UNIWERSYTET TECHNOLOGICZNO-PRZYRODNICZY

W BYDGOSZCZY

SPRAWOZDANIE Z ĆWICZEŃ

LABORATORYJNYCH Z CHEMII

NR ĆWICZENIA:	13
TEMAT:	Analiza ilościowa . Kalorymetria. Kolorymetryczne oznaczenie żelaza i fosforanów.

GRUPA	4
II Sem. K. Budownictwo	Studia niestacjonarne
Zespół w składzie:	Joanna Rudnik Aleksandra Krause Żaneta Kraśniewska
Data wykonania ćwiczenia:	24. 05. 2014 r.
Sprawozdanie sporządził:	Joanna Rudnik

Bydgoszcz 17. 05. 2014 r.

1. WPROWADZENIE

Ż e l a z o jest najbardziej rozpowszechnionym w skorupie ziemskiej metalem ciężkim, jednak ze względu na dużą reaktywność chemiczną nic występuje w postaci czystej. W technice żelazo spotykane jest jako stal (zawartość C < 2% wag.) i żeliwo (zawartość C > 2% wag.). Charakterystyczne dla żelaza, w związkach jest występowanie na dwóch stopniach utlenienia (II, III) i łatwość zmiany elektrowartościowości Fe2 + <=* Fe3 + w roztworach wodnych. Żelazo jest odporne na działanie wody wapiennej, jak również zimnych ługów, co ma duże znaczenie z punktu widzenia zbrojenia betonu (żelbet).

W technice największe znaczenie mają stopy żelaza z węglem (rys. 1.), występujące w

postaci stali (stop obrabiany plastycznie) oraz żeli (stop odlewniczy). Stal w postaci odlanej

nosi nazwę staliwa.

]

Rys. 1. Układ dwuskładnikowy żelazo (Fe) — cementyt (Fe3C)

W budownictwie stosuje się przede wszystkim stale konstrukcyjne (węglowe lub stopowe). Mają one niską zawartość węgla (0,05^-0,65%) i często są ulepszane cieplnie. Właściwości stali można modyfikować przez odpowiednie dodatki stopowe; np. dodatek Cr i Ni poprawia odporność na korozję, a dodatek W i V podnosi odporność na działanie wysokich temperatur oraz ścieranie. Wzrost zawartości węgla i pierwiastków stopowych pogarsza spawalność stali. Podstawowym wyróżnikiem stali są:

wymagana wytrzymałość oraz przeznaczenie. Stale k o n s t r u k c y j n e w ę g l o w e zwykłej jakości oznaczane są literami St i liczbą porządkową lub liczbą oznaczającą wymaganą wytrzymałość; np. St41 oznacza stal o wymaganej wytrzymałości na rozciąganie Rm = 41 kG/mm2 (ok. 400 MPa).

ZASADA OZNACZANIA ŻELAZA METODĄ Z RODANKIEM

Jony żelaza trójwartościowego w środowisku kwaśnym dają z roztworem rodanku

krwistoczerwone zabarwienie, którego intensywność jest proporcjonalna do stężenia żelaza w badanej próbce. Przed oznaczaniem całą ilość żelaza należy przeprowadzić w formę trójwartościową. W przypadku oznaczania żelaza ogólnego, całą ilość żelaza obecnego w badanej wodzie należy przeprowadzić w formę trójwartościową utleniając jony żelazawe Fe2+ nadtlenkiem wodoru H2O2 (wodą utlenioną). W trakcie oznaczania zachodzą reakcje:

2 Fe2+ +H2O2 + 2H+ → 2 Fe3+ + 2H2O

Fe3+ + n SCN- → Fe (SCN)n^3-n

WYKONANIE OZNACZENIA OZNACZANIE

Do cylindrów Nesslera odmierzono po 50 cm3 badanych prób. Dodano 5 cm3 HC1 (1+1) i 0,5 cm3 nadtlenku wodoru. Próbę dokładnie wymieszano . Po upływie 5 minut dodano 2,5 cm3 roztworu rodanku. Dokładnie wymieszano i porównano ze skalą wzorców.

Zawartość żelaza ogólnego obliczyć według wzoru:

x = a ×1000 / V [mg Feog/dm3]

w którym:

a - ilość żelaza w próbce odczytana ze skali wzorców, mg Fe;

v - objętość próby wody użyta do badań, cm3 .

Próbka 1 - woda destylowana 50 cm + 5cm³ HCl 1:1 +H₂O₂ -0,5cm³ + 2,5ml KSCN-rodanek ( po 5 min) = uzyskano kolor wg skali 0,10

Próbka 2 - woda destylowana 50 cm + 5cm³ HCl 1:1 +H₂O₂ -0,5cm³ + 2,5ml KSCN-rodanek ( po 5 min) = uzyskano kolor wg skali 0,12

Próbka 3 - woda destylowana50 cm + 5cm³ HCl 1:1 +H₂O₂ -0,5cm³ + 2,5ml KSCN-rodanek ( po 5 min) = uzyskano kolor wg skali 0,15

Próbka 4 - próbnik

Próbka 1 - x = a ×1000 / V =0,1x1000/5=20[mg Feog/dm3]

Próbka 2 - x = a ×1000 / V =0,12x1000/5=24[mg Feog/dm3]

Próbka 3 - x = a ×1000 / V =0,15x1000/5=30[mg Feog/dm3]

W celu oznaczenia w badanej próbie zawartości żelaza trójwartościowego należy

wykonać identyczne oznaczenie, lecz bez dodawania nadtlenku wodoru. Zawartość żelaza

dwuwartościowego należy wyliczyć z różnicy:

Fe2+ = Feog - Fe3+ [mg Fe 2+/dm3]

Próbka 1 - x = Feog - Fe3+=20-5=15[mg Fe 2+/dm3]

Próbka 2 - x = Feog - Fe3+=24-5=19[mg Fe 2+/dm3]

Próbka 3 - x = Feog - Fe3+=30-5=25[mg Fe 2+/dm3]

WPROWADZENIE DO ABSORPCJOMETRII.

Większość oznaczeń analitycznych w analizie instrumentalnej (ilościowej) oparta jest na metodach

kolorymetrycznych. Zasada tych metod polega na reakcjach oznaczanych związków z dodanymi

odczynnikami, w wyniku których powstają reakcje barwne. W zależności od stężenia substancji badanej

zmienia się natężenie zabarwienia roztworu. W analizie kolorymetrycznej wykorzystuje się własności zabarwionych roztworów, polegające na pochłanianiu (absorpcji) przechodzącego przez nie promieniowania. Jeżeli na badaną próbkę wody skierujemy wiązkę światła, wówczas część promieniowania ulegnie odbiciu lub rozproszeniu, część pochłonięciu, a część przechodzi przez warstwę wody. Zależności ilościowe tych wiązek promieniowania opisują prawa absorpcji.

Prawa absorpcji

I Prawo absorpcji (prawo Lamberta)

Wiązka promieniowania monochromatycznego po przejściu przez jednorodny ośrodek absorbujący o grubości b ulega osłabieniu według równania:

I = I₀ e^-kb

w którym I0 oznacza natężenie wiązki promieniowania monochromatycznego padającego na jednorodny ośrodek absorbujący,

I— natężenie promieniowania po przejściu przez ośrodek absorbujący,

b — grubość warstwy absorbującej,

k — współczynnik absorpcji,

e — podstawę logarytmów naturalnych.

Stąd:

Ln I/I₀ = kb =A lub A= log I/I₀ ab

gdzie: a = 0,4343 k, a A — zdolność pochłaniania promieniowania zwana absorbancją.

II Prawo absorpcji (prawo Lamberta — Beera)

Prawo to dotyczy absorpcji promieniowania przez roztwory i można je sformułować w następujący sposób: jeśli współczynnik absorpcji rozpuszczalnika jest równy zeru, to wiązka promieniowania monochromatycznego, po przejściu przez jednorodny roztwór substancji absorbującej o stężeniu c, ulega osłabieniu według równania:

I = I₀ e^-kbc

Stąd, po przekształceniach jak wyżej, można zapisać:

A= logI/I₀ abc

Prawo to można sformułować w sposób następujący: Jeżeli współczynnik absorpcji rozpuszczalnika jest równy zeru, to absorbancja wiązki promieniowania monochromatycznego przechodzącej przez jednorodny roztwór jest wprost proporcjonalna do stężenia roztworu c i do grubości warstwy absorbującej b.

III Prawo absorpcji (prawo addytywności absorpcji)

Absorbancją roztworu wieloskładnikowego równa się sumie absorbancji poszczególnych składników

A = A1+A2+...An

gdzie: At, A2, ..., A„ są to absorbancje poszczególnych składników

W równaniu:

A = a c b

wielkość a jest właściwym współczynnikiem absorpcji, gdy stężenie wyrażamy w kg/dm3 lub g/cm3.

Natomiast, gdy stężenie c wyrażamy w mol/dm3, równanie to przybiera postać:

A = ε c b

gdzie ε jest to molowy współczynnik absorpcji, a jego wymiar podawany jest dwojako:

[dm3 • mol-1-•cm-1] lub w jednostkach SI [m2 • mol-1].

Funkcja A = f(c) jest linią prostą, jeżeli roztwór spełnia II prawo absorpcji. Natomiast ε jest wartością stałą dla danego chromoforu.

Rys. 2. Wykres zależności A = f (c) Rys. 3. Wykres zależności ε = f (e)

FOSFORANY

Fosfor w wodach naturalnych może pochodzić z rozkładu związków organicznych roślinnych lub zwierzęcych, z pól nawożonych nawozami fosforowymi oraz z zanieczyszczeń ściekami przemysłowymi. Związki fosforu w przyrodzie ulegają podobnym przemianom jak związki azotowe, przy czym przechodzą one w fosforany, co stanowi ostatnie stadium mineralizacji. Szczególnie intensywnie przebiega przemiana fosforanowa w wodach powierzchniowych, w których mikroorganizmy asymilują fosforany, a następnie obumierając opadają na dno, gdzie z kolei następuje mineralizacja. Z tych względów w wodach powierzchniowych obserwuje się okresowość występowania fosforanów na jesieni,zimą i wiosną, a zanik w lecie. Ilość fosforanów w czystych wodach powierzchniowych jest nieznaczna. Wody pochodzące z terenów bogatych w związki humusowe mogą zawierać do 0,25 mg/dm3 P04.

OZNACZANIE FOSFORANÓW METODĄ MOLIBDENOWĄ

Zasada oznaczania polega na tworzeniu się w roztworze kwaśnym kwasu fosforomolibdenowego H7(P)MoO2(O4)6 o żółtym zabarwieniu, który ulega redukcji pod wpływem chlorku cynawego, tworząc związek kompleksowy — błękit molibdenowy — o intensywnym niebieskim zabarwieniu. Intensywnośćzabarwienia jest proporcjonalna do zawartości fosforanów. Oznacza się ją wizualnie lub fotokolorymetrycznie. Dodatkowe zastosowanie ekstrakcji fosforanów z badanej próbki pozwala na zwiększenie czułości oznaczania i zmniejsza wpływ czynników przeszkadzających. Minimalne stężenie

wynosi ok. 0,01 mg/dm3 P04.

Wykonanie oznaczenia.

Wykreślenie krzywej wzorcowej.

Wzorce należy przygotować dopełniając kolbki miarowe do kreski. Następnie dodać —

mieszając dokładnie za każdym razem — 2 cm3 roztworu molibdenianu amonowego i 0,5 cm3 roztworu chlorku cynawego. Następnie dokonać pomiaru absorbancji prób spektrofotometrem Spekol 10 przy długości fali 690 nm stosując jako odnośnik wzorzec z wodą destylowaną i wykreślić krzywą wzorcową, odkładając na osi odciętych stężenia fosforanów (PO4) we wzorcach, a na osi rzędnych odpowiednie wartości absorbancji.

Wykonanie oznaczenia w badanych próbach.

Badane próby umieszczone w kolbkach miarowych dopełnić wodą destylowaną do kreski.

Następnie postępować identycznie jak podczas przygotowywania próbek do wykreślenia

krzywej wzorcowej. Po wykonaniu pomiaru absorbancji badanych prób dokonać odczytu

wartości stężeń fosforanów z wykreślonej wcześniej krzywej wzorcowej.

Obliczanie i podawanie wyników. Zawartość fosforanów obliczyć i podać wg wzoru:

x =a ×1000/V [mg/dm3 PO4]

gdzie:

a — ilość fosforanów odczytana z krzywej, wzorcowej, mg;

v— objętość próbki wziętej do badania, cm3.

Próbka 1 -Woda destylowana 50 cm³ + 2 cm3 roztworu molibdenianu amonowego + 0,5 cm3 roztworu chlorku cynawego = uzyskano kolor niebieski , absorpcja 0,120

Próbka 2 -Woda destylowana 50 cm³ + 2 cm3 roztworu molibdenianu amonowego + 0,5 cm3 roztworu chlorku cynawego = uzyskano kolor niebieski , absorpcja 0,135

Próbka 3 -Woda destylowana 50 cm³ + 2 cm3 roztworu molibdenianu amonowego + 0,5 cm3 roztworu chlorku cynawego = uzyskano kolor niebieski , absorpcja 0,160

Próbka 4 -Woda destylowana 50 cm³ + 2 cm3 roztworu molibdenianu amonowego + 0,5 cm3 roztworu chlorku cynawego = uzyskano kolor niebieski , absorpcja 0,140

Próbka 1 - x =a ×1000/V=0,120x1000/5=24 [mg/dm3 PO4]

Próbka 1 - x =a ×1000/V=0,135x1000/5=27 [mg/dm3 PO4]

Próbka 1 - x =a ×1000/V=0,160x1000/5=32 [mg/dm3 PO4]

Próbka 1 - x =a ×1000/V=0,140x1000/5=28 [mg/dm3 PO4]

---