Wtorek, 17.03.2009 Marcin Szymański

WNOŻ Radosław Szymczak

Gr.11 - A Maciej Wawrzyniak

Ćwiczenie 10-1

Kolorymetryczne oznaczanie stężenia jonów żelaza(III)

1.Cel ćwiczenia

Wykorzystanie zjawiska absorpcji promieniowania z zakresu widzialnego w analizie chemicznej. Celem ćwiczenia jest wyznaczenie analitycznej długość fali, wykresu wzorcowego zależności absorbancji od stężenia roztworów, a także oznaczenie stężenia jonów żelaza (III) - Fe³⁺ w roztworze soli otrzymanej do analizy.

2.Wstęp teoretyczny

Metody spektroskopowe stanowią zespół metod w chemii fizycznej i fizyce zajmujących się badaniem przejawów oddziaływania między promieniowaniem elektromagnetycznym a materią oraz badaniem na tej podstawie budowy i właściwości atomów, cząsteczek i jąder atomowych.

Metoda spektroskopowa wykorzystująca zjawisko pochłaniania, czyli absorpcji światła przez roztwory do ilościowego oznaczania substancji barwnych lub barwiących się w wyniku reakcji oznaczanego składnika z odpowiednim odczynnikiem, nosi nazwę analizy kolorymetrycznej (lub po prostu kolorymetrii). Do pomiarów stosuje się metody wizualne (jeśli substancja lub produkt jej reakcji z dodanym odczynnikiem jest barwny, porównuje się intensywność zabarwienia z intensywnością zabarwienia roztworów wzorcowych o tej samej grubości warstwy) lub przyrządy: kolorymetry w zakresie widzialnym promieniowania elektromagnetycznego, spektrometry i spektrofotometry pracujące w zakresie nadfioletu i widzialnym, wyposażone w układy detekcyjne i urządzenia umożliwiające bezpośredni odczyt wartości mierzonej absorpcji.

Podstawowym prawem spektroskopii absorpcyjnej jest prawo Lamberta-Beera: absorpcja promieniowania przepuszczanego przez ośrodek jest proporcjonalna do grubości warstwy absorbującej i stężenia substancji rozpuszczonej w roztworze:

2a. Prawo Lamberta-Beera

gdzie: A - absorbancja, wartość mierzona absorpcji, wartość bezwymiarowa;

ε - współczynnik proporcjonalności, tzw. molowy współczynnik absorbancji [ dm³*mol^-1*cm^-1];

c - stężenie molowe roztworu [mol*dm^-3];

l - grubość warstwy absorbującej, zwykle grubość kuwety [cm].

Prawo Lamberta-Beera jest spełnione, gdy wykres zależności absorbancji A od stężenia roztworu c, w pewnym zakresie stężeń, jest linią prostą

Wartość absorbancji jest ściśle związane z transmitancją, wartością mierzoną przepuszczalności, następującą zależnością:

gdzie: T - transmitacja;

I₀ - natężenie promieniowania przed przejściem przez roztwór;

I - natężenie promieniowania po przejściu przez roztwór.

Wartość absorbancji zależy również od długości fali światła padającego. Przepuszczając przez barwny roztwór światło białe o różnej długości fal, mierząc przy tym wartości absorpcji, uzyskuje się krzywą absorpcji, czyli widmo absorpcyjne.

Maksimum krzywych absorpcji odpowiada długości fali, przy której występuje największa aborbancja, odpowiada ona najmniejszej transmitancji. Jest to tzw. analityczna długość fali λ_max dla badanej substancji, wykorzystywana w oznaczeniu jej ilości - stężenia w roztworze.

Przy ustalonej analitycznej długości fali wykonuje się pomiary absorbancji dla serii roztworów o znanych stężeniach, tzw. roztworów wzorcowych. Następnie sporządza się wykres zależności A=f(c), zwany wykresem wzorcowym. Po zmierzeniu absorbancji roztworu o nieznanym stężeniu, korzystając z wykresu wzorcowego, określa się jego stężenie.

3.Aparatura i materiały.

Kolorymetr .Kolba miarowa o pojemności 250 cm³ i 100 cm³, 10 kolb miarowych o pojemności 50 cm³, pipeta na 5 cm³, biureta na 50 cm³, roztwór kwasu salicylowego, szklana kuwety o grubości - 1 cm.

Roztwór soli Fe³⁺ w zadaniu kontrolnym.

4.Wykonanie ćwiczenia.

1. Otrzymany roztwór soli Fe³⁺ dopełniamy do kreski w kolbie na 250 cm³ i mieszamy. Napełniamy sporządzonym roztworem biuretę.

2. Do dziesięciu kolb miarowych o pojemności 50 cm³ odmierzamy następujące ilości roztworu z biurety kolejno: 4,6,8,10,12,14,16,18,20,22 cm³, następnie pipetujemy do roztworu 5 cm³ roztworu kwasu salicylowego i dopełniamy wodą destylowaną do kreski.

3. Urochomiliśmy kolorymetr. Przy pomocy osoby prowadzącej wybraliśmy odpowiedni program do pomiaru - WIDMO-FE-KW.SAL (13) .

4. W celu wyznaczenia analitycznej długości fali mierzyliśmy wartość absorbancji dla roztworów 4, 7 i 10 przy długości fali od 390 do 610 nm. Na podstawie wyników pomiarów widma wybraliśmy λ_max dla badanych roztworów, które wynosiło 520 nm.

5. Kolejnym etapem naszym pomiarów, było wybranie programu - KRZYWA-WZORCOWA (12). Po skalibrowaniu, ustawieniu liczby stand. - 10, czy też dopasowania krzywej, wyznaczyliśmy próbę ślepą - widmo dla wody destylowanej.

6. Przy długości fali 520 nm zmierzyliśmy wartość absorbancji dla wszystkich badanych roztworów. Powstały w ten sposób wykres wzorcowy został przez nas wydrukowany i poddanym głębokiej analizie.

7. Wyznaczenie zawartości gramowej jonów Fe³⁺ w zadaniu kontrolnym.

5.Wyniki.

5a.Wyznaczanie analitycznej długości fali za pomocą roztworów wzorcowych: czwartego, siódmego i dziesiątego.

Nr roztworu	Masa jonów Fe^3+ w 50 cm^3 roztworu [g]	Stężenie jonów Fe^3+ [mol ∙dm^-3]	Długość fali [nm]	Absorbancja
4	4,5∙ 10^-4	1,6∙ 10^-4	520	0,302
7	7,2∙ 10^-4	2,6∙ 10^-4	530	0,400
10	9,9∙ 10^-4	3,5∙ 10^-4	520	0,443

5b. Wyniki pomiarów absorbancji dla roztworów wzorcowych

monosalicylanu żelaza (III)

Nr roztworu	Masa jonów Fe^3+ W 50 cm^3 roztworu [g]	Stężenie jonów Fe^3+ [mol ∙ dm^-3]	Absorbancja
1	1,8∙ 10^-4	0,6∙ 10^-4	0,153
2	2,7∙ 10^-4	0,9∙ 10^-4	0,206
3	3,6∙ 10^-4	1,3∙ 10^-4	0,253
4	4,5∙ 10^-4	1,6∙ 10^-4	0,297
5	5,4∙ 10^-4	1,9∙ 10^-4	0,331
6	6,3∙ 10^-4	2,3∙ 10^-4	0,365
7	7,2∙ 10^-4	2,6∙ 10^-4	0,389
8	8,1∙ 10^-4	2,8∙ 10^-4	0,408
9	9,0∙ 10^-4	3,2∙ 10^-4	0,427
10	9,9∙ 10^-4	3,5∙ 10^-4	0,441

Z danych sporządzamy wykres zależności absorbancji od stężenia jonów Fe³⁺. Z wykresu odczytujemy stężenie zadania kontrolnego.

Absorbancja dla roztworu kontrolnego wynosi: 0,261

Zawartość jonów Fe³⁺ w kolbce na 50 cm³: 4,753∙ 10^-4 g

Zawartość jonów Fe³⁺ w kolbce na 100 cm³: 4,753 ∙ 10^-4 g ∙ 20 =9,506∙ 10^-3 g

6.Wnioski.

Odczytana z wykresu wzorcowego zawartość jonów Fe³⁺ w otrzymanym przez prowadzącą ćwiczenia roztworze soli Fe³⁺ w kolbce na 50 cm³ wynosiła 4,753∙ 10^-4 g , natomiast w kolbce na 100 cm³ 9,506∙ 10^-3 g. Odczyt z wykresu wzorcowego należało pomnożyć przez 20, ponieważ do analizy pobrano 5 cm³ ze 100 cm³ roztworu kontrolnego.

Wykres zależności absorpcji A od stężeń roztworu c, w pewnym zakresie stężeń, jest linią prostą. Na naszym wykresie występują odchylenia, które najprawdopodobniej spowodowane są nieprawidłowym przygotowaniem roztworów wzorcowych:

-zbyt duża/mała ilość roztworu spuszczonego z biurety;

-zbyt duża/mała ilość odpipetowanego roztworu kwasu salicylowego;

-zbyt duża/mała ilość dodanej wody destylowanej.

Równie ważnym czynnikiem wpływającym na niedokładność pomiarów mogły być, drobne pęcherzyki powietrza w kuwecie, różne zanieczyszczenia na jej ściankach, czy też pozostałości roztworów z poprzednich pomiarów.

Istotną kwestią było przeliczenie masy jonów Fe³⁺ na stężenie.

---