LABORATÓRIUMI OKTATÁSI SEGÉDLET a Környezetmérnöki méréstechnika, monitoring I. /Környezeti analízis I. c. (MFKMM31K03/MFKOA31K03) tantárgyakhoz kapcsolódó laboratóriumi gyakorlat feladataihoz Nappali tagozatos környezetmérnök (BSc) szakos hallgatók számára Készítette: Dr. Bodnár Ildikó főiskolai tanár DE-MK, Környezet- és Vegyészmérnöki Tanszék 2014.
TARTALOMJEGYZÉK KÖRNYEZETI ANALÍZIS I.... 3 A GYAKORLATOK RÉSZLETES LEÍRÁSA... 4 IVÓVÍZ SAVASSÁGÁNAK MEGHATÁROZÁSA SAV-BÁZIS TITRÁLÁSSAL... 5 (SGM)... 5 IVÓVÍZ LÚGOSSÁGÁNAK MEGHATÁROZÁSA SAV-BÁZIS TITRÁLÁSSAL... 11 (LGM)... 11 A FELSZÍNI VIZEK KÉMIAI OXIGÉNIGÉNYÉNEK MEGHATÁROZÁSA PERMANGANOMETRIÁS MÓDSZERREL... 17 (KOI)... 17 IPARI VÍZ NÁTRIUM-HIDROXID KONCENTRÁCIÓJÁNAK MEGHATÁROZÁSA VEZETÉSMÉRÉSSEL... 25 (KDM)... 25 FOSZFORSAV KONCENTRÁCIÓJÁNAK MEGHATÁROZÁSA POTENCIOMETRIÁS TITRÁLÁSSAL... 34 (PTM1)... 34 2
Környezetmérnöki méréstechnika, monitoring I. /Környezeti analízis I. Laboratóriumi gyakorlat NAPPALI TAGOZAT Általános tudnivalók: Heti óraszám: 2 óra, Tömbösítve 5 órás gyakorlatokban 5 héten át, 2 csoportban. A gyakorlathoz a hallgatónak gondoskodnia kell az alábbi eszközökről: Köpeny, vegyszeres kanál, csipesz, alkoholos filctoll, számológép, törlőruha, gumikesztyű, milliméter papír. A gyakorlat tematikája: 1. Ivóvíz savasságának meghatározása sav-bázis titrálással (SGM) 2. Ivóvíz lúgosságának meghatározása sav-bázis titrálással (LGM) 3. A felszíni vizek kémiai oxigénigényének meghatározása permanganometriás módszerrel (KOI) 4. Ipari víz nátrium-hidroxid koncentrációjának meghatározása vezetésméréssel (KDM) 5. Foszforsav koncentrációjának meghatározása potenciometriás titrálással (PTM1) Gyakorlathoz kapcsolódó irodalom: Kőmíves József: Környezeti analitika, Műegyetemi kiadó, Budapest, 2000. Környezetmérnöki méréstechnika, monitoring I./Környezeti analízis I. c. tantárgy előadásanyaga A gyakorlat időpontja, helye, oktatók: Oktatók: Keczánné Dr. Üveges Andrea, Kocsis Dénes Ideje: Kedd 10-15 h, 2-6. hét (1. csoport); 9-13. hét (2. csoport) Helye: Műszaki Kar, Vízminőségvédelmi Laboratórium, E218. Aláírás megszerzésének feltétele: Minden gyakorlat előtt rövid zárthely dolgozat sikeres megírása. A laboratóriumi gyakorlatok elvégzése. A jegyzőkönyvek beadása és azok elfogadása. Gyakorlati jegy: (Zárthelyik átlaga + jegyzőkönyvek átlaga)/2. A gyakorlati jegy a kollokvium 1/3-a. 3
A gyakorlatok részletes leírása 4
Ivóvíz savasságának meghatározása sav-bázis titrálással (SGM) I. Elméleti alapok: A vizek savasságát a savak és savasan hidrolizáló sók okozzák. A savasságot a semlegesítéshez szükséges erős bázis mennyiségével határozzuk meg. Megkülönböztetünk Összes savasságot és szabad savasságot. Az összes savasság kifejezi, hogy 1 dm 3 vízmintához, hány mmol NaOH-t kell adnunk, hogy elérjük a ph = 8,3 as értéket. A szabad savasság (m) pedig kifejezi, hogy 1 dm 3 vízmintához, hány mmol NaOH szükséges ahhoz, hogy elérjük a ph = 4,5 ös értéket. Ha a ph 8,3-nál magasabb, a savasság nulla. Természetes vizekben a savasságot rendszerint a szabad, oldott széndioxid, továbbá huminsavak és egyéb, gyenge szerves savak okozzák. Ilyen esetekben a víz ph-ja rendszerint 4,5 felett van. Természetes vizek szabad savassága ezért általában nulla. Ipari szennyvizek tartalmazhatnak nagyobb mennyiségű szabad erős savat, vagy azok savanyú sóit, így ilyen esetekben a víz ph-ja 4,5-nél alacsonyabb is lehet. Ipari vizekben ezért rendszerint mérhető a szabad savasság is, az összes savasság mellett. A savasság meghatározását lehetőleg a mintavétel helyszínén kell meghatározni. Példák: Egy ipari vízminta ph-ja 3,9. NaOH hozzáadásával a ph 4,5-re növelhető, tehát ennek a vízmintának van mérhető szabad savassága. Egy természetes vízminta ph-ja 7,3. NaOH hozzáadásával a ph nő és mivel a minta ph-ja már eredetileg is 4,5 felett van így ennek a mintának csak az összes savassága mérhető, a szabad savassága pedig nulla. 5
II. Feladat: A.) A 0,1 mol/dm 3 nátrium-hidroxid-oldat pontos koncentrációjának meghatározása: Mérjen be analitikai mérlegen 0,06-0,12 g (COOH) 2 x 2 H 2 O-at Erlenmeyer-lombikba és oldja fel kb. 50 cm 3 ionmentes vízzel! Titrálja meg 0,1 mol/dm 3 névleges koncentrációjú NaOH-mérőoldattal fenolftalein indikátor jelenlétében! Páronként öt mérést végezzenek! Írja be a jegyzőkönyvbe az oxálsav-tömegeket, a NaOH-oldat fogyásokat (oxálsav oldatokra), számítsa ki és adja meg a NaOH-mérőoldat pontos koncentrációját mol/dm 3 -ben! B.) Ivóvíz savasságának meghatározása sav-bázis titrálással: A vizsgálandó vízmintából készítsen 1000 cm 3 törzsoldatot úgy, hogy a mérőlombikban található törzsoldatot töltse fel jelig! B/1. 100 cm 3 vízmintához adjon 2 csepp metil-narancs indikátort és 0,1 mol/dm 3 ismert koncentrációjú NaOH-mérőoldattal titrálja hagymahéj színig! (V 1 ) B/2. 100 cm 3 vízmintához adjon 2 csepp fenolftalein indikátort és 0,1 mol/dm 3 ismert koncentrációjú NaOH-mérőoldattal titrálja halvány rózsaszínűre (V 2 ) 0 V 1 : szabad savasság (m) Színek: vörösből hagymahéj színig, ha a kiindulási oldat színe nem vörös a szabad savasság értéke 0! 0 V 2 : összes savasság (p) Színek: színtelenből halvány rózsaszínig titrálunk, ha a kiindulási oldat színe nem színtelen az összes savasság értéke 0! Az eredményt mmol/dm 3 -ben adja meg! Tartsa be a munka- és balesetvédelmi előírásokat! Szükséges eszközök/hallgatónként Szükséges vegyszerek 3 db 250 ml-es Erlenmeyer lombik Oxálsav, (COOH) 2 x 2 H 2 O Büretta állvánnyal 0,1 mol/dm 3 NaOH-oldat 2 db főzőpohár Fenolftalein indikátor 1 mérőhenger Metil-narancs indikátor 1 db desztillált vizes flakon 1 db 1000 ml-es mérőlombik az ismeretlennek (2 hallgatóra) 1 db 100 ml-es hasas pipetta (2 hallgatóra) 6
III. A gyakorlathoz kapcsolódó számítási feladatok: 1. A nátrium-hidroxid-oldat pontos koncentrációjának meghatározása: A meghatározás oxálsavra történik, az alábbiak szerint: Mérési adatok: A bemért oxálsav tömege: m = 0,09567 g A NaOH-oldat átlag-fogyása: V NaOH = 10,20 cm 3 Reakcióegyenlet: 2 NaOH + (COOH) 2 = Na 2 (COO) 2 + 2 H 2 O Az oxálsav anyagmennyisége: n oxálsav = m/m = 0,09567 g / 126,07 g/mol = 7,5886 x 10-4 mol A reakcióegyenlet alapján: 1 mol oxálsav arányos 2 mol NaOH 7,5886 x 10-4 mol oxálsav arányos 1,5177 x 10-3 mol NaOH 10,20 cm 3 NaOH-oldatban van 1,5177 x 10-3 mol NaOH 1000 cm 3 NaOH-oldatban van x mol NaOH x = (1000/10,20) x 1,5177 x 10-3 = 0,1487 mol NaOH Tehát a NaOH-oldat pontos koncentrációja: c NaOH = 0,1487 mol/dm 3. 7
2. A savasság meghatározása: Mérési adatok: A vizsgált vízminta térfogata: V víz = 100,00 cm 3 A NaOH-oldat koncentrációja: c NaOH = 0,1487 mol/dm 3 A NaOH-oldat átlag-fogyása szabad savasságra (metil-narancs): V NaOH = 7,60 cm 3 A NaOH-oldat átlag-fogyása összes savasságra (fenolftalein): V NaOH = 18,40 cm 3 a.) Szabad savasság (metil-narancs-savasság) meghatározása: 1000 cm 3 oldatban van 0,1487 mol NaOH 7,60 cm 3 oldatban pedig x mol NaOH A vizsgált víz részletre: x = (7,60/1000) x 0,1487 = 1,1301 x 10-3 mol NaOH 1 mol lúg 1 mol savat mér, így 1,1301 x 10-3 mol NaOH 1,1301 x 10-3 mol savat mér 100,00 cm 3 vízben van 1,1301 x 10-3 mol sav 1000 cm 3 vízben van x mol sav x = (1000/100) x 1,1301 x 10-3 = 1,1301 x 10-2 mol = 11,301 mmol sav Tehát a szabad savasság értéke: m = 11,301 mmol/dm 3 b.) Összes savasság (fenolftalein-savasság) meghatározása: 1000 cm 3 oldatban van 0,1487 mol NaOH 18,40 cm 3 oldatban pedig x mol NaOH A vizsgált víz részletre: x = (18,40/1000) x 0,1487 = 2,7361 x 10-3 mol NaOH 1 mol lúg 1 mol savat mér, így 2,7361 x 10-3 mol NaOH 2,7361 x 10-3 mol savat mér 100,00 cm 3 vízben van 2,7361 x 10-3 mol sav 1000 cm 3 vízben van x mol sav x = (1000/100) x 2,7361 x 10-3 = 2,7361 x 10-2 mol = 27,361 mmol sav Tehát az összes savasság értéke: m = 27,361 mmol/dm 3 8
IV. Jegyzőkönyv-minta: Név: Évfolyam, szak: Dátum:... Ivóvíz savasságának meghatározása sav-bázis titrálással (SGM) 1. A nátrium-hidroxid-oldat pontos koncentrációjának meghatározása: a.) Mérési adatok: m oxálsav (g) V NaOH (cm 3 ) c NaOH (mol/dm 3 ) Átlag c NaOH (mol/dm 3 ) 1. 2. 3. 4. 5. b.) A NaOH-mérőoldat koncentrációjának kiszámítása: M (COOH) 2 x 2 H 2 O = 126,07 g/mol Reakcióegyenlet: c.) Eredmény: Tehát a NaOH-mérőoldat koncentrációja:.mol/dm 3. 9
2. Ivóvíz savasságának meghatározása sav-bázis titrálással: A NaOH-mérőoldat koncentrációja:.mol/dm 3. Ivóvíz törzsoldat térfogata: 1000,00 cm 3 Titrált részletek térfogata: 100,00 cm 3 2.1. Szabad savasság (m) meghatározása: a.) Mérési adatok: V NaOH (cm 3 ) Átlag V NaOH (cm 3 ) 1. 2. 3. 4. 5. b.) A szabad savasság (m) kiszámítása: c.) Eredmény: Tehát a szabad savasság (m):.mmol/dm 3. 2.2. Összes savasság (p) meghatározása: a.) Mérési adatok: V NaOH (cm 3 ) Átlag V NaOH (cm 3 ) 1. 2. 3. 4. 5. b.) Az összes savasság (p) kiszámítása: c.) Eredmény: Tehát az összes savasság (p):.mmol/dm 3. 10
Ivóvíz lúgosságának meghatározása sav-bázis titrálással (LGM) Vizek lúgosságát lúgosan hidrolizáló sók és bázisok okozzák. A lúgosságot erős sav mérőoldattal, titrálással határozzuk meg. Megkülönböztetünk Összes lúgosságot és szabad lúgosságot. Az összes lúgosság (p ) kifejezi, hogy 1 dm 3 vízmintához, hány mmol HCl-t kell adnunk, hogy elérjük a ph = 4,5 ös értéket. A szabad lúgosság (m ) pedig kifejezi, hogy 1 dm 3 vízmintához, hány mmol HCl szükséges ahhoz, hogy elérjük a ph = 8,3 as értéket. A természetes vizeknél a lúgosságot rendszerint az alkáli és alkáli-földfémhidrogénkarbonátok okozzák. Ebben az esetben a víz ph értéke általában 8,3 alatt van., így a szabad lúgosság nulla. Ipari vizeknél előfordul, hogy az oldott karbonátok és hidroxidok a ph értékét 8,3-nál nagyobbra növelik., ekkor az összes lúgosság mellett a szabad lúgosság is mérhető Példák: Egy ipari vízminta ph-ja 8,9. Sósav hozzáadásával a ph 8,3-ra csökkenthető, tehát ennek a vízmintának van mérhető szabad lúgossága Egy természetes vízminta ph-ja 7,3. Sósav hozzáadásával a ph csökken és mivel a minta phja már eredetileg is 8,3 alatt van, ennek a mintának csak az összes lúgossága mérhető, a szabad lúgosság pedig nulla. 11
II. Feladat: A.) A 0,1 mol/dm 3 sósav-oldat pontos koncentrációjának meghatározása: Mérjen be analitikai mérlegen 0,1-0,2 g KHCO 3 -at Erlenmeyer-lombikba és oldja fel kb. 50 cm 3 ionmentes vízzel! Titrálja meg 0,1 mol/dm 3 névleges koncentrációjú sósavmérőoldattal metil-narancs indikátor jelenlétében! Páronként öt mérést végezzenek! Írja be a jegyzőkönyvbe a KHCO 3 -tömegeket, a HCl-oldat fogyásokat, számítsa ki és adja meg a HCl-mérőoldat pontos koncentrációját mol/dm 3 -ben! B.) Ivóvíz lúgosságának meghatározása sav-bázis titrálással: A vizsgálandó vízmintából készítsen 1000 cm 3 törzsoldatot! 100 cm 3 vízmintához adjon 2 csepp fenolftalein indikátort és 0,1 mol/dm 3 ismert koncentrációjú sósav-mérőoldattal titrálja színtelenre! (V 1 ) Majd ezután ehhez a színtelenre titrált vízmintához adjon 2 csepp metil-narancs indikátort és 0,1 mol/dm 3 ismert koncentrációjú sósav-mérőoldattal titrálja tovább hagymahéj színűre (V 2 )! V 2 fogyás már tartalmazza az előző titrálás fogyását, ezért V 2 V 1. 0 V 1 : szabad lúgosság (p ) Színek: rózsaszínből színtelenig titrálunk, ha a kiindulási oldat színtelen a szabad lúgosság értéke 0! 0 V 2 : összes lúgosság (m ) Színek: sárgából hagymahéj színig titrálunk! Az eredményt mmol/dm 3 -ben adja meg! Tartsa be a munka- és balesetvédelmi előírásokat! Szükséges eszközök/hallgatónként Szükséges vegyszerek 3 db 250 ml-es Erlenmeyer lombik Kálium-hidrogénkarbonát, KHCO 3 Büretta állvánnyal 0,1 mol/dm 3 HCl-oldat 2 db főzőpohár Fenolftalein indikátor 1 mérőhenger Metil-narancs indikátor 1 db desztillált vizes flakon 1 db 1000 ml-es mérőlombik az ismeretlennek (2 hallgatóra) 1 db 100 ml-es hasas pipetta (2 hallgatóra) 12
III. A gyakorlathoz kapcsolódó számítási feladatok: 1. A sósav-oldat pontos koncentrációjának meghatározása: A meghatározás kálium-hidrogénkarbonátra történik, az alábbiak szerint: Mérési adatok: A bemért KHCO 3 tömege: m = 0,1236 g A HCl-oldat átlag-fogyása: V HCl = 9,60 cm 3 Reakcióegyenlet: KHCO 3 + HCl = KCl + CO 2 + H 2 O A KHCO 3 anyagmennyisége: n KHCO3 = m/m = 0,1236 g / 100,12 g/mol = 1,2345 x 10-3 mol A reakcióegyenlet alapján: 1 mol KHCO 3 arányos 1 mol HCl 1,2345 x 10-3 mol KHCO 3 arányos 1,2345 x 10-3 mol HCl 9,60 cm 3 HCl-oldatban van 1,2345 x 10-3 mol HCl 1000 cm 3 HCl-oldatban van x mol HCl x = (1000/9,60) x 1,2345 x 10-3 = 0,1286 mol HCl Tehát a HCl-oldat pontos koncentrációja: c HCl = 0,1286 mol/dm 3. 13
2. A lúgosság meghatározása: Mérési adatok: A vizsgált vízminta térfogata: V víz = 100,00 cm 3 A HCl-oldat koncentrációja: c HCl = 0,1286 mol/dm 3 A HCl-oldat átlag-fogyása szabad lúgosságra (fenolftalein): V HCl = 8,40 cm 3 A HCl-oldat átlag-fogyása összes lúgosságra (metil-narancs): V HCl = 15,40 cm 3 a.) Szabad lúgosság (fenolftalein-lúgosság) meghatározása: 1000 cm 3 oldatban van 0,1286 mol HCl 8,40 cm 3 oldatban pedig x mol HCl A vizsgált víz részletre: x = (8,40/1000) x 0,1286 = 1,0802 x 10-3 mol HCl 1 mol sav 1 mol lúgot mér, így 1,0802 x 10-3 mol HCl 1,0802 x 10-3 mol lúgot mér 100,00 cm 3 vízben van 1,0802 x 10-3 mol lúg 1000 cm 3 vízben van x mol lúg x = (1000/100) x 1,0802 x 10-3 = 1,0802 x 10-2 mol = 10,802 mmol lúg Tehát a szabad lúgosság értéke: p = 10,802 mmol/dm 3 b.) Összes lúgosság (metil-narancs-lúgosság) meghatározása: 1000 cm 3 oldatban van 0,1286 mol HCl 15,40 cm 3 oldatban pedig x mol HCl A vizsgált víz részletre: x = (15,40/1000) x 0,1286 = 1,9804 x 10-3 mol HCl 1 mol sav 1 mol lúgot mér, így 1,9804 x 10-3 mol HCl 1,9804 x 10-3 mol lúgot mér 100,00 cm 3 vízben van 1,9804 x 10-3 mol lúg 1000 cm 3 vízben van x mol lúg x = (1000/100) x 1,0802 x 10-3 = 1,9804 x 10-2 mol = 19,804 mmol lúg Tehát az összes lúgosság értéke: m = 19,804 mmol/dm 3 14
IV. Jegyzőkönyv-minta: Név: Évfolyam, szak: Dátum:... Ivóvíz lúgosságának meghatározása sav-bázis titrálással (LGM) 1. A sósav mérőoldat pontos koncentrációjának meghatározása: a.) Mérési adatok: m KHCO3 (g) V HCl (cm 3 ) C HCl (mol/dm 3 ) Átlag c HCl (mol/dm 3 ) 1. 2. 3. 4. 5. b.) A HCl-mérőoldat koncentrációjának kiszámítása: M KHCO 3 = 100,12 g/mol Reakcióegyenlet: c.) Eredmény: Tehát a HCl-mérőoldat koncentrációja:.mol/dm 3. 15
2. Ivóvíz lúgosságának meghatározása sav-bázis titrálással: A HCl-mérőoldat koncentrációja:.mol/dm 3. Ivóvíz törzsoldat térfogata: 1000,00 cm 3 Titrált részletek térfogata: 100,00 cm 3 2.1. Szabad lúgosság (p ) meghatározása: a.) Mérési adatok: V HCl (cm 3 ) Átlag V HCl (cm 3 ) 1. 2. 3. 4. 5. b.) A szabad lúgosság (p ) kiszámítása: c.) Eredmény: Tehát a szabad lúgosság (p ):.mmol/dm 3. 2.2. Összes lúgosság (m ) meghatározása: a.) Mérési adatok: V HCl (cm 3 ) Átlag V HCl (cm 3 ) 1. 2. 3. 4. 5. b.) Az összes lúgosság (m ) kiszámítása: c.) Eredmény: Tehát az összes lúgosság (m ):.mmol/dm 3. 16
A felszíni vizek kémiai oxigénigényének meghatározása permanganometriás módszerrel (KOI) I. Elméleti alapok: A KOI fogalma: Kémiai oxigénigény (KOI) megadja azt az oxigénmennyiséget, amely a szerves anyagok kémiai úton történő lebontásához szükséges. Mértékegysége mg/dm 3. A kémiai oxigénigény különböző módon adható meg aszerint, hogy milyen oxidálószert használunk. A meghatározások során a vízmintát oxidálószerrel (kálium permanganáttal vagy kálium dikromáttal) forraljuk. Forraláskor a vízmintában lévő szervesanyag egy része reakcióba lép az oxidálószerrel, így az oxidálószer mennyisége csökken. A mérés során a szerves anyaggal reagáló oxidálószer mennyiségét mérjük és abból a vele egyenértékű oxigén mennyiségét számoljuk. Példa: Egy vízminta KMnO 4 által meghatározott KOI értéke 525,6 mg/dm 3. Ez azt jelenti, hogy ha 1dm 3 vízmintát KMnO 4 oldattal forralok, akkor a vízmintában levő szervesanyag annyi KMnO 4 -tal reagál, amely 525,6mg oxigénnel egyenértékű. Ha ugyanezt a vízmintát kálium-dikromáttal (K 2 Cr 2 O 7 ) kezelem, akkor nagyobb KOI értéket kapok, mert a kálium-dikromát erélyesebb oxidálószer mint a kálium permanganát. A KOI érték mellett ezért feltüntetjük a felhasznált oxidálószert is A káliumpermanganátos módszer lépései: 1. A vízmintát megsavanyítjuk, majd KMnO 4 oldattal forraljuk 10 percen keresztül. Forraláskor a vízmintában lévő szervesanyag egy része reakcióba lép az oxidálószerrel, így annak mennyisége csökken 2. Ezután az oldathoz oxálsavat adunk feleslegben, ami a visszamaradt KMnO 4- tal a következő egyenlet szerint reagál. 2 KMnO 4 + 5 (COOH) 2 + 3 H 2 SO 4 = 2 MnSO 4 + 10 CO 2 + K 2 SO 4 + 8 H 2 O 3. A feleslegben lévő oxálsav mennyiségét kálium-permanganátos titrálással határozzuk meg. A reakcióegyenlet megegyezik a 2.lépésben leírt reakcióegyenlettel. 4. A titrálás eredményéből kiszámítjuk, hogy mennyi KMnO 4 ot fogyasztott el a vízben lévő szerves anyag 5. Az elfogyasztott KMnO 4- tal egyenértékű oxigénfogyasztást pedig az alábbi reakcióegyenlet szerint számoljuk. 2 KMnO 4 + 3 H 2 SO 4 = K 2 SO 4 + 2 MnSO 4 + 3 H 2 O + 5 O Mivel a kálium-dikromát erélyesebb oxidálószer a kémiai oxigénigény meghatározást a szabványok és a vízminősítési előírások kálium-dikromáttal írják elő. A gyakorlati feladat során viszont mi a kálium-permanganátos módszert alkalmazzuk (mert a kálium-dikromát rákkeltő)!! 17
II. Feladat: A.) A 0,002 M kálium-permanganát pontos koncentrációjának meghatározása: Készítsen 200,00 cm 3 kb. 0,005 mol/dm 3 koncentrációjú oxálsav oldatot analitikai mérlegen mért (COOH) 2 x 2 H 2 O-ból! 250 cm 3 -es Erlenmeyer-lombikba külön-külön pipettázzon 20-20 cm 3 oxálsav oldatot és kb. 30-30 cm 3 vizet. Savanyítsa meg az oldatokat 10 cm 3 20 (m/m)%-os kénsavoldattal (A kénsavat vagy mérőhengerrel vagy savpipettával mérje ki, felszívni tilos!). Majd kezdje el az így kapott mintákat titrálni KMnO 4 -mérőoldattal. Egy-két csepp KMnO 4 hozzáadása után melegítse a lombikot amíg a szín el nem tűnik (70-80 C). Erre azért van szükség mert kezdetben a permanganát önmagában lassan reagál az oxálsavval. Később a reakció folyamán keletkező Mn 2+ -ionok katalizálják az oxidációt, így a reakció pillanatszerűvé válik. A meleg oldatot titrálja tovább KMnO 4 -mérőoldattal, a végpontot a KMnO 4 színének a megjelenése jelzi (halvány rózsaszín), azaz nincs külön indikátor! A titrálási eredményeket írja be a jegyzőkönyvbe és számítsa ki a KMnO 4 -mérőoldat pontos koncentrációját (mol/dm 3 -ben!)! B.) A víz kémiai oxigénigényének meghatározása: A vizsgálandó mintából készítsen 500,00 cm 3 törzsoldatot, úgy hogy a mérőlombikban levő oldatot jelre tölti! Három darab 250 cm 3 -es Erlenmeyer-lombikba külön-külön mérjen be 50-50 cm 3 -t a törzsoldatból! Ezután mérjen be 50 cm 3 desztillált vizet egy negyedik 250 cm 3 -s Erlenmeyer lombikba, ez lesz vak minta. A fenti négy minta mindegyikével végezze el a következő műveletet: Savanyítsa meg az oldatokat 15 cm 3 20 (m/m)%-os kénsavoldattal és tegyen bele 1-3 db üveggyöngyöt, melegítse fel forrásig! (A kénsavat vagy mérőhengerrel vagy savpipettával mérje ki, felszívni tilos!) A forrás megindulásakor mérjen az oldathoz 20 cm 3 -t a már ismert koncentrációjú KMnO 4 -oldatból és tölcsérrel lefedve lassan forralja 10 percig! Ezután a meleg oldathoz adjon 20 cm 3 -t a fentebb elkészített oxálsav oldatból és az elszíntelenedett oldatot titrálja meg KMnO 4 -mérőoldattal! Tartsa be a munka- és balesetvédelmi előírásokat! Szükséges eszközök/hallgatónként Szükséges vegyszerek 3 db 250 ml-es Erlenmeyer lombik Oxálsav, (COOH) 2 x 2 H 2 O Büretta állvánnyal 0,002 mol/dm 3 KMnO 4 -oldat 2 db főzőpohár 20 (m/m) %-os H 2 SO 4 -oldat 1 mérőhenger Kiforralt desztillált víz 1 db desztillált vizes flakon 1 db 200 ml-es mérőlombik az oxálsavnak (2 hallgatóra) 1 db 500 ml-es mérőlombik az ismeretlennek (2 hallgatóra) 1 db 20 ml-es hasas pipetta (2 hallgatóra) 1 db 50 ml-es hasas pipetta (2 hallgatóra) üveggyöngy 3 db kis üvegtölcsér, rezsó 18
III. A gyakorlathoz kapcsolódó számítási feladatok: 1. KMnO 4 -oldat pontos koncentrációjának meghatározása: a.) oxálsav-oldat készítése: 200 cm 3 0,005 mol/dm 3 koncentrációjú oldatot kell készíteni, az ehhez szükséges oxálsav mennyisége: 1000 cm 3 oldatban van 0,005 mol oxálsav 200 cm 3 oldatban pedig x mol oxálsav x = (200/1000) x 0,005 = 0,001 mol oxálsav 1 mol oxálsav 126,07 g 0,001 mol oxálsav pedig x g x = (0,001/1) x 126,07 = 0,1261 g oxálsav Tehát körülbelül ennyi oxálsavat kell bemérni négytizedes pontossággal, hogy közel 0,005 mólos oldatot kapjunk! Ha a saját bemérés pl.: 0,1255 g, akkor a koncentráció oxálsavra a következő: 200 cm 3 oldatban van 0,1255 g = 0,1255/126,07 g/mol = 9,9547 x 10-4 mol oxálsav 1000 cm 3 oldatban pedig x mol oxálsav x = (1000/200) x 9,9547 x 10-4 = 0,004977 mol oxálsav Tehát: c oxálsav = 0,004977 mol/dm 3 b.) KMnO 4 -oldat koncentráció-meghatározása: Reakcióegyenlet: 2 KMnO 4 + 5 (COOH) 2 + 3 H 2 SO 4 = 2 MnSO 4 + 10 CO 2 + K 2 SO 4 + 8 H 2 O Mérési eredmények: Az oxálsav koncentrációja: c oxálsav = 0,004977 mol/dm 3 A titrált oxálsav részlet: V oxálsav = 20,00 cm 3 Az átlag KMnO 4 -fogyás: V KMnO4 = 20,40 cm 3 19
Koncentrációszámítás: 1000 cm 3 oldatban van 0,004977 mol oxálsav 20 cm 3 oldatban pedig x mol oxálsav x = (20/1000) x 0,004977 = 9,9540 x 10-5 mol oxálsav A reakcióegyenlet alapján: 5 mol oxálsav arányos 2 mol permanganáttal 9,9540 x 10-5 mol oxálsav arányos 3,9816 x 10-5 mol permanganáttal 20,40 cm 3 permanganát-oldatban van 3,9816 x 10-5 mol permanganát 1000 cm 3 permanganát-oldatban van x mol permanganát x = (1000/20,40) x 3,9816 x 10-5 = 0,001951 mol permanganát Tehát a KMnO 4 -oldat pontos koncentrációja: c KMnO4 = 0,001951 mol/dm 3. 2. A víz kémiai oxigénigényének meghatározása: Mérési eredmények: Az oxálsav koncentrációja: c oxálsav = 0,004977 mol/dm 3 A titrált víz részlet: V víz = 50,00 cm 3 A KMnO 4 -koncentrációja: c KMnO4 = 0,001951 mol/dm 3 A hozzáadott KMnO 4 -térfogata: V KMnO4 = 20,00 cm 3 A hozzáadott oxálsav-térfogata: V oxálav = 20,00 cm 3 Az átlag KMnO 4 -fogyás 50,00 cm 3 vízre: V KMnO4 = 16,30 cm 3 Az átlag KMnO 4 -fogyás a vakpróbára: V KMnO4 = 1,30 cm 3 Összes KMnO 4 -fogyás: V KMnO4 = (20,00 + 16,30) 1,30 = 35,00 cm 3 Koncentrációszámítás: a.) Az oxálsavra fogyott KMnO 4 anyagmennyiségének meghatározása: 1000 cm 3 oldatban van 0,004977 mol oxálsav 20 cm 3 oldatban pedig x mol oxálsav x = (20/1000) x 0,004977 = 9,9540 x 10-5 mol oxálsav A reakcióegyenlet alapján: 5 mol oxálsav arányos 2 mol permanganáttal 9,9540 x 10-5 mol oxálsav arányos 3,9816 x 10-5 mol permanganáttal Tehát az oxálsavra fogyott KMnO 4 anyagmennyisége: 3,9816 x 10-5 mol. 20
b.) Az összesen fogyott KMnO 4 anyagmennyiségének meghatározása: 1000 cm 3 oldatban van 0,001951 mol permanganát 35 cm 3 oldatban pedig x mol permanganát x = (35/1000) x 0,01991= 6,828 x 10-5 mol permanganát Tehát az összesen fogyott KMnO 4 anyagmennyisége: 6,828 x 10-5 mol. c.) A vízre fogyott KMnO 4 anyagmennyiségének meghatározása: n KMnO4,összes = n KMnO4,oxálsav + n KMnO4,víz azaz: 6,828 x 10-5 mol = 3,9816 x 10-5 mol + n KMnO4,víz Tehát: n KMnO4,víz = 2,8464 x 10-5 mol d.) A kémiai oxigénigény (KOI) meghatározása: Reakcióegyenlet: 2 KMnO 4 + 3 H 2 SO 4 = K 2 SO 4 + 2 MnSO 4 + 3 H 2 O + 5 O A reakcióegyenlet alapján: 2 mol kálium-permanganát arányos 5 mol oxigénnel 2,8464 x 10-5 mol kálium-permanganát arányos x mol oxigénnel x = (2,8464 x 10-5 /2) 5 =7,1160 x 10-5 mol oxigén A bemért víz részletre: 50,00 cm 3 vízben van 7,1160 x 10-5 mol oxigén 1000 cm 3 vízben van x mol oxigén x = (1000/50,00) x 7,1160 x 10-5 = 0,001423 mol oxigén 1 mol oxigén 16,00 g 0,001423 mol oxigén pedig x g x = (0,001423 /1) x 16,00 = 0,02277 g = 22,77 mg oxigén Tehát a KOI-értéke: 22,77 mg/dm 3 21
IV. Jegyzőkönyv-minta: Név: Évfolyam, szak: Dátum:... Felszíni vizek kémiai oxigénigényének meghatározása permanganometriás módszerrel (KOI) 1. Az oxálsav oldat pontos koncentrációjának meghatározása: A bemért oxálsav tömege: g Az oxálsav törzsoldat térfogata: 200,00 cm 3 Az oxálsav törzsoldat pontos koncentrációjának kiszámítása: Az oxálsav törzsoldat pontos koncentrációja:. mol/dm 3 2. A KMnO 4 -oldat pontos koncentrációjának meghatározása: A titrált részletek térfogata: 20,00 cm 3 a.) Mérési adatok (KMnO 4 -fogyások): V KMnO4 (cm 3 ) Átlag V KMnO4 (cm 3 ) 1. 2. 3. 4. 5. b.) A KMnO 4 -oldat koncentrációjának kiszámítása: M (COOH) 2 x 2 H 2 O = 126,07 g/mol Reakcióegyenlet: A mérőoldat pontos koncentrációjának kiszámítása: 22
c.) Eredmény: Tehát a KMnO4-mérőoldat pontos koncentrációja:.mol/dm 3. 23
3. A víz kémiai oxigénigényének meghatározása: Adatok: Az ismeretlen törzsoldatának térfogata: 500,00 cm 3 Az ismeretlen kivett részlete: 50,00 cm 3 Az alkalmazott oxálsav pontos koncentrációja:. mol/dm 3 A KMnO 4 -mérőoldat koncentrációja:.mol/dm 3. Vakpróbára fogyott KMnO 4 -oldat térfogata:. cm 3 a.) Mérési adatok: V KMnO4 (cm 3 ) Átlag V KMnO4 (cm 3 ) 1. 2. 3. 4. 5. b.) A KOI kiszámítása: M O = 16,00 g/mol Reakcióegyenlet: V hozzáadott KMnO4 : 20,00 cm 3 V hozzáadott oxálsav : 20,00 cm 3 V KMnO4, össz : (20,00 + cm 3 ) V vak = c.) Eredmény: Tehát a kémiai oxigénigény értéke:.mg/dm 3. 24
I. Elméleti alapok: Ipari víz nátrium-hidroxid koncentrációjának meghatározása vezetésméréssel (KDM) Konduktometria (vezetőképesség-mérés) A konduktometriás módszerrel egy oldat elektromos vezetőképességét mérjük. Az oldat ionkoncentrációja és vezetőképessége közötti összefüggés lehetőséget nyújt arra, hogy a meghatározzuk az oldat koncentrációját. Egy oldat vezetőképességét a benne lévő kationok és anionok okozzák. A tiszta víz vezetőképessége igen kicsi, hiszen benne az oxónium- és hidroxid-ionok koncentrációja kicsi. Ezzel szemben az elektrolitok oldatában a kationok és anionok már jelentős koncentrációban lehetnek jelen, így az oldat vezetőképessége is nagy. A vezetés kollektív sajátság, az összes ionra jellemző érték.. A vezetőképesség érték a vizsgálandó oldat ion-koncentrációjára jellemző gyűjtőparaméter. Minél több sót, savat, vagy lúgot tartalmaz a vizsgálandó oldat, annál nagyobb a vezetőképessége. 1. ábra Vizes oldatok vezetőképesség tartományai 25
A konduktometriában a vezetést egy elektrolit oldatba merülő mérőcellában mért elektromos ellenállás alapján határozzuk meg. A mérőcellában két azonos méretű, sík felületű párhuzamos platina elektródlap helyezkedik el, egymással szemben. Az elektródákra adott váltakozó feszültség idézi elő a vizsgálandó oldatban jelen levő ionok elektródák felé történő mozgását. Minél több ion van jelen a vizsgálandó oldatban, annál nagyobb az elektródák között folyó áram. A mérőműszer kiszámítja ezután az Ohmtörvény alapján (R = U/I) a mért áramból a vizsgálandó oldat elektromos ellenállását illetve vezetőképeségét. Az egyszerű platinaelektródpár helyett ma már un. harangelektródákat használnak. 2. ábra Konduktometriás mérőcella felépítése. Ahol: A vezetőképesség a következőképpen írható fel: A G 1 (1) R l G: a vezetés, mértékegysége a siemens, S (siemens) R: az oldat ellenállása, a fajlagos vezetőképesség, S/cm A: Az elektródok felülete cm 2 l: Az elektródok távolsága, cm A gyakorlatban a fajlagos vezetőképesség értéket használjuk, ami két egységnyi felületű egymástól 1 cm távolságra lévő elektród közti elektrolit oldat vezetőképességét írja le. Az (1) egyenletből kifejezhető a fajlagos vezetőképesség értéke. 1 l (2) R A Mivel l és A meghatározása nehézkes ezért a gyakorlatban a vezetőképességi cellára jellemző l/a hányados értékét állapítjuk meg a műszer kalibrálásakor. Ezt az értéket cellaállandónak nevezzük. A cellaállandót ismert vezetőképességű oldatokkal határozzuk meg. Általában KCloldatokat használunk kalibrálásra, melynek vezetőképessége különböző koncentrációk és hőmérsékleti értékek esetén ismert. A gyakorlatunk során a műszerrel már kalibrált állapotban mérünk, és a műszer közvetlenül a fajlagos vezetőképesség értéket jelzi ki. 26
A konduktometriás méréseknek két fajtája van: - Direkt konduktometria esetén az elektrolit oldat koncentrációját közvetlenül a fajlagos vezetőképességből számítják. Így pl. igen gyorsan, egy vezetőképességi mérés útján tájékoztató jellegű értéket kapunk természetes vizek sókoncentrációjára vagy a desztillált víz minőségére. A konduktometriás titrálások (indirekt módszer) esetén a titrálandó oldatba egy vezetőképességmérő elektródot merítünk, melynek segítségével a titrálás során az oldat fajlagos vezetőképességét mérni tudjuk. Titráláskor az oldat folyamatos keverését mágneses keverő segítségével biztosítjuk. A konduktometriás titrálások esetén a vezetőképességi értéket a mérőoldat térfogatának függvényében ábrázoljuk, az oldatok vezetőképessége felhasználható ugyanis a titrálások végpontjának megállapítására. Amennyiben a reagens mennyiségének függvényében a vezetőképesség változását leíró görbe a titrálás során iránytangenst változtat, a töréspont a titrálás végpontját adja (4. ábra) Erre akkor van lehetőség ha a titrálás során az ionkoncentráció jelentősen változik, vagy állandó ionkoncentráció mellett különböző mozgékonyságú ionok cseréje játszódik le. 3. ábra A konduktometriás titrálás kivitelezése Sav-bázis titrálás során mindkét jelenség előfordul. A 4. ábra azt az esetet mutatja, amikor nátriumhidroxidot sósavval titrálunk. Kezdetben a sósav hozzáadására a lombikban lévő oldat vezetőképessége csökken, ugyanis a mozgékony OH - ionokat lecseréljük kevésbé mozgékony Cl - ionokra. Az ekvivalencia pont után viszont a vezetőképesség újból növekszik, ugyanis a feleslegben lévő sósav oldat, egyrészt növeli az ionkoncentrációt másrészt nagy mozgékonyságú H + ionokat juttat az oldatba. 4. ábra Erős lúg titrálása erős savval A módszer előnye: A titrálás sötét színű, zavaros oldatokba is elvégezhető. Ugyanabban az oldatban egyetlen titrálás során több anyag is meghatározható (pl.: erős és gyenge savak egymás mellett). 27
II. Feladat: A.) A 0,1 mol/dm 3 sósav-oldat pontos koncentrációjának meghatározása: Mérjen be analitikai mérlegen 0,1-0,2 g KHCO 3 -at Erlenmeyer-lombikba és oldja fel kb. 50 cm 3 ionmentes vízzel! Titrálja meg 0,1 mol/dm 3 névleges koncentrációjú sósavmérőoldattal metil-narancs indikátor jelenlétében! Írja be a jegyzőkönyvbe a KHCO 3 -tömegeket, a HCl-oldat fogyásokat, számítsa ki és adja meg a HCl-mérőoldat pontos koncentrációját mol/dm 3 -ben! B.) NaOH koncentrációjának meghatározása vezetésméréssel: A vizsgálandó NaOH-ból készítsen 500,00 cm 3 törzsoldatot, 50,00 cm 3 -es részletét pedig mérje ki egy 250 cm 3 -es főzőpohárba! Merítse bele az elektródot és adjon hozzá annyi vezetési vizet, hogy az elektród harangrészét ellepje! A HCl mérőoldatot cm 3 -ként, 8-12 cm 3 között pedig 0,5 cm 3 -enként adagolja és olvassa le a vezetés-változást! Írja be a jegyzőkönyvbe a vezetés-értékeket a HCl-oldat térfogatának függvényében. Az eredményeket ábrázolja milliméterpapíron és adja meg az oldat NaOH-koncentrációját mg NaOH/dm 3 -ben! A diagramokat csatolja jegyzőkönyvéhez! Tartsa be a munka- és balesetvédelmi előírásokat! Szükséges eszközök/hallgatónként Szükséges vegyszerek 3 db 250 ml-es Erlenmeyer lombik Kálium-hidrogénkarbonát, KHCO 3 Büretta állvánnyal 0,1 mol/dm 3 HCl-oldat 3 db főzőpohár Metil-narancs indikátor 1 mérőhenger Vezetési víz 1 db desztillált vizes flakon 1 db 500 ml-es mérőlombik az ismeretlennek (2 hallgatóra) 1 db 50 ml-es hasas pipetta (2 hallgatóra) Vezetőképességmérő cella kijelzővel (2 hallgatóra) Mágneses keverő + keverőelem 28
III. A gyakorlathoz kapcsolódó számítási feladatok: 1. A sósav-oldat pontos koncentrációjának meghatározása: A meghatározás kálium-hidrogénkarbonátra történik, az alábbiak szerint: Mérési adatok: A bemért KHCO 3 tömege: m = 0,1236 g A HCl-oldat átlag-fogyása: V HCl = 9,60 cm 3 Reakcióegyenlet: KHCO 3 + HCl = KCl + CO 2 + H 2 O A KHCO 3 anyagmennyisége: n KHCO3 = m/m = 0,1236 g / 100,12 g/mol = 1,2345 x 10-3 mol A reakcióegyenlet alapján: 1 mol KHCO 3 arányos 1 mol HCl 1,2345 x 10-3 mol KHCO 3 arányos 1,2345 x 10-3 mol HCl 9,60 cm 3 HCl-oldatban van 1,2345 x 10-3 mol HCl 1000 cm 3 HCl-oldatban van x mol HCl x = (1000/9,60) x 1,2345 x 10-3 = 0,1286 mol HCl Tehát a HCl-oldat pontos koncentrációja: c HCl = 0,1286 mol/dm 3. 29
2. A nátrium-hidroxid koncentráció meghatározása vezetésméréssel: Adatok: A törzsoldat térfogata: 500,00 cm 3 A kivett részletek térfogata: 50,00 cm 3 c HCl = 0,1286 mol/dm 3 M NaOH =40,00 g/mol A részletekre fogyott HCl-mérőoldat térfogatok (ekvivalenciapont meghatározása a görbékről): Mérési adatok: 1. 2. 3. 4. 5. V HCl (cm 3 ) - - Átlag V HCl (cm 3 ) A NaOH-koncentráció kiszámítása: Reakcióegyenlet: NaOH + HCl = NaCl + H 2 O 1000 cm 3 oldatban van 0,1286 mol HCl 9,43 cm 3 oldatban pedig x mol HCl x = (9,43/1000) x 0,1286 = 1,2127 x 10-3 mol HCl A reakcióegyenlet alapján: 1 mol HCl arányos 1 mol NaOH 1,2127 x 10-3 mol HCl arányos 1,2127 x 10-3 mol NaOH 50 cm 3 oldatban van 1,2127 x 10-3 mol NaOH 1000 cm 3 oldatban pedig x mol NaOH x = (1000/50) x 1,2127 x 10-3 = 2,4254 x 10-2 mol NaOH 1 mol NaOH 40,00 g NaOH 2,4254 x 10-2 mol NaOH 0,9701 g NaOH = 970,16 mg NaOH Eredmény: A NaOH koncentrációja: 970,16 mg/dm 3. 30
IV. Jegyzőkönyv-minta: Név: Évfolyam, szak: Dátum:... Ipari víz nátrium-hidroxid koncentrációjának meghatározása vezetésméréssel (KDM) 1. A sósav mérőoldat pontos koncentrációjának meghatározása: a.) Mérési adatok: m KHCO3 (g) V HCl (cm 3 ) C HCl (mol/dm 3 ) Átlag c HCl (mol/dm 3 ) 1. 2. 3. 4. 5. b.) A HCl-mérőoldat koncentrációjának kiszámítása: M KHCO 3 = 100,12 g/mol Reakcióegyenlet: c.) Eredmény: Tehát a HCl-mérőoldat koncentrációja:.mol/dm 3. 31
2. Nátrium-hidroxid koncentrációjának meghatározása vezetésméréssel: Adatok: A törzsoldat térfogata: 500,00 cm 3 A kivett részletek térfogata: 50,00 cm 3 A vezetés-értékek ábrázolása a HCl-mérőoldat térfogatának függvényében: 1. sorozat 2. sorozat 3. sorozat V HCl (cm 3 ) (µs/cm) V HCl (cm 3 ) (µs/cm) V HCl (cm 3 ) (µs/cm) A részletekre fogyott HCl-mérőoldat térfogatok (ekvivalenciapont meghatározása a görbékről): Mérési adatok: V HCl (cm 3 ) Átlag V HCl (cm 3 ) 1. 2. 3. 4. 5. 32
A NaOH-koncentráció kiszámítása: M NaOH =40,00 g/mol c HCl = mol/dm 3 Reakcióegyenlet: Eredmény: A NaOH koncentrációja:.mg/dm 3. 33
Foszforsav koncentrációjának meghatározása potenciometriás titrálással (PTM1) I. Elméleti alapok: A potenciometria elektródpotenciálok mérésén alapuló analitikai eljárás. Az elektródpotenciál az elektródok illetve az oldat sajátságait jelző szám, mértékegysége a volt (V) A potenciometriás mérések során egy galváncellát készítünk ami a mintaoldatot, egy indikátorelektródot és egy referencia elektródot tartalmaz. A referencia elektród potenciálja mindig állandó, tehát nem függ az oldat összetételétől. A másik elektród az indikátorelektród elektródpotenciálja viszont függ az oldatban lévő mérendő ion koncentrációjától. Az indikátor elektród 5. ábra Potenciometriás mérés vázlata potenciálját önmagában meghatározni nem lehet. csupán egy másik elektródhoz viszonyítva mérhető. Ezért az indikátorelektródból és a referenciaelektródból elkészített galváncellának a feszültségét azaz elektromotoros erejét (EME) mérjük úgy, hogy a mérés során jelentős áram nem halad át a cellán. A galváncella elektromotoros ereje a két elektród elektródpotenciáljának a különbsége. (EME = ε katód - ε anód ). Mivel a referenciaelektród potenciálja állandó az így mért EME az indikátor elektród potenciáljától függ csak. A potenciometriás mérésnek két típusa van: - Direkt potenciometria során egyetlen potenciál mérés segítségével határozzuk meg valamely oldatban levő komponens koncentrációját. Ezzel az eljárással főleg a ph-t, valamint egyes ionok koncentrációját (pl. klorid-ion) határozzák meg ionszelektív indikátorelektródok segítségével. - Potenciometrikus titrálás esetén nem egyetlen mérést végzünk, hanem titrálás során követjük a galváncella elektromotoros erejének változását a beadagolt mérőoldat függvényében. Az eljárást lényegében az egyenértékpont meghatározására használjuk. A gyakorlat során kombinált üvegelektródot használunk az oldat ph-jának a meghatározására. Ez egybeépítve tartalmazza a mérő és a referencia elektródot is Az üvegelektród mérőelektród része egy vékony falú üveggömb, mely az oldat hidrogén-ionjaival ioncsere egyensúlyt alakít ki. A membránon kialakuló potenciált a két oldalán lévő hidrogén ionok arány adja. 34
Az üveggömb belsejében a hidrogén-ion koncentráció állandó, mivel puffer oldat van benne. Ezért az elektródpotenciál változás csak a külső oldat hidrogén-ion koncentrációjától, tehát a ph-tól függ. A kombinált elektród szára duplafalu üvegcső, amelyben az összehasonlító elektród (Ag/AgCl) a külső térrészben található. Ezt az oldatteret AgCl-dal telített, 1,0 mol/dm3 koncentrációjú KCl-oldattal rendszeresen fel kell tölteni, mert egy kicsiny kerámiaszűrőn keresztül érintkezik a mérendő oldattal, és mennyisége folyamatosan csökken. Többértékű savak titrálása: 6. ábra A kombinált üvegelektród felépítése Ilyen többértékű sav pl. a foszforsav (H 3 PO 4 ), melynek a koncentrációját meg lehet határozni NaOH mérőoldattal potenciometrikus titrálással (indikátor nélkül). A foszforsav disszociációja három fokozatban megy végbe, az oldatban a különböző formák együtt vannak jelen, a foszforformák eloszlása a ph függvényében változik. H 3 PO 4 = 2 PO 4 H PO - 2 4 + H + pk 1 =2,12 H = H 2 + H+ pk 2 =7,21 2 2 PO 4 2 PO 4 H = 3 PO - + H + pk 3 =12,32 4 A foszforsav titrálási görbéje lépcsőzetes alakú, Az ábrán az első két ekvivalenciapont jól látható, mert ott nagy a görbe meredeksége. A harmadik ekvivalenciapont viszont nem értékelhető, mert ott nem változik hirtelen a ph. Az első ekvivalenciapont ph=4-5 körüli tartományba esik, ekkor a NaOH hozzáadására a H 3 PO 4 átalakul H PO 2 4 ionná. Mivel az átalakulás megfordítható folyamat, egy kevés H PO 2 4 visszaalakul, de túlnyomórészt ez az ionforma van jelen. A második ekvivalenciapont ph=9-10 tartományba esik, ekkor a H ionok átalakulnak ionforma H PO 2 2 4 2 PO 4 -ionná, tehát ez a jellemző 7. ábra Foszforsav titrálási görbéje Az előzőeket egyenlettel kifejezve: 1. mérési pont (V 1 ): H 3 PO 4 + NaOH = NaH 2 PO 4 + H 2 O 2. mérési pont (V 2 ): H 3 PO 4 + 2 NaOH = Na 2 HPO 4 + 2 H 2 O 35
Mindkét ekvivalenciapont alapján ismeretlen koncentrációjú foszforsav esetén kiszámítható a kérdéses koncentráció, különbség csak a mólarányokban van. II. Feladat: A.) A 0,1 mol/dm 3 nátrium-hidroxid-oldat pontos koncentrációjának meghatározása: Mérjen be analitikai mérlegen 0,06-0,12 g (COOH) 2 x 2 H 2 O-at Erlenmeyer-lombikba és oldja fel kb. 50 cm 3 ionmentes vízzel! Titrálja meg 0,1 mol/dm 3 névleges koncentrációjú NaOH-mérőoldattal fenolftalein indikátor jelenlétében! Írja be a jegyzőkönyvbe az oxálsav-tömegeket, a NaOH-oldat fogyásokat (oxálsav oldatokra), számítsa ki és adja meg a NaOH-mérőoldat pontos koncentrációját mol/dm 3 -ben! B.) Foszforsav koncentrációjának meghatározása potenciometriás titrálással: A vizsgálandó foszforsavból készítsen 100,00 cm 3 törzsoldatot, 10,00 cm 3 -es részletét pedig mérje ki egy 250 cm 3 -es főzőpohárba! Merítse bele az elektródot és adjon hozzá annyi vizet, hogy az elektród harangrészét ellepje! Az oldatot kb. 5 percig kevertesse mágneses keverővel! Állítson be a műszeren 2,7 ph körüli értéket! A NaOH mérőoldatot cm 3 -ként, 3-4 illetve 9,5-10 ph érték tartományban pedig 0,5 cm 3 - enként adagolja és olvassa le a ph változást! Írja be a jegyzőkönyvbe a ph-értékeket a NaOH-oldat térfogatának függvényében. Az eredményeket ábrázolja milliméterpapíron és adja meg az oldat foszforsav koncentrációját mg vagy g foszforsav/dm 3 - ben! A diagramokat csatolja jegyzőkönyvéhez! 8. ábra A titrálás kivitelezése Tartsa be a munka- és balesetvédelmi előírásokat! Szükséges eszközök/hallgatónként Szükséges vegyszerek 3 db 250 ml-es Erlenmeyer lombik Oxálsav, (COOH) 2 x 2 H 2 O Büretta állvánnyal 0,1 mol/dm 3 NaOH-oldat 3 db főzőpohár Fenolftalein indikátor 1 mérőhenger Vezetési víz 1 db desztillált vizes flakon 1 db 100 ml-es mérőlombik az ismeretlennek (2 hallgatóra) 1 db 10 ml-es hasas pipetta (2 hallgatóra) Kombinált üvegelektróda ph érték kijelzővel (2 hallgatóra) Mágneses keverő + keverőelem 36
III. A gyakorlathoz kapcsolódó számítási feladatok: 1. A nátrium-hidroxid-oldat pontos koncentrációjának meghatározása: A meghatározás oxálsavra történik, az alábbiak szerint: Mérési adatok: A bemért oxálsav tömege: m = 0,09567 g A NaOH-oldat átlag-fogyása: V NaOH = 10,20 cm 3 Reakcióegyenlet: 2 NaOH + (COOH) 2 = Na 2 (COO) 2 + 2 H 2 O Az oxálsav anyagmennyisége: n oxálsav = m/m = 0,09567 g / 126,07 g/mol = 7,5886 x 10-4 mol A reakcióegyenlet alapján: 1 mol oxálsav arányos 2 mol NaOH 7,5886 x 10-4 mol oxálsav arányos 1,5177 x 10-3 mol NaOH 10,20 cm 3 NaOH-oldatban van 1,5177 x 10-3 mol NaOH 1000 cm 3 NaOH-oldatban van x mol NaOH x = (1000/10,20) x 1,5177 x 10-3 = 0,1487 mol NaOH Tehát a NaOH-oldat pontos koncentrációja: c NaOH = 0,1487 mol/dm 3. 37
2. Foszforsav koncentrációjának meghatározása potenciometriás titrálással: Reakcióegyenletek: 1. mérési pont (V 1 ): H 3 PO 4 + NaOH = NaH 2 PO 4 + H 2 O 2. mérési pont (V 2 ): H 3 PO 4 + 2 NaOH = Na 2 HPO 4 + 2 H 2 O Adatok: A kivett foszforsav részlet térfogata: 10,00 cm 3 c NaOH : 0,1056 mol/dm 3 V 1 : 5,60 cm 3 V 2 : 10,30 cm 3 M H3PO4 : 98,00 g/mol 1. mérési pont (V 1 ): A NaOH-mérőoldatra: 1000 cm 3 oldatban van 0,1056 mol NaOH 5,60 cm 3 oldatban van 5,9136 x 10-4 mol NaOH Az ismeretlen foszforsav-oldatra: 1 mol NaOH 1 mol H 3 PO 4 5,9136 x 10-4 mol NaOH 5,9136 x 10-4 mol H 3 PO 4 2. mérési pont (V 2 ): A NaOH-mérőoldatra: 10,00 cm 3 oldatban van 5,9136 x 10-4 mol H 3 PO 4 1000 cm 3 oldatban van 0,059136 mol H 3 PO 4 1 mol H 3 PO 4 98,0 g 0,059136 mol H 3 PO 4 5,7953 g 1000 cm 3 oldatban van 0,1056 mol NaOH 10,30 cm 3 oldatban van 1,0877 x 10-3 mol NaOH Az ismeretlen foszforsav-oldatra: 2 mol NaOH 1 mol H 3 PO 4 1,0877 x 10-3 mol NaOH 5,4384 x 10-4 mol H 3 PO 4 10,00 cm 3 oldatban van 5,4384 x 10-4 mol H 3 PO 4 1000 cm 3 oldatban van 0,05384 mol H 3 PO 4 38
1 mol H 3 PO 4 98,0 g 0,05384 mol H 3 PO 4 5,3296 g Átlagolt mérési eredmény: (5,7953 + 5,3296)/2 = 5,5625 g Tehát a foszforsav-oldat pontos koncentrációja: c H3PO4 = 5,5625 g/dm 3. 39
IV. Jegyzőkönyv-minta: Név: Évfolyam, szak: Dátum:... Foszforsav koncentrációjának meghatározása potenciometriás titrálással (PTM1) 1. A nátrium-hidroxid-oldat pontos koncentrációjának meghatározása: a.) Mérési adatok: m oxálsav (g) V NaOH (cm 3 ) c NaOH (mol/dm 3 ) Átlag c NaOH (mol/dm 3 ) 1. 2. 3. 4. 5. b.) A NaOH-mérőoldat koncentrációjának kiszámítása: M (COOH) 2 x 2 H 2 O = 126,07 g/mol Reakcióegyenlet: c.) Eredmény: Tehát a NaOH-mérőoldat koncentrációja:.mol/dm 3. 40
2. Foszforsav koncentrációjának meghatározása potenciometriás titrálással: Adatok: A törzsoldat térfogata: 100,00 cm 3 A kivett részletek térfogata: 10,00 cm 3 c NaOH : 0,1056 mol/dm 3 A ph-értékek ábrázolása a NaOH-mérőoldat térfogatának függvényében: 1. sorozat 2. sorozat 3. sorozat V NaOH (cm 3 ) ph V NaOH (cm 3 ) ph V NaOH (cm 3 ) ph A részletekre fogyott NaOH-mérőoldat térfogatok: a.) Első mérési pont: V NaOH (cm 3 ) Átlag V NaOH (cm 3 ) 1. 2. 3. 4. 5. b.) Második mérési pont: V NaOH (cm 3 ) Átlag V NaOH (cm 3 ) 1. 2. 3. 4. 5. 41
A foszforsav-koncentráció kiszámítása: c NaOH : mol/dm 3 M H3PO4 : 98,00 g/mol Reakcióegyenlet: Eredmény: A foszforsav koncentrációja:.g/dm 3. 42