženém návodu máte také vztah, podle něhož následně

vypočtete viskozitu. klkl Kmm , kde m je hmotnost, K je konstanta a je čas.

Index k značí kuličku a index l měřenou kapalinu.

Celé testování vhodné kuličky a stanovení viskozity proveďte i pro další dvě kapaliny při

všech 3 teplotách.

Úkoly po ukončení práce: I) všechny získané hodnoty uveďte do přehledné tabulky.

II) Všechny získané hodnoty statisticky vyhodnoťte, určete odlehlé hodnoty a po

jejich vyloučení vypočtěte průměrné hodnoty průtoku kapaliny kapilárou nebo

dobu pádu kuličky.

III) Pro každou látku uveďte do závěrečné tabulky všechny hodnoty určené Vámi a

nalezené v tabulkách. Porovnejte takto experimentální a tabelované hodnoty.

IV) S hodnot času vypočtěte pro každou látku a každou teplotu dynamickou a

kinematickou viskozitu, fluiditu. Vztahy naleznete na příbalových letácích u

jednotlivých viskozimetrů.

Pro závislost dynamické viskozity na teplotě platí vztah:

T

EA

Rexp , v níž

A,E a R značí konstanty a T absolutní teplotu. Tuto rovnici lze snadno linearizovat

do tvaru. Tuto rovnici lze snadno linearizovat do tvaru:

T

BClog . Ze

získaných hodnot sestrojte pro každou z látek graf závislosti Tf 1log a

určete z grafu obě konstanty vztahu B a C.

2. Extrakce látek vytřepáváním, stanovení

rozdělovacích koeficientů různými

technikami

1) Stanovení rozdělovacího koeficientu anorganické látky mezi anorganické a organické

rozpouštědlo titračně: Stanovení rozdělovacího koeficientu jodu mezi vodu a

chloroform a mezi toluenem a vodou

2) Stanovení rozdělovacího koeficientu anorganické látky mezi anorganické a organické

rozpouštědlo titračně: Stanovení rozdělovacího koeficientu kyseliny salicylové mezi

vodu a pentan-1-ol

3) Stanovení rozdělovacího koeficientu organokovové látky mezi anorganické a

organické rozpouštědlo spektrofotometricky: Stanovení rozdělovacího koeficientu

dithizonátu stříbrného mezi vodu a chloroform několikanásobnou extrakcí

Úloha č.1: Stanovení rozdělovacího koeficientu anorganické látky

mezi anorganické a organické rozpouštědlo titračně: Stanovení

rozdělovacího koeficientu jodu mezi vodu a chloroform a mezi

toluenem a vodou Teorie: Dvě nemísitelné kapaliny, ve kterých je rozpuštěna třetí složka, představují ternární

systém o dvou kapalných fázích a parní fázi. Za konstantní teploty a tlaku má systém nulový

stupeň volnosti: 022332 Cfk . To znamená, že při znalosti složení

jedné fáze je složení druhé fáze jednoznačně určeno.

Podle Nernsta za nízkých koncentrací rozpuštěné látky platí: 3231N ccK , kde c31, c32 jsou

koncentrace třetí složky 3 v kapalinách 1 a 2. KN bývá označován jako Nernstův rozdělovací

koeficient.

V laboratorní praxi se setkáváme s rozdělovací rovnováhou nejčastěji při extrakci, kterou

provádíme obvykle při převádění určité látky z vodného roztoku do rozpouštědla, v němž je

látka rozpustnější (za účelem získání koncentrovanějšího roztoku). Např. protřepáváním

vodného roztoku jodu s tetrachlormethanem přejde z vodné fáze do fáze bohaté na CCl4

podstatná část jodu. Množství jodu v jednotlivých fázích lze stanovit titrací thiosíranem

sodným.

Rozdělovací koeficient látky mezi dvěma rozpouštědly je také velmi významným

toxikologickým parametrem. Této veličiny se hojně využívá při různých otravách nebo např.

v chemii a toxikologii bojových látek. Při léčbě těchto otrav se právě skutečnosti, že díky

znalosti rozdělovacích koeficientů látky mezi vodou a některým jiným rozpouštědlem může

dojít k „vyvázání“ toxické látky absorbované v organismu.

Pomůcky: 3 dělicí nálevky (250 cm3), odměrný válec (10 cm

3), pipeta (10 cm

3), váhy,

6 Erlenmayerových baněk (100 cm3), 6 kádinek (50 cm

3), 2 kádinky (100 cm

3), automatická

byreta.

Chemikálie: odměrné roztoky cca 0,05 mol·dm-3

a cca 0,001 mol·dm-3

Na2S2O3, jod,

škrobový maz, KI, fenolftalein, chloroform, toluen

Pracovní postup:

A) Stanovení rozdělovací koeficientu jodu mezi vodu a chloroform:

Do 3 dělících nálevek nalijeme 100 cm3 vody. Do každé z nich přisypeme různé množství

jodu. Navažujte diferenčně! Do 1. děličky odvažte 0,15 g, do druhé 0,25 g a do třetí 0,35 g.

Všechny hmotnosti navažte s přesností 0,001 g. Poté do každé děličky přilijte 50 cm3

chloroformu. Každou z dělících baněk nyní důkladně protřepejte za častého odvzdušňování

soustavy vypouštěcím kohoutem. Pozor, abyste přitom vždy měli baňku v takové pozici, aby

Vám nevytékal obsah baňky!! Poté děličky nechte zavěšené ve stojanech a vyčkejte oddělení

fází. Toto může trvat delší dobu, proto ve volném čase nyní můžete přistoupit k bodu B) tohoto

stanovení a připravit si analogicky dělící baňky s obsahem pro získání rozdělovacího

koeficientu jodu mezi vodu a toluen. Postup přípravy směsí je zcela shodný s postupem pro

stanovení rozdělovacího koeficientu jodu mezi vodu a chloroform, jen místo 50 cm3

chloroformu přilijete do každé nálevky 50 cm3 toluenu.

Po oddělení vrstev od sebe, jednotlivé vrstvy odpustíme do baněk. Předem si je označte!.

Z každé odpipetujte 3x po 10 cm3 a titrujte roztok jodu v chloroformu cca 0,05 mol·dm

-3

roztokem Na2S2O3 a roztok jodu ve vodě cca 0,001 mol·dm-3

Na2S2O3. Při výpočtu

koncentrace I2 vycházíme ze základní jodometrické rovnice

2 Na2S2O3 + I2 = 2 NaI + Na2S4O6

Při titraci vodné vrstvy přidáme k titrovanému roztoku několik kapek roztoku KI, čímž

zvýšíme rozpustnost jodu ve vodě (KI tvoří s jodem trijodidový anion, který se škrobem

použitým na konci titrace vytváří intenzivnější zbarvení než samotný jod, a konec titrace tedy

bude lépe pozorovatelný). Titrujte do zesvětlání žlutého zbarvení. Poté přidejte 1 ml roztoku

škrobového mazu a dotitrujte do odbarvení. Stanovení proveďte vždy 3x. Koncentrace jodu

v chloroformové a vodné fázi je dána výrazy

f.CHCl

OSNaOSNa

ACHClI

3

322322

32 V

V

2

ccc ,

f.OH

OSNaOSNa

BOHI

2

322322

22 V

V

2

ccc

kde 322 OSNac je příslušná koncentrace thiosíranu sodného, f.CHCl3

V resp. f.OH 2V jsou odebrané

objemy chloroformové resp. vodné fáze k titraci v cm3

(tedy 10 cm3),

322 OSNaV je objem

roztoku thiosíranu sodného o dané koncentraci spotřebovaný při titraci.

Podobným způsobem zjistíme koncentrace jodu v ostatních roztocích a výsledky sestavíme do

tabulky.

Titrace zředěných roztoků jodu se provádí tak, že k titrovanému roztoku se přidává odměrný

roztok thiosíranu za stálého míchání tak dlouho, až je roztok jen nepatrně žlutě zbarven. Pak

se přidá asi 1 cm3 (na 100 cm

3 vzorku) škrobového mazu a modře zbarvená kapalina se titruje

až do úplného odbarvení. Někdy jsou obě kapalné fáze tak velmi intenzivně zbarvené a tmavé, že nelze rozlišit jejich

rozhraní. Snadnou pomocí bývá použití infralampy – v jejím světle se obvykle fázové rozhraní

ukáže.

Nakonec vypočítejte distribuční koeficient jodu mezi chloroformem a vodou podle

vztahu:

OH2

ClCH2

O)H Cl,CH( N,

2

3

23 I

IK .

B) Stanovení rozdělovací koeficientu jodu mezi vodu a chloroform: Tuto úlohu proveďte přesně podle předchozího návodu, s tím rozdílem, že k rozpuštění

jodu použijete 50 ml toluenu. Pozor však, organická fáze bude tvořit v tomto případě lehčí (tj.

horní) vrstvu.

Úkoly po ukončení práce:

I) jak barví jod roztoky vodní a roztoky organických rozpouštědel a proč?

II) Zaneste hodnoty všech titrací do přehledných tabulek včetně hodnot počátečních

hmotností jodu. Zvlášť pro systém voda-chloroform a voda-toluen. III) Vypočtěte hodnoty rozdělovacího koeficientu jodu mezi chloroformem a vodou a

vodou a toluenem.

IV) Ke kterému z použitých rozpouštědel má jod největší afinitu?

V) Jaký je tvar trijodidového aniontu?

Úloha č.2: Stanovení rozdělovacího koeficientu anorganické látky

mezi anorganické a organické rozpouštědlo titračně: Stanovení

rozdělovacího koeficientu kyseliny salicylové mezi vodu a pentan-

1-ol (amylalkohol)

Teorie: zopakujte si rozdělovací rovnováhu mezi dvěma nemísitelnými rozpouštědly a třetí

rozpuštěnou složkou. Odvození Nernstova rozdělovacího zákona.

Pomůcky: dělící nálevky, titrační baňky, byreta

Chemikálie: kyselina salicylová (2-hydroxybenzoová), pentanol (amylalkohol), fenolftalein,

hydroxid sodný, roztok o koncentraci c(NaOH) = 0,1 mol·dm-3

Pracovní postup: do 3 kuželových dělících baněk odpipetujte 50 cm3 vody a 50 cm

3

amylakoholu. Do každé děličky přidejte rozdílné množství kyseliny salicylové. Do první

baňky cca 0,5 g, do druhé 0,7 a do poslední cca 0,85 g. Všechny navážky važte diferenčně

s přesností na 0,001 g. Protřepejte důkladně všechny 3 děličky. Nezapomeňte při protřepávání

vyrovnávat tlaky v nálevce pomocí vypouštěcího kohoutu. Pozor na vylití obsahu baňky při

vyrovnávání tlaků.

Dělicí baňky pak zavěste do kruhu na stojan a nechte oddělovat.

Jakmile se vytvoří dvě čiré vrstvy, 2 čiré roztoky s ostrým rozhraním, oddělte obě vzniklé

fáze do rozdílných nádob.

Z vodné vrstvy odpipetujte 20 cm3 roztoku do titrační baňky, přikápněte 3 kapky indikátoru

fenolftaleinu a titrujte roztokem NaOH o koncentraci c(NaOH) = 0,1 mol·dm-3

. POZOR!!

Spotřeba u vodné vrstvy bude velmi nízká!!! Titrujeme do slabě růžovofialového zabarvení.

Celou titraci zopakujte.

Poté odpipetujte do titrační baňky 20 cm3 roztoku organické fáze a proveďte stejnou titraci.

Také 2x. protože se v průběhu titrace vytváří opět 2 nemísitelné fáze (alkohol voda), musíte

po každém přídavku směs řádně promíchat, zejména, začne-li se zbarvovat indikátor.

Titrujeme do světle růžového zabarvení, které ani po intenzivním zamíchání nevymizí.

Obdobně titrujte i vodné a organické fáze z ostatních dvou dělicích baněk.

Úkoly po ukončení práce: I) všechny získané hodnoty uveďte do přehledné tabulky

II) spočítejte pro každou navážku kyseliny salicylové rozdělovací koeficient dle

vztahu: vodak.salic

alkoholk.salic

vodak.salic

alkoholk.salick.salicyl )(

)()(

)(.

VV

cc

K , kde c, resp. V

jsou koncentrace, resp. objemy kyseliny salicylové v alkoholové a vodné vrstvě.

III) Sestrojte graf závislosti rozdělovacího koeficientu kyselonjy salicylové na

počátečním látkovém množství kyseliny salicylové: k.salick.salicyl. nfK .

Získanými body proložte přímku a extrapolujte ji do nulového látkového množství.

Tím určíte rozdělovací koeficient K.

Úloha č.3: Stanovení rozdělovacího koeficientu organokovové

látky mezi anorganické a organické rozpouštědlo

spektrofotometricky: Stanovení rozdělovacího koeficientu

dithizonátu stříbrného mezi vodu a chloroform několikanásobnou

extrakcí

Teorie: zopakujte si chemii komplexních sloučenin. Zopakujte si, co je spektrofotometrie,

Lambertův – Beerův zákon. Pojmy jednorázová a několikanásobná extrakce.

Pomůcky: dělící baňka, odměrné baňky, pipety, spektrofotometr MARCEL.

Chemikálie: dithizon, 0,0005 % roztok v CHCl3 připravíte následujícím způsobem: rozpusťte

50 mg dithizonu ve 100 cm3 chloroformu. Pipetováním 1 cm

3 tohoto roztoku do odměrné

baňky o objemu 100 cm3 a doplněním baňky po rysku chloroformem. Roztok AgNO3 o

koncentraci c(AgNO3) = 1·10-3

mol·dm-3

a objemu 100 cm3. Kyselina sírová, 2 roztoky o

koncentracích c(H2SO4) = 0,5 mol·dm-3

a objemu 1000 cm3 a c(H2SO4) = 0,1 mol·dm

-3 a

objemu 100 cm3. Amoniak, vodný roztok zředěný 1:100, objemu 100 cm

3.

Pracovní postup:

Ze zásobního roztoku AgNO3 odpipetujte 1 cm3 do odměrné baňky 100 cm

3 a doplňte baňku

po rysku roztokem kyseliny sírové o koncentraci c(H2SO4) = 0,5 mol·dm-3

. Tím dostaneme

roztok dusičnanu stříbrného zředěného kyselinou sírovou o koncentraci c(AgNO3) = 1·10-5

mol·dm-3

.

Několikanásobná extrakce:

Po promíchání odpipetujte z připraveného roztoku 10 cm3 do dělící nálevky. Do stejné dělící

nálevky odpipetujte 5 cm3 připraveného dithizonové činidla. Důkladně protřepávejte za

občasného vyrovnávání tlaku v děličce.

Pak vrstvu chloroformu oddělte. Extrakci opakujte s dalšími dávkami dithizonového činidla

(po 2 cm3) tak dlouho, až poslední dávka zůstane zeleně zbarvena.

Poté ještě naposledy vodnou vrstvu protřepejte 1 cm3 čistého chloroformu.

Všechny spojené (barevné) výtřepky spolu s posledním podílem čistého rozpouštědla nalijte

do dělící nálevky. Promyjte (protřepejte) 10 cm3 kyseliny sírové o koncentraci c(H2SO4) = 0,1

mol·dm-3

, čímž se odstraní zbytky látek, které by rušili stanovení (např. Zn, Pb).

Poté výtřepky nejméně 2x promyjte 5 cm3 připraveného roztoku amoniaku, až se jeho vrstva

již nebarví do žluta.

Tím se odstraní nadbytek volného dithizonu.

Roztok dithizonátu stříbra zfiltrujte suchým filtrem, aby se odstranily zbytky vody.

Absorbanci vzniklého žlutě až červeně zabarveného roztoku změřte pomocí spektrofotometru

MARCEL (popis obsluhy níže). (Nejprve musíte vynulovat na čisté rozpouštědlo, pak

proměřit absorpční maximum a po jeho zjištění nastavit správnou vlnovou délku a změřit

absorbanci roztoku).

Jednorázová extrakce:

Z připraveného roztoku dusičnanu stříbrného zředěného kyselinou sírovou o koncentraci

c(AgNO3) = 1·10-5

mol·dm-3

odpipetujte znovu 10 cm3 do dělící nálevky. K tomu odpipetujte

najednou takové množství dithizonového činidla, které je součtem všech přídavků, které jste

dohromady odpipetovali v předchozím bodě při několikanásobné extrakci.

Směs opět dobře protřepejte za vyrovnávání tlaku.

Oddělte opět chloroformovou vrstvu (barevnou), promyjte ji nejprve10 cm3 kyseliny sírové o

koncentraci c(H2SO4) = 0,1 mol·dm-3

, poté několikrát 5 cm3 připraveného roztoku amoniaku,

až se jeho vrstva již nebarví do žluta. Roztok dithizonátu stříbra zfiltrujte suchým filtrem a

proměřte spektrofotometrem za stejných podmínek, jako v předchozím bodě. (není již nutné

nulovat a proměřovat spektrum. Stačí pouze změřit absorbanci roztoku při předem určené

vlnové délce).

Úkoly po ukončení práce:

I) ze známé hodnoty molárního absorpčního koeficientu dithizonátu stříbrného (460

= 3,05105 dm

2mol

-1), ze změřené absorbance Di a známé tloušťky kyvety l

vypočítejte koncentraci stříbra c v obou roztocích získaných extrakcemi

(několikanásobnou a jednorázovou). lcDi . Výsledek první –

několikanásobné extrakce považujte za celkovou koncentraci Ag ve vzorku cAg,

výsledek druhé za koncentraci Ag v organické fázi po jedné extrakci corg.

II) Vypočítejte rozdělovací koeficient K dithizonátu stříbrného v daném rozpouštědle.

vodorg ccK , kde cvod = cAg - corg.

III) Vše uveďte do přehledné tabulky

IV) Napište rovnici chemické reakce vzniku dithizonátu stříbrného

Spektrofotometr Marcel.

Obsluha:

Síťový kabel do sítě. Pak zapneme hlavní vypínač do polohy I (zapnutý – zeleně se rozsvítí).

Automaticky proběhne test všech jednotek. Po skončení testu je přístroj připraven k měření.

Vybereme program měření pomocí šipek nebo rovnou čísly. Protože nejprve musíme proměřit

spektrum stanovovaných roztoků, abychom získali hodnotu vlnové délky, při níž budeme dále

měřit roztoky. Pro případ proměření spektra navolíme program č. 97 - SPECTRUM a výběr

ukončíme klávesou ENTER. Přístroj nahlásí, že nebylo provedeno nulování.

Nulování: Vezmeme jednu z kyvet umístěných ve stojanu u přístroje, do kyvety vlijeme

dostatečné množství látky, jejíž absorbance je rovna nule. (většinou se jedná o čisté

rozpouštědlo – podrobněji k jednotlivým úlohám viz dále). V kyvetě musí být minimálně 1 ml

látky, protože světlo prochází kyvetou ve výši okolo 8 mm ode dna. Kyvetu umístíme do

měřeného prostoru tak, aby paprsek (svazek paprsků je rovnoběžný s přední stěnou přístroje)

procházel hladkými stěnami kyvety. Směr paprsků je u komory vyznačen bílou šipkou.

Před jakýmkoli novým měřením je nutno provést nulování v zadaném intervalu vlnové délky.

Automaticky je zadáno, že se provádí nulování přes celý měřící rozsah přístroje. Pokud by

tomu tak nebylo, pak z důvodu, že dále budeme provádět proměření spektra v celém rozsahu

přístroje, i nulování provedeme v celém tomto rozsahu (380 až 880 nm). Není-li tedy

automaticky vloženo, pomocí nápověd na monitoru přístroje navolíme rozsah. Vložíme

správně kyvetu s nulovým roztokem (absorbance roztoku je rovna 0 – v případě stanovení

acidobazického indikátoru je jím tlumivý roztok o hodnotě pH = 3,4 bez přídavku

methyloranže, v případě extrakce anorganických iontů je jím čisté rozpouštědlo (chloroform)

a v kinetických stanovením také čisté rozpouštědlo - voda) do měřícího prostoru. Zmáčkneme

klávesu ZERO A. nulování probíhá cca 10 až 15 minut. Probíhá o tom informace na

monitoru.

Po nulování můžeme přejít ke stanovení absorpčního maxima, tedy proměření absorpčního

spektra měřené látky: po provedeném nulování vlijeme do kyvety roztok methyloranže o

koncentraci 6·10-5

mol·dm-3

. Kyvetu správně vložíme do měrného prostoru. Protože jsme již

před nulováním navolili program k proměření spektra (97 – SPECTRUM), stiskne nyní pouze

klávesu START. Měření probíhá samo, na pravé straně monitoru se zobrazuje měřené

spektrum. Měření trvá cca 5 minut.

Po ukončení programu vytiskneme výsledek a z obrázku odečteme maximální dosaženou

hodnotu absorbance na křivce. Pro tisk naměřených hodnot stiskněte tlačítko PRINT. Po

každém proběhnutém měření nechte vytisknout výsledek. V případě proměření absorpční

křivky a získání absorpčního maxima zvolte tisk s volbou 1 - absorpčního diagramu.

V případě dalších měření tisk s volbou 3 - výsledkovou tabulku.

Na tištěném záznamu nyní vidíme podrobné absorpční spektrum. Na něm odečteme vlnovou

délku, při níž látka vykazuje své absorpční maximum. Tuto vlnovou délku budeme nadále

používat pro stanovení absorbance připravených měřených roztoků.

Pro měření absorbance připravených roztoků musíme opět změnit program. Stiskne klávesu

PROGRAM a navolíme nyní nový program – 99 – ABSORBANCE. Volbu opět potvrdíme

stiskem klávesy ENTER. Jakmile je přístroj představen, je nutno zadat novou vlnovou délku,

při níž budeme absorbanci roztoků měřit. Přístroj nabízí možnost změny vlnové délky pod

volbou 1 – změna vlnové délky. Změňte vlnovou délku na hodnotu absorpčního maxima,

které jste získali v předchozím stanovení. (u roztoku methyloranže i u roztoku dithizonátu

stříbra by měla vyjít kolem hodnoty 460 nm, vodný roztok bromu cca 430 nm a vodný roztok

krystalové violeti cca 574 nm).

Do kyvety vždy nalijte měřený roztok, kyvetu vložte správně do měřeného prostoru. Protože

přístroj si ukládá naměřené hodnoty za sebou, je třeba před měřením nového roztoku přiřadit

mu nové číslo měřeného vzorku na přístroji. To proveďte stiskem klávesy „0“ (viz nápověda

na monitoru), nově vepsané číslo vzorku potvrďte klávesou ENTER. Měření každého vzorku

odstartujte klávesou START.

Nakonec si nechte vytisknout všechny výsledky – pomocí klávesy PRINT, volba 3 –

výsledková tabulka.

3. Stanovení disociační konstanty látek různými

technikami

Úloha č.1: Stanovení disociační konstanty slabé kyseliny potenciometricky

Teorie: Slabá kyselina obecného vzorce HA ve vodném roztoku částečně disociuje podle

schématu: HA H+ + A

-. Rovnováhu mezi nedisociovanou kyselinou a ionty, která se v

roztoku ustaví, můžeme popsat tzv. disociační konstantou K:

KH A

HA

,

kde výrazy v hranatých závorkách vyjadřují rovnovážné molární koncentrace jednotlivých

složek. Termodynamicky exaktně bychom namísto molárních koncentrací měli používat

aktivity. U zředěných roztoků, které nyní budeme uvažovat, lze však aktivity ztotožnit s

koncentracemi. Vztah můžeme upravit do tvaru:

pK pHHA

A

log , v níž pK je záporný

dekadický logaritmus disociační konstanty a pH záporný dekadický logaritmus molární

koncentrace vodíkových kationtů. Veličina pH je kvantitativní mírou kyselosti roztoku a lze ji

snadno měřit.

Připravíme-li řadu roztoků slabé kyseliny o stejné analytické koncentraci cHA se vzrůstající

analytickou koncentrací hydroxidu sodného cOH- (tak, aby cHA zůstalo vždy větší než cOH

-),

získáme po změření pH těchto roztoků všechny veličiny potřebné pro výpočet pK

z uvedeného vztahu. Grafem závislosti pH uvedených roztoků na procentuálním množství

zneutralizované kyseliny pc

c

OH

HA

100 je tzv. neutralizační křivka znázorněná na obr. 1.

Z neutralizační křivky je možné odečíst hodnotu pK. V roztoku zneutralizovaném z 50% platí

HA = A-. Poměr těchto koncentrací je proto 1 a logaritmus tohoto poměru je roven nule.

Obr. 1: Neutralizační křivka kyseliny octové:

Disociační konstanta stanovená uvedeným způsobem se označuje jako smíšená. Při jejím

výpočtu totiž používáme jak koncentrací (HA a A-), tak aktivit, neboť potenciometricky

měřené pH odpovídá zápornému dekadickému logaritmu aktivity vodíkových kationtů.

Na míře disociace rozpuštěných látek, tedy na koncentraci volných iontů, závisí elektrická

vodivost roztoků. Míru disociace charakterizuje stupeň disociace :: n

n

d, kde nd - je

počet disociovaných molekul a n - je celkový počet molekul rozpuštěných v roztoku. Jestliže

analytická (celková) koncentrace slabé jednosytné kyseliny je c a koncentrace disociované

kyseliny je c’, je stupeň disociace: c

c.

Protože z každého disociovaného molu kyseliny vzniká 1 mol aniontů a 1 mol kationtů, platí:

c H A c. a HA c c c c c . 1 . Po dosazení z těchto vztahů

do rovnice pro K dostaneme:

Kc c

c

c

.

1 1

2

.

Pomůcky: pH-metr s kombinovanou elektrodou, odměrné baňky, kádinky, pipety, byreta.

Chemikálie: roztok slabé kyseliny (CH3COOH), odměrný roztok NaOH o koncentraci 0,1

mol·dm-3

, roztok HCl o koncentraci 0,1 mol·dm-3.

Musí být přesně známá (určíte ji titrací

tetraboritanu disodného, viz níže), fenolftalein

Pracovní postup:

Stanovení titru roztoku HCl: odvažte cca 0,2 g Na2B407, rozpusťte v cca 20 cm3 destilované

vody, přidejte pár kapek indikátoru methyloranže a titrujte roztokem HCl ze žlutého do

cibulově oranžového zbarvení. Jakmile roztok zrůžoví, je již přetitrováno. Titraci proveďte

3x.

Stanovení přesné koncentrace roztoku NaOH a přesnou koncentraci slabé kyseliny:

odměrným roztokem NaOH o koncentraci 0,1 mol·dm-3

titrujte 10 cm3 roztoku HCl přesně

známé koncentrace, abychom určili přesnou koncentraci odměrného roztoku NaOH.

Poté stejným roztokem titrujeme 10 cm3

roztoku slabé kyseliny, abychom zjistili její přesnou

koncentraci. Obě stanovení provedeme třikrát.

Stanovení disociační konstanty: do devíti očíslovaných odměrných baněk o objemu 50 cm3

odpipetujeme po 20 cm3 roztoku slabé kyseliny o koncentraci 0,1 mol·dm

-3 a přidejte roztok

NaOH v množství 2 cm3 (do baňky č. 1), 4 cm

3 (baňka č. 2), ... až 18 cm

3 (baňka č. 9). Baňky

doplňte vodou po značku, řádně promícháme. Poté změřte hodnotu pH jednotlivých vzorků.

Úkoly po ukončení práce:

I) Všechny získané údaje uveďte do přehledných tabulek.

II) Vypočítejte přesnou koncentraci roztoku HCl. Z dalších hodnot pak i koncentraci

hydroxidu cOH- a slabé kyseliny cHA v každé baňce. Z rovnic HA c c

HA OH a

A cOH

zjistěte hodnoty HA a A-,

III) Z výše uvedených vztahů pak určete hodnotu pK a jejím odlogaritmováním

konečně hodnotu disociační konstanty K. Z jednotlivých hodnot K určete

průměrnou hodnotu disociační konstanty slabé kyseliny.

IV) Ze vztahu pc

c

OH

HA

100 vypočítejte procento zneutralizované kyseliny v každé

baňce. Zkonstruujte neutralizační křivku, z ní graficky určete pK a následně K a

tuto hodnotu porovnejte s průměrnou hodnotou K získanou výpočtem.

Úloha č.2: Stanovení disociační konstanty slabé kyseliny nebo

baze konduktometricky

Teorie: Zopakujte si pojmy vodivost, měrná vodivost, specifická vodivost, jejich jednotky a

vztahy mezi nimi.

Stupeň disociace je možné určit také z vodivostních měření jako poměr molární vodivosti

roztoku při dané koncentraci () a molární vodivosti roztoku při nekonečném zředění (0):

0

. Molární vodivost při nekonečném zředění je vodivost roztoku natolik zředěného, že

ionty v něm obsažené se navzájem nijak neovlivňují. Molární vodivost je závislá na

koncentraci elektrolytu (rozpuštěné látky) a roste se zřeďováním roztoku (s klesající

koncentrací roztoku). Při nulové koncentraci dosahuje hodnoty 0. Hodnota 0 elektrolytu je

součtem molární vodivosti kationtu při nekonečném zředění a molární vodivosti aniontu při

nekonečném zředění

000 .

Molární vodivost je definována pomocí tzv. specifické vodivosti a molární koncentrace

roztoku c:

c

. Dosazením do výše uvedené vztahu dostaneme tzv. Ostwaldův zřeďovací

zákon:

Kc

2

0 0

. Na obr. 2 je uveden průběh závislosti molární vodivosti na

odmocnině z koncentrace pro slabý elektrolyt a pro silný elektrolyt.

Obr. 2: Závislost molární vodivosti roztoku slabého elektrolytu a silného elektrolytu na

odmocnině z koncentrace

Vidíme, že závislost se pro oba typy elektrolytů výrazně liší. Zatímco pro silný elektrolyt je

uvedená závislost téměř lineární a hodnotu 0 je tak možné zjistit přibližně extrapolací

naměřených dat na nulovou koncentraci, nepovede takovýto postup v případě elektrolytů

slabých k uspokojivému výsledku. Hodnotu molární vodivosti při nekonečném zředění 0 lze

snáze získat z tabelovaných dat pomocí vztahu: 00 , kde 0+ a 0

- jsou limitní molární

vodivosti kationtu a aniontu příslušného elektrolytu, což jsou hodnoty dostupné v tabulkách.

Jednotkou vodivosti je siemens - S, což je -1

. Specifická vodivost se udává v S.m-1

a molární

vodivost v S.m2.mol

-1.

Pomůcky: konduktometr s vodivostní celou, termostatovaná nádobka, termostat, magnetická

míchačka, míchadlo, odměrné baňky, kádinky, pipety

Chemikálie: roztok slabé kyseliny nebo slabé zásady (např. roztok CH3COOH o koncentraci

c(CH3COOH) = 1 mol·dm-3

), roztok KCl o koncentraci c(KCl) = 0,1 mol·dm-3

Pracovní postup:

Stanovení konstanty nádobky (měrného článku): do vysoká úzké kádinky 150 cm3 nalijte cca

100 cm3

roztoku KCl o koncentraci c(KCl) = 0,1 mol·dm-3

. kádinku umístěte do termostatu,

který předtím vytemperujete na teplotu 25 °C. kádinku nechte cca 15 minut vytemperovat.

Poté do ní vložte měrný článek konduktometru tak, aby byly ponořeny všechny 3 Pt plíšky

článku a aby uvnitř článku nezůstaly vzduchové bubliny. Zapněte konduktometr, vyčkejte cca

10 minut a změřte vodivost tohoto roztoku. Konstanta článku k je pak dána vztahem:

Gk , kde je specifická vodivost roztoku KCl. Je závislá na teplotě a na koncentraci. Její

hodnota při teplotě 25 °C a dané koncentraci je: (KCl)25°C = 0,01288 S·cm-1

. G je naměřená

vodivost roztoku.

Stanovení disociační konstanty: Všechna další stanovení provádíme v termostatu při teplotě

25 °C, z důvodu závislosti vodivosti na teplotě T. Po každém měření měrný článek opláchněte

destilovanou vodou a důkladně opatrně osušte. Do řady odměrných baněk o objemu 100 cm3

odpipetujte jednotlivě 50, 25, 5, 1, 0,5 a 0,1 cm3 roztoku kyseliny octové o koncentraci

c(CH3COOH) = 1 mol·dm-3

. Všechny odměrné baňky poté doplňte destilovanou vodou po

rysku a dobře promíchejte. Poté každý takto připravený roztok proměřte: nalijte jej do vysoké

kádinky objemu 150 cm3, vložte do termostatu, nechte 10 minut temperovat a poté vložte

měrný článek a změřte vodivost roztoku.

Úkoly po ukončení práce: I) Všechny získané hodnoty uveďte do přehledné tabulky. (hodnoty koncentrací

jednotlivých roztoků, jejich vodivosti, ..).

II) Vypočtěte konstantu měrného článku.

III) Molární vodivost při nekonečném zředění zjistěte pro CH3COOH při teplotě 25 C v

elektrochemických tabulkách.

IV) Z všech získaných údajů vypočtěte pro každý roztok specifickou a molární vodivost,

hodnoty 1/, ·c, stupeň disociace a disociační konstantu a hodnotu pK.

V) Nakonec vypočtěte průměrnou hodnotu disociační konstanty.

VI) Do 1. grafu vyneste závislost molární vodivosti na odmocnině z koncentrace pro slabý

i pro silný elektrolyt. Do 2. grafu vyneste lineární závislost Ostwaldova zřeďovacího

vztahu pro prvé tři nejméně koncentrované roztoky v souřadnicích -1, ·c. V obou

případech z grafu extrapolací na nulovou koncentraci zjistěte hodnotu 0 pro nulovou

koncentraci. Takto zjištěnou hodnotu porovnáme s hodnotou vypočítanou pomocí

rvztahu 00 . (0+(H3O

+) = 349,8 S·cm

-2·mol

-1, 0

+(CH3COOH

-) = 40,9 S·cm

-

2·mol

-1).

4. Adsorpce na aktivní uhlí: Stanovení

adsorpční izotermy kyseliny octové na

aktivní uhlí

Teorie: zopakujte si pojmy: adsorpce, adsorpční izotermy, typy adsorpčních izoterem.

Adsorpcí je označováno hromadění určité látky v tzv. fázovém rozhraní, což je přechodová

oblast molekulárních rozměrů na rozhraní kterýchkoliv dvou fází. Tato přechodová oblast

vzniká vlivem povrchových sil určených povahou a složením obou fází a má odlišné složení

než obě fáze. V praxi se s adsorpcí setkáváme nejčastěji při styku plynu nebo roztoku s tuhou

fází, která je označována jako adsorbent, látka adsorbovaná jako adsorbát.

Adsorpce je povrchový jev. Jako adsorbent se proto používají látky pórovité nebo velmi

jemně rozptýlené, jejichž povrch je relativně velký (např. aktivní uhlí, silikagel, kaolin, oxid

hlinitý). Dalším činitelem, který ovlivňuje adsorpci, je teplota T a tlak p, resp. koncentrace

adsorbátu. Při konstantní teplotě je množství látky a adsorbované jednotkou hmoty

adsorbentu jednoznačnou funkcí tlaku p nebo koncentrace c.

Rozborem rovnovážného stavu za konstantní teploty odvodil J. Langmuir (1916) rovnici tzv,

adsorpční izotermy:

pk

pk

ck

cka

2

1

2

1

11

kde a je látkové množství adsorbátu adsorbovaného na 1 g adsorbentu, k1 a k2 jsou konstanty

charakterizující adsorbent a adsorbát, c je rovnovážná koncentrace, resp. p rovnovážný tlak po

adsorpci.

V některých případech, kdy dochází k adsorpci ve více vrstvách, vystihuje data a = f(c) lépe

empirická rovnice, kterou navrhl Freundlich:

ckckm

xa n

1

kde k, 11

αn

jsou konstanty charakterizující adsorbent a adsorbát za dané teploty; x je

látkové množství adsorbované látky na m gramů adsorbentu, c je koncentrace látky po

dosažení adsorpční rovnováhy.

Pomůcky: sada pipet, 6 odměrných baněk (200 cm3), 6 Erlenmayrových baněk (250 cm

3),

6 kádinek (400 cm3), 6 analytických nálevek, byreta (50 cm

3)

Chemikálie: roztok kyseliny octové o koncentraci c(CH3COOH) = 0,8 mol·dm-3

, objem 1

dm3, roztok hydroxidu sodného o koncentraci c(NaOH) = mol·dm

-3, fenolftalein, aktivní uhlí

Pracovní postup: Do šesti očíslovaných odměrných baněk připravte podle tabulky 1 roztoky

kyseliny octové. Ze zásobního roztoku kyseliny octové (c mol·dm-3

) odpipetujte objem

uvedený v tabulce 1 a doplňte destilovanou vodou do 250 cm3.

Tabulka č. 1

c(CH3COOH) [mol·dm-

3]

0,8 0,4 0,2 0,1 0,05 0,025

Objem odpipetovaný ze

zásobního roztoku [cm3]

250 125 62,5 31,5 15,62 7,81

Objem odpipetovaný

k titraci [cm3]

2,5 5 12,5 12,5 25 25

Přesnou koncentraci každého z takto připravených roztoků zjistíme titrací cca 0,1 mol·dm-3

roztokem NaOH na fenolftalein. K titraci odpipetujeme z každého roztoku objem udaný

v tabulce. Koncentraci kyseliny octové v jednotlivých baňkách vyjádříme počtem cm3 cca 0,1

mol·dm-3

roztoku NaOH, odpovídajících 100 cm3 titrovaného roztoku.

Do šesti očíslovaných, suchých Erlenmayerových baněk navážíme aktivní uhlí (0,95 g – 1,05

g) a do každé baňky odpipetujeme po 100 cm3 z připravených roztoků kyseliny octové.

Obsahem každé z baněk důkladně asi 10 minut třepeme, pak každý roztok zfiltrujeme suchým

filtrem do suché kádinky. První podíl filtrátu (asi 5 cm3) jímáme do jiné nádoby, abychom

vyloučili rušivý vliv adsorpce kyseliny octové na filtračním papíře. Získaným roztokem

zamícháme a titrací zjistíme koncentraci kyseliny octové po adsorpci. Titrujeme 0,1 mol·dm-3

NaOH na fenolftalein stejně jako před adsorpcí objemy uvedené v tabulce pro příslušnou

koncentraci. Koncentraci určíme z cm3 cca 0,1 mol·dm

-3 NaOH spotřebovaného k neutralizaci

100 cm3 roztoku kyseliny octové. Výsledky doplníme do tabulky 2.

Tabulka č.2

Baňk

a

m

C

[g]

Vp

[cm3

]

V0(NaOH

)

[cm3]

Vk(NaOH

)

[cm3]

n0(CH3COOH

)

[mol]

nk(CH3COOH

)

[mol]

ck(CH3COOH

)

[mol·dm-3

]

a

[mol·g-1

]

1

2

3

4

5

6

mC navážka aktivního uhlí v [g]

c0(NaOH) molární koncentrace použitého NaOH v [mol·dm-3

]

Vp objem roztoku odpipetovaného k titraci v [cm3]

V0(NaOH) objem NaOH spotřebovaný na titraci roztoku CH3COOH před adsorpcí

v [cm3]

Vk(NaOH) objem NaOH spotřebovaný na titraci roztoku CH3COOH po adsorpci v

[cm3]

n0(CH3COOH) počáteční látkové množství CH3COOH obsažené ve 100 cm3 roztoku

CH3COOH (před adsorpcí)

p

p

V

NaOHVNaOHc

VNaOHVNaOHcCOOHCHn

10

1

1000

100

00

0030

nk(CH3COOH) konečné látkové množství CH3COOH obsažené ve 100 cm3 roztoku

CH3COOH (po adsorpci)

p

k

p

kk

V

NaOHVNaOHc

VNaOHVNaOHcCOOHCHn

10

1

1000

100

0

03

ck(CH3COOH) rovnovážná koncentrace CH3COOH po adsorpci

COOHCHnCOOHCHc kk 33 10

a měrné látkové množství CH3COOH adsorbované 1 g aktivního uhlí v

[mol/g]

C

k

m

COOHCHnCOOHCHna 330

Úkoly po ukončení práce:

I) Všechny hodnoty uveďte do tabulek. Do protokolu vlžte vyplněné obě tabulky 1 i

2.

II) Sestrojte Freundlichovu adsorpční izotermu (viz přiložený vzor, zpracujte

v Excelu).

III) Určete konstanty a k Freundlichovy rovnice.

5. Sestrojení diagramu třísložkové soustavy:

Sestavení fázového diagramu systému voda +

kyselina octová + toluen

Teorie: Chování kondenzovaných systémů se třemi kapalnými složkami určuje vzájemná

rozpustnost kapalných složek. Protože změny tlaku nemají prakticky vliv na složení

koexistujících kapalných fází (kondenzovaný systém), je jediným činitelem, který působí na

složení fází v rovnovážném systému, teplota. Podle Gibbsova fázového pravidla je:

Cfkv 2 , kde v je počet stupňů volnosti systému, k počet složek, f počet fází

v systému. C je počet vazných podmínek. Máme-li 2 vazné podmínky (konstantní teplota T a

tlak p), dostaneme tento vztah pro třísložkovou soustavu ve tvaru:

ffv 3223 [T, p]

K zobrazení těchto systémů jsou třeba dva údaje o složení a jeden o teplotě, tzn. prostorový

diagram. Ke znázornění těchto soustav slouží rovnostranný trojúhelník (viz obr. 1 až 3).

Vrcholy trojúhelníkového diagramu A, B, C představují čisté složky, strany dvousložkové

systémy za konstantní teploty a tlaku. Body na stranách odpovídají binárním směsím a

udávají hmotnostní, objemový nebo molární zlomek příslušných složek této směsi. Každý

vnitřní bod trojúhelníku odpovídá složení ternárního systému a určuje hmotnostní, objemový

nebo molární zlomek složek.

Na obr. 1 je zobrazen nejčastější typ ternárního diagramu, ve kterém za dané teploty a tlaku je

dvojice složek (A – B) omezeně mísitelných a zbývající dvojice (A – C, B – C) jsou složky

neomezeně mísitelné. Křivka EFKHB představuje hranici mezi homogenní a heterogenní

oblastí a označuje se jako binodální křivka. Oblast pod binodální křivkou EFKHB je

heterogenní, výchozí ternární směs o složení udaném např. bodem J se rozdělí na dvě

koexistující fáze, jejichž složení je vyjádřeno body F a H. Oblast nad binodální křivkou

EFKHB odpovídá homogenním směsím a po smíchání složek v tomto poměru získáme

homogenní kapalnou směs (1 jedinou fázi).

Obr. 1: obecný trojúhelníkový diagram třísložkové soustavy

Obr. 2: trojúhelníkový diagram pro případ soustavy se dvěma dvojicemi omezeně mísitelných

kapalin (omezeně mísitelné dvojice složek A – C a B – C)

A B

C

M

N

F K

HJ

E

Obr. 3: trojúhelníkový diagram pro systém, v nichž jsou všechny tři složky vzájemně omezeně

mísitelné. (a, b, c, d)

A B

C

aA B

C

b

A B

C

A B

C

P R

S

c d

Pomůcky: kádinky, byreta, automatická byreta, 2 odměrné válce, 2 kapátka, technické váhy,

magnetická míchačka

Chemikálie: toluen, propan-2-ol (úloha 1), toluen, kyselina octová (úloha 2)

Pracovní postup:

Na předvážkách s přesností 10-1

g navážíme do 100 ml Erlenmayerových baňek se

zabroušenou zátkou 9 binárních směsí látek A (vody) a C (kys. octové). Každou směs

připravíme v množství 25 ml a jejich koncentrace se pohybuje v rozsahu od 50 do 90 obj.%

kyseliny octové ve vodě po 5% (tzn., že do první baňky odpipetujeme množství odpovídající

50 obj. % kyseliny octové, do druhé baňky 55 obj. %, do třetí 60 obj. %, … a do poslední

odpipetujeme množství odpovídající 90 obj. % kyseliny octové. Zbylé množství do 100 obj.

% pak odpovídá druhé složce, tedy vodě!). Směs titrujeme složkou B (toluen) do slabého

bílého zákalu (vznik druhé konjugované fáze). Během celého měření je nutno po každém

přidání složky B směsí silně třepat. Při třepání se dostanou do roztoku bublinky vzduchu,

které nesmí být pokládány za druhou fázi! Důležité je titrovat malými přídavky, po protřepání

počkat až zmizí bublinky vzduchu a zakalení v systému pozorovat při vhodném bočním

osvětlení proti tmavé podložce.

Pozn.: 1. Pro lepší orientaci nejprve měřte roztok 70 obj.% kys. octové na 30 obj.% vody a

ztitrujte toluenem. Spotřeba se při této koncentraci pohybuje v rozmezí 1 až 1,5 ml toluenu.

2. Směsi připravujte do suchých baněk.

Úkoly po ukončení práce:

I) Všechny získané údaje vyneste do přehledné tabulky

II) Všechna získaná data vyneste do trojúhelníkového diagramu (síť dělená po 5 %) a

sestrojte binodální křivku.

III) Složení roztoku vyjádřete v objemových a hmotnostních procentech.

6. Elektrolýza vody

Teorie: zopakujte si, co je elektrolýza, co elektrolytický článek,

Pomůcky: Hofmanův přístroj, nový zdroj stejnosměrného napětí, 2 nové digitální multimetry

HGL 2000N, jeden zapojen jako ampérmetr, druhý jako voltmetr, kabely, 2 nové Ag

elektrody přizpůsobené zapojení do Hofmanova přístroje – viz obrázek.

Chemikálie: roztok síranu sodného o hmotnostním zlomku w(Na2SO4) = 0,1 a objemu 1000

cm3.

Obr.1 Schéma zapojení: Z je zdroj stejnosměrného napětí, V je voltmetr, A je ampérmetr a EČ

je eletrolytický článek tvořený dvěma Ag elektrodami.

Klasifikace používaných chemických látek: síran sodný není klasifikován jako NCHL.

Likvidace odpadů: roztok síranu sodného můžete vylít do výlevky

Pracovní postup: Připravte roztok síranu sodného. Do Hofmanova přístroje zespodu zasuňte dvě Ag elektrody

(viz obrázek). Otevřete oba kohouty postranních trubic a prostřední trubicí vlijte roztok síranu

sodného, až se prostor pod kohouty zcela zaplní. Poté oba kohouty uzavřete. Zapojte zdroj

stejnosměrného napětí, oba multimetry a Hofmanův přístroj s elektrodami dle přiloženého

schéma zapojení.

Zapněte zdroj stejnosměrného napětí a nastavte reostatem na zdroji proud cca 0,3 A. nechte

jej procházet cca 5 minut. V každém rameni Hofmanova přístroje dochází k vývoji plynu. Po

5 minutách vypusťte každý z plynů do zkumavky a dokažte je (vodík štěknutím v plameni,

kyslík rozžhavenou špejlí).

a) Závislost látkového množství vylučovaných plynů na intenzitě proudu:

Znovu sepněte obvod, seřiďte reostatem napětí tak, aby obvodem protékal proud 0,2 A.

nechte probíhat elektrolýzu, dokud hladina elektrolytu klesne na počátek stupnice.

Odečtěte objemy obou plynů. Nastavte proud 0,1 A a nechte jej procházet po dobu 4 minuty.

Poté elektrolýzu zastavte. Odečtěte opět objemy obou plynů.

Znovu spusťte elektrolýzu. Nastavte proud 0,15 A. Opět po 4 minutách zastavte elektrolýzu a

odečtěte objemy obou plynů.

Nastavte proud 0,2 A a elektrolyzujte opět 4 minuty. Po 4 minutách elektrolýzu zastavte a

odečtete objemy obou plynů.

Změřte rozdíly výšky sloupce elektrolytu ve všech 3 trubicích Hofmanova přístroje.

Vypusťte z trubic oba plyny.

b) Závislost látkového množství vylučovaných plynů na době elektrolýzy:

Doplňte v Hofmanově přístroji roztok síranu sodného tak, aby jeho hladina byla v obou

ramenech na počátku stupnice.

Sepněte elektrolýzu. Nastavte proud 0,2 A a držte jej konstantní po celou dobu stanovení.

V časových intervalech 3, 6, 9, 12, 15 a 18 minut odečtěte objemy vyloučených plynů. Při

každém odečtu objemů plynů odečtěte též napětí.

Úkoly po ukončení práce:

I) všechny získané údaje pro všechny části této úlohy zaneste do přehledné tabulky

II) pro pokus A) vše uveďte do tabulky. Pomocí vztahů: FzIn ,

TRnVP vypočtěte látkové množství n a hmotnost m obou vyvinutých

plynů. Vyneste graf závislosti Ifn pro oba plyny.

III) pro pokus B) vše uveďte do tabulky. Opět vypočtěte n a m vyvinutých plynů.

Vyneste graf závislosti fn pro oba plyny.