Úloha č. 1: Ebulioskopie

Úloha č. 1: Ebulioskopie
Teoretická část
Rozpuštěním netěkavé látky v rozpouštědle se sníží jeho tlak nasycených par a tím se zvýší
bod varu roztoku. Velikost zvýšení bodu varu nezávisí na povaze rozpuštěné látky, ale pouze na
koncentraci (počtu) rozpuštěných částic (molekul, iontů) v roztoku a na povaze rozpouštědla.
Z koncentrace roztoku a ze zvýšení bodu varu lze určit molární hmotnost rozpuštěné látky. Pro nízké
koncentrace roztoku a pro ideální chování platí:
M 2  k E  1000
kde:
m2
m1  korig .t v
(1)
M2 - molární hmotnost rozpuštěné látky [g.mol-1]
kE - ebulioskopická konstanta rozpouštědla [g.K.mol-1]
m2 - hmotnost rozpuštěné látky [g]
m1 - hmotnost rozpouštědla [g]
korig. tv - zvýšení bodu varu [K]
Při měření bodu varu roztoku je důležité, aby teploměr byl ve styku s rovnovážnou kapali-
nou, nikoliv pouze s přehřátou párou. Ponořením teploměru do kapaliny nenaměříme však přesně její
bod varu, poněvadž kapalina je vždy uvnitř (v hloubce) poněkud přehřátá. Tento nedostatek se odstraní použitím ebuliometru (obr.).
Kapalina vře v baňce A. Ebuliometr se zahřívá pomocí lihového kahanu s komínkem. Vroucí
kapalina je vlastními parami (bublinami) nepřetržitě zvedána trubicemi B a vystřikována na nádobku
C, do které se vkládá Beckmannův teploměr T, který má obyčejně rozsah stupnice 50, dělených po
0,010. Po stěnách nádobky C rozpouštědlo pozvolna stéká, přičemž se malá část přehřáté kapaliny
vypaří. K tomu je třeba výparného tepla, které se odebírá stékající kapalině a tím se přehřátá kapalina
při dobré cirkulaci v tenkém filmu ochladí až na teplotu, při které je v rovnováze se svou párou, tj.
na svou teplotu varu. Tuto teplotu naměříme teploměrem v nádobce C. Tepelnou izolaci ebuliometru
tvoří evakuovaný plášť P. Metody lze použít ke stanovení molární hmotnosti netěkavé látky asi do
5000 g/mol. Protože zvýšení bodu varu roztoku je závislé na koncentraci (počtu) rozpuštěných částic, nelze metodu bez korekce použít pro látky, které v roztoku disociují nebo asociují. Naměří se
průměrná molární hmotnost rozpuštěné látky podle jejího aktuálního stupně disociace či asociace. Při
vysoké koncentraci rozpuštěné látky nelze vztah (1) použít a je nutno uvažovat aktivitu rozpouštědla, event. nelinearitu.
Pracovní postup
a) Beckmannův teploměr
Aby jej bylo možno použít v širokém rozmezí teplot, má zařízení, které nám umožňuje měnit
množství rtuti v baničce teploměru a tím i jeho použitelnost při různých teplotách. K tomu slouží
zásobník rtuti v podobě trubice tvaru U v hořejší části teploměru. Nastavení teploměru na pracovní
teplotu (teplota varu rozpouštědla) je operace zdlouhavá, a proto nastavení provádí asistent před
započetím laboratorního cvičení. Student pak teploměru používá výhradně k měření a nenastavuje
jej! Podle množství rtuti v baňce teploměru odpovídá 10 na stupnici různé změně teploty - viz v tabulce 1,03 K při měření v rozsahu 75 – 80 0C (okolí b.v. CCl4).
b) Příprava pastilek
Neznámou látku (v pořadí nejprve vzorek A, potom B), u níž stanovujeme molární hmotnost,
vkládáme do ebuliometru ve formě pastilek, které se připravují tak, že určený vzorek rozetřeme jemně na třecí misce a na předvážkách se připraví 4 navážky o jednotlivé hmotnosti asi 0,1 až 0,15g.
Z každé navážky vylisujeme pastilku, kterou uchováme v zabroušené vážence (z důvodů sublimace
měřeného vzorku) a zvážíme s přesností 10-4g.
Pastilky se připravují na lisu, který se skládá z rámu se šroubem, z dutého válečku a pístu.
Dno válečku tvoří odklápěcí destička. Do válečku s nasazeným dnem nasypeme z lodičky přibližně
odvážené množství vzorku a utažením šroubu vylisujeme pastilku. Potom uvolníme šroub, odstraní2
me dno a otáčením šroubu zatlačíme píst do válečku s pastilkou tak daleko, až vylisovaná pastilka
vypadne.
c) Vlastní měření
Před započetím měření provedeme kontrolu těsnosti kohoutu a jeho případné namazání tukem na zábrusy. Aparatura i rozpouštědlo musí být suché, neboť vlhkost v aparatuře může vytvořit s
rozpouštědlem azeotropickou směs. Přítomností vody, jako těkavé nemísitelné látky, se sníží bod
varu, ten však ještě může velmi kolísat podle množství rozpuštěné resp. vydestilované vody! Do suché zabroušené Erlenmayerovy baňky odpipetujeme 50 ml chloridu uhličitého, uzavřeme zátkou a
zvážíme s přesností 10-2g na předvážkách. Obsah baňky přelijeme do dokonale čistého a suchého
ebuliometru a prázdnou baňku znovu zvážíme. Z rozdílu hmotností vypočítáme navážku CCl4. Potom pustíme chladící vodu, přičemž přítok vody do chladiče seřídíme tak, aby nebyl příliš silný a
v chladiči nekondenzovala i vzdušná vlhkost. Do teploměrné části ebuliometru C nalijeme vodu (do
výšky 1 cm) a zasuneme Beckmannův teploměr. Voda vyplní prostor mezi teploměrem a stěnami
nádobky a usnadní přestup tepla při měření teploty. Pod baňku A, ve které se nachází rozpouštědlo,
postavíme lihový kahan a kapalinu malým plaménkem zahříváme. Plamen seřídíme tak, aby vroucí
kapalina pravidelně vystřikovala na nádobku s teploměrem. Silný průvan nebo změny v přímém
osvětlení sluncem mohou způsobovat problémy při přesném měření teploty. Teplotu odečítáme a
zapisujeme v minutových intervalech. Když se teplota ustálí, tj. nemění se během 5-ti minut
v rozmezí 10-3 0C (což bývá asi za 15 minut) vhodíme do přístroje seshora chladičem první pastilku
(vzorku A). Po jejím rozpuštění, začneme opět odečítat teplotu a provedeme měření jako pro čisté
rozpouštědlo. Stejně postupujeme i po vhození každé další pastilky. Po změření 4 pastilek vzorku A,
pokračujeme 4 pastilkami vzorku B, které vhazujeme do původního roztoku látky A. V ebuliometru
musí být konstantní tlak (atmosférický), nelze jej proto uzavřít zátkou (zvýšení tlaku vede ke zvýšení
teploty varu, případně i vystříknutí horkého jedovatého rozpouštědla a až k eventuální možnosti přehřátí Beckmannova teploměru a nutnosti jeho opětovné adjustace na požadovanou teplotu). Během
varu často kontrolujeme těsnost vypouštěcího kohoutu (nesmí se ohřívat od kahanu a samovolně
otáčet), protože případné ztráty CCl4 mění m1 a v plameni z par mohou vzniknout i toxičtější látky
než je CCl4.
Pozn.: Ebuliometr ani ostatní sklo se nesmí promývat vodou ani lihem a dále je nutná opatrná a rychlá manipulace s velmi těkavým a toxickým rozpouštědlem, zejména když je teplé.
3
Po skončení měření zastavíme chladící vodu, kohoutem ve spodní části přístroje vypustíme
vychladlé rozpouštědlo se vzorkem do kádinky a vylijeme do odpadní nádoby na chlorovaná rozpouštědla.
Na závěr ebuliometr propláchneme asi 20 ml rozpouštědla CCl4.
Výpočet
Pro výpočet molární hmotnosti použijeme rovnici (1). Ebulioskopická konstanta, stejně jako
korekce stupnice teploměru jsou uvedeny v následující tabulce:
bod varu a ebulioskopická konstanta CCl4
normální bod varu
ebulioskopická konstanta kE
0
[ C]
při 101325 Pa [g.K.mol-1]
76,8
5,03
korekce Beckmannova teploměru
měrný rozsah [0C]
10 na stupnici odpovídá K
75 - 80
1,030
Z naměřených korigovaných hodnot tvi pro všechny koncentrace (navážky) vypočteme
molární hmotnosti M2i a průměrnou hodnotu M2 uvedeme jako výsledek do závěru protokolu. Pro
každý výpočet dosazujeme součet hmotností m2 dosud rozpuštěných pastilek daného vzorku a tvi
vztahujeme vždy na bod varu čistého rozpouštědla tv0. Pro vzorek B použijeme pro výpočet M2i
zvýšení teploty varu odečtené od konečné teploty po skončení měření 4. pastilky vzorku A tv4.
Protokol obsahuje
1) Teoretickou část
2) Stručný popis postupu experimentálních prací
3) Výsledky měření vzorků A i B sestavené do tabulky, vzorové výpočty
č. měření
hmotnost pastilky m2=m2i
tvi
M2i
tvi korig. tvi
i
[g.mol-1]
m2i [g]
[g]
1A
2A
3A
4A
rozpouštědlo m1 (CCl4) =
tv0 (CCl4) =
 M2 =
Pozn.: m2 a korig. tv ve vzorci (1) je počítáno kumulativně jako součet příspěvků jednotlivých tablet
dané látky
4) Závěr - obsahuje označení měřeného vzorku s průměrnou molární hmotností zaokrouhlenou na
celé číslo
4
Úloha č. 2: Fázová rovnováha soustavy fenol - voda a fenol - kresol - voda
Teoretická část
Obecné podmínky fázové rovnováhy jsou dány Gibbsovým fázovým zákonem:
f v  k 2
kde:
(1)
f - značí počet fází
v- počet stupňů volnosti
k - počet složek
Dvousložková soustava tvořená dvěma omezeně mísitelnými kapalinami (tvořící 2 fáze) má
dva stupně volnosti. Zvolíme-li konstantní tlak, sníží se počet stupňů volnosti o 1 (změna tlaku nemá
vliv). Se změnou teploty se mění, jako závislá stavová proměnná, složení koexistujících fází (konjugovaných roztoků). Dvoufázová oblast se dá vymezit rozpustnostní křivkou, která ukazuje závislost
složení konjugovaných roztoků na teplotě. Ta se zjišťuje měřením teplot, při nichž právě vzniká nebo
zaniká rozhraní mezi oběma kapalnými fázemi v soustavách s různým celkovým složením. Rozpustnostní křivka má maximum resp. minimum, nebo obojí. Teplota a složení určené souřadnicí extrémního bodu křivky se nazývají kritická teplota resp. kritická koncentrace. Při teplotách nad maximem
resp. pod minimem jsou obě kapaliny dokonale mísitelné.
Pracovní postup
Předložte ke kontrole výpočty hmotnosti přídavků vody k 10 g fenolu.
Do zkumavky, ve které provádíme měření, odvážíme 10 g fenolu a přidáme tolik destilované
vody, aby její koncentrace ve směsi byla 30 hmotnostních procent. Potom zkumavku s teploměrem a
míchadlem dáme do velké kádinky s vodou, kterou pozvolna zahříváme na vařiči a neustále mícháme. Zpočátku můžeme ohřívání (chlazení) urychlit přiléváním teplé (studené) vody. Optimální rozdíl
teploty systému a vnější lázně je 5 – 10 0C. Odečítáme teplotu, při níž se vytváří jediná fáze (při zahřívání zmizí zákal) a teplotu, kdy opět vznikne druhá fáze (při chladnutí se objeví zákal). Liší-li se
obě hodnoty teplot o více než 1 0C, opakujeme měření s menší rychlostí změny teploty. Z naměřených hodnot teplot zakalení a vyčeření vypočteme průměr. Do zkumavky postupně přidáváme destilovanou vodu, aby její koncentrace rostla po 5 hmot. procentech až do obsahu 90 hmot.% vody ve
fenolu.
Obdobným způsobem postupujeme i při určování fázové rovnováhy soustavy fenol-kresolvoda. Při tomto stanovení navažujeme 9 g fenolu a 1 ml kresolu (simulujeme tím znečistění fenolu
kresolem). Destilovanou vodu přidáváme ve stejných hmot.% jako v prvém případě. Po proměření
5
všech směsí u obou soustav sestrojíme fázové diagramy, z nichž určíme kritickou teplotu a kritické
složení.
Pozn.: Při práci s fenolem a kresolem pozor na poleptání! Rozsypané chemikálie okamžitě utírat
mokrým hadrem, láhve ihned uzavírat (hygroskopičnost, jedovaté a páchnoucí výpary). Pozor na
nebezpečí rozbití teploměru či zkumavky při neopatrném míchání.
Protokol obsahuje
1) Teoretickou část
2) Stručný popis experimentálních prací
3) Tabulku naměřených hodnot, vzorové výpočty
č.m
hmot.%
vody ve směsi
100.wvoda
I. soustava fenol - voda
mvoda ve směsi molár.zlomek
[g]
vody ve směsi
xvoda
průměr.teplota
fáz. rovnováhy
[0C]
hmot.%
vody ve směsi
100.wvoda
II. soustava fenol - kresol - voda
mvoda ve směsi molár.zlomek
[g]
vody ve směsi
xvoda
průměr.teplota
fáz. rovnováhy
[0C]
č.m
4) Fázové diagramy: závislost průměrné teploty fázové rovnováhy na hmotnostní koncentraci vody u
obou soustav s určením kritické teploty a kritického složení (oba diagramy do jednoho grafu)
5) Totéž jako v bodě 4), jen místo hmotnostní koncentrace vynést na osu x molární zlomek vody ve
směsi
6) Závěr – vyjádřit kritické teploty a kritická složení, odečíst rozpustnost vody ve fenolu a fenolu ve
vodě při 25 0C, konstatování v jakých souřadnicích je křivka fázové rovnováhy symetričtější či
vhodnější pro odečet kritické teploty a kritického složení
6
Úloha č. 3:
Stanovení povrchového napětí stalagmometrickou metodou
Teoretická část
Povrchové napětí je efekt, při kterém se povrch kapalin chová podobně jako napnutá elastická fólie a snaží se dosáhnout co možná nejhladšího stavu s minimálním povrchem a napětím. Povrchové napětí je výsledkem vzájemné interakce přitažlivých sil molekul nebo atomů, z nichž se skládá
povrchová vrstva, působí v rovině povrchu kapaliny a klade odpor snaze zvětšit plochu jejího povrchu.
Jednotkou povrchového napětí  v soustavě SI je N.m-1. Jeho hodnota závisí na druhu kapaliny, na teplotě a na prostředí nad kapalinou. Povrchové napětí je také možno ovlivnit typem a množstvím rozpuštěné látky. Zatímco některé tzv. povrchově aktivní látky – mýdla, saponáty apod. povrchové napětí vody výrazně snižují již při nízkých koncentracích, jiné (např. iontové sloučeniny) povrchové napětí vody mírně zvyšují. S rostoucí koncentrací rozpuštěné látky roste i změna povrchového
napětí.
Metod ke stanovení povrchového napětí kapalin je celá řada. Nejznámější a nejčastěji používané jsou: metoda kapilární elevace, metoda odtrhávací, metoda maximálního přetlaku bublin a metoda stalagmometrická.
Stalagmometr je tlustostěnná dole zabroušená kapilára. Měření spočívá ve zjištění hmotnosti
kapky, která se na jejím konci utvoří. V okamžiku odtržení kapky je její tíha rovna síle povrchového
napětí působícího na obvodu trubice s kapilárou:
2 r   m g ,
(1)
kde m značí hmotnost kapky, g gravitační zrychlení a 2 r vnější obvod trubice. Pro dvě různé kapaliny, označené indexy 1 (vzorek) a 2 (voda) tedy platí:
2 r  1  m1 g
odtud
 1 m1

 2 m2
a
2 r  2  m2 g
(2)
(3)
Při vlastním experimentu zjišťujeme vážením hmotnost přesně stanoveného počtu kapek, zpravidla
10 – 20.
Úkol: Pomocí stalagmometrické metody stanovte závislost povrchového napětí roztoků NaCl na
koncentraci soli a dále určete, jak závisí povrchové napětí vodného roztoku povrchově aktivní látky
(jaru) na její koncentraci.
7
Pracovní postup:
K práci používáme 2 stalagmometry, přičemž s jedním měříme roztoky NaCl o koncentracích
1, 2, 3, 4 a 5 mol/dm3 a se druhým roztoky jaru. Polohu stalagmometrů umístěných ve stojanech
neměníme.
1.
Na vahách s přesností 10-3 g zvážíme všech 12 váženek i s víčkem. Před započetím práce musí
být váženky suché a čisté.
2.
Kádinku propláchneme destilovanou vodou, nalijeme do ní vodu, umístíme ji pod ústí stalagmometrické trubice a pomocí pipetovacího balonku nasajeme vodu nad rysku 0 až do zásobní
baničky (voda ani roztoky se nikdy nesmí dostat do styku s tukem v kohoutu!). Potom vodu ze
stalagmometru pomocí pipetovacího balonku vytlačíme do kádinky a vylijeme. Totéž zopakujeme ještě jednou.
3.
Do kádinky dáme novou destilovanou vodu a nasajeme ji do stalagmometrické trubice jako
v předchozím odstavci. Když je hladina vody v baničce nad stupnicí stalagmometru, kohout uzavřeme a pak otočíme do polohy, která spojuje trubici s atmosférou. Sledujeme hladinu vody ve
stalagmometru a v okamžiku, kdy klesající hladina projde kolem rysky 0, vsuneme pod její ústí
zváženou váženku a necháme do ní samovolně odkapat 15 kapek (nutno přesně počítat!). Váženku uzavřeme víčkem. Celé stanovení opakujeme ještě jednou. Zbývající vodu z trubice vytlačíme do kádinky a vylijeme.
4.
Uvedený postup (bod 3.) opakujeme pro všechny měřené roztoky počínaje vzorkem o nejnižší
koncentraci. Proplachování kádinky a stalagmometru neprovádíme destilovanou vodou, ale vždy
příslušným roztokem, jehož povrchové napětí bude právě zjišťováno.
5.
Zvážíme všechny váženky se vzorky. Váženky pak umyjeme, opláchneme destilovanou vodou a
vysušíme.
6.
Stalagmometr 5 krát propláchneme destilovanou vodou.
7.
Naměřené a vypočtené hodnoty zaznamenáváme do tabulky. Povrchové napětí vzorku 1 určíme
podle vztahu (3), povrchové napětí vody 2 odečteme interpolací z přiloženého grafu pro teplotu, při které bylo měření prováděno.
8.
Roztoky jaru proměříme stejným způsobem podle bodů 1. – 7. Z promíchaného zásobního roztoku jaru o koncentraci 1 g/dm3 připravíme další 4 vzorky tak, že do odměrných baněk 25 cm3
8
napipetujeme zásobní roztok podle rozpisu v následující tabulce, doplníme po rysku destilovanou vodou a vypočteme koncentraci v g/dm3.
roztok číslo
1
2
3
4
5
objem zásobního roztoku jaru (cm3) /
25 ml odměrné baňky
5
10
15
20
25
Zdroje chyb:
-
nedokonale vyčištěný stalagmometr
-
znečištěné nebo poškozené ústí trubice stalagmometru s kapilárou a nepřesně ustavená svislá
poloha přístroje
-
změny teploty mezi měřením vody a vzorku. Kapka vody se v povrchové vrstvě rychle odpařuje a tím ochlazuje. Povrchová vrstva vody s jarem brzdí odpar a snížení teploty je menší.
Protokol obsahuje:
1. Teoretickou část
2. Stručný popis experimentálních prací
3. Povrchové napětí vody 2 odečtené z grafu při konkrétní laboratorní teplotě
4. Tabulku I obsahující údaje pro roztoky NaCl a destilovanou vodu, vzorové výpočty
Číslo
váženky
m váženky
[g]
m váženky
s 15 kapkami
[g]
m 15 kapek
[g]
1
koncentrace
NaCl
[mol/dm3]
voda (0)
2
voda (0)
3
1
4
1
5
2
6
2
7
3
8
3
9
4
10
4
11
5
12
5
povrchové
Průměr

napětí 
[10-3 N/m]
odečteno z grafu při
t = ….. [0C ], 2 =…..
9
5. Tabulku II s hodnotami pro roztoky jaru a vody, vzorové výpočty
Číslo
váženky
m váženky
[g]
m váženky
s 15 kapkami
[g]
m 15 kapek
[g]
1
koncentrace
jar
[g/dm3]
voda (0)
2
voda (0)
povrchové
průměr
napětí
[10-3 N/m]
odečteno z grafu při
t = ….. [0C ], 2 =…..
…..
12
6. Graf I závislost povrchového napětí na koncentraci NaCl
7. Graf II závislost povrchového napětí na koncentraci jaru
8. Závěr: Srovnání vlivu NaCl a jaru na povrchové napětí vody
10
p o v rc h o v é n a p ě tí [1 0 -3 N /m ]
Závislost povrchového napětí vody na teplotě
73,2
73,1
73
72,9
72,8
72,7
72,6
72,5
72,4
72,3
72,2
72,1
72
71,9
71,8
71,7
71,6
71,5
71,4
71,3
71,2
71,1
71
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
teplota [0C]
11
Úloha č. 4: Měření refrakce systému benzen-metanol
Teoretická část
Měření indexu lomu refraktometrem se zakládá na zjištění mezního úhlu lomu max, pro který
platí podle Snellova zákona:
sin max 
kde:
n1
n2
(1)
n1 - index lomu měřeného prostředí
n2 - index lomu skla použitého pro hranol refraktometru
Index lomu je závislý na délce vlny procházejícího světla, na teplotě a na tlaku. Na teplotě a
na tlaku (hustotě) je pro danou vlnovou délku nezávislá měrná refrakce daná výrazem:
R
kde:
n2  1 1

n2  2 
(2)
n - index lomu prostředí
 - hustota prostředí  
1
wM wB

M B
Měrná refrakce má u směsi aditivní charakter, tj. mění se lineárně se složením:
R  R M w M  RB 1  w M 
kde:
(3)
RM, RB - měrné refrakce čistých složek metanolu a benzenu
mM
wM - hmotnostní zlomek metanolu ve směsi w M 
m M  mB
Podle vztahu (3) lze vypočítat buď refrakci směsi nebo naopak ze zjištění měrné refrakce
vypočítat složení směsi. K refraktometrickému zjišťování složení směsi se v praxi používá často závislost indexu lomu na složení. Protože závislost n = f ( c ) není lineární, nutno sestrojit kalibrační
křivku, která však platí jen pro danou teplotu a vlnovou délku procházejícího (použitého) světla. Pro
čisté látky definujeme též tzv. molární refrakci Rm, která je dána součinem měrné refrakce a molární
hmotnosti dané látky. Tato molární refrakce je veličinou konstitutivní a lze ji teoreticky spočítat jako
součet atomových refrakcí atomů skládajících molekulu s korekcí pro různé vazebné typy. U silně
polárních látek aditivita neplatí zcela přesně.
12
Pracovní postup
Předložte ke kontrole tabulku výpočtů objemů pro přípravu směsí metanolu a benzenu.
Připravíme 9 binárních roztoků metanolu v benzenu o přesně známém složení tak, aby molární zlomek metanolu xM byl 0,1; 0,2; ...0,9 - a celkový objem každé směsi 5 ml (viz údaje o složkách
v tabulce).
látka
M [g.mol-1]  [g.ml-1]
metanol
32,04
0,7923
benzen
78,12
0,8786
VM 
Vm 1 molu [ml]
40,4
88,9
x M  VmM
5
x M  VmM  x B  VmB
(4), (5)
VB 
x B  VmB
5
x M  VmM  x B  VmB
Vypočítaný objem složek metanolu a benzenu (podle vztahu (4) a (5)) pro jednotlivé směsi
odpipetujeme přímo do zkumavky postavené v kádince na předvážkách a zvážíme s přesností 10-2g.
Zkumavky musí být zazátkované, aby nedocházelo k odpařování metanolu a benzenu. Do zkumavky
č. 1 dáme čistý benzen (cca 5 ml) a do zkumavky č. 11 čistý metanol (cca 5 ml).
Před započetím experimentálních prací musí být použité sklo zcela suché. Přítomná voda by
výrazně a nekontrolovatelně snížila index lomu směsí a to by znehodnotilo kalibrační křivku závislosti indexu lomu na složení binárních roztoků.
Měření indexu lomu provádíme při teplotě 25 0C, která je udržována pomocí termostatu. Na
počátku experimentu změříme nejprve čistý benzen, potom jednotlivé směsi s rostoucím zastoupením
metanolu a na závěr zjistíme index lomu čistého metanolu. Plnění vzorku do refraktometru provádíme pomocí injekční stříkačky (postačuje přibližně 2 ml měřené kapaliny) po předchozím vytlačení
bublin ze stříkačky a jehly. Každé měření provádíme 2x.
Pozn.: Hranol přístroje před každým měřením dokonale očistíme a osušíme. Štěrbina hranolu musí
být zcela zaplněna vzorkem bez bublin.
Sklo po metanolu a benzenu (i jejich směsi) nevymýváme vodou!
13
Odpadní rozpouštědla nevyléváme do výlevky, ale do odpadní láhve! Pozor, jehlu na injekční
stříkačce při vystříknutí zbytku směsi do odpadní láhve přidržte, aby tlakem nespadla dovnitř.
Protokol obsahuje
1. Teoretickou část
2. Stručný popis experimentu
3. Tabulku naměřených hodnot, vzorové výpočty
č.
1.
2.
VM
[ml]
0
mM
[g]
0
VB
mB
wM
nM
nB
xM
[ml] [g] hm.zl [mol] [mol] mol.zl.
čistý čistý
0
0
--0
11. čistý čistý
0
0
1
--0
1
m
m
nM
nB
kde: nM  M n B  B x M 
xB 
 1  xM
MM
MB
nM  nB
n B  nM
xB
index
mol.zl lomu n
1

[…]
R
[…]
0
4. Graf závislosti indexu lomu n na molárním zlomku metanolu xM
5. Graf závislosti měrné refrakce R vypočtené z rov. (2) na hmotnostním zlomku metanolu ve směsi
wM
6. Závěr
14
Úloha č. 5: Rovnováha kapalina - pára
Teoretická část
Údaje o rovnováze kapalina - pára binárních a vícesložkových systémů jsou důležité při navrhování destilačních kolon. U reálných systémů nelze tuto rovnováhu vypočítat podle Rauoltova zákona, ale je nutno stanovit ji experimentálně. K tomuto účelu se používá různých zařízení, např.
Othmerova přístroje viz obr.
 předloha
Příprava směsí pro měření
Měří se 5 směsí o koncentraci 10, 20, 40, 60 a 80 obj.% metanolu v benzenu. Celkový objem
směsi činí 50 ml a objemová % stačí odměřovat v čistém a suchém odměrném válci. (Pozor, rovnováha je silně ovlivněna přítomností vody v systému! Mění se rovnovážné teploty, složení fází i jejich
indexy lomu světla. Může dojít až ke vzniku heterogenního azeotropu.)
15
Vlastní měření
Před započetím práce provedeme kontrolu těsnosti zábrusových zátek a kohoutu, případně je
namažeme vazelínou. Do destilační baňky dáme 2 – 3 varné kaménky, abychom zabránili utajenému
varu. Opatrně pustíme chladící vodu, jejíž průtok během měření několikrát zkontrolujeme. Potom
naplníme destilační baňku přístroje 50 ml roztoku s nejvyšším obsahem benzenu, který uvedeme do
varu pomocí infralampy. Lampa nesmí svítit přímo na baňku s teploměrem, který by se přehříval. Na
rozpálenou lampu nesmí kápnout měřená směs ani voda, jinak hrozí nebezpečí prasknutí žárovky.
Vzniklé páry vstupují do parní trubice, dále do chladiče, odkud po úplné kondenzaci stéká
kapalina do předlohy. Jakmile první destilát u každé směsi naplní předlohu, vypneme topení, počkáme až se směs v baňce ochladí, pak odpustíme z předlohy asi polovinu kondenzátu a vrátíme zpět do
varné baňky, topení znovu zapneme. Další přitékající kondenzát se opět hromadí v předloze. Během
tohoto pochodu teplota neustále stoupá, což je způsobeno tím, že vroucí kapalina se ochuzuje o těkavější složku. Po naplnění předlohy se vrací nadbytečný kondenzát sifonkem zpět do destilační
baňky. Přitom teplota klesá. Po několikanásobné samovolné recirkulaci obsahu předlohy (cca 20
minut vaření, znovu nevypouštět) se dosáhne ustáleného stavu, ve kterém se složení kapaliny ve varné baňce a složení kondenzátu v předloze již v průběhu další destilace nemění. Tento stav je také
indikován ustálením teploty.
Když je rovnováha ustavena, odečte se na teploměru bod varu roztoku a vypne se topení. Po
mírném ochlazení (cca 3 minuty) se odeberou do zkumavek vzorky:
1. obsah předlohy (vzorek zkondenzované páry) se vypustí kohoutkem
2. bočním otvorem varné baňky se pipetou odebere cca 10 ml vzorku kapaliny, zbytek se odsaje
pipetou do odpadní láhve (ne do výlevky!)
Do prázdné destilační baňky se připraví nový vzorek a celý postup se opakuje (přidat nový
varný kamének). Složení roztoků stanovíme měřením indexu lomu směsi na refraktometru. K tomu je
však třeba sestrojit kalibrační křivku udávající závislost indexu lomu na složení roztoku, což je náplní
další úlohy v příštím nebo v předchozím laboratorním cvičení. Protokoly se odevzdávají najednou až
po proměření obou úloh.
16
Protokol obsahuje
1. Teoretickou část
2. Popis experimentu
3. Tabulka výsledků měření
č.m. obj.%
tV
nl
0
metanolu [ C] index lomu
ve směsi
kapaliny
ng
index lomu
páry
xM rovn. slož.
kapaliny
(mol.zl. CH3OH)
yM rovn. slož.
páry
(mol.zl. CH3OH)
4. Graf závislosti yM na xM a stanovení složení azeotropu (tzv. x-y fázový diagram - čtverec)
5. Graf závislosti tV na xM, yM (tj. na složení směsi) a určení teploty varu azeotropu (tzv. izobarický
fázový diagram reálného systému kapalina - pára). Pro sestrojení grafu je potřeba znát hodnoty
teploty varu čistého benzenu a metanolu (viz tabulky)
6. Závěr - složení a teplota azeotropu, posouzení správnosti rovnovážných teplot z odhadu extrapolací k b.v. benzenu a metanolu, porovnání s tabulkovými hodnotami
17
Úloha č. 6: Stanovení neutralizačního tepla kalorimetricky
Teoretická část
Při
H 
0
298 neutr.
neutralizaci
silných
kyselin
silnými
zásadami
je
změna
entalpie
 57,4 [kJ  mol 1 ] . Při neutralizaci slabých kyselin resp. slabých zásad se spotřebuje
určité množství energie na jejich disociaci a proto je výsledné množství tepla, které se uvolní při jejich neutralizaci, menší o hodnotu tepla disociačního. Smísíme-li kyselinu se zásadou, roztok se
nejdříve zřeďuje a výsledný tepelný efekt (uvolněné teplo Q) je dán součtem tepla zřeďovacího
(-H)zřeď. a tepla neutralizačního (-H)neutr.:
Q   H  ( H zůůe . )  ( H neutr. )
(1)
Celkové množství uvolněného tepla Q zjistíme v kalorimetru ze vzestupu teploty podle vztahu:
Q  H  C  T2
kde:
(2)
T2 - vzestup teploty
C - tepelná kapacita kalorimetru - udává množství tepla potřebného k zahřátí kalorimetrické
soustavy o 10C
Tepelnou kapacitu kalorimetru C stanovíme tak, že změříme vzestup teploty v kalorimetru
T1 po dodání známého množství elektrické energie:
C
kde:
I  E t
T1
[J/K]
(3)
I - proudová intenzita [A]
E - napětí na svorkách zdroje [V]
t - doba průchodu proudu [s]
Praktická část
Aparatura včetně schéma zapojení je znázorněna na obr. Jako kalorimetr používáme Dewarovu nádobu. V zátce nádoby je upevněn teploměr, odporové topení ve skleněném obalu, skleněné
míchadlo a vyfukovací pipeta. Topení je připojeno ke zdroji stejnosměrného proudu - napětí 12 V.
Před vlastním měřením musí asistent zkontrolovat správnost zapojení elektrických měřících přístrojů.
18
Pracovní postup
1. Příprava roztoku NaOH a zjištění skutečné koncentrace kyselin a zásady
Asistent ve cvičení stanoví, jaké množství roztoku 0,1 M - NaOH je třeba připravit (0,5, 1
nebo 2 litry). Tímto roztokem naplníme byretu. Hydroxid navažovat v lodičce na předvážkách
(vzhledem k hygroskopičnosti NaOH navažujte přibližně o 10 až 15 hmot.% více), rozpouštět přímo
v odměrné baňce, po rysku doplnit až po dokonalém rozpuštění.
2. Zjištění počtu ekvivalentů používaných při neutralizaci
Do titrační baňky napipetujeme 1 ml 2M kyseliny chlorovodíkové, přidáme 10 ml destilované
vody a ztitrujeme 0,1M hydroxidem sodným na fenolftalein. Jelikož při vlastním měření bude ve vyfukovací pipetě 30 ml kyseliny, naplníme kalorimetr odpovídajícím ekvivalentním množstvím hydroxidu, jehož skutečnou koncentraci stanovíme titrací kyselinou šťavelovou známé koncentrace.
Hydroxidem ztitrujeme 10 ml 0,1M kys. šťavelové (je již připravena u úlohy) odpipetované
do titrační baňky s indikátorem fenolftalein do trvalého slabě růžového zbarvení. Tím stanovíme skutečnou koncentraci připraveného cca 0,1M hydroxidu sodného.
19
3. Stanovení tepelné kapacity kalorimetru C - výpočet ze vztahu (3)
Poněvadž ve vyfukovací pipetě zůstane vždy po vyfouknutí určité množství roztoku, naplníme ji několika ml měřené kyseliny chlorovodíkové a vyfoukneme do výlevky.
Do vyfukovací pipety dáme 30 ml 2M HCl pomocí injekční stříkačky a Dewarovu nádobu
naplněnou odpovídajícím množstvím 0,1M hydroxidu uzavřeme zátkou s příslušenstvím.
V následujících 5-ti minutách pravidelně promícháváme hydroxid v kalorimetru a měříme samovolné
změny teploty, k nimž dochází výměnou tepla s okolím. Teplotu odečítáme na teploměru v 0,5 minutových intervalech.
Na konci 5-té minuty zapneme proud, odečteme hodnotu proudu (I) a napětí (E) na svorkách
baterie, přičemž stále každé 0,5 minuty zaznamenáváme teplotu a sledujeme údaje na obou elektrických měřících přístrojích. Dobu zahřívání (tj. průchodu proudu) volíme tak, aby vzestup teploty byl
cca 20C (T1). Během měření stále hydroxid v kalorimetru rovnoměrně mícháme. Po vypnutí proudu
zaznamenáváme ještě dalších 5 minut (v 0,5 minutových intervalech) za stálého míchání teplotu
v kalorimetru (topná spirála i teploměr mají tepelnou setrvačnost a je třeba počkat na vyrovnání jejich teploty s teplotou ohřívaného roztoku).
4. Stanovení celkového tepelného efektu v kalorimetru H - výpočet ze vztahu (2)
Po ustálení teploty dle bodu 3 vyfoukneme z pipety kyselinu do roztoku hydroxidu, směs
promícháváme a opět v 0,5 min. intervalech sledujeme průběh teploty tak dlouho až se již dále nemění (T2). Potom zneutralizovaný roztok z kalorimetru vylijeme.
5. Stanovení zřeďovacího tepla Hzřeď = -C . T3
(4)
Do kalorimetru odměříme tolik ml vody, kolik jsme použili v předešlém stanovení ml roztoku
NaOH (zachování tepelné kapacity kalorimetru). Do vyfukovací pipety dáme opět 30ml 2M- HCl.
Po uzavření kalorimetru a vyrovnání teploty postupujeme stejně jako v bodě 4 (nezahříváme topením). Teplotní změna při vyfouknutí kyseliny do vody je malá, proto je nutno míchat a pečlivě sledovat teplotu dlouho před smícháním i po něm.
6. Při stanovení neutralizačního tepla slabé kyseliny 2M-CH3COOH postupujeme zcela stejným
způsobem - opakujeme bod 2 - 5.
20
Protokol obsahuje
1. Teoretickou část
2. Princip měřící metody se schématem zařízení
3. Tabulky závislosti teploty na čase, s popisem jednotlivých měřících operací
samovolné změny
t [min]
0
T [ C]
0,0
0,5
zahřívání
ustálení teploty
t [min]
0
T [ C]
….
5,0
…..
5,5
……
přídavek kyseliny
t [min]
0
T [ C]
t [min]
T [0C]
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…..
…...
…..
……
4. Grafy závislostí teploty na čase zahrnující teplotu od začátku až po konec měření s popisem, vyznačením a hodnotami odečtených teplotních rozdílů T1 = …, T2 = …..
5. Tabulky závislosti teploty na čase při stanovení zřeďovacího tepla
samovolné změny
přídavek kyseliny
ustálení teploty
t [min]
T [0C]
t [min]
T [0C]
t [min]
T [0C]
0,0
….
5,0
…..
…..
…..
0,5
…..
5,5
…..
…..
…..
……
……
6. Výpočet tepelné kapacity kalorimetru C podle vztahu (3)
7. Výpočet celkového množství uvolněného tepla Q (podle vztahu (2)), extenzívního zřeďovacího
tepla (-H)zřeď (ze vztahu (4)) a neutralizačního tepla (-H)neutr. (ze vztahu (1)) daných množství
měřených kyselin
8. Výpočet počtu molů neutralizovaných kyselin a louhu
9. Výpočet molárního zřeďovacího a neutralizačního tepla měřených kyselin (přepočíst tepla ze 30
ml cca 2 M kyselin na jejich tepla molární, tj. na 1 litr 1M kyseliny)
10. Závěr - porovnání výsledků mezi sebou pro obě kyseliny s teoretickým předpokladem, diskuse
možných příčin chyb
21
Úloha č. 7: Třísložkový systém - vzájemná rozpustnost složek:
voda, kyselina octová, toluen
Teoretická část
Vzájemnou rozpustnost složek při konstantní teplotě a tlaku v třísložkovém systému můžeme
nejlépe vyjádřit grafickou metodou v rovnostranném trojúhelníkovém diagramu viz obr.
Vrcholy trojúhelníkového diagramu představují čisté složky, strany izobaricko-izotermní
dvousložkový systém. Body na stranách odpovídají binárním směsím a udávají jejich koncentraci, tj.
v konkrétním případě jde o hmotový či molární zlomek nebo hmotová či molární % příslušných složek této směsi. Každý bod uvnitř trojúhelníkového diagramu odpovídá ternární soustavě a určuje
koncentrace všech tří složek. Křivka v diagramu rozpustnosti představuje meze rozpustnosti
v třísložkovém systému. Body, ve kterých protne stranu trojúhelníku, vyjadřují meze rozpustnosti
dvousložkového systému.
Procentuelní obsah složky A v libovolné směsi, jejíž složení vyjadřuje bod M uvnitř diagramu
se určuje:
1. buď kolmou vzdáleností bodu M od strany protilehlé vrcholu A (úsečka MN)- čára AN představuje 100% složky A, vzdálenost MN její skutečnou koncentraci
2. nebo lépe úsekem OB strany trojúhelníka (tj. průmětem NM do strany BA). V bodě A je 100%
čisté složky A a směrem k bodu B její procentuelní zastoupení ve směsi ubývá. Bod M obsahuje
v našem případě pouze 20% složky A, což zjistíme tím způsobem, že bodem M vedeme čáru rovnoběžnou se stranou trojúhelníka BC (strana naproti vrcholu čisté složky A) a kde nám tato rovnoběžka protne stranu AB, získáme bod O, určující zastoupení složky A ve směsi. Obdobně vedeme bodem M rovnoběžky se zbývajícími dvěma stranami trojúhelníku a získáme zastoupení složek B a C ve směsi.
22
Součet vzdáleností, které představují procentuelní obsahy jednotlivých složek ve směsi je konstantní
a dosahuje hodnoty 100%. V ternárním diagramu je koexistenční oblast dvou kapalných (tzv. konjugovaných) fází při dané teplotě ohraničena křivkou nazývanou binodální. Průběh binodální křivky
v třísložkovém diagramu se určuje přípravou řady roztoků dvou mísitelných kapalin a titrací těchto
směsí třetí složkou do vzniku druhé konjugované fáze. Složení takto získané ternární směsi odpovídá
bodu na binodální křivce. Dva rovnovážné body spojuje tzv. spojovací přímka neboli konoda. Konody obecně nemusí být rovnoběžné, resp. kritický bod zcela přesně na „vrcholu“ binodály.
Pracovní postup
Předložit vypočtené objemy kyseliny octové a vody pro přípravu binárních směsí.
Na předvážkách s přesností 10-1 g navážíme do 100 ml Erlenmayerových baňek se zabroušenou zátkou 9 binárních směsí látek A (vody) a C (kys. octové). Každou směs připravíme v množství
25 ml a jejich koncentrace se pohybuje v rozsahu od 50 do 90 obj.% kyseliny octové ve vodě po
5%. Směs titrujeme složkou B (toluen) do slabého bílého zákalu (vznik druhé konjugované fáze).
Během celého měření je nutno po každém přidání složky B směsí silně třepat. Při třepání se dostanou
do roztoku bublinky vzduchu, které nesmí být pokládány za druhou fázi! Bublinky se snáze tvoří,
když systém začíná být nasycen toluenem a zejména když už je toluenová fáze přítomná. Důležité je
titrovat malými přídavky, po protřepání počkat až zmizí bublinky vzduchu a zakalení v systému pozorovat při vhodném bočním osvětlení proti tmavé podložce.
23
Pozn.: 1. Pro lepší orientaci nejprve měřte roztok 70 obj.% kys. octové na 30 obj.% vody a ztitrujte
toluenem. Spotřeba se při této koncentraci pohybuje v rozmezí 1 až 1,5 ml toluenu.
2. Směsi připravujte do suchých a chladných baněk.
3. Kyselina octová leptá umakart a ostře čpí. Vylitou kyselinu okamžitě utřete mokrým hadrem a zásobní láhev zavírejte zátkou. Po navážení série koncentrací kyseliny octové pipetu
ihned propláchněte vodou.
4. Veškeré sklo po ukončení měření je nutno vysušit v sušárně a páry odsát vodní vývěvou.
Protokol obsahuje
1. Teoretickou část
2. Stručný popis experimentu
3. Tabulku naměřených a vypočtených hodnot, vzorové výpočty
směs obj.%
číslo kys. oct.
ve vodě
kyselina octová
[ml]
[g]
hm.% [ml]
voda
toluen
[g] hm.% [ml] [g]
hm.%
celková
hmotnost
směsi
[g]
4. Trojúhelníkový diagram rozpustnosti v systému voda (A) – toluen (B) – kyselina octová (C)
5. Závěr – vyhodnotit od kolika obj.% kyseliny v roztoku nastává neomezená mísitelnost vody a toluenu s kyselinou octovou
24
Úloha č. 8: Hustota
Teoretická část
Hustota  je hmotnost objemové jednotky látky a vyjádříme ji vztahem:

kde:
m
V
[kg.m-3, g.cm-3]
(1)
m - hmotnost měřené kapaliny
V - objem kapaliny v pyknometru
Hustotu kapaliny určíme nejsnáze tak, že zjistíme hmotnost kapaliny, která zaujímá objem
vhodné nádobky (pyknometru). Objem pyknometru zjistíme kalibrací čistou destilovanou vodou,
jejíž hustotu odečteme z tabulky:
Hustota odvzdušněné vody při tlaku 101,325 kPa (vážením ve vakuu, bez vztlaku vzduchu):
teplota vody [0C]
hustota [kg.m-3]
0
999,87
3,7
1000,00
10
999,73
15
999,13
20
998,23
25
997,08
30
995,68
Praktická část
Vzhledem k nedostatku času bude u úlohy vždy připraven pyknometr již čistý a suchý. Jinak
jej musíme vymýt propláchnutím destilovanou vodou, potom alkoholem a vysušit v sušárně. Pyknometr ze sušárny vyjmeme a za horka provedeme odsátí par pomocí vodní vývěvy.
Čistý a suchý pyknometr zvážíme se zátkou na analytických vahách s přesností 10-4 g a zapíšeme si číslo pyknometru i zátky. I když stupnice pyknometru není označena, obsahuje zpravidla
šedesát dílků. Za nulu považujeme nejnižší velký dílek na spodním začátku stupnice. Zvážený pyknometr naplníme pomocí injekční stříkačky (bez bublin) vzorkem, jehož hustotu máme změřit, do
libovolné výšky stupnice kapiláry opatrně, aniž ji potřísníme, resp. vysajeme kapky špejlí. Pyknometr
umístíme na 15 minut do termostatu vytemperovaného na 25 0C. Po vytemperování co nejrychleji
25
odečteme polohu menisku, pyknometr osušíme a zvážíme na analytických vahách. Potom opět injekční stříkačkou odsajeme vzorek a vrátíme jej do zásobní láhve.
Pro sestrojení kalibračního grafu postupujeme takto: pyknometr propláchneme 2-3 krát destilovanou vodou a opět jej (bez vzduchových bublin) naplníme tak, aby hladina vody byla mezi 0 až
10-tým dílkem od spodního konce stupnice. Pak jej umístíme do termostatu a pokračujeme stejně
jako při měření vzorku, jak je popsáno výše. Potom injekční stříkačkou zvýšíme hladinu vody tak,
abychom provedli přibližně 5 měření v různých místech po celém rozsahu stupnice s opětovnou temperací, odečítáním polohy menisku, osušením a zvážením pyknometru.
Z experimentálně naměřených hodnot sestrojíme kalibrační graf - přímku závislosti objemu
vody v pyknometru (osa y) na dílcích stupnice celého rozsahu pyknometru (zpravidla 0 – 55 dílek)
(osa x). Na něm vyznačíme a odečteme objem odpovídající zjištěnému počtu dílků při měření neznámého vzorku a podle rovnice (1) vypočítáme jeho hustotu.
Protokol obsahuje
1. Teoretickou část
2. Stručný popis experimentu
3. Tabulku naměřených hodnot, vzorové výpočty
č.m.
dílky hmotnost pyk- hmotnost
d
nometru
pyknometru
s vodou
mp [g]
mpv [g]
hmotnost
vody
mv [g]
objem vody
v pyknometru
V [cm3]
4. Kalibrační graf - závislost objemu vody na dílcích stupnice pyknometru s odečtením objemu neznámého vzorku a číslem pyknometru a zátky
5. Závěr - hustota neznámého vzorku s přesností 10-4 g.cm-3
26
27