Data wykonania
2008r. 2008r. |
Nr ćwiczenia i tytuł:
6.1 Właściwości tris(szczawiano)żelazianu(III) potasu
|
Ocena asystenta: |
Prowadzący:
dr Paweł Kozyra |
Wykonujący: Anna Regiel |
Ocena za sprawozdanie: |
I. Cel ćwiczenia:
Celem ćwiczenia było zsyntezowanie i zbadanie właściwości fotochemicznych tris(szczawiano)żelazianu(III) potasu; wyznaczenie zawartości wody krystalizacyjnej w otrzymanym związku jak również zbadanie reakcji charakterystycznych dla naświetlonych i nienaświetlonych roztworów tris(szczawiano)żelazianu(III) potasu. Dodatkowo spektrofotometryczne wyznaczenie stężenia powstałych podczas rozkładu fotochemicznego otrzymanego związku jonów Fe2+ i obliczenie natężenia światła.
II. Część doświadczalna:
1. Synteza tris(szczawiano)żelazianu(III) potasu
a) Otrzymanie szczawianu żelaza(II), FeC2O4.
Do małej zlewki wlano 15 cm3 wody, dodano 8 kropel 2 mol/dm3 H2SO4 i ogrzano do temperatury ok. 60oC. Następnie w tak przygotowanym roztworze rozpuszczono 5 g soli Mohra Fe(NH4)2(SO4)2.6H2O i dodano powoli, ciągle mieszając, 20cm3 kwasu szczawiowego.
Całość ogrzano do wrzenia, nieustannie mieszając. Po zakończeniu ogrzewania odczekano do momentu opadnięcia na dno zlewki żółtego osadu szczawianu żelaza(II). Zlano znad osadu roztwór i trzykrotnie przemyto przez dekantację osad porcjami gorącej wody destylowanej po 20 cm3.
b) Otrzymywanie uwodnionego tris(szczawiano)żelazianu(III) potasu
W 12 cm3 wody rozpuszczono 4,05g K2C2O4 ⋅ H2O, ogrzano do temperatury około 40oC po czym wlano do zlewki z otrzymanym uprzednio osadem szczawianu żelaza(II). Zapewniając cały czas temperaturę około 40oC dodawano powoli 20cm3 3% roztworu H2O2. Roztwór doprowadzono do wrzenia; do gotującego się roztworu wlano 5cm3 1mol/dm3 roztworu kwasu szczawiowego. Następnie po kropli dodano jeszcze 3 cm3 tego kwasu do otrzymania klarownego roztworu barwy jasno zielonej. Dodano 10 cm3 etanolu, zlewkę przykryto, umieszczono w misce z lodem w celu ochłodzenia i odstawiono w zaciemnione miejsce. Po wykrystalizowaniu tris(szczawiano)żelazianu(III) potasu, zlano roztwór znad osadu, który przemyto kilkakrotnie przez dekantację małymi porcjami wody (nie więcej niż 10cm3) i dodano do niego 10cm3 etanolu. Przesączono osad przez lejek ze spiekiem szklanym. Osad przemyto na sączku 5 - cioma cm3 etanolu. Tak odsączony osad pozostawiono do wysuszenia na powietrzu do kolejnych zajęć, na których wysuszony osad zważono.
2. Badanie właściwości tris(szczawiano)żelazianu(III) potasu
a) Oznaczanie ilości wody krystalizacyjnej w otrzymanym K3[Fe(C2O4)3]·3H2O.
Zawartość procentową wody krystalizacyjnej w zsyntezowanym związku wyznaczono przy użyciu wagosuszarki. W tym celu umieszczono na szalce urządzenia 1g uwodnionego tris(szczawiano)żelazianu(III) potasu. Urządzenie to rejestrowało ubytek masy substancji po odparowaniu wody. Wynikiem końcowym była procentowa wilgotność próbki [(masa odparowanej wody/masa początkowa próbki) ⋅ 100%].
b) Sporządzenie światłoczułej kliszy.
Rozpuszczono 1g K3[Fe(C2O4)3] ⋅ 3H2O w 25 cm3 wody destylowanej. Przelano 10 cm3 tego roztworu przelano do szalki Petriego i zanurzono w nim mały kawałek bibuły. Wyjęto bibułę pęsetą, pozostawiono na chwilę w pozycji pionowej do spłynięcia roztworu, po czym wysuszono ją w suszarce w temperaturze około 60oC. Na wysuszonej bibule umieszczono folię z ciemnym, nieprzeźroczystym wzorem, umieszczono pomiędzy dwiema szybkami i wystawiona na około pół godziny na działanie światła słonecznego. Po naświetleniu umieszczono kawałek bibuły w szalce Petriego z 25 cm3 0,03 mol/dm3 K3[Fe(CN)6] następnie w szalce Petriego z wodą destylowaną i wysuszono ponownie w suszarce. Sporządzony w ten sposób negatyw dołączono do sprawozdania jako Załącznik 1.
c) Reakcje charakterystyczne naświetlonych i nienaświetlonych roztworów K3[Fe(C2O4)3]·3H2O
Przygotowano cztery zestawy po trzy probówki z roztworem tris(szczawiano)żelazianu(III) potasu, do których dodano: probówka 1 - 2 cm3 0,03mol/dm3 roztworu heksacyjanożelazianu(III) potasu, probówka 2 - 2 cm3 0,1% roztworu 1,10-fenantroliny w 0,1mol/dm3 HCl, probówka 3 - kilka kropli roztworu KSCN (rodanku). Zestaw 1 umieszczono za oknem, zestaw 2 na wewnętrznym parapecie okna, zestaw 3 i 4 w szafce bez dostępu światła. Roztwór tris(szczawiano)żelazianu(III) potasu sporządzony był z naświetlonego podczas pomiaru w wagosuszarce stałego K3[Fe(C2O4)3]·3H2O (zestaw 3). Pozostałe roztwory tris(szczawiano)żelazianu(III) potasu naświetlone były dopiero po rozpuszczeniu. Po dodaniu do każdego z zestawów powyższych odczynników, obserwowano zmiany zabarwienia poszczególnych roztworów po około godzinie. Zaobserwowane zmiany zamieszczono w Tabeli 1.
Dodany odczynnik |
Badane zestawy i ich położenie |
|||
|
Zestaw1:Za oknem |
Zestaw2:wewnętrzny parapet okna |
Zestaw 3:szafka |
Zestaw 4:szafka |
CN- |
Pojawia się intensywnie ciemnozielone zabarwienie, niewielkie ilości osadu o tej samej barwie. |
Zmiana barwy na ciemno zieloną. |
Jasno zielona barwa roztworu, bez zmian. |
Jasno zielona barwa roztworu, bez zmian. |
phen |
Roztwór przybiera ciemno czerwoną barwę. |
Pojawia się czerwone zabarwienie. |
Barwa roztworu lekko ciemnieje. |
Pomarańczowa barwa roztworu, bez zmian. |
SCN- |
Żółta barwa roztworu lekko pojaśniała. |
Żółta barwa roztworu, bez zmian. |
Żółta barwa roztworu, bez zmian. |
Żółta barwa roztworu, bez zmian. |
Tabela 1. Obserwacje wykonanych charakterystycznych reakcji tris(szczawiano)żelazianu(III) potasu.
Dodatkowo przygotowano probówkę z roztworem FeCl3, a następnie zadawano tak przygotowaną próbkę kolejno: 0,1% roztworem 1,10-fenantroliny w 0,1mol/dm3 HCl, rodankiem - KSCN, kwasem szczawiowym H2C2O4 i obserwowano zmiany zachodzące w roztworze. Obserwacje z przeprowadzonej próby zebrano w Tabeli 2.
Dodany do roztworu FeCl3 odczynnik |
Obserwacje |
phen |
Brak objawów reakcji |
SCN־ |
Pojawia się intensywnie krwisto czerwone zabarwienie |
H2C2O3 |
Barwa roztworu jaśnieje, aż staje się żółta |
Tabela 2. Obserwacje reakcji charakterystycznych FeCl3.
e) Wyznaczanie stężenia jonów Fe2+ w naświetlonym roztworze K3[Fe(C2O4)3] ⋅ 3H2O.
Sporządzono 0,006 mol/dm3 roztwór K3[Fe(C2O4)3]. W małej zlewce umieszczono 10cm3 tego roztworu i wystawiono za okno na działanie światła słonecznego na 720s. Po naświetleniu i wymieszaniu odmierzono 5 cm3 roztworu i przelano do kolbki miarowej na 50cm3 i uzupełniono wodą destylowaną do kreski. Pobrano pipetą 5cm3 tak rozcieńczonego roztworu, przeniesiono do kolbki miarowej na 50 cm3 i zadano 2cm3 buforu octanowego i 10cm3 0,1% roztworu 1,10-fenantroliny w H2O. Ponownie uzupełniono roztwór do kreski wodą destylowaną i pozostawiono w szafce laboratoryjnej na pół godziny. Zmierzono widmo elektronowe tak sporządzonego roztworu w zakresie widzialnym, stosując kuwetę o grubości warstwy 1cm.
III. Opracowanie wyników:
1. Synteza tris(szczawiano)żelazianu(III) potasu
Reakcje zachodzące w trakcie syntezy tris(szczawiano)żelazianu(III) potasu:
Fe(NH4)2(SO4)2 ⋅ 6H2O + C2O42-→ FeC2O4↓+ 2 SO42- + 2NH4+ + 6H2O
2Fe2++ H2O2 + 2H+→ 2Fe3+ + 2H2O
Fe3+ + 3 C2O42- + 3 K+→ K3[Fe(C2O4)3]↓
Wydajność przeprowadzonej syntezy:
Masa użytej soli Mohra:
mSM = 5,00g
Masa molowa soli Mohra:
MSM = 392,14 g·mol-1
Masa otrzymanego produktu, tris(szczawiano)żelazianu(III) potasu:
m = 3,83g
Masa molowa (szczawiano)żelazianu(III) potasu:
MP = 491,24 g·mol-1
Stosunek stechiometryczny soli Mohra do tris(szczawiano)żelazianu(III) potasu wynosi 1:1.
Zakładając 100% - ową wydajność reakcji:
392,14 g - 491,24 g
5,00g - x g
x = 6,26g
Wydajność przeprowadzonej syntezy:
6,26g - 100%
3,83g - x%
x = 61,18%
2. Badanie właściwości tris(szczawiano)żelazianu(III) potasu
a) Oznaczanie ilości wody krystalizacyjnej w otrzymanym K3[Fe(C2O4)3]·3H2O.
mH2O - masa odparowanej wody
m0 - masa początkowa próbki
1 mol K3[Fe(C2O4)3] = 100% - 11,13% = 88,87%
1 mol K3[Fe(C2O4)3] -
g, stąd podstawiając do wzoru otrzymujemy:
Powyższe obliczenia potwierdzają poprawność wzoru sumarycznego K3[Fe(C2O4)3]·3H2O, w którym widnieją 3 mole cząsteczek wody hydratacyjnej.
b) Równania reakcji, które zaszły w trakcie:
naświetlania kliszy (bibuły) zanurzonej w roztworze
2[Fe(C2O4)3]3-
2Fe2+ + 5C2O42- + 2CO2
wywoływania naświetlonej kliszy
Wzór strukturalny kompleksu Fe(II) z 1,10-fenantroliną - Rys.1 :
Rys 1. [Fe(phen)3]2+
Stężenie Fe(II) w naświetlonym roztworze kompleksu Fe(II) z 1,10-fenantroliną.
Korzystając z prawa Lamberta - Beera
A - absorbancja
l = 1 cm - grubość kuwety
= 11,1.103 dm3/(mol.cm) - molowy współczynnik absorpcji wodnych roztworów kompleksów Fe(II) z 1,10-fenantroliną dla długości fali 510 nm.
Dane uzyskane z badania spektrofotometrycznego poszczególnych roztworów o różnym czasie naświetlania zamieszczono w Tabeli 2.
czas naświetlania t [s] |
Stężenie badanego spektrometrem rozcieńczonego roztworu [mol/l] |
A |
εl [l/mol] |
cFe(II) [mol/l] |
cFe(II) przed rozcieńczeniem |
c0 |
ca |
180 |
4 ⋅ 10-4 |
0,2656 |
11100 |
0,0000239 |
0,0005975 |
0,01 |
0,0094025 |
360 |
4 ⋅ 10-4 |
0,3966 |
|
0,0000357 |
0,0008925 |
0,01 |
0,0091075 |
540 |
1 ⋅ 10-4 |
0,0947 |
|
0,0000085 |
0,0008500 |
0,01 |
0,00915 |
720 |
1 ⋅ 10-4 |
0,1560 |
|
0,0000141 |
0,0014100 |
0,01 |
0,00859 |
Tabela 2. Dane doświadczalne badania spektrofotometrycznego roztworów kompleksu Fe(II) z 1,10-fenantroliną i stężenia Fe(II) wydzielonego w trakcie reakcji fotochemicznej.
Obliczenia wykonano w następujący sposób:
Dla roztworu t = 180 s:
0,0000239 mol - 1000 ml
x - 50 ml
x = 1,195⋅10-6 mol
1,195⋅10-6 mol - 20 ml*
x - 50 ml
x = 2,29875⋅10-6 mol
2,29875⋅10-6 mol - 5 ml
x - 1000 ml
x = 0,0005975 mol
Dla roztworu t = 540s
0,0000085 mol - 1000 ml
x - 50 ml
x = 4,25⋅10-7 mol
4,25⋅10-7 mol - 5 ml**
x - 50 ml
x = 4,25⋅10-6 mol
4,25⋅10-6 mol - 5 ml
x - 1000 ml
x = 0,00085 mol
* Zgodnie z tym schematem obliczeń postępowano także w przypadku roztworu naświetlanego w t=360s.
** Zgodnie z tym schematem obliczeń postępowano także w przypadku roztworu naświetlanego w t=720s.
Cykloaddycja fotochemiczna [2 + 2]
Metody fotochemicznej cykloaddycji [2 + 2] są prostymi i efektywnymi metodami otrzymywania pochodnych cyklobutanu: