Úloha č. 1: Stanovení molární hmotnosti polystyrenu viskozimetricky

Úloha č. 1: Stanovení molární hmotnosti polystyrenu viskozimetricky
Teoretická část
Molární hmotnost je významným kriteriem hodnocení polymerů. Na její velikosti
závisí řada fyzikálně-mechanických vlastností. Především však určuje viskozitu taveniny a
tím zpracovatelské vlastnosti. Všechny metody stanovení molární hmotnosti poskytují
hodnotu, která je průměrnou molární hmotností všech přítomných molekul. Zda se získá
číselný M n nebo hmotnostní M w průměr, závisí na použité metodě stanovení. Při
osmotických měřeních je to číselný průměr (střed) molárních hmotností, naopak metody
rozptylu světla nebo stanovení molární hmotnosti ultracentrifugou poskytují hmotnostní
průměr. Výhodou uvedených metod je, že dávají absolutní výsledky. Průměrnou molární
hmotnost lze jimi stanovit i u zcela neznámých vzorků, tj. bez srovnání s jinými předchozími
měřeními. Nevýhodou jsou speciální ekonomicky nákladná zařízení, resp. zdlouhavost
měření.
Viskozimetrická metoda při použití kapilárního viskozimetru má proti jiným
stanovením značné přednosti v jednoduchosti a rychlosti provedení, avšak nedává absolutní
výsledky. Molární hmotnost může být z viskozimetrických údajů vypočítána podle empirické
Mark-Houwinkovy rovnice:
  K  M
kde:
a
(1)
M – relativní molekulová hmotnost polymeru
K, a - konstanty pro určitý systém polymer - rozpouštědlo při definované teplotě
Stanoví-li se molární hmotnost pomocí příslušného K a a na nefrakcionovaném
polydisperzním polymeru, získá se viskozitní průměr molární hmotnosti M  . Pro většinu
polymerů se M  blíží spíše hmotnostnímu středu molárních hmotností M w než číselnému
středu molárních hmotností M n .
Pro většinu polymerů se hodnota konstanty a pohybuje v rozmezí 0,5 – 0,8 a
M n  M   M w . Pro zředěné roztoky polymerů byla definována řada viskozitních vztahů:
viskozitní poměr (relativní viskozita)
kde:
r 



0  0
(2)
 0 - doba průtoku rozpouštědla v kapilárním viskozimetru [s]
 - doba průtoku zředěného roztoku polymeru v témže rozpouštědle [s]
měrná viskozita (specifická viskozita)
sp  r  1
(3)
red 
viskozitní číslo (redukovaná viskozita)
kde:
sp
c

r  1
c
(4)
c - koncentrace polymeru v g na cm3 rozpouštědla
logaritmické viskozitní číslo (inherentní viskozita) inh 
limitní viskozitní číslo
  lim
c0
sp
c
 lim
c0
ln r
c
ln r
c
(5)
(6)
Limitní viskozitní číslo (LVČ) se získá z grafů závislosti logaritmického viskozitního
čísla nebo viskozitního čísla na koncentraci extrapolací k nulové koncentraci. Hodnoty výše
uvedených viskozitních parametrů jsou závislé na druhu rozpouštědla, koncentraci polymeru
(s výjimkou limitního viskozitního čísla) a na teplotě, při které se měří. V dobrém
rozpouštědle není vliv teploty příliš velký.
Pracovní postup
Viskozimetrické stanovení molární hmotnosti se provádí ve zřeďovacím viskozimetru
(zpravidla typu Ubbelohde), ve kterém měříme průtokové doby čistého rozpouštědla a
roztoků polystyrenu (PS) v toluenu, který postupně toluenem zřeďujeme.
Příprava roztoku
Připravíme si cca 1 hmot. % roztok PS v toluenu tak, že do čisté a suché odměrné
baňky o obsahu 25 ml navážíme asi 0,25 g polystyrenu s přesností 10-4 g na analytických
vahách. Přilijeme rozpouštědlo asi do 3/4 baňky, zazátkujeme a za mírného třepání, případně
ohřátí v teplé vodě necháme polymer dokonale rozpustit. Potom doplníme roztok v baňce
toluenem až po rysku odměrné baňky a znovu promícháme. Nečistoty z roztoku odstraníme
přefiltrováním přes fritu S2 do suché a čisté Erlenmayerovy baňky. Z tohoto základního
roztoku odpipetujeme do viskozimetru 15 ml.
Práce s viskozimetrem
Viskozimetr vložíme do temperačního válce tak, aby byla ponořena i nejvýše položená
banička a odpipetujeme do něj 15 ml základního roztoku. Po vytemperování nasadíme na
nejširší trubici viskozimetru balónek s pryžovou hadičkou a zábrusem a navlhčeným prstem
lehkým tlakem ucpeme pomocnou odvzdušňovací trubici odvětvenou z horní části zásobovací
baňky viskozimetru. Pozvolným stláčením balónku docílíme naplnění až do poloviny nejvýše
položené baničky nad trubicí s kapilárou. Pak přestaneme s vytláčením, odstraníme zábrus s
balónkem (tím uvolníme přetlak ve viskozimetru, který by mohl vystříknout náplň při
2
uvolnění odvzdušňovací trubice) a teprve potom uvolníme pomocnou odvzdušňovací trubici
(která byla ucpána prstem). Tím se přeruší sloupec kapaliny mezi prostorem ve spodní nádobě
a kapalinou v kapiláře. Tak docílíme nezávislosti výše rozdílu hladin (tlakového spádu
v kapiláře) na množství kapaliny ve viskozimetru. Jakmile horní meniskus kapaliny dosáhne
první rysky nad baničkou, spustíme stopky a měříme čas průchodu menisku až po druhou
rysku, která je pod baničkou.
Měření provedeme s jednou náplní 5 krát, přičemž jednotlivé hodnoty měřených časů
by se neměly lišit o více než  0.5 s. Získané hodnoty zapíšeme do tabulky, vypočítáme
aritmetický průměr, který používáme k dalším výpočtům. K měření času použijeme digitální
stopky a do tabulky jej uvádíme v sekundách (nikoliv v minutách a sekundách). Tímto
způsobem postupně změříme průtokové doby všech koncentrací roztoků PS připravených
ředěním podle níže uvedené tabulky, včetně čistého rozpouštědla.
Po ukončení práce vylijeme zbytky polymerního roztoku i čistého toluenu
z viskozimetru do odpadní láhve, viskozimetr vysušíme v sušárně a páry za tepla odsajeme na
vodní vývěvě. Toluen a jeho roztoky je zakázáno vylévat do výlevky.
Vlastní měření
Podmínkou je dokonale čistý a suchý viskozimetr, ale i veškeré sklo, se kterým
pracujeme, stejně tak roztok bez nečistot a stálá teplota udržovaná ultratermostatem
s přesností
 0,05 0C.
Nejprve
změříme
5x
průtokovou
dobu
15
ml
připraveného
základního
vytemperovaného roztoku. Potom přidáme do viskozimetru pipetou k roztoku polymeru 5 ml
rozpouštědla (toluen), promícháme, vytemperujeme a opět 5x změříme průtokovou dobu.
Stejně postupujeme po každém přidání rozpouštědla podle tabulky. Roztok je vždy nutno
dokonale promíchat a 10 minut temperovat.
množství přidávaného
rozpouštědla [ml]
celkový obsah přidaného
rozpouštědla [ml]
celkové objemy měřených
roztoků [ml]
0
5
5
5
10
10
0
5
10
15
25
35
15
20
25
30
40
50
3
Nakonec propláchneme viskozimetr 2x čistým toluenem a 5x stanovíme čas, za který
proteče toto čisté rozpouštědlo.
Veličiny potřebné pro výpočet
Pro rozpouštědlo toluen a pracovní teplotu 30 0C platí tyto konstanty Mark-Houwinkovy
rovnice:
a = 0,62
K = 3,7 . 10-2 [cm3/g]
Protokol obsahuje
1. Teoretickou část
2. Stručný popis experimentu
3. Tabulku naměřených hodnot průtokových dob toluenu a roztoků PS
0 [s]
toluenu
celkový přídavek
rozpouštědla k roztoku
[ml]
průtokové doby [s]
0
5
10
15
25
35
1
2
3
4
5
6
4.Tabulku výpočtů
c [g/cm3]
r 

0
Koncentraci c vypočteme podle vztahu: c  k 
15
V
č.měření
kde:
sp  r  1
sp
c
[cm3/g]
(7)
k - koncentrace základního roztoku v g/cm3
15 - pipetované množství základního roztoku v ml
V - celkový objem roztoku ve viskozimetru (15, 20, 25, 30, 40, 50 ml)
5. Graf závislosti sp / c na c, úsek na ose sp / c je hodnota []
6. Lineární regresí a extrapolací pro c 0 z grafu určíme [] a podle vztahu (1) vypočítáme
molární hmotnost polymeru M
7. Ze směrnice přímky závislosti sp / c na c, tj. K H    určete Hugginsovu konstantu KH
2
definovanou vztahem:
spec
c
2
   K H    c
(8)
8. Závěr - hodnoty limitního viskozitního čísla (LVČ) [] (na tři desetinná místa) včetně
jednotky, Hugginsovy konstanty KH (na dvě desetinná místa) a relativní molekulovou
hmotnost M (zaokrouhlenou na tisíce)
4
Úloha č. 2: Polarimetrické sledování inverze sacharózy
(reakce pseudoprvního řádu)
Teoretická část
Inverze sacharózy C12H22O11 + H2O  C6H12O6 (glukóza) + C6H12O6 (fruktóza) je
katalyzována
ionty
H+.
Při
velkém
přebytku
vody
reakce
probíhá
jako
pseudomonomolekulární, tj. rychlostí prvního řádu vzhledem k sacharóze:

dc
dx
 k 1  c , resp.
 k1  (c 0  x) a po integraci
dt
dt
ln
c0
c
 ln 0  k1  t
c
c0  x
(1)
k je rychlostní konstanta, pro kterou platí vztah:
k1 
kde:
c0
2,303
log
t
c
(2)
t - čas, který měříme od počátku reakce, tj. od okyselení roztoku
c0 - počáteční koncentrace sacharózy
c - koncentrace sacharózy v čase t
Všechny sacharidy, se kterými se v této experimentální úloze setkáváme jsou opticky
aktívní - otáčejí rovinou polarizovaného světla. Protože sacharóza je pravotočivá, kdežto směs
glukózy a fruktózy je levotočivá, můžeme v polarimetru změnu velikosti úhlu otočení
polarizovaného světla snadno sledovat. Je-li 0 jeho počáteční hodnota,  hodnota konečná
(po úplném proběhnutí reakce) a t hodnota v čase t, lze c0 a c nahradit jim úměrnými
veličinami spojenými s úhlem otočení a vypočíst rychlostní konstantu reakce:
k1 
2,303   0    
log

t
 t   
(3)
nebo po úpravě pro grafické vyrovnání
 log  t     
k1
 t  log  0    
2,303
(4)
Z grafické závislosti  log t     na t lze tedy zjistit rychlostní konstantu ze


směrnice přímky [úsek je  log  0    ]. Experimentální data vyhodnotíme z grafu
metodou lineární regrese.
Pracovní postup
Do kádinky navážíme 20 g sacharózy na předvážkách, rozpustíme v destilované vodě,
přelijeme do odměrné baňky o obsahu 100 ml, doplníme po rysku a promícháme.
5
Pro zjištění počáteční otáčivosti 0 smísíme 20 ml zásobního roztoku s 20 ml vody.
Tímto roztokem naplníme polarimetrickou trubici čelním otvorem po odšroubování uzávěru.
Při uzavírání dbáme, aby se pod uzavíracím sklíčkem netvořily vzduchové bublinky a sklíčko
bylo naprosto čisté. Naplněnou trubici vsuneme do polarimetru a zjišťujeme úhel otočení tím
způsobem, že stupnici nastavíme na nulu a pomalu otáčíme analyzátorem, až jsou obě části
zorného pole stejně světlé (dělící čára mezi nimi prakticky zmizí). Porovnání a odečet úhlu
opakujeme 5x tak, že k hledané poloze se přibližujeme střídavě z levé a pravé strany.
Z naměřených hodnot vypočteme průměrnou hodnotu (0  130).
Polarimetrickou trubici vyprázdníme, propláchneme částí roztoku připraveného z 20
ml zásobního roztoku sacharózy a 20 ml 3M-HCl a touto směsí potom trubici naplníme. Od
okamžiku smíchání roztoku sacharózy s kyselinou začala probíhat reakce a proto začneme
měřit čas. Úhel otáčení zapisujeme v 5-ti minutových intervalech po dobu 1 hodiny a pak
ještě po 80 a 100 minutách od počátku reakce. Naměřené úhly t jsou v intervalu 0  , tj.
větší než -3,70 a menší než 0. Pokud tomu tak není, jde o chybu v koncentraci roztoku, nebo
o špatné odečtení úhlu.
Obdobně připravíme druhý roztok s použitím 1M-HCl a měříme jeho otáčivost ve
stejných časových intervalech. Druhý roztok nalijeme do jiné polarimetrické trubice asi 15
minut po přípravě roztoku prvního a měříme jej v mezičasech.
Z důvodů časového omezení laboratorního cvičení byla hodnota konečné otáčivosti
určena pro tyto koncentrace a délku kyvety po několika dnech průběhu reakce:  = -3,70.
Obsluha polarimetru
U polarimetrické trubice odšroubujeme snímací uzávěrku a trubici naplníme měřeným
cukerným roztokem. Vrchlík kapaliny setřeme sklíčkem tak, aby nevznikla vzduchová
bublina a zpětně zašroubujeme snímací uzávěrku trubice (sklíčko na trubici, těsnění až pod
matici). Po odklopení víka polarimetru vsuneme trubici se zkušebním roztokem do
pracovního prostoru a přístroj uzavřeme. Vložená polarimetrická trubice otáčí polarizační
rovinu o určitý úhel. Abychom získali zpět optickou rovnováhu přístroje, otáčíme převodem u
kruhové stupnice tak dlouho, až obě poloviny zorného pole budou stejně osvětleny. Na
stupnici umístěné po straně okuláru sledujeme úhel otočení polarizovaného světla. Přesnější
údaj úhlu otáčení získáme několikerým krátkodobým opakovaným měřením a stanovením
průměru. Odečet provedeme pomocí nónia, podobně jako u posuvného měřítka.
Protokol obsahuje
6
1. Teoretickou část
2. Stručný popis experimentu
3. Tabulky s hodnotami při použití 1M a 3M-HCl, včetně ukázky výpočtů
t [0]
t [min]
-log (t - )
 0   

log
 t   
k1 [uveďte
rozměr]
 0  t
0  
5
10
…
100
0 =
4. Graf závislosti stupně konverze na čase, tj.
=
 0  t
na t, obě křivky do jednoho obrázku
0  
(vychází z nuly)
5. Graf závislosti  log t     na t (vztah (4)) je rovnice přímky. Z její směrnice vypočtěte
rychlostní konstantu k1
6. Výpočet konstant reakce inverze sacharózy k1 pro obě koncentrace HCl dvěmi různými
metodami, 1. z výpočtů pro jednotlivé body z rovnice (3) (průměr hodnot), 2. ze směrnice
příslušného grafu (viz ad. 5).
7. Závěr
7
Úloha č. 3: Stanovení disociační konstanty kyseliny vodivostním měřením
Teoretická část
Disociační konstanta Kc slabých jednosytných kyselin se stanoví podle Ostwaldova
zřeďovacího zákona:
Kc 
kde:
c  c2
(1)
0  0  c 
c - koncentrace [mol.l-1]
c - molární vodivost při daném zředění [cm2. -1.mol-1]
0 - molární vodivost při mezním zředění [cm2. -1.mol-1]
Molární vodivost při dané koncentraci roztoku c se vypočítá z měrné vodivosti 
podle vztahu:
c 
1000  
c
(2)
Hodnoty Kc a 0 se zjistí úpravou (rektifikací) Ostwaldova zřeďovacího zákona na
tvar:
1
1
1

2  c  c 
c K c  0
0
V grafickém znázornění závislosti
přímky
1
c
(3)
na c  c se z úseku na ose y
1
určí 0 a ze směrnice
0
1
se vypočte Kc.
K c  20
Úkol: Stanovte disociační konstanty kyseliny octové, monochloroctové a monobromoctové
(pozor silně leptají pokožku) pro koncentrace M/20 (0,05M) až M/1280 (0,0007812M).
Pracovní postup
Pracujeme v termostatované lázni při 25 0C. Jako první budeme pracovat s přístrojem,
který má rozsah 0 až 1999 S. Před měřením opláchneme zkumavku i elektrodu 0,01M-KCl.
Potom zkumavku tímto roztokem naplníme tak, aby kroužek elektrody byl ponořen a
nastavíme šroubovákem hodnotu vodivosti 1413 S. Po ukončení kalibrace zkumavku i
elektrodu důkladně opláchneme destilovanou vodou a začneme měřit měrné vodivosti 
různých koncentrací kyseliny octové.
8
Ze zásobního roztoku odpipetujeme pro první měření 15 ml (0,05 M = M/20) kyseliny
octové do zkumavky a změříme vodivost. Odpipetujeme polovinu množství, tj. 7,5 ml do
odpadní kádinky a přidáme 7,5 ml vody (konc. je M/40) a opět určíme vodivost. Postup
opakujeme i pro koncentrace M/80, M/160, M/320, M/640, M/1280 ředěním vždy v měřící
nádobce (což pochopitelně předpokládá, zmenšení objemu odpipetováním přesně známého
množství roztoku a přidání stejného množství vody). Každou koncentraci musíme dobře
promíchat a vytemperovat na 25 0C (minimálně 5 minut).
Obdobným
způsobem proměříme i roztoky různé koncentrace pro kyselinu
monobromoctovou a monochloroctovou (připravíme si 25 ml 0,05 M roztoku do odměrné
baňky). Pro tyto kyseliny použijeme jiný přístroj (konduktometr) s rozsahem 0 až 19,99 mS.
Kalibrujeme roztokem 0,1 M-KCl a nastavíme hodnotu 12,88 mS.
Protokol obsahuje
1. Teoretickou část
2. Stručný popis experimentálních prací
3. Tabulky naměřených a vypočtených hodnot
c [mol.l-1]

[cm-1S]
c (z rov.(2))
[cm2.S.mol-1]
1 / c
[napište
rozměr]
c .c
[napište
rozměr]
4. Graf závislosti 1 / c na c .c (pro každou kyselinu zvlášť)
5. Hodnoty Kc a 0 (pro všechny tři kyseliny) zjistěte odečtem z grafů – viz bod 4. a uveďte je
včetně jednotek
6. Závěr - porovnejte disociační konstantu kyseliny octové a jejich substituovaných derivátů
spolu navzájem
9
Úloha č. 4: Sedimentační analýza suspenze aktivního uhlí
Teoretická část
Sedimentační analýza umožňuje stanovení hmotnostních podílů jednotlivých frakcí
suspenze. U kulovitých částic se obvykle zjišťuje integrální distribuční (rozdělovací) funkce
Q(ri), tj. závislost velikosti hmotnostního podílu částic o poloměru r > ri na velikosti tohoto
poloměru ri. Je to funkce klesající plynule nebo po skocích z hodnoty jedna k nule a platí pro
ni dle definice vztah:
Qri  
kde:
w0
wr ri
w0
(1)
je hmotnost odparku určitého (odebíraného) objemu suspenze, který nebyl
podroben usazování (odebraný v nulovém čase), tj se všemi i největšími částicemi
wr  ri - hmotnost hypotetického odparku stejného objemu, ale obsahujícího pouze
částice o poloměru r > ri, tj. ty které již po době t nejsou přítomny v požadované hloubce a
pochopitelně tedy ani v odebraném vzorku a skutečném odparku. Vlastně jde o rozdíl w0 - wt.
Jednotlivé frakce suspenze se samovolně dělí v důsledku různé sedimentační rychlosti
vi, pro kterou lze odvodit ze Stokessova zákona vztah:
vi 
kde:
  0
h 2 2
 ri  g 
ti 9

(2)
h - vzdálenost odběru frakcí suspenze od hladiny = 10-1 [m] (v našem přístroji)
ti - doba odběru frakcí [s]
ri - poloměr částic [m]
g - gravitační zrychlení = 9,81 [m.s-2]
 - hustota suspendované látky - aktivní uhlí = 1638 [kg.m-3]
0 - hustota kapaliny, která tvoří suspenzní prostředí - voda = 998 [kg.m-3]
 - viskozita suspenzního prostředí - voda = 1,002 mPa.s; (N.s.m-2 = Pa.s)
Částice s větší rychlostí sedimentace než odpovídá vi (tj. částice, které mají r větší než ri) již
budou všechny v době ti pod nasávacím otvorem a nebudou přítomny v odparku.
Ke zpracování sedimentační analýzy výše popsaným způsobem slouží Andreasenova
metoda, která ke stanovení jednotlivých frakcí suspenze používá tzv. Andreasenovy pipety.
Váží se vždy odparek (hmotnost dispergované látky) ze stejného objemu suspenze a ze stejné
10
hloubky odběru. Je-li v čase t = 0 systém homogenní, tj. všude stejné rozdělení frakcí, potom
v čase ti budou v hloubce h zastoupeny pouze částice o poloměru podle vztahu (3):
ri 
h
k  ti
(3)
kde konstanta k závisející na g, , 0,  vyplývá ze srovnání rovnice (3) s rovnicí (2) a je
nutno ji předem vypočítat.
Je-li wt hmotnost odparku v čase t a w0 hmotnost odparku suspenze v čase t = 0
potom lze zastoupení částic různé velikosti v počátečním systému vyjádřit jako podíl
(hmotnostní zlomek) částic, který tvoří všechny částice větší než udaný poloměr rt:
Q(ri )  1 
wt w0  wt

,
w0
w0
(4)
kde ri je velikost částic, které za dobu usazování t urazí právě dráhu h.
Pozn.: Q (ri ) je integrální distribuční funkce definovaná jako pravděpodobnost, že daný
parametr bude větší než jistá udaná hodnota. Její derivací získáme tzv. diferenciální
distribuční funkci F ri  , která má význam pravděpodobnosti výskytu dané frakce (četnost
zastoupení).
F ri   
dQri 
dri
(5)
Úkol: V suspenzi aktivního uhlí ve vodě stanovte hmotnostní podíl částic o poloměrech
větších než 50, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10, 7, 5, 4 m.
Pracovní postup
Připravíme suspenzi 5 g aktivního uhlí v 0,5 l vody. Aktivní uhlí navažujeme na
předvážkách s přesností 10-1g. Do válce nasypeme nejprve uhlí a pak přilijeme vodu.
Podle rovnice (2) vypočteme doby, ve kterých je nutno odebrat vzorky z hloubky 10
cm, abychom zachytili frakce s ri menšími, než daná mez.
K odebírání vzorků používáme Andreasenovu pipetu viz obr. Čerstvě protřepanou
suspenzi nasajeme do pipety co nejrychleji v čase t1 = 0 (v tomto případě nezáleží na úplně
přesné hloubce 10 cm) pomocí balónku při odpovídající poloze dvojcestného kohoutu (1).
Hladina suspenze nad kohoutem (1) v nádržce (2) musí být přesně po rysku, potom kohout
uzavřeme a obsah pipety vypustíme postranní trubičkou (3) do předem vysušené a zvážené
odpařovací misky (vážíme na analytických vahách) a pipetu ještě malým obsahem destilované
11
vody propláchneme, abychom suspenzi kvantitativně přenesli na misku. Vzorek zbavíme
vody odpařením pod infrazářiči a dokonale vysušený po vychladnutí v exikátoru zvážíme
s přesností 10-4g.
Pro všechna další měření ve vypočtených časech t2 až t12 spustíme pipetu opatrně tak,
aby její ústí bylo 10 cm pod hladinou suspenze a po uplynutí příslušného času provedeme
odběr vzorku. Dále postupujeme tak, jak je uvedeno výše pro čas t1 = 0. Jestliže při krátkých
časech nestihneme odebrat další vzorek ve vypočteném čase, musíme celou suspenzi znovu
protřepat a počkat příslušnou dobu odpovídající dané frakci. Při delších časech odebíráme
vzorky plynule bez opakovaného protřepání suspenze. Po ukončení měření umyjeme pipetu i
veškeré pomůcky v roztoku saponátu.
Protokol obsahuje
1. Teoretickou část
2. Stručný popis experimentálních prací
3. Tabulku hodnot, včetně názorné ukázky výpočtů
č.měření
r [m]
--50
t [min]
1
0
2
.
12
4. Graf závislosti wt / w0 na t [min]
wt [g]
wt / w0
w0 =
---
Q (ri )
---
5. Graf závislosti Q(ri ) na ri (integrální distribuční křivka)
6. Závěr - vyhodnocení frakce největšího zastoupení částic v % a jejich poloměru (určí se
z inflexního bodu na integrální distribuční křivce)
12
Úloha č. 5: Stanovení izoelektrického bodu kaseinu
Teoretická část
Makromolekula lyofilního amfolytu obsahuje nabité funkční skupiny, které jsou
rovnoměrně rozloženy po jejím celém povrchu. Tyto způsobují rozvinování a svinování
makromolekuly podle hodnoty pH disperzního prostředí. Při určitém pH je molekula v tzv.
izoelektrickém stavu, tzn. že počet kladných a záporných funkčních skupin je vyrovnán.
V tomto stavu tvoří makromolekuly vlivem elektrického přitahování opačných nábojů méně
řídká klubka, uvolňuje se z nich voda a mají sklon ke koagulaci.
Postup práce
Kasein je bílkovinou, která se řadí do skupiny fosfoproteinů. V neutrálním nebo
v slabě zásaditém prostředí nepřechází kvantitativně do roztoku a proto navážka 0,1 g kaseinu
nemusí být přesná. Dokonale rozetřený kasein (roztírejte po dobu 5 minut) necháme
rozpouštět v 5 ml 1M octanu sodného za stálého míchání a zahřívání na vodní lázni do teploty
60 0C. Jestliže i při této teplotě se určený typ kaseinu špatně rozpouští, je možno zvýšit
teplotu až k bodu varu. Po rozpuštění kaseinu vznikne slabě opaleskující roztok, který
necháme vychladnout a zbytky nerozpuštěného kaseinu odstraníme filtrací. Filtrát potom
doplníme v 50 ml odměrné baňce destilovanou vodou. Podle uvedené tabulky připravíme do
zkumavek různě koncentrované roztoky kyseliny octové a vody.
Tabulka přípravy roztoků
číslo
[ml]
zkumavky
vody
0,01M-CH3COOH
0,1M-CH3COOH
1M-CH3COOH
pH roztoku
1
2
3
4
5
6
7
8
9
6,75
1,25
----5,61
5,5
2,5
----5,29
3,0
5,0
----4,97
7,0
--1,0
--4,60
6,0
--2,0
--4,38
4,0
--4,0
--4,02
----8,0
--3,81
6,4
----1,6
3,53
4,8
----3,2
3,20
Potom do každé zkumavky přidáme 1 ml zásobního roztoku kaseinu. Po 5-ti minutách
měříme spektrofotometrem absorbanci jednotlivých vzorků o různém pH ve spektrální oblasti
550 nm a stanovíme maximální zákal. Přitom předpokládáme, že absorbance je úměrná
množství zkoagulované sraženiny. Absorbanci jednotlivých roztoků kaseinu stanovujeme za
stejnou dobu po přidání kaseinu, dokud ještě nedochází ke sbalování bílkoviny. Proto
přidáváme 1 ml kaseinu do zkumavek postupně (ne přidat kasein do všech zkumavek
najednou!). Měří se 2 typy kaseinů s různým izoelektrickým bodem.
13
Protokol obsahuje
1. Teoretickou část
2. Stručný popis experimentálních prací
3. Tabulku výsledků - pH roztoků a absorbancí A
4. Graf zákalové křivky - na osu y je vynesena absorbance A, na osu x pH (oba 2 typy kaseinů
do jednoho grafu)
5. Určíme izoelektrický bod obou typů kaseinů, tj. pH, při kterém bylo maxima (extrému) A
dosaženo
6. Závěr - uvedeme výsledky z ad. 5.
14
Návod k obsluze přístroje SPEKOL 11
Měření extinkce E (absorbance A) - postup:
1. Přívodní šňůru zapojíme do zdroje (220V).
2. Zapneme přístroj stisknutím síťového vypínače „“ (1) - blikají diody T, E, C, CAL, FL,
KIN.
3. Přístroj necháme asi 15 minut zahřívat.
4. Nastavíme vlnovou délku bubínkem (2), přičemž páčka (3) je v poloze „“. Při vlnové
délce   390 nm přepnout páčku do polohy „=“.
5. Posuneme rukojeť na krytu fotonky (4) ve směru označeným modře (při vlnové délce 340 620 nm) nebo červeně (při vlnové délce 620 - 850 nm) až na doraz.
6. Do výměníku kyvet vložíme suchou očištěnou kyvetu s referenčním vzorkem
(destilovanou vodou).
7. Tahem resp. tlakem rukojeti výměníku kyvet vsuneme kyvetu se vzorkem do dráhy
paprsku.
8. Stiskneme tlačítko E, začne blikat dioda R.
9. Stiskneme tlačítko R, po krátké době (max. 5 sec.) dojde k automatickému vynulování,
nebo hlášení OFL, pak páčku (3) přepnout z „“ na „0“ a pak stisknout znovu R.
10. Kyvetu naplníme zkušebním vzorkem a umístíme do dráhy paprsků, odečteme naměřenou
hodnotu.
11. Je vhodné během měření zkontrolovat nulovou polohu přístroje kyvetou s destilovanou
vodou.
12. Pokud dojde k odchylce, provede se stisknutím tlačítka R opětovné vyrovnání přístroje a
teprve potom je možno měřit.
13. Po ukončení měření vypneme přístroj stisknutím síťového vypínače „“ (1). Vymyté a
osušené kyvety, uložit do pouzdra.
14. Vytáhneme přívodní šňůru ze zdroje.
POZOR! Zkušební vzorky dáváme do téže kyvety, se kterou se provádělo referenční
nastavení s destilovanou vodou. Čisté a dostatečně zaplněné kyvety vkládejte do výměníku
vždy v jednou směru. Při otočení kyvety o 1800 vznikají odchylky hodnot.
15
Úloha č. 6: Adsorpce kyseliny šťavelové na aktivním uhlí
Teoretická část
Adsorpcí je nazývána koncentrační změna, ke které dochází na rozhraní dvou fází
vlivem povrchových sil. V našem případě jde o adsorpci z roztoku na povrchu tuhé, porézní
látky. Kvantitativně se vyjádří adsorbované množství výrazem:
a
kde:
V  c0  c
m
(1)
a - počet milimolů adsorptiva, zachycený na 1 g adsorbentu
V - objem roztoku [ml]
m - hmotnost adsorbentu v [g]
c0 - látková koncentrace (molarita) roztoku před adsorpcí
c - látková koncentrace (molarita) roztoku po adsorpci
Adsorbované množství dané látky na daném adsorbentu může záviset také na
koncentraci ostatních eventuelně přítomných rozpuštěných látek. Závislost adsorbovaného
množství na rovnovážné koncentraci adsorptiva se nazývá adsorpční izoterma. Bývá
vyjádřena nejčastěji dvojím způsobem:
a  k  c 1/ n , n  1
(2)
tzv. rovnicí Freundlichovou a nebo rovnicí Langmuirovou:
a  am 
bc
1 bc
(3)
Obě rovnice lze snadno rektifikovat a v rektifikovaném tvaru jednak určit konstanty, jednak
vyhodnotit, která z obou rovnic lépe vystihuje experimentální data. Rektifikovaný tvar
Freundlichovy izotermy je:
1
log a  log k  log c
n
(4)
tj. v grafu log a proti log c dává přímku o směrnici 1/n s úsekem na ose log a rovným log k.
Rektifikovaný tvar Langmuirovy izotermy je:
c
1
1
 c

a
am am  b
(5)
vyneseme-li c/a proti c, obdržíme přímku se směrnicí 1/am a úsekem na ose pořadnic 1/am.b.
16
Pracovní postup
Připravíme 0,25M roztok kyseliny šťavelové v destilované vodě do odměrné baňky o
obsahu 250 ml. Do suchých Erlenmayerových baněk 250 ml navážíme asi 2 g aktivního uhlí
s přesností 10-2g. Ze zásobního roztoku 0,25M kys. šťavelové připravíme ředěním v poměru
1:2,5 tři další roztoky tak, že odpipetujeme vždy 100 ml roztoku vyšší koncentrace do 250 ml
odměrné baňky a doplníme po značku destilovanou vodou. Touže pipetou se zároveň
odpipetuje 100 ml roztoku do Erlenmayerovy baňky s adsorbentem, aby se ušetřilo opětné
oplachování pipety roztokem.
Adsorpce
Roztok s adsorbentem se asi 20 minut protřepává na třepačce. Tato doba je postačující,
aby se ustavila rovnováha. Po skončení třepání odfiltrujeme roztok od adsorbentu filtrací přes
suchý filtr, přičemž prvních 10-15 ml filtrátu oddělíme zvlášť, abychom vyloučili vliv
adsorpce kyseliny na filtračním papíru. Filtrát jímáme do suchých Erlenmayerových baněk.
Koncentraci roztoků po adsorpci stanovíme titrací manganistanem způsobem popsaným níže.
Pipetovaná množství pro titraci jsou uvedena v tabulce.
Mezitím stanovíme faktor titračního roztoku cca 0,02M-KMnO4 na kyselinu
šťavelovou. Do titrační baňky odvážíme 0,15-0,2 g kyseliny šťavelové (na čtyři desetinná
místa), navážku rozpustíme ve 200 ml vody, okyselíme přidáním 10 ml H2SO4 (1:4, tj. o
koncentraci 1 díl kyseliny, 4 díly vody), zahřejeme na 80-900C a za horka ztitrujeme
manganistanem:
f 
spotřeba vypočtená z deklarované koncentrace
skutečná spotřeba při titraci činidlem
(6)
Pozn.: 1 ml 0,02M-KMnO4 odpovídá 0,006303g dihydrátu kyseliny šťavelové. Výpočet
faktoru nepřináší více informací než údaj o skutečné koncentraci a je jen formální záležitostí.
roztok č.
1
2
3
4
pipetovaná množství [ml]
před adsorpcí
po adsorpci
5
10
10
20
25
40
50
50
Titrace
Koncentraci roztoků kyseliny šťavelové před adsorpcí i po adsorpci (pipetovaná
množství vzorků pro stanovení viz tab.) stanovíme titrací manganistanem draselným, při které
probíhá tato reakce:
17
5 H2C2O4 . 2 H2O + 2 MnO4- + 6 H+  10 CO2 + 2 Mn2+ + 18 H2O
Odpipetované množství roztoku se v titrační baňce zředí destilovanou vodou na objem asi 50
ml, zahřeje na 800C, přidá se 5 ml kyseliny sírové (1:4) a za horka ztitruje 0,02M-KMnO4 do
prvního trvalého zbarvení. Titrace musí probíhat v kyselém prostředí a při zahřívání, jinak
nedochází k redukci manganistanu na ionty Mn2+, ale vznikají kationty Mn4+. Spotřeby
manganistanu draselného se zaznamenají.
Před plněním automatické byrety nutno uzavřít kohout nad zásobní lahví. Přetlačování
vzduchem provádějte pomalu. Po dosažení úrovně přepadu hladinou vypustíme pomalu
přetlak v zásobní lahvi uvolněním otvoru na skleněném přívodu k hadičce tlakovacího
balónku a roztok odteče přepadem. Při rychlém uvolnění velkého přetlaku hrozí vystříknutí
roztoku manganistanu strženého prudce unikajícím vzduchem.
Výpočet
Z rovnice (1) vypočteme adsorbované množství a, vyneseme do grafu proti
rovnovážné koncentraci c. Z výnosu rektifikovaných závislostí (rovnice 4 a 5) zjistíme
konstanty rovnic obou adsorpčních izoterem.
Pozn.: S roztoky manganistanu a kyselinou sírovou pracujte nad výlevkou nebo novodurovou
miskou. Roztoky manganistanu a suspenze uhlí vylévejte přímo do otvoru výlevky.
Protokol obsahuje
1. Teoretickou část
2. Stručný popis experimentu
3. Uveďte výpočet teoretické a skutečné navážky kyseliny šťavelové, faktoru KMnO4,
spotřeby manganistanu draselného při titracích roztoků před a po adsorpci
4. Tabulku naměřených a vypočtených hodnot, včetně ukázky výpočtů a jednotek
roztok č. molarita kys.šť.
a
log c
log a
c/a
c0 před a c po [uveďte
[uveďte
adsorpci
rozměr]
rozměr ]
4. Grafy:
a proti c
(křivka)
5.
log a proti log c
(lineární závislost rov. (4))
6.
c / a proti c
(lineární závislost rov. (5))
7. Z grafů ad. 5 a 6 odečtěte a vypočtěte konstanty pro obě adsorpční izotermy včetně
jednotek (viz teoretická část)
8. Závěr - rozhodněte, která z adsorbčních izoterem lépe popisuje daný systém
18