A kálium-permanganát és az oxálsav közötti reakció vizsgálata (Puskás Zsófia) A mérés végrehajtása A mérést a Praktikumtól eltéren Perkin-Elmer Lambda 2S, illetve Shimadzu UVmini1240 spektrofotométerrel végezzük, számítógépes adatgyjtéssel. A mérésleírásban az egyes spektrofotométerekre vonatkozó utasításokat P illetve S betkkel jelölöm. 1.PS Kapcsoljuk be a számítógépet és a spektrofotométert (a technikusok általában elre bekapcsolják). Melegedési id kb. 30 perc. 2.P Els lépésként a mérési hullámhosszakat kell meghatároznunk korábban felvett spektrumok segítségével. Ezt együtt csinálja mindenki a Perkin-Elmer spektrofotométernél. Indítsuk el a mérprogramot a PECSS ikonnal. A KMnO 4 és az (COOH) 2 közti reakció több lépésben játszódik le. A bruttó folyamat köztes termékeként egy instabilis komplex, a K 3 [Mn III (C 2 O 4 ) 3 ] keletkezik. Ennek bruttó képzdési egyenlete: 4 Mn 2+ + 15 (C 2 O 4 ) 2 + MnO 4 + 8 H + = 5 [Mn(C 2 O 4 ) 3 ] 3 + 4 H 2 O. Bruttó bomlási egyenlete: 2 [Mn(C 2 O 4 ) 3 ] 3 = 2 [Mn(C 2 O 4 ) 2 ] 2 + C 2 O 4 2 + 2 CO 2. A bruttó folyamat autokatalitikus, hiszen a végtermékként keletkez Mn 2+ részt vesz a Mn(III)-komplex bomlási folyamatában. Az 1. és 2. ábrán nyomon követhetjük a MnO4 -ionra jellemz abszorbancia csökkenését, és a komplex elnyelésének megjelenését. A hullámhosszok leolvasásához töltsük be a Kscan024- es, illetve a Kscan051-es file-t az alábbi módon: COPY D filenév X, ekkor a gép D(disk)-rl beolvassa a file-t az X regiszterbe. 4 Abszorbancia 3 2 1 2 MnO 4-1 komplex 3 4 0 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 λ / nm 1. ábra A reakcióelegy spektruma az id elrehaladtával Fájlnevek : 1. Kscan002 2.Kscan024 3.Kscan037 4. Kscan040 1
0.35 0.30 0.25 Abszorbancia 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 λ / nm 2. ábra A komplex spektruma, fájlnév: Kscan051 2.S Indítsuk el a mérprogramot az UVPC ikonnal. 3.P A program fmenüjében gépeljük be, hogy tdrive (timedrive = megadott ideig tartó adatgyjtést tesz lehetvé). A bejöv képernyn a mérés paramétereit állíthatjuk be. Az egyes mezk között a nyilakkal mozoghatunk. Az els helyen a regisztert (=memóriaterület, a mérési pontok átmeneti tárolója) adhatjuk meg, ez lehet X, Y, Z. Vigyázat! A program felülírja az adott regiszterben tárolt adatainkat, ha az újakat is ugyanabban a regiszterben kívánjuk tárolni. Emiatt célszer minden mérés után elmenteni az adatainkat automatikus elmentés választásával (a képerny alján lév autosave opció y-ra állításával). A regiszterek utáni mezkben beállíthatjuk a mérési paramétereket (lásd az 1. táblázatban): a hullámhosszat, amin mérni akarunk, a mérési pontok számát és a pontok közötti idt. Figyeljünk rá, hogy az ordináta tengely skálája A (abszorbancia) legyen. A lamps mezben lév számot állítsuk 2-re, ez azt jelenti, hogy csak a látható tartományban mköd lámpát kapcsoljuk be. Igényesebbek beállíthatják az y min és y max értékeket is, amelyekkel a mérés közben megjelen grafikon méreteit tudjuk úgy beállítani, hogy jól követhet legyen a mérésünk. Ha nem megfelel skálát használunk, elfordulhat, hogy egyes mérési pontok nem látszanak a képernyn. A számítógép ettl függetlenül regisztrálja az adatokat. Ezután üssünk ENTER-t. Mérés Pontok Egyes pontok Mérés ideje y min y max Száma Célja száma közötti id (s) s 1. Autokatalízis vizsgálata 200 10 2000 0,00 4,00 2. Reakciórend 1200 1 1200 0,00 1,50 3. meghatározása 1200 1 1200 0,00 1,00 4. 1200 1 1200 0,00 1,00 5. sebességi állandó vizsgálata 1200 1 1200 0,00 1,50 1. táblázat 2
A gép megkérdezi, elégedettek vagyunk-e a beállításokkal, mérni kívánunk-e, kilépni, esetleg kalibrálni a mszert. Az els mérés eltt illetve hullámhossz-váltás után is végezzük el a kalibrációt (desztillált vízzel): az A gombot üssük le (=AUTOCAL, a desztillált víz elnyelése legyen a 0). 3.S A program fels menüsorában található ACQUIRE MODE menüben a különböz mérési módokat állíthatjuk be. Válasszuk ki a TIME COURSE módot, így az id függvényében követhetjük az abszorbancia változást. Ekkor automatikusan megjelenik a mérési paraméterek beállításához szükséges ablak, az 1. táblázat alapján töltsük ezt ki. Ha késbb változtatni szeretnénk a beállításokon a CONFIGURE menüben a PARAMETERS parancs kiadásával tehetjük ezt meg. MEASURING MODE: abs RECORDING RANGE : a képernyn megjelen abszorbancia skála minimuma illetve maximuma állítható itt be WAVELENGTH: a hallgatók által kiválasztott mérési hullámhossz TIMING MODE : manual REACTION TIME: mérés ideje UNITS: seconds ACUISITION RATE: egyes pontok közötti id NUMBER OF CELLS: 1 NUMBER OF READING: pontok száma A beállítások után illetve minden hullámhossz-váltásnál állítsuk a desztillált víz abszorbanciáját az adott hullámhosszon 0-ra a képerny alján található AUTOZERO gomb megnyomásával. 4.PS A méréshez az alábbi oldatok állnak rendelkezésre (2. táblázat): Oldat neve Oldat jele Koncentráció Kálium-permanganát KMnO 4 0,020 mol/dm 3 Oxálsav (COOH) 2 0,10 mol/dm 3 Mangán(II)-szulfát MnSO 4 0,10 mol/dm 3 Nátrium-szulfát Na 2 SO 4 0,10 mol/dm 3 2. táblázat 3
Készítsük el a 3. táblázat alapján a reakcióelegyet. A 2. mérést is értékelni kell! Ajánlott összemérési sorrend: víz, Na 2 SO 4, oxálsav, KMnO 4, MnSO 4. Mérés Deszt. víz Na 2 SO 4 (COOH) 2 KMnO 4 MnSO 4 V összes száma Célja cm 3 cm 3 cm 3 cm 3 cm 3 cm 3 1. autokatalízis vizsgálata 15,0 0,0 7,5 2,5 0,0 25,0 2. reakciórend 13,0 0,0 6,0 2,0 4,0 25,0 3. meghatározása 30,5 7,5 6,0 2,0 4,0 50,0 4. 23,5 4,5 6,0 2,0 4,0 40,0 5. sebességi állandó vizsgálata 11,0 0,0 6,0 2,0 6,0 25,0 3. táblázat A MnSO 4 hozzámérése után jól keverjük meg az oldatot, majd öntsük a küvettába (buborékmentesen!), és ezután a küvettát tegyük a spektrofotométerbe (lehetleg minél gyorsabban). Csukjuk le a fotométer fedelét. 5.P Indítsuk el a mérést (Y gomb). A mérés végeztével üssünk ESC-t és mentsük el adatainkat, amennyiben nem választottunk automatikus mentést (lásd adatok elmentése), egyébként a következ mérés felülírná az elbbit, vagy a C lenyomásával visszajutunk a mérés beállításaihoz, és itt más regiszterbe vehetünk fel adatokat. Adatok elmentése: Filenévként a mérés napjára utaló nevet kell megadni, amelynek két utolsó karaktere a mérés sorszáma. Például Kémcs Ádám 2002.09.19-i els mérését tartalmazó file neve: KA091901 vagy 02091901 legyen. A további méréseket a program automatikusan számozza, amennyiben az autosave módot beállítottuk. A mérprogram saját formátumú file-jait a gyakorlatvezetk vagy a technikusok alakítják át ASCII formátumúvá. 5.S Indítsuk el a mérést a START gombbal. Ha a mérés befejezdött, automatikusan felajánlja a mentést. Ilyenkor azonban csak egy ideiglenes memóriaterületre kerülnek az adatok. A végleges mentéshez a FILE menüben a CHANNEL parancsot, azon belül a SAVE CHANNEL-t válasszuk, jelöljük ki az elmenteni kívánt méréseket, majd a nyomjuk meg az OK-ot, ha ezt nem tesszük a programból való kilépéskor elvesznek a mérési adataink. A mérési adatokat ASCII formátumúvá a FILE menüben található DATA TRANSLATION paranccsal alakíthatjuk át. 6.PS Ismételjük meg az elbbi lépéseket a hátralev mérésekkel is. 7.PS Az ASCII file-okat az Internetrl vagy a hallgatói gépterem szerverérl tölthetjük le (részletek az oktatóktól). Hajlékonylemezt csak az oktató jelenlétében szabad használni. 4
Segédlet a mérés értékeléséhez 1. Az értékelés a Praktikum alapján történik, minden ott feltett kérdésre válaszolni kell, itt csak az eltéréseket közöljük. 2. A mérési fájlok nevét minden esetben fel kell tüntetni a jegyzkönyvön, és azt is, melyik fájl melyik méréshez tartozik Ennek elmulasztása formai hibát eredményez. 3. A jegyzkönyben fel kell tüntetni, hogy az egyes méréseket milyen hullámhosszakon hajtottuk végre, és ezt meg is kell indokolni. 4. Az autokatalízis vizsgálatánál a következképpen kell eljárni: i) A felgyorsulás intervallumát az alábbiak szerint kell kiszámítani: két egyenest kell illeszteni a grafikon két egyenes szakaszára (lásd 3. ábra). Ezek végpontjainak megválasztása bizonyos szempontból önkényes, de azoknak a görbe egyenes részére kell esniük. Fontos azonban az illesztett egyenesek egyenleteinek megadása, valamint az, melyik pontok közé illesztettük (pl.: t=0 s és t=240 s pontok közé, egyenlet: A = a*(t/s) + b). 4,0 Autokatalízis vizsgálata 3,5 3,0 abszorbancia 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0 200 400 600 800 1000 1200 idõ / s ii) 3. ábra A két egyenes egyenletébl számítjuk ki metszéspontjukat. Ez a pont tájékoztató jelleg, ami alapján eredményként egy idintervallumot adjunk meg! 5. A reakciórend meghatározása a Praktikum szerint történik. Eltérések: A t=0 s idpontot fogadjuk el kezdetinek, ne a t=60 s-ot. Minden párosítás esetén el kell végezni a reakciórend meghatározását. 5
6. A sebességi együttható vizsgálata is a Praktikum szerint megy, de nem kell: i) a táblázatot kinyomtatni (ezért kell megadni a file nevét), csak a grafikont. ii) 7. A hibaszámítás bet szerint ragaszkodni a Praktikumhoz, pl.:1/min helyett 1/s-ban is meg lehet adni a k-t, stb. A sebességi állandó hibáját az Arrhenius-egyenletbl a Gauss-féle hibaterjedési függvénnyel írhatjuk fel (Praktikum 1.5.4. fejezet, 30.egyenlet). A reakció sebességi állandójának hmérsékletfüggésére a következ közelítést fogadjuk el: Az ebbl meghatározott aktiválási energiát pontosnak tételezzük fel. Ez alapján 1, becsüljük meg, hogy mennyit ingadozhat a hmérséklet, ha azt akarjuk, hogy a k relatív hibája 5%-nál kisebb legyen! 2, becsüljük meg k relatív hibáját, ha a hmérséklet 0.1 0 C-ot ingadozik! 8. Egyéb elvárás A grafikonon olyan vastagságú vonalakat alkalmazzunk, hogy az ábra esztétikus és áttekinthet legyen. Ez úgy érhet el, hogy pl. Origin szoftverrel készült ábrán line -ként ábrázoljuk, nem scatter -ként. Ajánlott a mérés kiértékelését úgy készíteni, hogy annak legyen eleje, közepe és vége. Elvárjuk, hogy a jegyzkönyv felépítése logikus legyen (pl. a file-ok neveit ne a kiértékelés fejezetbe írjuk, hanem a jegyzkönyvi rlap elejére). Mindenhol, ahol célszer és indokolt, a mérési eredményeket értelmezni kell. Beadandó eredmények A hullámhossz értékek, amelyeken mértünk az 5 db abszorbancia - id görbe a bruttó reakciórend és 95%-os konfidencia-intervalluma az autokatalitikus felgyorsulás idpontja a sebességi állandó-id grafikon A hibaszámítás Ellenrz kérdések 6