ETK 501 KEMIAN TYÖT 2017

ETK 501 KEMIAN TYÖT 2017 HELSINGIN YLIOPISTO MAATALOUS-METSÄTIETEELLINEN TIEDEKUNTA ELINTARVIKE- JA YMPÄRISTÖTIETEIDEN LAITOS ELINTARVIKEKEMIA

1 SISÄLTÖ 1. YLEISIÄ OHJEITA 4 1.1. KURSSIA KOSKEVAT JÄRJESTYSSÄÄNNÖT 4 1.2. OHJEITA TAPATURMIEN VÄLTTÄMISEKSI 5 1.3. PALOTURVALLISUUS 6 1.4. ENSIAPU 7 1.5. HENKILÖKOHTAISET SUOJAIMET 8 1.6. KEMIKAALIEN VAROITUSMERKIT 9 2. EPÄORGAANISEN KEMIAN TYÖVÄLINEISTÄ JA -MENETELMISTÄ 10 2.1. LASITAVARAT 10 2.2. MITTA-ASTIAT JA NIIDEN KÄYTTÖ 13 2.3. LASITAVAROIDEN PUHDISTUS 17 2.4. MUUT VÄLINEET 17 2.5. MITTALAITTEET 17 2.5.1. VAA AT 17 2.5.2. ph-mittaus JA ELEKTRODIT 18 3. REAGENSSEISTA 21 3.1. PUHTAUSASTE 21 3.2. REAGENSSIEN NIMISTÖSTÄ SEKÄ HAPPOJEN JA EMÄSTEN VÄKEVYYKSISTÄ 22 3.3. REAGENSSIEN KÄSITTELY 23 3.4. JÄTTEET 23 4. LIUOKSISTA 23 4.1. VESI 23 4.2. KONSENTRAATIO JA MOOLISUUS 24 4.4. PERUSLIUOSTEN LAIMENTAMINEN, MASSAPROSENTTI JA 25 TILAVUUSPROSENTTI 5. KVANTITATIIVINEN ANALYYSI 26 5.1. MITTA-ANALYYSI ELI TITRIMETRIA 27

2 6. SPEKTROSKOPIA 31 6.1. SÄHKÖMAGNEETTINEN SÄTEILY 31 6.2. UV-VIS-SPEKTROSKOPIA 32 6.2.1. SÄTEILYN ABSORPTIO 32 6.2.2. LAMBERT-BEERIN LAKI JA ABSORBANSSIN MITTAUS 34 6.2.3. SPEKTROFOTOMETRIN TOIMINTA 35 6.2.4. KVANTITATIIVINEN SPEKTROFOTOMETRINEN MÄÄRITYS 37 6.3. ATOMISPEKTROSKOPIA 38 6.3.1. ABSORPTIO- JA EMISSIOILMIÖT 38 6.3.2. LIEKKIFOTOMETRIA JA ATOMIABSORPTIOSPEKTROMETRIA 40 6.4. INFRAPUNASPEKTROSKOPIA, IR 42 6.4.1. SPEKTRIN SYNTY 42 6.4.2. IR-LAITTEET 43 6.4.3. NÄYTTEEN KÄSITTELY 44 6.4.4. IR-SPEKTRIN TULKINTA 45 7. ORGAANISEN KEMIAN TYÖMENETELMIÄ 47 7.1. LIUOTTIMIEN JA LIUOSTEN KUIVAUS 47 7.2. REAKTIOSEOKSEN JA TISLATTAVAN LIUOKSEN KUUMENTAMINEN 47 7.3. KEITTÄMINEN PALAUTUSJÄÄHDYTTÄJÄN KANSSA 48 7.4. TISLAUS 49 7.5. LIUOTTIMEN POISTO PÖYRÖHAIHDUTTIMELLA 50 7.6. UUTTAMINEN 52 7.7. LIUOSTEN PESEMINEN 53 7.8. UUDELLEENKITEYTYS 53 7.9. IMUSUODATUS BÜCHNER-SUPPILOLLA 54 8. KROMATOGRAFIA 54 8.1. ADSORPTIOKROMATOGRAFIA 55 8.2. PARTITIOKROMATOGRAFIA 56 8.3. IONINVAIHTOKROMATOGRAFIA 56 8.4. GEELIKROMATOGRAFIA 56 8.5. TEKNIIKAN MUKAINEN KROMATOGRAFIAN JAKO 57 8.5.1. SPE-TEKNIIKKA 57 8.5.2. PYLVÄSKROMATOGRAFIA 57 8.5.3. OHUTKERROSKROMATOGRAFIA 58 8.5.4. KAASUKROMATOGRAFIA 59 8.5.5. NESTEKROMATOGRAFIA 60 9. TYÖPÄIVÄKIRJA 61

3 HARJOITUSTYÖT TYÖ 1. EPÄORGAANISTEN IONIEN REAKTIOITA 62 TYÖ 2. RIKKIHAPON TITRAUS VÄRI-INDIKAATTORIN AVULLA 70 TYÖ 3. FOSFORIHAPON POTENTIOMETRINEN TITRAUS 74 TYÖ 4. MAA-ANALYYSI 78 TYÖ 5. KALIUMKLORIDIN MÄÄRITTÄMINEN IONINVAIHTOKROMATOGRAFISESTI 86 TYÖ 6. AMINOHAPPOJEN OHUTKERROSKROMATOGRAFINEN EROTTAMINEN JA TUNNISTAMINEN 90 TYÖ 7. ISOPENTYYLIASETAATIN VALMISTUS FISHERIN ESTERISYNTEESIN MUKAAN 95 TYÖ 8. NEILIKAN PÄÄAROMIAINEKOMPONENTTIEN ERISTÄMINEN JA IDENTIFIOINTI 98 TYÖ 9. KASVIPIGMENTTIEN ERISTÄMINEN JA ANALYSOINTI 101 TYÖ 10. ORGAANINEN ANALYYSI 107 LAATUJÄRJESTELMÄT 117 1. VAAKOJEN KALIBROINNIN TARKASTUS 117 2. FINNPIPETTIEN HUOLTO JA KALIBROINNIN TARKASTUS 117 3. ph-mittarit 118 4. UV/VIS-SPEKTROFOTOMETRIT 119 JÄTTEIDEN KÄSITTELY 120 ALKUAINEIDEN JAKSOLLINEN JÄRJESTELMÄ

4 1. YLEISIÄ OHJEITA Laitoksella on käytössä laatujärjestelmä, joka perustuu soveltuvin osin SFS-EN ISO/IEC 17025:2005-standardiin. Laatujärjestelmän osatekijöistä kuten henkilökunnasta, laitteista, menetelmistä, työohjeista ja kemikaaleista pidetään rekisteriä. 1.1. KURSSIA KOSKEVAT JÄRJESTYSSÄÄNNÖT Turvallisuussyistä ja laitoksen kaluston ja välineistön suojaamiseksi vahingoilta on laboratoriossa työskentelevien noudatettava alla esitettyjä sääntöjä. Niiden rikkomisesta voi aiheutua mm. määräaikainen työskentelyoikeuden menetys laboratoriossa sekä aiheutuneiden vahinkojen korvaaminen. 1. EE-talo on avoinna arkisin klo 7.45 16.00. 2. Laboratorioissa ja muissakin työskentelytiloissa on noudatettava huolellisuutta, varovaisuutta ja siisteyttä. Tähän liittyen on huomattava etenkin seuraavat seikat: Suojalasien käyttö on laboratoriossa pakollista. Syöminen ja juominen on harjoitustyösalissa kielletty. Herkästi syttyviä aineita ei saa käsitellä liekkien lähellä. Työvaiheet, joissa vapautuu huomattavia määriä myrkyllisiä tai pahalle haisevia kaasuja, on tehtävä vetokaapissa. Kemikaalijätteitä ei saa kaataa viemäreihin, vaan ne kerätään ohjeitten mukaan työsaleissa oleviin jäteastioihin. Kiinteitä aineita; paperia, tulitikkuja tms. ei viemäreihin saa heittää. Työpöytien pintoja on suojeltava liialta kuumenemiselta ja naarmuuntumiselta. Yli 100 C lämpöisiä esineitä ei saa pöydälle asettaa. 3. Laboratoriotyökerran päätyttyä tai laboratoriosta poistuttaessa on työhön kuuluvat välineet pantava paikoilleen ja työpaikka siistittävä. 4. Jonkin välineen tai kalusteen rikkoutuessa on siitä heti ilmoitettava henkilökunnalle. 5. Kemikaalien ja analyysiaineiden vieminen laboratoriotilojen ulkopuolelle on ehdottomasti kielletty. 6. Vieraiden oleskelu laboratorioissa ym. työskentelytiloissa on kielletty.

5 1.2. OHJEITA TAPATURMIEN VÄLTTÄMISEKSI Kemiallisessa työskentelyssä on turvallisuuden vuoksi aina muistettava: HARKINTA JA VAHINKOMAHDOLLISUUKSIEN SELVITTÄMINEN ENNEN KUTAKIN TYÖVAIHETTA ON PAREMPI KUIN PÄTEVINKÄÄN ENSIAPU VAHINGON JO TAPAHDUTTUA! Tapaturmien välttämiseksi Järjestys ja siisteys työpaikalla lisäävät työturvallisuutta. Kemikaaleja sisältävissä astioissa on oltava selvät nimilaput erehdysten välttämiseksi. Kaikki töissä tarvittavat laitteet, reaktioastiat yms. on rakennettava huolellisesti ja riittävän tukeviksi. Tislauslaitteet ja reaktioastiat, joita lämmitetään tai joissa tapahtuu kaasun kehitystä, eivät saa olla kokonaan suljettuja. Ohutlasiset tasapohjaiset astiat (esim. erlenmeyerkolvi) eivät kestä vakuumia. Ennen töiden aloittamista on tarkastettava, ettei lasiastioissa ole säröjä. Kiehumakiviä ei saa panna jo kuumennettuun nesteeseen. Väkevää rikkihappoa laimennettaessa on happo kaadettava veteen eikä päinvastoin. Ennen töiden aloittamista on otettava selville, missä on lähin palosammutin, sammutuspeite, hätäsuihku, ensiapukaappi ja poistumisreitti. TAPATURMASTA ON ILMOITETTAVA VÄLITTÖMÄSTI LAITOKSEN HENKILÖ- KUNNALLE, VAIKKA TAPATURMA EI ALUKSI NÄYTTÄISIKÄÄN VAARALLI- SELTA. HÄTÄTILANTEESSA SOITETAAN AINA 112.

6 1.3. PALOTURVALLISUUS Tulipalo voi syttyä, kun läsnä on palava aine, hapettava aine ja sytytyslähde. Laboratoriossa säilytetään usein syttymisherkkiä ja tulenarkoja aineita, joiden käsittelyssä on noudatettava erityistä varovaisuutta. Hapettava aine on yleensä ilman happi ja sytytyslähteenä voivat toimia tulitikut, bunsenliekki, sähkölevyt ja hauteet. Tulipalon syttyessä Pelasta mahdolliset uhrit Pyri sammuttamaan tuli alkusammutusvälineistöllä Jos sammutus ei onnistu, soita heti 112 ja hälytä palokunta Estä tulen leviäminen sulkemalla ikkunat, ovet, vetokaapit, tuulettimet Ohjaa palokunta paikalle Alkusammutusvälineet Sammutuspeite (tai työtakki) Käytetään hapensaannin estämiseksi palavien vaatteiden, pienten liuotinpalojen ja laboratoriolaitteiden sammutuksessa. Sammuttimet Käytetään, jos tulta ei saada tukahdutettua sammutuspeitteellä. Sijainti on merkitty punaisella tarralla seinään. EE-talossa on runsaasti sammuttimia kaikissa laboratorioissa ja käytävillä. Sammuttimet ovat hiilidioksidi-, vaahto-, tai jauhesammuttimia. Hätäsuihku / vesi sammuttimena Käytetään vaatteissa olevan tulen sammuttamiseen.

7 1.4. ENSIAPU Silmiin ja iholle joutuneet aineet Silmää huuhdellaan vähintään 15 min silmänhuuhtelupullon avulla tai vesihanan alla. Ihoa huuhdellaan vedellä vähintään 15 min. Vaikeissa tapauksissa (kipua, turvotusta, kyynelvuotoa) silmät ja/tai iho peitetään steriilillä siteellä ja henkilö toimitetaan lääkäriin. Haavat Ensiavun tarkoitus on tyrehdyttää verenvuoto ja estää tulehdus. Pienet leikkuuhaavat Iho puhdistetaan vedellä, haava peitetään harsositeellä tai laastarilla. Jos epäillään lasinsiruja haavassa, on mentävä heti lääkäriin. Suuri verenvuoto Verenvuoto tyrehdytetään keinolla millä hyvänsä, sillä runsas verenvuoto aiheuttaa hengenvaarallisen shokin. Vuoto tyrehdytetään käsin painamalla ja vuotava raaja nostetaan ylös. Loukkaantunut pannaan makuulle jalat koholla ja asetetaan ensiside tai paineside. Henkilö toimitetaan sairaalaan mahdollisimman pian. Palovammat Pieni palovamma huuhdellaan kylmällä juoksevalla vedellä kunnes kirvely lakkaa ja peitetään kuivalla siteellä tai rasvasidoksella. Kun palovamma on kämmentä suurempi, henkilö viedään palovammakohdan viilentämisen jälkeen lääkärin hoitoon.

8 Suun kautta elimistöön joutunut aine Tarvittaessa soitetaan Myrkytystietokeskukseen (09 471977). Hapon ja emäksen tapauksessa juodaan runsaasti vettä tai maitoa aineen laimentamiseksi mahalaukussa. EI SAA OKSETTAA Muiden myrkkyjen kohdalla juotetaan lääkehiiltä. Lääkehiili ei estä esim. alkoholien ja hiilivetyjen imeytymistä. OKSETUS tulee kyseeseen VAIN POIKKEUS- TAPAUKSISSA. Oksetus on vaarallista, jos potilas on tajuton tai tokkurainen, tai jos hän on nauttinut esim. hiilivetyliuottimia. Molemmissa tapauksissa henkilö toimitetaan sairaalaan vatsahuuhteluun. Hengitysteihin joutunut myrkky Myrkkyä hengittänyt toimitetaan vaara-alueen ulkopuolelle ja laitetaan lepoon puoliistuvaan asentoon. 1.5. HENKILÖKOHTAISET SUOJAIMET Työtakki Valkoinen laboratoriotyötakki suojaa haitallisten aineiden roiskeilta. Työtakkia pidetään päällä aina laboratoriossa työskenneltäessä. Silmien ja kasvojen suojaimet Suojasilmälasien käyttö on pakollista laboratoriossa työskenneltäessä. Suojakäsineet Suojakäsineitä on erilaisia eri tarkoituksiin. Harjoitustöissä käytetään ohuita kertakäyttöisiä käsineitä aina kun käsitellään reagensseja ja liuoksia. Käytössä olevat vinyylikäsineet suojaavat käsiä hyvin happo- ja emäsliuoksilta, mutta monet orgaaniset liuottimet (etanoli, metanoli, asetoni) läpäisevät vinyylikäsineet nopeasti. Metanolin läpäisyaika on alle 2 min ja fenolipitoiset liuokset läpäisevät käsineet heti. Käyttöturvallisuustiedotteet Kemikaalikohtaisessa käyttöturvallisuustiedotteessa on lueteltu kemikaalin vaarat terveydelle ja miten niiltä suojaudutaan.

1.6. KEMIKAALIEN VAROITUSMERKIT 9 Kuva 1.1. Kemikaalien varoitusmerkit (http://www.reachneuvonta.fi, lyhyt esite varoitusmerkeistä.pdf). 1. Terveyshaitta Kemikaalit, jotka aiheuttavat iho- ja silmäärsytystä, allergisia ihoreaktioita, hengitysteiden ärsytystä, välitöntä myrkyllisyyttä, uneliaisuutta tai huimausta. 2. Syövyttävä Kemikaalit, jotka syövyttävät ihoa, aiheuttavat vakavia silmävaurioita tai syövyttävät metalleja. 3. Syttyvä Syttyvät nesteet ja niiden höyryt, kaasut, aerosolit ja kiinteät aineet. 4. Ympäristövaarat Ympäristölle vaaralliset kemikaalit. 5. Krooninen terveyshaitta Kemikaalit, jotka aiheuttavat pitkäaikaisia vaikutuksia, kuten syöpää, perimävaurioita ja hedelmällisyyden heikentymistä tai sikiövaurioita. Käsittää myös kemikaalit, jotka aiheuttavat hengitettynä allergiaa, myrkkyvaikutuksia tietyissä kohde-elimissä tai aspiraatiovaaran. 6. Hapettava Kemikaalit (kaasut, nesteet tai kiinteät aineet), jotka aiheuttavat toisen materiaalin palamisen tai myötävaikuttavat siihen. 7. Välitön myrkyllisyys Kemikaalit, jotka ovat välittömästi myrkyllisiä suun tai ihon kautta ja/tai hengitysteitse. Tällä merkillä varustetut kemikaalit voivat olla välittömästi tappavia. 8. Paineen alaiset kaasut Kaasut, joita säilytetään astiassa paineen alaisena (vähintään 2 baria). 9. Räjähde Räjähtävät kemikaalit ja esineet.

2. EPÄORGAANISEN KEMIAN TYÖVÄLINEISTÄ JA -MENETELMISTÄ 10 2.1. LASITAVARAT Kemiallisessa työskentelyssä tarvittavista välineistä suuri osa on erilaisia lasiastioita. Nykyisin valmistetaan koostumukseltaan satoja erilaisia lasilaatuja, joista tavallisin on ns. natronlasi, joka pehmenee jo alle 400 C lämpötilassa ja jonka ylin käyttölämpötila on n. 110 C. Tällaisen lasin lämpölaajenemiskerroin on melko suuri, joten äkilliset lämpötilan muutokset aiheuttavat jännityksiä lasiin rikkoen sen. Laboratoriotyöskentelyssä lasiastioiden tulee kestää kuumentamista ja nopeaa jäähdyttämistä. Tähän tarkoitukseen käytetään ns. borosilikaattilasia, joka pehmenee vasta yli 700 C lämpötilassa ja korkein käyttölämpötila on n. 300 C. Tällaisesta lasista valmistetut astiat on varustettu yleisimmin merkillä Pyrex, Jena tai Duran. Borosilikaattilasi on kemiallisesti kestävää ja sitä on helppo puhaltaa. Laboratorioissa tavallisimpia perustyövälineitä ovat dekantterilasi, erlenmeyerkolvi, koeputki (sentrifugiputki, keittoputki), kapillaaripipetti, tippapipetti, suppilo, eksikkaattori, kellolasi, haihdutusmalja. Dekantterilasi. Dekantterilasia käytetään mm. aineita sekoitettaessa ja lämmitettäessä sekä titrausastiana. Se ei sovellu haihtuvien orgaanisten yhdisteiden käsittelyyn. Erlenmeyerkolvi. Erlenmeyerkolvia käytetään titrausastiana käsin sekoitettaessa. Erlenmeyerkolvissa nesteiden kuumennus on tehtävä varovasti, koska ylöspäin kapenevassa astiassa kiehuva neste pursuaa helposti ulos. Erlenmeyerkolvia voidaan käyttää myös käsiteltäessä haihtuvia orgaanisia yhdisteitä. (1) (2) Kuva 2.1. Dekantterilasi (1) ja erlenmeyerkolvi (2).

11 Koeputki. Pääosa kvalitatiiviseen puolimikroanalyysiin liittyvistä ionireaktioista tehdään pienissä (4 ml) koeputkissa muutamien pisaroiden liuostilavuuksilla. Reaktioissa, joissa on tarpeen erottaa saostuma suodoksesta (= saostuman päälle jäävä liuos) käytetään alapäästä kapenevia sentrifugiputkia. Suurempia liuostilavuuksia ja kuumentamista vaativiin reaktioihin on edullista käyttää lyhyitä ja leveitä keittoputkia (20 ml), jolloin sekoittaminen on helppoa. Pasteurpipetti. Pasteurpipettiä (1 2 ml) käytetään pienten liuosmäärien annosteluun tipoittain sekä imettäessä suodos pois saostuman päältä. Suppilo. Tavallisimmin saostumat suodatetaan ja pestään käyttäen suppiloa ja suodatinpaperia. Sintteri. Sintteri on lasinen suppilon tai lieriön muotoinen astia, jossa pohja on huokoista posliinia. Sitä käytetään kvantitatiivisessa työskentelyssä. Sinttereitä on erikokoisia ja huokosläpimitaltaan erilaisia. Hienousaste merkitään sintteriin numerolla. Tavallisimmin käytetyt hienousasteet ovat 3 ja 4. Büchner-suppilo. Büchner-suppilo on lieriön muotoinen posliiniastia, jonka pohjassa on reikiä. Reiät peitetään suodatinpaperilla, joka ei saa ulottua reunoille saakka. Suppiloa käytetään imusuodatuksessa. (1) (2) (3) Kuva 2.2. Suppilo (1), sintteri (2) ja Büchner-suppilo (3).

12 Eksikkaattori. Eksikkaattori on paksusta lasista valmistettu astia, jossa on tiivis kansi. Astian pohjalla on jotain hygroskooppista ainetta, usein silikageeliä. Eksikkaattoria käytetään kuivausastiana ja siinä jäähdytetään mm. upokasta punnitusta varten. Tällöin upokas ei pääse imemään ilmasta kosteutta. Upokas. Poltettaessa ja hehkutettaessa saostumia korkeissa lämpötiloissa (kuumalla liekillä tai hehkutusuunissa) käytetään posliiniupokasta, joka kvantitatiivisesti työskenneltäessä on aina ensin hehkutettava vakiomassaiseksi. Haihdutusmalja. Kun haihdutetaan kylmällä liekillä, vesihauteella tai lämpölampun alla, voidaan käyttää haihdutusmaljaa, joka on leveäsuinen lasimalja. Kellolasi. Kellolasi on laakea kellon lasin mallinen astia, jolla voidaan haihduttaa pieniä luotinmääriä. (1) (2) (3) (4) Kuva 2.3. Eksikkaattori (1), haihdutusmalja (2), upokas ja kansi (3) ja kellolasi (4).

13 2.2. MITTA-ASTIAT JA NIIDEN KÄYTTÖ Liuoksen tilavuuden mittaus on usein esille tuleva työvaihe laboratoriotyöskentelyssä nesteiden annostelussa ja liuosten valmistuksessa. Vaadittavasta tilavuudesta ja tarkkuudesta riippuen voidaan mitata erilaisilla mitta-astioilla. Yleisimpiä mitta-astioita ovat mittalasi, mittapullo, täyspipetti, mittapipetti, finnpipetti, byretti ja mäntäbyretti. Mittalasi. Mittalasia käytetään nesteiden likimääräiseen annosteluun n. 1 %:n tarkkuudella. Mittapullo. Mittapulloa käytetään määräväkevyisten liuosten valmistamiseen liuottamalla punnittu aine tai tietyn tilavuinen näyte mittapullon tilavuuteen. (1) (2) (3) Kuva 2.4. Mittalasi (1), mittapullo (2) ja täyttö merkkiviivaan (3). Täyspipetti. Täyspipettiä käytetään pipetin tilavuuden osoittaman nestemäärän tarkkaan annosteluun. Mittapipetti. Mittapipetti on varustettu asteikolla, joten sillä voidaan annostella mikä tahansa asteikolta luettava nestemäärä.

14 Kuva 2.5. Täyspipetti (1), mittapipetti (2), finnpipetti (3) ja byretti (4). Finnpipetti. Varsinkin rutiininomaisessa työskentelyssä voidaan liuoksen annostelua nopeuttaa käyttämällä nk. finnpipettiä, jonka kärki on vaihdettavissa ja liuostilavuus säädettävissä. Pipetit on huollettava säännöllisesti ja kalibrointi on tarkastettava riittävän usein. Finnpipetin käyttö. Parhaan tarkkuuden saavuttamiseksi: Paina ja vapauta painike rauhallisesti ja tasaisesti. Varmista, että kertakäyttökärki on kunnolla kiinnitetty pipettiin. Pidä pipetti kädessäsi pystysuorassa aina samalla tavalla täyttäessäsi kärkeä. Kärjen ja pipetin lämpötilan on oltava sama kuin pipetoitavan nesteen. 1. Paina painike ensimmäiseen vaiheeseen. 2. Laita kärki n. 1 cm nestepinnan alapuolelle ja vapauta painike rauhallisesti. Kosketa kärjellä nesteastian seinämää ylimääräisen nesteen poistamiseksi ulkopinnalta. 3. Paina painike pohjaan asti tyhjentääksesi kärjen. 4. Vapauta painike alkuasentoon, vaihda kärki tarpeen vaatiessa, ja jatka pipetointia. Byretti. Byrettiä käytetään pääasiallisesti titrauksissa mittaliuoksen tarkkaan lisäykseen. Sitä voidaan käyttää myös nesteiden annosteluun mittapipetin tapaan paremmalla toistettavuudella.

15 Mitta-asteikkojen tarkkuusluokitus Mitta-astioita on kahta eri luokkaa. Tarkempia A-luokan astioita käytetään tieteellisissä tutkimuksissa, tavalliseen laboratoriotyöskentelyyn riittää B-luokan astiat. A-luokan mittaastioiden tarkkuusrajat on esitetty alla olevassa taulukossa 2.1. Tavallisimmin mitta-astiat on kalibroitu vedellä ja niihin on merkitty tilavuus 20 C lämpötilassa. Mikäli ne ovat kalibroituja täytölle, on astiassa merkintä In 20 C. Mittalasit ja mittapullot on yleensä kalibroitu täytölle. Pipetit ja byretit ovat aina kalibroituja tyhjennykselle ja sitä osoittaa niiden kyljessä merkintä Ex 20 C. Taulukko 2.1. Mitta-astioiden tarkkuusrajoja. Tilavuus ml Tarkkuus ml (20 C) Mittapullo Täyspipetti Byretti 1-0,01-2 - 0,01-5 0,025 0,01 0,01 10 0,025 0,02 0,02 25 0,04 0,03 0,05 50 0,06 0,05 0,05 100 0,10 0,08 0,08 250 0,15 - - 500 0,25 - - 1000 0,40 - - Pipetin käytössä on huomattava seuraavaa: Imettäessä pipettiä täyteen on aina käytettävä pumpettia (imupalloa). Pumpetti asetetaan pipetin päähän ja tyhjennetään ilmasta painamalla yhtä aikaa "nappulasta" A (kummaltakin puolelta yhtäaikaa) (ks. kuva 2.7.). Neste imetään vähän merkkiviivan yläpuolelle painamalla "nappuloita" S vastakkain. Pipetti tyhjenee painamalla pumpetin "nappuloita" E.

16 Kuva 2.6. Pumpetin käyttö. 1. Ensin tyhjennetään pipettiä sen verran, että nestepinta on merkkiviivan kohdalla. 2. Tämän jälkeen tyhjennetään sisältö haluttuun astiaan pitämällä pipetin kärkeä lähellä astian seinämää roiskumisen välttämiseksi ja samalla painetaan "nappuloita" E vastakkain. 3. Kun yhtenäinen valuminen loppuu, kosketetaan 15 s kuluttua astian sisäseinämää. Pipettiin jää vielä pieni määrä liuosta, mutta se on kalibroitu vedelle siten, että tuo pieni määrä tulee jäädä pipettiin (ks. kuva 2.6.). Lukeman ottaminen kaikissa em. mitta-astioissa tapahtuu silmän korkeudelta katsottaessa. Kaarevan nestepinnan, meniskuksen, alin kohta tulee tällöin sivuta mitta-astian merkkiviivaa (ks. kuva 2.7.). 34 35 1. tästä suunnasta katsottuna liian pieni lukema 2. luetaan tästä suunnasta, lukema 34,15 ml 3. tästä suunnasta katsottuna liian suuri lukema Kuva 2.7. Mitta-astian täyttö merkkiviivaan.

17 Jos byretillä mitataan isoja nestemääriä kerralla, on ennen lopullisen lukeman ottamista odotettava n. 1 min, jotta kastumisvesi byretin seinämältä ehtii laskeutua. Byrettiä täytettäessä on tarkistettava, että hanan alla oleva tiputuskärki on täynnä nestettä ja ettei se sisällä ilmakuplia. Ilmakuplat saadaan poistumaan valuttamalla mitattavaa liuosta useita "lorauksia" byretistä. 2.3. LASITAVAROIDEN PUHDISTUS Lasitavarat pestään välittömästi käytön jälkeen vedellä ja astianpesuaineella. (Tarvittaessa käytetään harjaa). Pesun jälkeen lasitavarat huuhdellaan ensin vesijohtovedellä ja sitten ROvedellä ja asetetaan astiat kuivumaan lämpökaappiin. Jos tavallinen vesipesu ei tunnu riittävän, kokeillaan varovasti erivahvuisten happojen ja emästen tai orgaanisten liuottimien liuotuskykyä. 2.4. MUUT VÄLINEET Magneettisekoitin. Tavallisimmin magneettisekoitinta käytetään titrauksissa, kun liuoksessa olevat elektrodit estävät käsin tapahtuvan sekoittamisen. Pyörivä sähkömagneetti pyörittää astiassa olevaa teflonilla päällystettyä magneettisauvaa. Joissakin sekoitinmalleissa on yhdistettynä keittolevy, jolloin sekoitus voidaan tehdä halutussa lämpötilassa. 2.5. MITTALAITTEET 2.5.1. VAA'AT Analyysivaaka ja yläkuppivaaka. Punnitseminen on usein esille tuleva työvaihe kemiallisessa työskentelyssä niin massa-analyyttisissä määrityksissä kuin liuosten valmistuksessakin. Nykyaikaiset vaa'at ovat täysautomaattivaakoja, joissa ei jouduta käsittelemään lainkaan punnuksia. Vaadittavasta punnitustarkkuudesta ja kuormituksesta riippuu, minkä tyyppistä vaakaa kulloinkin käytetään. Analyysivaakaa käytetään pienten määrien (muutamasta mg:sta n. 200 g asti) punnitsemiseen. Analyysivaa'an punnitustarkkuus on ±0,1 mg. Mikäli punnitustarkkuudeksi riittää ±1 mg, voidaan käyttää yläkuppivaakaa. Useat elektroniset vaa'at toimivat yksi näppäin -periaatteella. Tällä näppäimellä kytketään virta, vaaka taarataan ja nollataan. Joissain vaaoissa on oma näppäin nollausta ja taarausta varten.

18 Kuva 2.8. Analyysivaaka ja yläkuppivaaka. Jotta punnitustulokset olisivat aina yhtä luotettavia, on tärkeää tarkistaa vaa'an asento vesivaa'asta ennen punnituksia. Mikäli vaa'an asento on virheellinen, on se korjattava ja vaaka lisäksi kalibroitava. Punnittaessa vaakakupille ei saa laittaa mitään kemikaaleja ilman sopivaa alustaa. Tällaisena käytetään lasi- tai posliiniupokasta. Kuiville neutraaleille suoloille voidaan paperista taivuttaa reunallinen punnitusalusta. Tarkemmat ohjeet vaa'an käytöstä ovat työsalien vaakahuoneissa. Vaakojen kalibrointi tarkastetaan päivittäin. Kaikkien vaakojen käytössä on noudatettava siisteyttä. Vaa'an vieressä on pehmeä sivellin tai harja, jolla vaakakupit ja ympäristö voidaan puhdistaa. 2.5.2. ph-mittaus JA ELEKTRODIT ph-mittari. Varsinkin kvantitatiivisissa määrityksissä joudutaan käyttämään erilaisia mittareita, joista tavallisimpia ovat ph-mv-asteikolla varustetut potentiometrit. Niitä käytetään happoemäs- ja hapetus-pelkistystitrausten päätepisteen indikointiin sopivien elektrodien avulla. Kuva 2.9. esittää ph-mittauslaitteistoa. Mitattaessa liuoksen ph:ta (oksoniumioniaktiivisuuden logaritmin vastaluku) asetetaan liuokseen lasielektrodi (indikaattorielektrodi) ja hopea-hopeakloridielektrodi (vertailuelektrodi) tai ph-yhdistelmäelektrodi, joka sisältää sekä lasi- että hopea-hopeakloridielektrodin samassa kuoressa (kuva 2.10.). Lasielektrodin potentiaali on liuoksen ph:n funktio ja hopeahopeakloridielektrodin potentiaali vakio. Ne kytketään ph-mittariin, joka ennen varsinaista mittausta on kalibroitu tietyn ph:n omaavilla puskuriliuoksilla näyttämään oikein. Asteikolta saadaan lukema suoraan.

19 Titrattaessa mittausastiaan lisätään vielä ennen aloittamista magneettisekoitin, jotta titrausliuos sekoittuisi tasaisesti. Jokaisen liuoslisäyksen aikana ph-mittarin on oltava nolla-asennossa. Vasta kun liuos on kunnolla sekoittunut, otetaan lukema. Tarkemmat ohjeet mittarien käytöstä löytyvät ko. laitteen vierestä. Kuva 2.9. ph-mittauslaitteisto. Elektrodit. Ideaalitapauksessa elektrodin potentiaali noudattaa Nernstin yhtälöä RT a E = E - ln nf a 0 sisäliuos mitattava liuos E = elektrodin potentiaali E 0 = normaalipotentiaali n = siirtyvien elektronien lukumäärä T = lämpötila (K) F = Faradayn vakio R = kaasuvakio a = mitattavan ionin aktiivisuus elektrodin sisällä ja mitattavassa liuoksessa Kun siirrytään 10-kantaisiin logaritmeihin ja lämpötila on 298 K ja elektrodin sisällä olevan liuoksen aktiivisuus on vakio, yhtälö on muotoa: 0,05916 V n 0 E= E + logamitattava liuos Elektrodeja on rakenteeltaan erilaisia käyttötarkoituksen mukaan. Edellä mainittiin, että ph-mittauksissa ja happo-emästitrauksissa tarvitaan lasielektrodia (ph-elektrodi). Lasielektrodin potentiaali riippuu Nernstin yhtälön mukaisesti liuoksen oksoniumioniaktiivisuuden logaritmista. Laimeissa liuoksissa voidaan aktiivisuus korvata konsentraatiolla. E = E + 0,05916 V log[h O ] = E -0,05916 V ph 0 + 0 3

20 Lasielektodissa on ohut lasikalvo, jonka sisällä on tietyn oksoniumioniaktiivisuuden omaava liuos (laimea HCl) ja Ag/AgCl-johdin. Potentiaaliero muodostuu lasikalvon ulko- ja sisäpinnan välille. Lasilaadusta riippuen voidaan valmistaa myös muiden ionien suhteen selektiivisiä lasielektrodeja, kuten Na + K +, Li +, NH4 + tai Ag +. Lasielektrodi säilytetään puskuriliuoksessa pystyasennossa tai kuivana, jos sitä ei käytetä pitkään aikaan. Käsittele elektrodia varovasti. Lasipallo menee helposti rikki! Hopea-hopeakloridielektrodi on edellisten kanssa käytettävä vertailuelektrodi, jonka vakiona pysyvään potentiaaliin verrataan indikaattorielektrodin potentiaalia. Hopea-hopeakloridielektrodissa on lasiputken sisällä hopealanka, joka on päällystetty kiinteällä hopeakloridilla, kylläisessä hopea- ja kaliumkloridiliuoksessa. Putken alapäässä olevan huokoisen kalvon kautta on kontakti tutkittavaan liuokseen. KCl-liuos toimii suolasiltana. Aikaisemmin kalomelielektrodia käytettiin yleisesti vertailuelektrodina. Kalomelielektrodissa on lasiputken sisällä elohopealla ja elohopea(i)kloridilla (kalomeli) päällystetty johdin joko kylläisessä tai 3 M KCl-liuoksessa. ph-yhdistelmäelektrodissa on lasi- ja Ag/AgCl- (tai kalomeli-) elektrodit rakennettu samaan lasikuoreen (kuva 2.10.). Tällöin käyttö yksinkertaistuu, koska ei tarvita kahta eri elektrodia. ph-yhdistelmäelektrodi voi olla myös muovirunkoinen, jossa on joko geeli- tai polymeerielektrolyytti. Tällä työkurssilla käytetään ph-yhdistelmäelektrodia. ph-yhdistelmäelektrodia säilytetään lyhytaikaisesti puskuriliuoksessa (ph 7) ja pitempi aika (yli 1 kk) 3 M KCl:ssä. Elektrodin käsittelystä katso myös ph-mittarin käyttöohjetta. Vanhemmissa lasikuorisissa ph-yhdistelmäelektrodeissa täyttöaukon kumitulppa avataan mittauksen ajaksi. Elektrodia säilytetään KCl-liuoksessa kumitulppa suljettuna. Elektrodin sisään lisätään tarvittaessa KCl-liuosta. Ioniselektiivinen elektrodi koostuu kiteestä, joka sisältää mitattavaa ionia ja päästää vain tietyt ionit kulkemaan ulkopuolisen testiliuoksen ja sisäpuolisen vertailuliuoksen välillä. Vertailuliuokseen on upotettu sisäinen referenssielektrodi, joka huolehtii sähkökontaktista. Vertailuliuos sisältää sitä ionia, jota halutaan mitata. Vanhin ioniselektiivinen elektrodi on vetyioniselektiivinen lasielektrodi. Nykyään on kaupallisesti saatavana elektrodeja noin 20 ionin määritykseen.

21 Kuva 2.10. ph-yhdistelmäelektrodi. 3. REAGENSSEISTA 3.1. PUHTAUSASTE Teollisesti valmistettujen reagenssien puhtausaste voi vaihdella huomattavasti riippuen valmistusmenetelmistä. Joitakin yhdisteitä on helppo valmistaa ja puhdistaa, mutta joistakin yhdisteistä erittäin puhtaan tuotteen valmistus on vaikeaa ja kallista. Moniin tarkoituksiin on tarpeetonta käyttää kalliita erittäin puhtaita reagensseja, kun taas tarkoissa tutkimustöissä reagenssien on oltava niin puhtaita kuin mahdollista. Valmistajat toimittavatkin monia yhdisteitä useampaa eri puhtausastetta, joista käyttäjä voi valita sopivimman. Puhtausasteiden merkintätapoja on monia ja niiden vastaavuus toistensa kanssa selviää parhaiten kunkin valmistajan toimittamasta tuoteluettelosta, jossa on määritelty eri merkintöjä vastaavat pitoisuudet ja epäpuhtauksien määrät. Puhtaimpia, analyyttiseen työskentelyyn käytettäviä, reagensseja ovat pro analysi (p.a.), zur Analyse, analytical grade tai puriss merkinnöillä varustetut reagenssit. Käytössä on myös käyttötarkoituksen mukaisia merkintöjä, kuten for HPLC, for chromatography etc. Puhtaus ilmoitetaan myös prosentteina esim. 99 %. Näissä epäpuhtauksien pitoisuudet ovat yleensä määritysalueen alarajoilla ja käytännöllisesti katsoen

22 ne ovat havaitsemattomia. Huomattavasti halvempia valmistaa ovat purum, reinst tai Ph Nord. merkinnöillä varustetut reagenssit. Näissäkin epäpuhtauksien pitoisuudet ovat usein käytännössä merkityksettömiä, mutta joissakin tarkoissa töissä ne voivat häiritä. Näiden lisäksi on lähinnä reaktioiden lähtöaineeksi sopivia zur Synthese tai practical -reagensseja, jotka ovat n. 95 98 % puhtaita, sekä technical -merkintäinen laatu, jonka puhtausaste on alle 95 %. 3.2. REAGENSSIEN NIMISTÖSTÄ SEKÄ HAPPOJEN JA EMÄSTEN VÄKEVYYKSISTÄ Seuraavassa on esitetty muutamia reagenssipulloissa esiintyviä nimiä ja lyhennyksiä: Vetykloridi (HCl), vetykloridihappo, kloorivetyhappo, suolahappo, hydrochloric acid, Salzsäure väkevä = conc. = 37 % = n. 12 M, tiheys 1,18 g/cm 3 raaka HCl = väkevä, mutta puhdistamaton laimea = dil. = verd. = 2 M = 2 N Typpihappo (HNO 3 ), Nitric acid, Salpetersäure väkevä = conc. = 67 % = n. 15 M, tiheys 1,42 g/cm 3 laimea ks. HCl Rikkihappo (H2SO4), Sulphuric acid, Schwefelsäure väkevä = conc. = 95 98 % = n. 18 M (= n. 36 N), tiheys 1,84 g/ cm 3 raaka H2SO4, ks. HCl laimea = dil. = verd. = 1 M = 2 N Fosforihappo (H 3 PO 4 ), Phosphoric acid, Phosphorsäure väkevä = conc. = 85 % = 14,7 M, tiheys 1,69 g/ cm 3 Etikkahappo (CH3COOH), Acetic acid, Essigsäure jääetikka = väkevä = conc. = n. 99,5 % = 17,6 M, tiheys 1,05 g/cm 3 Ammoniakki (NH3), Ammonia väkevä = conc. = 25 % = n. 13,3 M, tiheys 0,90 g/ cm 3

23 3.3. REAGENSSIEN KÄSITTELY Reagenssien käsittelyssä on noudatettava puhtautta ja siisteyttä. Kiinteitä reagensseja otetaan reagenssipurkista vain puhtaalla lusikalla tai spaattelilla (metallilasta). Ylimäärää ei laiteta takaisin purkkiin, vaan otetaan kerralla sopivan pieni määrä, jotta pois heitettäväksi jäisi mahdollisimman vähän. Nestemäisten reagenssien annostelu tapahtuu joko reagenssipulloon kuuluvalla pipetillä, tai käyttämällä väliastiaa. Väliastiana voidaan käyttää esim. puhdasta dekantterilasia (mitta-asteikollista), johon kaadetaan likimain tarvittava määrä. Siitä pipetoidaan sitten tarkka määrä ja loppu kaadetaan pois. 3.4. JÄTTEET Poisheitettävistä liuoksista vain osan saa kaataa viemäriin. Jokaisen harjoitustyön kohdalla on työohjeen lopussa ohje jätteiden käsittelystä (ks. myös jätteiden käsittely monisteen lopussa). Happo- ja emäsjätteet, metallisuolat ja -liuokset, orgaaniset liuotinjätteet ja kiinteä orgaaninen jäte kerätään talteen jäteastioihin. Työsalien jätekaapeissa on yksityiskohtaisemmat käsittelyohjeet kemikaalijätteiden keräilystä ja hävityksestä. Näitä on syytä tarkoin noudattaa, jotta kemikaalijätteet tulevat asianmukaisesti käsiteltyä. 4. LIUOKSISTA 4.1. VESI Kemiallisessa työskentelyssä tarvitaan vettä mm. liuosten valmistukseen ja välineiden puhdistamiseen. Vesijohtovesi ei ole näihin tarkoituksiin riittävän puhdasta vaan se täytyy puhdistaa. Erilaisia puhdistusmenetelmiä on useita ja niistä valitaan kuhunkin käyttötarkoitukseen sopiva. Useimpiin töihin riittävän puhdasta on nk. deionisoitu vesi (DI). Se on puhdistettu laskemalla tavallinen vesijohtovesi sellaisen ioninvaihtohartsin läpi, joka vaihtaa kationit H + -ioneiksi ja anionit OH -ioneiksi. Deionisointi poistaa vedestä tehokkaasti liuenneet epäorgaaniset ionit, muttei yhtä hyvin partikkeleita, pyrogeenisia mikrobeja eikä bakteereja. Käänteisosmoosissa (RO) vettä painetaan ulkoisen paineen avulla puoliläpäisevän käänteisosmoosikalvon läpi. Menetelmä puhdistaa 85 95 % ioneista, 99 % mikrobeista ja 99 % orgaanisista epäpuhtauksista, joiden molekyylipaino on suuri.

24 Ultrasuodatus on varsin uusi vedenpuhdistustekniikka. Siinä käytetyn suodattimen huokoskoko on 0,005 µm. Puhdas vesi läpäisee suodattimen, mutta partikkelit, kolloidiset hiukkaset, mikrobit ja orgaaniset epäpuhtaudet, joiden molekyylipaino on suuri, eivät läpäise. Esim. Milli- Q- ja Aqua-Q-vesi on ultrasuodatettua vettä. Adsorptiomenetelmässä käytetään aktiivihiiltä, jonka avulla pystytään vedestä poistamaan orgaaniset epäpuhtaudet ja kloori. Tislaus on vanhin vedenpuhdistustekniikka. Tislauksessa vesi keitetään ja keräämällä tiivistynyt höyry. Menetelmä poistaa hyvin monia epäpuhtauksia. Tislattuun veteen ilmasta liukeneva hiilidioksidi saadaan pois keittämällä vettä vielä tislauksen jälkeen ennen käyttöä. Tällainen vesi soveltuu vaativaankin käyttöön. Taulukko 4.1. Vedenpuhdistusmenetelmät ja niiden tehokkuus. Tislaus DI RO Adsorptio Ultrasuodatus Ioniset epäpuhtaudet E/H E H V V Orgaaniset epäpuhtaudet H V H E H Liuenneet kaasut V E V V V Partikkelit E V E V E Mikrobit E V E V E E = erinomainen H = hyvä V = välttävä DI = deionisointi RO = käänteisosmoosi 4.2. KONSENTRAATIO JA MOOLISUUS Liuoksen konsentraatiolla tarkoitetaan liuennutta ainemäärää tilavuusyksikössä liuosta. Jos yksikön dimensiona on mol/dm 3 tai mol/l, käytetään sen symbolina M-kirjainta. Liuosta, jonka konsentraatio on 0,1 mol/dm 3, sanotaan 0,1 mooliseksi (molaariseksi). Esim. 0,1 M NaOH tarkoittaa liuosta, jossa on 0,1 mol NaOH (= 4,0 g NaOH) yhdessä dm 3 :ssä (litrassa) liuosta. Käytännössä em. liuoksen valmistus tapahtuu siten, että punnitaan 1 dm 3 :n (litran) mittapulloon n. 4 g NaOH ja täytetään mittapullo merkkiin puhdistetulla vedellä samalla huolellisesti sekoittaen. Tämän jälkeen määritetään liuoksen tarkka konsentraatio titraamalla sillä tarkkaan tunnettu määrä jotain happoa (tavallisesti oksaalihappoa).

25 Taulukko 4.2. Liuoslaskuissa tarvittavia suureita ja niiden yksiköt. SUURE lyhenne YKSIKKÖ lyhenne ainemäärä n mooli mol massa m gramma g moolimassa M gramma/mooli g/mol tilavuus V kuutiodesimetri tai litra dm 3 tai l konsentraatio c moolia/kuutiodesimetri tai moolia/litra mol/dm 3 tai mol/l, symboli M Ainemäärän ja massan laskeminen Ainemäärä, massa ja moolimassa määräytyvät seuraavan yhtälön mukaan: m n = M n = ainemäärä (mol) m = massa (g) M = moolimassa (g/mol) Konsentraatiolaskut Konsentraatio ilmoittaa, kuinka monta moolia ainetta on litrassa liuosta (mol/l): c = n V c = konsentraatio (mol/dm 3 tai mol/l, symboli M) n = ainemäärä (mol) V = tilavuus (dm 3 tai l) 4.3. PERUSLIUOSTEN LAIMENTAMINEN, MASSAPROSENTTI JA TILAVUUSPROSENTTI Kun liuosta laimennetaan, ainemäärä ei muutu, joten laimennuslaskuissa käytetään kaavaa: n1 = n2 cv 1 1 = cv 2 2 c1= laimennettavan liuoksen konsentraatio V1= tilavuus, joka laimennettavaa liuosta otetaan c2= valmistettavan liuoksen konsentraatio V2= valmistettavan liuoksen tilavuus

26 Kun valmistetaan perusliuoksista laimennuksia, ilmoitetaan laimennus suhteena, esim. 1:100. Tällä tarkoitetaan sitä, että otetaan 1 osa perusliuosta, joka laimennetaan 100 osaksi. Perusliuoksen ja lisätyn liuoksen tilavuuden summa on siis 100. Liuokset tehdään mittapulloon. Massaprosentti (eli "painoprosentti") (w/w) on liuenneen aineen massa jaettuna liuoksen kokonaismassalla ja kerrottuna sadalla. Täten esim. 5 % NaCl-liuos sisältää 5 g NaCl ja 95 g vettä. Tilavuusprosentti (v/v) ilmoittaa liuenneen aineen tilavuuden jaettuna liuoksen kokonaistilavuudella ja kerrottuna sadalla. Sitä käytetään mm. kaasuseosten ja alkoholiliuosten pitoisuuksia ilmoitettaessa. Esim. 40 tilavuusprosenttisen (v/v) etanolin pitoisuus massaprosentteina on 43,5 (absol. etanolin tiheys 0,789 g/cm 3 ). Massa-tilavuusprosenttinen (w/v) liuos valmistetaan punnitsemalla haluttu massa reagenssia, joka liuotetaan tarvittavaan tilavuuteen. Ensin reagenssi liuotetaan pieneen liuosmäärään ja näin saatu liuos kaadetaan mittapulloon, joka täytetään merkkiin. 5. KVANTITATIIVINEN ANALYYSI Kvantitatiivisen analyysin tarkoituksena on selvittää, kuinka paljon tutkittava näyte sisältää tiettyä ainetta. Analyysin tulos voidaan ilmoittaa konsentraationa, prosentteina tai kysytyn yhdisteen tai ionin massana. Kvantitatiivinen analyysi voidaan tehdä kemiallisia tai fysikaalisia menetelmiä käyttäen. Menetelmät perustuvat kemiallisiin reaktioihin ja aineiden fysikaalisten ominaisuuksien mittaamiseen. Fysikaalisten menetelmien etuna on mm. nopeus ja mahdollisuus automaattiseen analysointiin. Lisäksi nämä menetelmät soveltuvat hyvin pienien aine-erien määrittämiseen. Tyypillisiä kemiallisia analyysimenetelmiä ovat esim. mitta-analyysi (titrimetria) ja massa-analyysi (gravimetria). Yleensä kvantitatiivissa analyyseissä tehdään seuraavia operaatioita: 1. Analyysinäytteen otto. Näytteen on edustettava koko tutkittavaa ainetta. 2. Näytteen valmistus analyysiä varten, esim. liuottaminen sopivaan liuottimeen. 3. Häiritsevien aineiden erottaminen. 4. Mittausten tekeminen (analyysi). 5. Tulosten laskeminen ja mahdollisesti tarkkuuden arvioiminen. Kemian harjoitustöissä on analysoitava aine useimmiten puhdasta ja suoraan analysoitavissa.

27 5.1. MITTA-ANALYYSI ELI TITRIMETRIA Mitta-analyysin muodostavat kvantitatiiviset analyysimenetelmät, joilla mitataan se tunnetun liuoksen, ns. mittaliuoksen, eli standardiliuoksen, tilavuus, joka vaaditaan täydelliseen reagointiin määritettävän aineen kanssa. Itse analyyttistä menettelyä, jossa mittaliuosta lisätään (pisaroittain) määritettävään aineeseen tavallisesti byretistä, sanotaan titraamiseksi. Kun mittaliuoksen kulutus ja konsentraatio tunnetaan, titrattavan aineen ainemäärä ja massa voidaan laskea. Titrausreaktioita voidaan kuvata yhtälöllä: aa + bb tuotteet jossa A on mittaliuos ja B titrattava yhdiste sekä a ja b reaktioyhtälön kertoimet. Mitta-analyyttisen menetelmän perustaksi soveltuvan reaktion on täytettävä seuraavia ehtoja: Reaktion on oltava stoikiometrinen ts. a:n ja b:n välillä on oltava kokonaislukusuhde Reaktiota on voitava kuvata yksikäsitteisesti kemiallisella reaktioyhtälöllä. Reaktion on oltava riittävän nopea. Reaktion on oltava kvantitatiivinen (täydelleen tapahtuva). Titrauksen ekvivalenttipiste (ekvivalenttikohta) on pystyttävä määrittämään riittävän tarkasti. Titrauksen ekvivalenttipiste on se teoreettinen kohta, missä mittaliuosta on lisätty täsmälleen reaktioyhtälön mukainen määrä, eli kohta, missä mittaliuoksen ja titrattavan yhdisteen ainemäärät ekvivalentteina ovat samat. Kokeellisesti määritettyä pistettä, joka on todettu käyttämällä värillisiä indikaattoreita, saostuman muodostusta, potentiometriä tms., kutsutaan titrauksen loppupisteeksi tai päätepisteeksi. Loppupiste on siis ekvivalenttipisteen kokeellinen approksimaatio, jonka sopivuus riippuu käytetystä menetelmästä. Mittaliuokset Mitta-analyyttiset menetelmät ovat oikein tehtyinä tarkkoja ja nopeita. Mitta-analyyttisen menetelmän tarkkuus riippuu suurelta osin mittaliuoksen tarkkuudesta, joka on siis määritettävä suurella tarkkuudella. Mittaliuos voidaan valmistaa: punnitsemalla tarkasti puhdasta ainetta (primäärinen standardi), joka liuotetaan ja laimennetaan mittapullossa tiettyyn tilavuuteen tai valmistetaan likimain tietyn väkevyinen liuos, jonka konsentraatio määritetään titraamalla sillä punnittu määrä jotakin sopivaa puhdasta kemikaalia tai laimentamalla titrisol- tai fixanal-ampulli mittapullossa tunnettuun tilavuuteen.

28 Primäärisen standardin on oltava kemikaalia, joka on tietyn koostumuksen omaava ja hyvin puhdasta, on kestävää huoneenlämpötilassa, ei muutu kuivattaessa, ei absorboi ilmasta hiilidioksidia eikä vettä, ja jolla on mahdollisimman suuri kaavapaino. Emäsliuoksia tarkistettaessa käytetään usein kiteistä oksaalihappoa primäärisenä standardina. Happoliuoksia voidaan tarkistaa esim. vedettömällä natriumkarbonaatilla. Hyvin usein happoliuoksen konsentraatio tarkistetaan kuitenkin tarkalla NaOH-liuoksella (sekundäärinen standardi). Tavallisimmat titrausmenetelmät 1. Happo-emästitraus eli neutralointititraus, jossa reaktio tapahtuu hapon ja emäksen välillä. 2. Hapetus-pelkistystitraus eli redox-titraus, jossa reagoivista aineista toinen hapettuu ja toinen pelkistyy. 3. Kompleksinmuodostustitraus eli kompleksometria, missä määritettävän aineen ja mittaliuoksessa olevan aineen välillä syntyy kompleksiyhdisteitä (usein kelaatteja). 4. Saostustitraus, missä reagoivien aineiden kesken muodostuu niukkaliukoisia yhdisteitä. Titraustulosten laskeminen käyttäen moolisuutta (molaarisuutta). Titrausreaktio mittaliuoksen A ja titrattavan aineen B välillä on aa + bb tuotteet. Titrauksessa aineen A ainemäärä saadaan: n A = Vc, A A missä n A (mol) = A:n ainemäärä V A = A:n kulutus ca = A:n konsentraatio (mol/dm 3 tai mol/l) Titrattavan aineen B ainemäärä saadaan ottamalla huomioon reaktioyhtälön kertoimet: nb b b b = nb= na= VAcA n a a a A

29 B:n massa m B (g) saadaan seuraavasti, kun M B on moolimassa (g/mol) b m = n M = V c M a B B B A A B Jos V A lausutaan cm 3 :na tai ml:na, saadaan B:n massa mg:na c A (mol/dm 3 tai mol/l) = c A (mmol/cm 3 tai mmol/ml) ja M B (g/mol) = M B (mg/mmol). Seuraavissa titrauksia koskevissa työohjeissa on oletettu, että määritettävän aineen ohella ei ole muita mittaliuosta kuluttavia aineita. Määritettävää ainetta on yleensä 40 100 mg. Tavallista byrettiä (50 ml) käytettäessä pitäisi mittaliuoskulutuksen olla yli 10 ml. Mittaliuosten väkevyys on yleensä 0,05 0,1 M. Happo-emästitraus eli neutralointititraus Neutralointititraukset perustuvat hapon ja emäksen väliseen reaktioon happo 1 + emäs 2 happo 2 + emäs 1 Tuotteet ovat heikompia happoja ja emäksiä kuin reagoivat aineet. Käytännössä happo-emästitrauksissa valitaan mittaliuokseksi vahva happo tai vahva emäs. Vahvojen protolyyttien välinen neutraloitumisreaktio vesiliuoksessa on H3O + + OH 2 H2O Titrauksen ekvivalenttikohta voidaan määrittää fysikaalisin menetelmin tai ph-indikaattorien avulla. Titrattaessa vahvaa happoa vahvalla emäksellä tai päinvastoin on ekvivalenttikohdan ph = 7 (ks. kuva 5.1.). Jos titrataan heikkoa happoa (esim. etikkahappoa, ks. kuva 5.1.) vahvalla emäksellä, on liuos ekvivalenttikohdalla hydrolyysistä johtuen emäksinen. Titrattaessa heikkoa emästä (esim. ammoniakkia) vahvalla hapolla on ekvivalenttikohdan ph happamalla puolella. ph-indikaattorit ovat heikkoja happoja tai emäksiä, joiden happo- ja emäsmuodot ovat tavallisesti erivärisiä. Indikaattori muuttaa väriään ph-alueella, joka on lähellä indikaattorin pka-arvoa, useimmiten alueella ph = pka ± 1 (pka = log Ka = pki). Titraukseen valitaan sellainen indikaattori, jonka värinmuutosalue vastaa ekvivalenttikohdalla muodostuneen suolaliuoksen ph:ta. Vahvoja happoja titrattaessa NaOH-liuoksella sopii indikaattoriksi esim. metyylipunainen tai fenoliftaleiini, heikkoja happoja titrattaessa esim. fenoliftaleiini (ks. taulukko 5.1.).

30 Taulukko 5.1. Indikaattorien värinmuutosalueita. Indikaattori Väri Värinmuutosalueen ph pk I Metyylivioletti keltainen - violetti 0 2 1 Tymolisininen punainen - keltainen 1,2 2,8 1,5 Dimetyylikeltainen punainen - keltainen 2,9 4,1 3,5 Metyylioranssi punainen - keltainen 3,1 4,4 3,7 Metyylipunainen punainen - keltainen 4,2 6,3 5,1 Bromtymolisininen keltainen - sininen 6,0 7,6 7,0 Kresolipunainen keltainen - violetinpun. 7,2 8,8 8,3 Fenoliftaleiini väritön - punainen 8,3 10,0 9,4 Aliitsariinikeltainen R keltainen - violetti 10,1 12,0 11 Trinitrobentseeni väritön - ruskea 12,0 14,0 13 Kuva 5.1. Etikkahapon ja vetykloridin (pienempi kuva) titraus vahvalla emäksellä (NaOH:lla). (Titrauskäyrän pisteet on laskettu ohjelmalla I. G. R. Gutz, CurTiPot, versio 3.5.4.)

31 6. SPEKTROSKOPIA 6.1. SÄHKÖMAGNEETTINEN SÄTEILY Absorptiometriset analyysimenetelmät perustuvat valon (sähkömagneettisen säteilyn) absorboitumiseen sen kulkiessa näytteen läpi. Valoenergia absorboituu aineeseen kvantteina eli fotoneina, joiden energia E = hn. Tässä h = Planckin vakio (6,63 10-34 Js), n = värähdysluku eli taajuus (s -1 ). Säteilyn aallonpituus l ja värähdysluku riippuvat toisistaan yhtälön n = c/l mukaan (c = valon nopeus). Spektrejä käsiteltäessä käytetään usein myös aaltolukua n so. aaltojen lukua senttimetriä kohti; n = 1/l ja n = c n. Energia E, joka vastaa emittoivan tai absorboivan systeemin kahden eri energiatilan erotusta, vaihtelee suuresti sähkömagneettisen spektrin eri alueilla. Taulukossa 6.1. on esitettynä sähkömagneettinen spektri sekä ne energiamuutokset, jotka liittyvät sen eri alueisiin (aallonpituusskaala on tässä mielivaltainen). Taulukko 6.1. Sähkömagneettisen säteilyn spektri. aallonpituus 0,1 nm 10 nm 200 nm 400 nm 800 nm 2,5 μm 25 μm 0,04 cm 25 cm säteilylaji gamma röntgen vakuumi- UV lähi- UV näkyvänvalon alue lähi-ir IR kaukainen IR EPR mikroaallot NMR radioaallot energialaji ydinreaktiot sisäelektronien siirtymät atomien ja molekyylien ionisaatio valenssielektronien siirtymät molekyylivärähdykset ja rotaatiot spinorientaatiot magn. kentässä Näkyvän valon alue on siis varsin kapea ja käsittää suunnilleen välin 400 750 nm (1 nm = 10-9 m = 10-7 cm, 1 mm = m = 10-6 m = 10-4 cm, 1 Å = 10-10 m = 0,1 nm). Vanha nimitys näkyvän valon absorptiometrialle on kolorimetria.

32 6.2. UV-VIS-SPEKTROSKOPIA 6.2.1. SÄTEILYN ABSORPTIO Tutkittavaan liuokseen absorboituneen valon suhteellinen määrä voidaan mitata johonkin vertailuliuokseen nähden esim. valokennolla. Mittauslaite on fotometri. Spektrofotometrillä em. mittaus voidaan tehdä aallonpituuden funktiona ja määrätä aineen absorptiospektri. Tätä voidaan käyttää aineen kvalitatiiviseen toteamiseen ja spektrin avulla voidaan valita ne aallonpituusalueet, joita käyttäen kvantitatiivinen analyysi voidaan tehdä. Säteilyn kulkiessa tiettyjä aallonpituuksia absorboivan aineen läpi näitä aallonpituuksia vastaavan säteilyn intensiteetti heikkenee. Jos aine absorboi näkyvällä alueella ja sitä valaistaan valkoisella valolla, määräävät absorboitumatta jääneet aallonpituudet aineen havaitun värin. Jos aine absorboi kaiken valon, näyttää se mustalta. Jos aine ei absorboi ollenkaan, on se väritön. Jos valossa on kaikkia aallonpituuksia väliltä 380 780 nm samassa suhteessa kuin päivänvalossa, on se valkoista. Valoa, jonka aallonpituudet ovat hyvin suppealta alueelta, sanotaan monokromaattiseksi (yksiväriseksi). Taulukko 6.2. Absorboitunut aallonpituus ja havaittu väri. Absorboitunut aallonpituus (nm) Absorboitunut väri Havaittu väri 380 435 violetti kellanvihreä 435 480 sininen keltainen 480 490 vihreänsininen oranssi 490 500 sinivihreä punainen 500 560 vihreä purppura 560 580 kellanvihreä violetti 580 595 keltainen sininen 595 650 oranssi vihreänsininen 650 780 punainen sinivihreä

33 Molekyylien elektronispektri aiheutuu yleensä kaksois- ja kolmoissidoksissa olevien p-elektronien energiamuutoksista. Tästä johtuen elektronispektrin avulla saadaan tietoa kaksois- ja kolmoissidoksia sisältävien yhdisteiden rakenteesta. Tietyillä rakenneyksiköillä on niille luonteenomaiset absorptiomaksimit (l max ), kuten taulukosta 6.3. ilmenee. Taulukko 6.3. Elektronispektrin absorptiomaksimit kemiallisen ryhmän mukaan. Atomiryhmä Esimerkki Absorptiomaksimi (nm) kaksoissidos H 2C=CH 2 171 kolmoissidos R-C C-R 195, 223 karbonyyli O H 3 C CH 3 189, 279 karbonyyli H 3 C O H 160, 180, 290 karboksyyli C H 3 O OH 208 nitro CH 3-NO 2 210, 274 aromaattinen rengas 243, 249, 255, 261 Elektronispektrin syntyyn johtavat elektronien energiatilojen muutokset tapahtuvat pienimolekyylisillä, pysyvillä yhdisteillä vain UV-säteilyn vaikutuksesta. Siten useimmat tällaiset yhdisteet ovat värittömiä (esim. H2O, CO2, C2H5OH). Värien ilmeneminen yhdisteessä puolestaan kertoo näkyvän valon absorptiosta ja sen aiheuttamista suhteellisen alhaisista energiamuutoksista. Siksi juuri värillisten yhdisteiden elektronispektri syntyy näkyvän valon alueella. Kromofori on helposti virittyvä kaksoissidoksia sisältävä atomiryhmä, joka orgaanisen yhdisteen osana tekee yhdisteen värilliseksi. Auksokromi on atomiryhmä, joka muuttaa kromoforin elektronirakennetta ja samalla sen luonteenomaista absorptiota siirtämällä sen pitemmille aallonpituuksille. Vapaita elektronipareja sisältävät atomiryhmät ovat erikoisen aktiivisia auksokromeja (esim. OH, NH2).

34 6.2.2. LAMBERT-BEERIN LAKI JA ABSORBANSSIN MITTAUS Monokromaattisen valon absorboituminen liuoksiin noudattaa yleensä Lambert-Beerin lakia A = log(io/i) = ecl = log T A = absorbanssi Io = liuokseen tulevan valon intensiteetti I = liuoksen läpi menneen valon intensiteetti e = molaarinen absorptiokerroin c = liuoksen konsentraatio (mol/dm3) l = liuoksen paksuus (cm) Suhde I/Io = T eli transmittanssi (läpäisevyys). T voidaan ilmoittaa myös %:na (mutta ei kaavassa A = log T). Molaarinen absorptiokerroin on kullekin absorboivalle aineelle ominainen, säteilyn aallonpituudesta riippuva, vakio. Spektrofotometreissä on yleensä sekä absorbanssi- että transmittanssiasteikot. Mittaustulokset on edullista ilmaista absorbanssina, sillä se on suoraan verrannollinen konsentraatioon. Saman aineen eri väkevyisten liuosten suhteen (jos mittausaallonpituus ja kyvetin paksuus ovat samat) on voimassa yhtälö A1 c = 1 A2 c2 Tästä voidaan laskea aineen konsentraatio (c1), jos vertailuliuoksen konsentraatio (c2) tiedetään. Tarkemmin tuntematon konsentraatio saadaan määrätyksi, jos käytetään useampia vertailuliuoksia. Mitataan eri liuoksille absorbanssit ja esitetään graafisesti absorbanssi konsentraation funktiona. Saadaan suora, jos Lambert-Beerin laki pätee. Laki pätee yleensä laimeille liuoksille. Poikkeamia Lambert-Beerin lakiin voivat aiheuttaa laitteista johtuvat seikat: valonlähteen huono stabiilisuus valon heikko monokromaattisuus heijastumat kyvetin pinnoista, naarmut ja lika kyvetin pinnoilla kyvetin virheellinen asento kyvettien keskinäiset mittatarkkuuserot laitteisto antaa riittävän lineaarisia tuloksia vain absorbanssialueella 0,1 1,0 (tarkin kohta ~ 0,4).

35 Poikkeamat voivat johtua myös mitattavasta liuoksesta, aiheuttajina voivat olla: liuoksen epähomogeenisuus ja kiinteät epäpuhtaudet absorboivan aineen reaktiot itsensä sekä liuottimen kanssa mittausolosuhteiden muutokset kesken mittaussarjaa (lämpötila, ph, liuosten valmistus- ja mittaushetken väliset aikaerot, liuottimen haihtuminen). Luotettavia tuloksia voidaan saada em. seikoista huolimatta käyttämällä riittävän tarkkoja kalibrointikäyriä sekä työskentelemällä huolellisesti. A A X x x A x x x x x c X x c Lambert-Beerin laki on voimassa. Lambert-Beerin laki ei ole voimassa. c 6.2.3. SPEKTROFOTOMETRIN TOIMINTA Spektrofotometrissä on seuraavia rakenneosia (ks. alla oleva kaavio): Valolähde Monokromaattori Näytetila Ilmaisin l. fi fi (kyvetti) fi detektori fi Transmittanssi/ absorbanssi tulostusyksikkö Spektrofotometreille on olennaista monokromaattori, jonka avulla spektristä voidaan erottaa hyvin kapea aallonpituusalue. Monokromaattorissa on prisma tai hila, joka hajottaa valolähteen valon spektriksi, sekä rako, joka päästää lävitse kapean valonsädekimpun halutulta spektrialueelta.

36 Kuva 6.1. Spektrofotometrin toimintakaavio. Valolähteenä on näkyvällä alueella volframilamppu (hehkulamppu), UV-alueella vetypurkauslamppu tai deuteriumlamppu. Detektorina eli ilmaisimena käytetään yleensä joko valokennoa tai valomonistinputkea tai fotodiodeja. Spektrofotometrejä käytettäessä tapahtuu transmittanssiasteikon nollaus (eli absorbanssiasteikon asetus), kun valokenno on pimennetty, ja transmittanssiasteikon asettaminen lukemaan 100 % (eli absorbanssiasteikon nollaus), kun kyvetissä on liuotinta tai referenssiliuosta. Kyvetit. Näkyvän valon ja sen lähialueilla käytetyt kyvetit ovat lasia (myös muovisia kyvettejä käytetään). UV-alueella käytetään kvartsikyvettejä, sillä lasi absorboi UV-säteilyä. Tarkkoihin töihin käytetyt kyvetit ovat suorakulmaisia särmiöitä ja tarkoin mitoitettuja. Kyvetin paksuus on usein 1 cm. Pyöreät koeputkikyvetit ovat huokeita, mutta mittaustarkkuus on niitä käytettäessä heikompi. Niiden tarkka kalibrointi on vaikeaa ja pienikin siirtyminen poikittaissuntaan valonsäteeseen nähden muuttaa absorptiota. Käsittele koeputkikyvettejä puhtain käsin ja läheltä yläreunaa, (suorakulmaisia kyvettejä vain himmennettyjen seinämien puolelta). Ulkopuolelta kyvetit kuivataan pehmeällä erikoispaperilla tai säämiskällä. Mittausten välillä (jos käytetään samaa kyvettiä) kyvetti huuhdotaan vedellä tai seuraavan mittauksen liuottimella tai liuoksella. Kyvetit pestään etanolilla tai heptaanilla. Mikäli epäpuhtaudet eivät lähde käytetään 2 M HCl-liuosta tai saippualiuosta. ÄLÄ KOSKAAN KÄYTÄ HARJAA KYVETTIEN PUHDISTUKSEEN. Mittausten jälkeen kyvetit pestään vedellä, huuhdellaan RO-vedellä ja lopuksi vielä pesuetanolilla (VAROVASTI).

37 6.2.4. KVANTITATIIVINEN SPEKTROFOTOMETRINEN MÄÄRITYS Spektrofotometrisen kvantitatiivisen analyysin eri vaiheet (näkyvällä valolla mitattaessa). Tutkittavasta aineesta muodostetaan sopivalla reagenssilla valoa absorboiva yhdiste (värillinen). Mittausaallonpituus valitaan leveän absorptiomaksimin kohdalta (ei maksimin jyrkältä rinteeltä). Mittausaallonpituudeksi kannattaa valita aallonpituus, jossa muut aineet eivät absorboi tai niiden absorptio on heikko. Kalibraatiosuora eli standardisuora tehdään seuraavasti: Valmistetaan perusliuos, josta tehdään laimentamalla standardiliuossarja, jossa liuosten väkevyydet ovat laitteelle (ja ko. mittaukseen) sopivat. Tämä sarja mitataan laitteella ja tuloksista piirretään mm-paperille suora, spektrofotometrin lukemat (absorbanssi) liuosten konsentraation funktiona. Näytteen mittaus: Tutkittava näyte laimennetaan (yleensä kokeilemalla) siten, että sillä saatava lukema sopii kuvaajan alueelle. Tulos luetaan kalibraatiosuoralta (laimennus huomioitava). Laitteen säädön tarkistus: Jos mittaus on pitkä, on sen aikana syytä tarkistaa standardiliuosten avulla laitteen säätöjen pysyminen kohdallaan. Jos lukema on muuttunut, etsitään vika ja korjataan se. Joskus on työ aloitettava alusta uudelleen. Lyhyissäkin mittauksissa on lopuksi standardiliuoksen (ja liuottimen) avulla tarkistettava laitteen säätöjen paikkansapitävyys.

38 6.3. ATOMISPEKTROSKOPIA Atomispektroskopia on alkuaineanalytiikkaa, joka perustuu kolmeen fysikaaliseen ilmiöön: emissioon, absorptioon tai fluoresenssiin. Tässä kohdin käsitellään kahteen ensin mainittuun ilmiöön perustuvia määritysmenetelmiä liekkifotometriaa ja atomiabsorptiospektroskopiaa. 6.3.1. ABSORPTIO- JA EMISSIOILMIÖT Kun alkuaine saatetaan atomaariseen tilaan esim. lämmön avulla, ovat atomit suureksi osaksi ns. perustilassa, jolloin niiden elektronit ovat alimmilla mahdollisilla energiatasoilla. Elektronit voivat kuitenkin siirtyä varsinkin uloimmilta elektronikehiltä helposti korkeammille energiatasoille tai jopa poistua atomista. Tällaisen muutoksen voi aiheuttaa atomihöyryyn kohdistettu säteily. Perustilassa ollut atomi imee eli absorboi energiaa ns. energiakvantin verran ja virittyy. Tilanne ei ole kuitenkaan pysyvä, vaan atomi luovuttaa eli emittoi saamansa energian eli energiakvantin ja palaa perustilaansa. Perustilaisen ja virittyneen atomin energiaero voidaan ilmaista yhtälöllä DE = E1 E0 = hn jossa h on ns. Planckin vakio ja n muutoksen aiheuttaneen säteilyn värähdysluku. Vastaava säteilyn aallonpituus saadaan kaavasta l = c/n jossa c on valon nopeus. Koska kunkin alkuaineen atomin energiatilat eroavat tietyin hypähdyksin toisistaan, nähdään yhtälöistä (edellä), että vain tietyn aallonpituinen säteily voi saada energiamuutoksen atomissa aikaan eli siis absorboitua atomihöyryyn. Tällaista absorboituvaa säteilyä puolestaan muodostuu edellä kuvatun ilmiön vastakkaisessa tapahtumassa, emissiossa, jossa atomi siis palaa perustilaansa ja energiakvantti hn vapautuu. Emissiospektroskopiassa tehtävä kvalitatiivinen analyysi perustuu resonanssiviivojen havainnointiin.

Energia (E) 39 k E k - E i i hv hv Kuva 6.2. Atomin kahden energiatilan väliset siirtymät. Kvantitatiivinen analyysi perustuu Lambert-Beerin lakiin, jota on selvitetty jo UV/VISspektroskopian yhteydessä. Sekä liekkifotometria että atomiabsorptiospektroskopia soveltuvat eri alkuaineiden kvantitatiiviseen määrittämiseen. Liekkifotometriaa voidaan käyttää herkästi virittyville alkuaineille, esim. alkali- ja maa-alkalimetalleille (yleisimmin Na, K ja Ca). Atomiabsorptiospektroskopiaa voidaan käyttää kaikkien metallien analysoimiseen lukuunottamatta pysymättömiä metalleja (esim. Tc, Po ja Rn). Sopivat liuosväkevyydet ovat tavallisesti suuruusluokkaa µg/ml. Menetelmien hyvyyskriteereinä voidaan pitää kahta termiä: herkkyyttä ja toteamisrajaa. Menetelmä on herkkä jos pienet muutokset määritettävän aineen konsentraatiossa tai määrässä (q) aiheuttavat suuren muutoksen mitatussa ominaisuudessa x. Alkuaineen i herkkyys Si määritetään kalibraatiokäyrän kulmakertoimena. Toteamisraja: cl = ksdb, jossa k = 3 ja SDB = nollanäytteen standardipoikkeama. Spektrofotometriset menetelmät ovat vertailumenetelmiä, joissa tuntematonta näytettä verrataan tunnettuihin standardeihin. Lambert-Beerin laki rajoittuu laimeiden liuosten mittaamiseen, sillä vain lineaarisella alueella näytteen väkevyys on suoraan verrannollinen esim. absorptioprosenttiin. Ennen analyysia on aina mitattava standardisuora, jolta tuntemattoman näytteen väkevyys voidaan määrittää (ks. kuva 6.3.).

40 A tai I x A ANAL x x x c ANAL Kuva 6.3. Standardi- eli vertailusuora A vs. c. metallin väkevyys mg/l 6.3.2. LIEKKIFOTOMETRIA JA ATOMIABSORPTIOSPEKTROMETRIA Liekkifotometriassa mitataan säteilyä, joka emittoituu lämmön vaikutuksesta virittyneistä atomeista. Liekkifotometriassa virittämisen suorittaa liekin lämpötila, joten ulkoista säteilylähdettä ei tarvita (ks. kuva 6.4.). Koska tällä menetelmällä voidaan tutkia helposti virittyviä alkuaineita, on laitteisto jonkin verran yksinkertaisempi kuin atomiabsorptiospektrometri. Näyte sumutetaan hienojakoisena liekkiin ja liekin virittämät atomit säteilevät ylimääräisen energiansa palatessaan perustilaansa. Emittoituvasta säteilystä erotetaan tietty analyysiaallonpituus käyttäen monokromaattorina sopivaa optista laitteistoa tai suodattimia, jotka päästävät vain tietyn aallonpituuden eli resonanssiviivan detektoriin. Emittoituneen säteilyn intensiteetti mitataan fotometrillä ja tulostus tapahtuu vahvistimen avulla. linssi liekki monokromaattori detektori vahvistin polttokaasut poltin näyte tulostus Kuva 6.4. Liekkifotometrin toimintaperiaate.

41 Walsh työtovereineen kehitti 1955 uudemman menetelmän, joka perustuu perustilassaan olevien atomien spesifiseen valon absorptioon. Atomiabsorptiospektroskopiassa käytetään kullekin alkuaineelle omaa onttokatodilamppua, joka lähettää eli emittoi sille alkuaineelle spesifistä säteilyä. Säteily kulkee liekin läpi ja virittää liekkiin sumutetut atomit, jolloin osa säteilyenergiasta absorboituu näytteeseen. Näytteen läpi kulkenut säteily johdetaan monokromaattorille, joka eliminoi säteilylähteestä ja liekistä johtuvan taustasäteilyn. Monokromaattorin jälkeen säteilyn intensiteetti mitataan samalla aallonpituudella kuin mikä oli alkuperäisen emissiosäteilyn aallonpituus. Näytteen sisältämän alkuaineen määrä voidaan laskea vertaamalla alkuperäisen ja näytteen läpi kulkeneen säteilyn intensiteettejä. Tulos tapahtuu vahvistimen välityksellä joko suoraan väkevyysyksikössä tai esim. absorptioprosentteina laitteistosta riippuen. Koska kyse on vertailumenetelmästä, ei mittausolosuhteita saa standardien ja näytteen mittaamisen aikana muutella. Atomiabsorption ja liekkifotometrin keskinäisen käyttökelpoisuuden ratkaisevat herkkyys määritettävän aineen suhteen, tulosten toistettavuus ja alttius erilaisille häiriöille. Häiriöitä voidaan poistaa lisäämällä analyysiliuoksiin ja standardiliuoksiin tiettyjä kationeja, jotka edesauttavat tutkittavien kationien pysymisen joko perustilassaan tai virittyneinä. Tällaisia häiriönpoistajia ovat esim. Li + -ioni liekkifotometriassa ja La 3+ -ioni atomiabsorptiossa. Liekin lämpötilan stabiilisuus vaikuttaa paljon enemmän liekkifotometriassa kuin atomiabsorptiossa, jossa liekin lämpötilan vaihtelut eivät mainittavasti muuta perustilassaan olevien atomien määrää. onttokatodilamppu poltin monokromaattori detektori vahvistin tulostus näyte Kuva 6.5. Atomiabsorptiospektrofotometrin toimintaperiaate.

42 Menetelmien vertailu Atomiabsorptiomenetelmä on liekkifotometriaa huomattavasti tarkempi mitattaessa useimpia metalleja, varsinkin heikosti virittyviä. Sen toistettavuus on parempi, tarkkuus suurempi ja häiriötekijät vähäisemmät kuin liekkifotometriassa. Liekkifotometria on herkempi tietyille herkästi virittyville alkuaineille, joustavampi määritettäessä seoksesta useita alkuaineita ja laitteistot ovat halvempia, mutta toisaalta menetelmä on vähemmän tarkka sekä alttiimpi häiriöille. 6.4. INFRAPUNASPEKTROSKOPIA, IR Infrapunaspektroskopiaa käytetään aineiden rakenteen selvittämisessä ja aineiden tunnistamisessa. Jokaisella aineella on sille ominainen IR-spektri. Spektrin yksittäisten absorptiojuovien (värähtelyjä) avulla analysoidaan molekyylin rakenneosia ja spektriä kokonaisuudessaan käytetään aineen tunnistamiseen vertailuaineiden avulla. IR-spektroskopiaa voidaan käyttää sekä kvalitatiiviseen että kvantitatiiviseen analyysiin. Se on eräs parhaista yhdisteiden kvalitatiivisen tunnistamisen ja rakenneanalyysin menetelmistä. 6.4.1. SPEKTRIN SYNTY Infrapunaspektroskopia, kuten muutkin spektroskopian lajit, perustuu sähkömagneettisen säteilyn ja aineen välisiin energianvaihdoksiin. Sähkömagneettisen spektrin aluetta, joka sijaitsee näkyvän ja mikroaaltoalueen välillä (7,8 10-7 m 1 10-4 m) sanotaan IR-alueeksi (ks. taulukko 6.1.). IR-alue jakaantuu kolmeen osaan: lähi-ir-alue (NIR) IR-alue 0,8 μm 2,5 μm 2,5 μm 25 μm kaukainen IR-alue (FIR) 25 μm 0,1 mm Perustilassa olevan molekyylin atomit värähtelevät lämpöliikkeen vuoksi omilla jaksoluvuillaan. Kun molekyyliin kohdistetaan IR-säteilyä, molekyyli virittyy säteilyn absorboituessa siihen ja värähtelyn amplitudi kasvaa. Energian siirtyminen säteilystä molekyyliin voi tapahtua vain molekyylin polaarisuutta kuvaavan dipolimomentin välityksellä. Tästä seuraa se, että mitä polaarisempia sidoksia molekyylissä on sitä voimakkaampia absorptioita tapahtuu.

43 Värähtelystä seuraavat absorptiojuovat esitetään spektrissä aaltolukuina n [cm -1 ]. Aaltoluvun ja aallonpituuden (λ) välillä vallitsee yhtälö n = 1 / λ [cm -1 ] eli n = 10 4 / λ [μm] IR-spektrin asteikko on aaltoluvuissa esitettynä 4000 400 [cm -1 ]. Absorptiojuovan intensiteetti ilmoitetaan yleensä transmittanssina (T, %) tai harvemmin absorbanssina (A). IR-spektri koostuu useista erilaisista absorptiojuovista, jotka ovat peräisin molekyylin sidoksissa esiintyvistä värähtelyistä. Värähtelymuodot ovat: perusvärähtelyt, ylivärähtelyt ja kombinaatiovärähtelyt. Perusvärähtelyt voivat olla venytyksiä, jolloin kahden atomin välinen etäisyys kasvaa tai supistuu tai taivutuksia, jolloin atomien välinen sidoskulma muuttuu. Ylija kombinaatiovärähtelyt ovat monimutkaisia perusvärähdysten yhdistelmiä. 6.4.2. IR-LAITTEET IR-spektrometrin säteilyn lähteenä käytetään lämpösäteilijöitä. Niiden lämpötila on yleensä >1200 ºC. Yleisimmin käytettyjä ovat Nernstin sauva ja ns. hehkusauva (globar). Laitteita on kahta tyyppiä. Dispersiivinen IR-laite on ns. kaksisädelaite, jossa säteilynlähteestä tuleva säde ohjataan sopivalla peilisysteemillä kahdeksi identtiseksi säteeksi, analyysisäteeksi ja vertailusäteeksi. IR-säteilyn hajottaminen eli disperssio tapahtuu hilan avulla. Sen rakenne vastaa pääpiirteissään spektrofotometrin rakennetta. Nykyisin käytössä oleva FTIR-spektrometri (Fourier Transform Infrared Spectrometer) on lähes kokonaan syrjäyttänyt dispersiivisen IR-laitteen. FTIR-laitteessa mitataan valon interferenssikuviota eli interferogrammia, joka sisältää täyden spektri-informaation näytteestä ja taustasta. Tämä tieto muutetaan matemaattisen Fourier-muunnoksen avulla spektrimuotoon. Interferogrammi saadaan interferometrin avulla, joka muodostuu sekä kiinteästä että liikkuvasta peilistä ja säteenjakajasta (ks. kuva 6.6.). Fourier-muunnos vaatii tietokoneen. FTIR-laitteiden etuna on suuri herkkyys ja nopeus sekä mahdollisuus spektrien tallennukseen tietokoneohjelman avulla.

44 Kuva 6.6. FTIR-spektrometrin toiminta. Säteenjakaja jakaa säteilyn IR-alueen säteilyksi ja sen jälkeen säteily kohdistetaan näytteeseen. Näytteessä tapahtuu sille ominainen säteilyn absorptio, joka vahvistetaan, Fourier-muunnetaan ja tulostetaan. 6.4.3. NÄYTTEEN KÄSITTELY Läpäisyyn perustuva mittaus IR-spektrin mittauksessa kyvettimateriaalin pitää olla säteilyä läpäisevää. Lasi- tai kvartsikyvettejä ei voida käyttää, koska ne eivät läpäise IR-alueen säteilyä. Kyvettimateriaaleina käytetään yleensä alkalihalogenideja esim. KBr, NaCl. Kiteisistä kiinteistä aineista valmistetaan IR-analyysia varten tavallisesti KBr-tabletti: Sekoitetaan keskenään 1 2 mg hienoksi jauhettua näytettä ja 300 mg KBr:a pienessä agaattihuhmareessa. Homogenoitu seos siirretään hanalla varustettuun puristimeen, jossa seoksesta poistetaan ilma hyvällä vakuumipumpulla. Tämän jälkeen seosta puristetaan hydraulisella puristimella 9 12 tonnin voimalla. Näissä olosuhteissa näyte ja KBr sintraantuvat läpinäkyväksi kiinteäksi levyksi. Levy asetetaan IR-spektrometrissa olevaan sopivaan pidikkeeseen ja ajetaan spektriksi. Nestemäisistä yhdisteistä IR-spektri voidaan ajaa joko ohuissa suolakyveteissä tai ohuena kalvona kahden suolalevyn välissä. Jälkimmäinen menetelmä ei sovi herkästi haihtuville nesteille.

45 Heijastukseen perustuva mittaus Edellä kuvatuissa näytteissä IR-säteily kulkee näytteen läpi ja mitataan muutosta läpi menneen säteilyn intensiteetissä. IR-spektri voidaan mitata myös heijastuksesta. Tällöin säteily ei kulje näytteen läpi vaan heijastuu pienellä matkalla näytteen pintakerroksesta. Heijastukseen perustuva mittaus sopii hyvin kiinteille aineille ja useimmille nesteille. Käytössä olevassa IR-laitteessa on ns. ATR-tekniikka (Attenuated total reflection) eli vaimennettu kokonaisheijastus. Siinä kokonaisheijastus tapahtuu ATR-kiteessä, joka on timantti. IR-säde tulee timantin päällä olevaan näytteeseen sen alapuolelta, jolloin näyte voidaan lisätä ja poistaa helposti eivätkä optiset asetukset muutu. 6.4.4. IR-SPEKTRIN TULKINTA IR-spektrien tulkinnassa oleellista on, että spektri on ajettu puhtaasta näytteestä. Seoksien analysointiin IR-spektroskopia ei sovellu. Molekyylissä on kolme tekijää: atomien massa, atomien väliset sidokset ja niiden energia sekä molekyylin geometrinen muoto. Jos jokin näistä tekijöistä muuttuu, niin muuttuu myös IRspektri. Verrattain yksinkertaistenkin molekyylien spektrien tarkka tulkinta on vaikeaa spektrin sisältämän runsaan värähtelyinformaation vuoksi. Tästä syystä käytetään usein vertailutekniikkaa. Verrataan tuntemattoman aineen spektriä tunnettuihin spektreihin esim. spektrikirjastossa. Yhdisteen rakenteen selvittämisen kannalta tärkeitä venytys- ja taivutusvärähtelyjä esiintyy koko IR-alueella 4000 400 cm -1. Spektri voidaan jakaa karkeasti kahteen alueeseen. Funktionaalinen alue esiintyy aaltoluvuilla 4000 1500 cm -1. Tällä alueella esiintyvät funktionaalisista ryhmistä peräisin olevat venytysvärähtelyt. Sormenjälkialue on aaltolukualueella 1500 400 cm -1 ja sieltä löytyy koko molekyyliä kuvaavia venytys- ja taivutusvärähtelyjä. Näiden absorptiojuovien avulla selvitetään molekyylin hienorakennetta ja mahdollista isomeriaa ja varmistetaan funktionaalisen alueen tulkintaa. Kirjallisuudessa on esitetty lukuisia tarkkoja taulukoita, joihin on kerätty spektritietoa erilaisten kemiallisten aineiden ja aineryhmien karakteristisista absorptiojuovista. Vertaamalla spektrissä esiintyviä absorptiojuovia taulukkoarvoihin (ks. taulukko 6.4. seuraavalla sivulla) voidaan päätellä minkälaisesta aineesta on kysymys.

46 Taulukko 6.4. Funktionaalisten ryhmien absorptiolukuja. Sidos funktionaalinen ryhmä aaltoluku (cm -1 ) intensiteetti C H Alkaanit (venytys) 3000 2850 s CH3 (taivutus) 1450 ja 1375 m CH2 1465 m Alkeenit 3100 3000 m Aromaattiset 3150 3050 s Alkyyni n. 3300 s Aldehydi 2900 2700 w C=C Alkeeni 1680 1600 m w Aromaattinen 1600 ja 1475 m w C C Alkyyni 2250 2100 m w C=O Aldehydi 1740 1720 s Ketoni 1725 1705 s Karboksyylihappo 1725 1700 s Esteri 1750 1730 s Amidi 1680 1630 s Anhydridi 1810 ja 1760 s Happokloridi 1800 s C O Alkoholit, eetterit, esterit, 1300 1000 s karboksyylihapot, anhydridit O H Alkoholit, fenolit vapaa 3650 3600 m H-sidottu 3400 3200 m Karboksyylihapot 3400 2400 m N H Primääriset ja sekundääriset amiinit ja amidit (venytys) 3500 3100 m (taivutus) 1640 1550 m s C N Amiinit 1350 1000 m s C=N Iminit ja oksimit 1690 1640 w s N=O Nitro (R NO2) 1550 ja 1350 s s = strong, m = medium, w = weak IR-spektrin tulkinta aloitetaan katsomalla spektristä, onko siinä C=O-absorptiojuovaa. Jos C=O-absorptiojuova on, niin selvitetään, onko kyseessä karboksyylihappo, esteri, aldehydi vai ketoni. Jos C=O-absorptiojuovaa ei ole, katsotaan, onko spektrissä O H-absorptiojuovaa. Jos O H-absorptiojuova on, kyseessä on alkoholi (näytteessä mahdollisesti oleva kosteus näkyy myös). Jos ei ole O H-absorptiojuovaa, mutta C O-absorptiojuova on, kyseessä on eetteri. Sitten katsotaan, onko spektrissä C=C-absorptiojuovia ja selvitetään, onko yhdisteessä hiilihiili-kaksoissidoksia tai onko yhdiste aromaattinen. Lopuksi katsotaan spektrin C Habsorptiojuovia.

7. ORGAANISEN KEMIAN TYÖMENETELMIÄ 47 7.1. LIUOTTIMIEN JA LIUOSTEN KUIVAUS Useat epäorgaaniset suolat muodostavat veden kanssa hydraatteja. Tätä ominaisuutta käytetään hyväksi veden poistamiseen orgaanisesta liuoksesta. Na 2 SO4(s) + 7 H2O Na 2 SO 4 7 H 2 O(s) Eri kuivausaineet eroavat toisistaan tehokkuudeltaan (jäännösveden määrältään), vedenpoistonopeudeltaan ja -kapasiteetiltaan. Kuivausaineen valinnassa on otettava huomioon, että kuivausaine ei saa reagoida kuivattavien aineiden kanssa eikä liueta niihin. Taulukko 7.1. Kuivausaineita. Nimi Hydraatti Tehokkuus Nopeus Kapasiteetti Käyttö Natriumsulfaatti Magnesiumsulfaatti Kalsiumkloridi Natriumkarbonaatti Na 2SO 4 7 H 2O pieni melko hidas suuri sopii useimmille yhdisteille MgSO 4 H 2O keskinkert. nopea suuri sopii useimmille yhdisteille, ei amiineille CaCl 2 2 H 2O suuri nopea pieni sopii hiilivedyille, alkyylija aryylihalogenideille Na 2CO 3 10 H 2O keskinkert. keskinkert. keskinkert. sopii amiineille, estereille, amideille, ketoneille, alkoholeille Kuivattavaan liuokseen lisätään kuivausainetta noin 5 % tilavuudesta ja ravistellaan silloin tällöin 10 12 min. Jos kaikki kuivausaine on reagoinut eikä irtonaista reagoimatonta ole jäljellä, suodatetaan liuos ja lisätään uutta kuivausainetta noin 5 % ja annetaan kuivua noin 5 min. Kun liuos on kuiva, kuivausaine poistetaan suodattamalla vanutupon tai suodatinpaperin läpi. 7.2. REAKTIOSEOKSEN JA TISLATTAVAN LIUOKSEN KUUMEN- TAMINEN Kuumennushauteita on mm. sähkökäyttöinen haude, vesihaude, öljyhaude ja ilmahaude. Haude valitaan käyttötarkoituksen ja nesteen kiehumispisteen mukaan. Herkästi syttyvää liuotinta, jonka kiehumispiste on alle 80 C, kuumennetaan sähkölevyn päällä olevassa vesihauteessa (kuva 7.1.). Jos kiehumispiste on 80 170 C, käytetään öljyhaudetta. Öljyhauteen lämpötilaa seurataan koko ajan lämpömittarilla. Hauteen lämpötilan on oltava yleensä

48 noin 15 30 C kuumennettavan liuoksen kiehumispisteen yläpuolella. Öljyhaudetta ei saa kuumentaa yli 200 C:een! Kiehumispisteen ollessa yli 170 C käytetään ilmahaudetta. Tällä työkurssilla käytetään sähköhaudetta. 7.3. KEITTÄMINEN PALAUTUSJÄÄHDYTTÄJÄN KANSSA Reaktioseosten ja uudelleenkiteytysliuosten keittäminen tehdään palautusjäähdyttäjällä varustetussa kolvissa (kuva 7.1.). Palautus- l. pystyjäähdytin estää kiehuvan nesteen haihtumisen. Liuotinhöyry tiivistyy jäähdyttimessä ja palautuu kolviin (engl. reflux). Ylikuumenemisen estämiseksi lisätään kolviin kiehumakiviä. Jos kiehumakivet unohtuvat, niitä ei saa lisätä jo kuumennettuun liuokseen. vesi sisään jäähdytin vesi ulos koura kolvi,jossa kiehumakivet statiivi sähkölevy 5 6 4 7 3 8 2 9 1 11 5 6 4 7 3 8 2 9 1 10 Kuva 7.1. Keittäminen palautusjäähdyttäjällä varustetussa kolvissa.

49 7.4. TISLAUS Tislausta käytetään haihtuvien yhdisteiden eristämiseen ja puhdistamiseen. Tislauslaite kootaan hiososista kuvan 7.2. osoittamalla tavalla. Laitteen kiinnittäminen vinoon tankoon on tehtävä siten, että hiokset pysyvät kiinni (huom. oikeat tukipisteet). Lasiosissa ei saa olla jännityksiä. Lämpömittarin elohopeakuulan on oltava kolvista jäähdyttimeen johtavan sivuputken tason alapuolella. Tislauskolvin tilavuus valitaan siten, että kolvista on tislausta aloitettaessa täytettynä 1/3 2/3. lämpömittari vesi ulos tislausväliosa sitomisputki kiehumakiviä kolvi jäähdytin vesi sisään kolvi Kuva 7.2. Tislauslaitteisto. Tislattavan yhdisteen kiehumispisteen ollessa alle 120 C käytetään jäähdyttimessä virtaavaa vettä. Kun kiehumispiste on 120 150 C, käytetään seisovaa vettä. Vesi poistetaan jäähdyttimestä, kun kiehumispiste on yli 150 C. Tislattaessa käytetään kiehumakiviä (ks. kuva 7.2.). Katso kuumentaminen kohdasta 7.2. Herkästi haihtuvia ja syttyviä tisleitä ei saa kerätä avoimeen etuastiaan, vaan käytetään sivuhaaralla varustettua sitomisputkea (kuva 7.2.) ja hioskolvia. Suljettua systeemiä ei saa kuumentaa. Tislattaessa hauteen lämpötila säädetään sellaiseksi, että tislausnopeus on korkeintaan yksi tippa sekunnissa. Lämpömittarin avulla seurataan tislauslämpötiloja. Tisleen kiehumispiste merkitään muistiin kiehumisvälinä.

50 Vesihöyrytislaus Vesihöyrytislauksella voidaan puhdistaa vesihöyryn mukana tislautuvia yhdisteitä. Koska toisiinsa liukenemattomien yhdisteiden höyrypaine on komponenttien osapaineiden summa ja neste kiehuu, kun sen höyrypaine kuumennettaessa saavuttaa ulkoisen paineen suuruuden, voidaan korkealla kiehuvat yhdisteet tislata paitsi niiden oman kiehumispisteen myös veden kiehumispisteen alapuolella. Kuva 7.3. Vesihöyrytislauslaitteisto, jossa vesi höyrystetään tislauskolvissa (sopiva pienille ainemäärille). 7.5. LIUOTTIMEN POISTO PYÖRÖHAIHDUTTIMELLA Orgaaninen liuotin voidaan poistaa reaktioseoksesta tehokkaasti tislaamalla pyöröhaihduttimella (kuva 7.4.). Siinä sähkömoottori pyörittää tislauskolvia suurentaen rajapintaa, jolta höyrystyminen tapahtuu. Kolvin pyöritys estää myös liuottimen ylikuumenemisen. Kolvin yläpuolella on tehokas jäähdyttäjä, jossa tapahtuu höyryn kondensoituminen nesteeksi. Koko laitteisto voidaan saattaa alipaineeseen vesisuihkupumpulla. Kun tislaantuminen alkaa, pyörimisnopeus on säädettävä niin suureksi, että kuohumista ei tapahdu. Tislauskolvia lämmitetään vesihauteessa, jonka lämpötila on n. 20 C korkeampi kuin liuottimen kiehumispiste käytetyssä vakuumissa (kun tunnetaan kp. normaalipaineessa, voidaan kp. vakuumissa lukea nomogrammista). Jäähdytysveden lämpötilan taas tulee olla n. 20 C alhaisempi kuin liuottimen kp. vakuumissa. Käytännössä tämä merkitsee sitä, että

51 alhaalla kiehuvat liuottimet (esim. pentaani, heksaani, dietyylieetteri, dikloorimetaani, kloroformi, asetoni) on tislattava normaalipaineessa tai säädettävä alipaine erittäin alhaiseksi (esim. 600 mmhg). Näin toimien estetään liuotinhöyryjen joutuminen laboratorioilmaan. Kuva. 7.4. Pyöröhaihdutin. Pyöröhaihduttimen turvallinen käyttö edellyttää, että toimitaan seuraavasti: käytetään ehdottomasti suojalaseja tarkistetaan, että keruukolvi ja haihdutuskolvi ovat ehyet (napautettaessa kolvia kuuluu särähtävä ääni, jos siinä on pieni särö) kiinnitetään teräsklipsien avulla roiskesuoja, keruukolvi ja haihdutuskolvi paikoilleen ja säädetään haihdutuskolville sopiva pyörimisnopeus avataan Wulffin pullon hana ja avataan vesisuihkupumpun hana avataan hieman jäähdytysvesikiertoa lasketaan haihdutuskolvi vesihauteeseen suljetaan hitaasti Wulffin pullon hana suljetaan varovasti pyöröhaihduttimen ylähana ja jos liuos kiehuu, avataan heti pyöröhaihduttimen ylähana haihdutus lopetetaan, kun tislettä ei enää kerry lisää tai kolvi on haihtunut kuiviin avataan varovasti pyöröhaihduttimen ylähana nostetaan haihdutuskolvi vesihauteesta avataan Wulffin pullon hana ja suljetaan vesisuihkupumppu suljetaan jäähdytysvesikierto haihdutuskolvin pyöritys lopetetaan ja irrotetaan kolvit tyhjennetään keruukolvi orgaanisiin jätteisiin

52 7.6. UUTTAMINEN Reaktiotuotteiden siirtämiseen vesiliuoksesta dietyylieetteriin (tai muuhun orgaaniseen liuottimeen) käytetään uuttoa (engl. extraction). Se tapahtuu ravistelemalla vesiliuosta eetterin kanssa erotussuppilossa. Uutettaessa tuetaan toisella kädellä erotussuppilon tulppaa ja toisella hanaa. Aluksi ravistellaan varovasti ja hanan kautta päästetään suppiloon syntynyt liuotinhöyryjen aiheuttama ylipaine pois. Näin jatketaan, kunnes ylipainetta ei kehity. Lopuksi ravistellaan voimakkaasti 1 2 min. Suppilo jätetään seisomaan, jolloin kerrokset erottuvat. Dietyylieetteri muodostaa ylemmän ja vesi alemman kerroksen. Klooratut hiilivedyt (kuten CH2Cl2) ovat vettä painavampia ja vesi on tällöin ylempänä kerroksena. Käytettäessä helposti haihtuvia ja herkästi syttyviä liuottimia (esim. dietyylieetteriä) avotulta ei saa olla lähellä. Kuva 7.5. Uuttaminen erotussuppilossa.

53 7.7. LIUOSTEN PESEMINEN Uuttamisen yhteydessä uuttoliuos pestään usein vedellä, jollakin suolaliuoksella tai happo- tai emäsliuoksella. Pesun tarkoitus on poistaa uuttoliuoksesta epäpuhtauksia. Pesu tehdään siten, että uuttoliuokseen lisätään työohjeessa mainittu määrä pesuliuosta ja ravistellaan erotussuppilossa kuten kohdassa 7.6. on neuvottu. Annetaan kerrosten erottua, lasketaan vesiliuos hanan kautta pois. Kun pestään vedellä tai vesiliuoksella orgaanista liuotinta, jonka tiheys on < 1, vesikerros on alempi kerros. Työohjeessa sanotaan usein, että pestään kolme kertaa esim. 10 ml:lla vettä. Tämä tarkoittaa sitä, että pestään edellä esitetyllä tavalla ensimmäisellä vesierällä, poistetaan pesuvesi ja toistetaan sama menettely vielä kahdesti. Pesujen yhteydessä syntyy usein emulsioita, varsinkin, jos käytetään alkalisia pesuliuoksia. Niitä voidaan hajottaa esim. lisäämällä orgaanista liuotinta, pieniä määriä natriumkloridia, saattamalla erotussuppilossa olevat nesteet pyörivään liikkeeseen tai antamalla erotussuppilon seistä yli yön (erotussuppilon alla on tällöin pidettävä dekantterilasia tai erlenmeyerkolvia). 7.8. UUDELLEENKITEYTYS Uudelleenkiteytys on tavallisimmin käytetty kiteisen reaktiotuotteen puhdistustapa. Se perustuu puhdistettavan yhdisteen ja epäpuhtauksien erilaiseen liukoisuuteen ko. kiteytysliuottimeen. Reaktiotuote liuotetaan tavallisesti mahdollisimman pieneen määrään kiehuvaa liuotinta palautusjäähdyttäjällä varustetussa suurihioksellisessa kolvissa (ks. 7.3. ja kuva 7.1.). Tällöin saadaan kyllästetty liuos. Kolvi otetaan pois lämpöhauteelta, annetaan jäähtyä pari minuuttia ja hangataan tarvittaessa lasisauvalla liuospinnan kohdalta kunnes kiteytyminen alkaa. Tämän jälkeen annetaan jäähtyä hitaasti huoneen lämpötilaan. Lopuksi jäähdytetään jäissä. Kiteet suodatetaan imusuodatuslaitteistolla (ks. 7.9.), pestään pienellä määrällä jääkylmää liuotinta ja kuivataan suodatinpaperista taivutetussa tuokkosessa lämpölevyllä tai eksikkaattorissa.

54 7.9. IMUSUODATUS BÜCHNER-SUPPILOLLA Yleisimmin käytetty suodatustapa orgaanisessa kemiassa on imusuodatus. Siinä tarvittavat välineet ovat Büchner-suppilo, suodatinpaperi, imurengas, imupullo, Wulffin pullo ja vesisuihkupumppu, ks. kuva 7.6. Käytössä olevassa systeemissä Wulffin pullo on korvattu välihanalla. Suodatinpaperi leikataan sellaiseksi, että se peittää Büchner-suppilon reiät, mutta ei kosketa seinämiä. Suodatettaessa aluksi kostutetaan suodatinpaperi suodatettavalla liuoksella. Käynnistetään imu vesisuihkupumpulla, suljetaan välihana. Imetään liuos pois. Suodatus lopetetaan päinvastaisessa järjestyksessä. Kiteinen tuote jää Büchner-suppilolle. Kuva 7.6. Imusuodatus Büchner-suppilolla. 8. KROMATOGRAFIA Kromatografia on nykyisin tärkeimpiä seosten komponenttien erottamiseen käytettyjä menetelmiä. Siinä komponenttien erottuminen perustuu niiden erilaiseen jakautumiseen kahden toisiinsa sekoittumattoman faasin, liikkuvan faasin ja paikoillaan pysyvän eli stationäärifaasin, kesken. Liikkuvan faasin kulkiessa stationäärifaasin läpi tapahtuu komponenttien erottuminen. Kromatografia voidaan jakaa ryhmiin erilaisten perusteiden mukaan. Liikkuvan ja stationäärifaasin olomuotojen mukaan voidaan puhua kaasu-nestekromatografiasta ja kaasu-kiinteäainekromatografiasta (kaasukromatografia) sekä neste-nestekromatografiasta ja neste-kiinteäainekromatografiasta.

55 Kromatografia voidaan myös jakaa ryhmiin sen mukaan minkä ilmiön perusteella jakautuminen liikkuvan faasin ja stationäärifaasin välillä tapahtuu. Jos stationäärifaasi pidättää pinnalleen tutkittavan yhdisteen, puhumme adsorptiokromatografiasta. Jos tapahtuu jakautuminen nestemäisen stationäärisen ja liikkuvan faasin välillä, on kyseessä jakautumis- eli partitiokromatografia. Erottumisen perustuessa ioninvaihtoon puhutaan ioninvaihtokromatografiasta. Jos erottuminen on seurausta molekyylien erilaisesta siivilöitymisestä, on kyseessä geelisuodatus. Käytetyn kromatografisen tekniikan perusteella voidaan puhua pylväskromatografiasta, paperikromatografiasta, ohutkerroskromatografiasta, korkeapainenestekromatografiasta ja kaasukromatografiasta. 8.1. ADSORPTIOKROMATOGRAFIA Monet orgaaniset ja epäorgaaniset yhdisteet voivat sitoa pinnalleen toisia yhdisteitä joko van der Waals'in tai kemiallisin voimin. Tällaisia adsorbenttejä ovat alumiinioksidi (Al2O3), silikageeli (SiO 2 ) ja kalsiumkarbonaatti (CaCO 3 ). Adsorptiokromatografiassa tutkittava yhdiste jakautuu adsorbentin ja liikkuvan faasin kesken. Eri yhdisteiden erottuminen perustuu jatkuvasti tapahtuviin adsorptio-desorptioilmiöihin liikkuvasta faasista adsorbenttiin ja takaisin. Sekä adsorbentin, tutkittavien yhdisteiden että liuottimien polaariset ominaisuudet vaikuttavat kromatografian suoritukseen. Polaarinen liuotin pyrkii sitoutumaan polaarisen adsorbentin aktiivisiin ryhmiin ja syrjäyttämään niistä jo adsorboituneet tutkittavat yhdisteet. Eluointiliuottimet voidaan järjestää polaarisuuden mukaiseksi liuotinsarjaksi: vesi, metanoli, etanoli, propanoli, asetoni, pyridiini, dietyylieetteri, kloroformi, hiilitetrakloridi, sykloheksaani, petrolieetteri, pentaani, heksaani, heptaani. Mitä aikaisemmin sarjassa liuotin on sitä tehokkaammin se sitoutuu polaariseen adsorbenttiin ja sitä tehokkaammin se eluoi polaarisia yhdisteitä. Asia on päinvastoin, jos adsorbentti on ei-polaarinen. Usein eluointiin käytetään useamman liuottimen seosta.

56 8.2. PARTITIOKROMATOGRAFIA Jakautumis- eli partitiokromatografia perustuu tutkittavan yhdisteen jakautumiseen kahden toisiinsa sekoittumattoman nestefaasin kesken. Stationäärinen nestefaasi on sitoutunut kantaja-aineeseen, joka voi olla pylvääseen pakattu tai vain paperiarkki. Tutkittavien yhdisteiden liikkumisnopeuteen vaikuttavat jakautumiskertoimet. Jakautumis- eli partitiokerroin: c K = s c jossa l c s = tutkittavan yhdisteen konsentraatio stationäärifaasissa c l = tutkittavan yhdisteen konsentraatio liikkuvassa faasissa Kantaja-aine ei saa adsorboida tutkittavia yhdisteitä ja sen kyky pidättää stationäärifaasia tulee olla suuri. Piihappo, piimaa ja selluloosa ovat yleisesti käytettyjä kantaja-aineita. Nestefaasien valintaan vaikuttavat tutkittavien yhdisteiden partitiokertoimet kyseisissä liuottimissa. Mitä suurempia ne ovat sitä enemmän tutkittava yhdiste liukenee stationäärifaasiin ja yhdisteen liikkuminen on hidasta. 8.3. IONINVAIHTOKROMATOGRAFIA Ioninvaihtokromatografiassa stationäärinen faasi on ioninvaihdin, joka sitoo reversiibelisti varauksellisia yhdisteitä, anioneja tai kationeja ioninvaihtimesta riippuen. Ajoliuoksena käytetään puskuroituja liuoksia. Liuoksen ph valitaan tutkittavalle yhdisteiden seokselle sopivaksi. Sitä voidaan muuttaa myös ajon aikana. Ioninvaihtokromatografiassa saadaan yleensä yhdisteet eluoitua happovakion Ka:n mukaisessa järjestyksessä. Menetelmää voidaan käyttää sekä orgaanisia (esim. aminohappoja) että epäorgaanisia varauksellisia yhdisteitä erotettaessa. 8.4. GEELIKROMATOGRAFIA (geelisuodatus) Geelikromatografia jakaa yhdisteet koon ja muodon perusteella ja sitä voidaan käyttää esim. molekyylipainon määrittämiseen. Geelikromatografia perustuu molekyylisiiviläefektiin eli molekyylien siivilöitymiseen. Pienet molekyylit pääsevät verkkomaisen geelifaasin sisälle, mutta suuret eivät pääse. Tästä syystä suuret molekyylit eluoituvat nopeasti geelipylvään läpi, kun taas pienet molekyylit eluoituvat hitaammin.

8.5. TEKNIIKAN MUKAINEN KROMATOGRAFIAN JAKO Kromatografisia tekniikoita esitellään tässä vielä yksityiskohtaisemmin. 57 8.5.1. SPE-TEKNIIKKA SPE-lyhenne tulee sanoista Solid Phase Extraction ja tarkoittaa kiinteäfaasiuuttoa. SPE-pylväät ovat valmiiksi pakattuja. Niissä oleva kiinteä faasi on hyvin tasalaatuista ja hienojakoista, minkä takia erottaminen voi tapahtua pienessä tilavuudessa. SPE-pylväitä on saatavilla monella erilaisella kiinteällä faasilla, jolloin ne soveltuvat erilaisiin tarkoituksiin kuten esim. adsorptiotai ioninvaihtokromatografiaan. 8.5.2. PYLVÄSKROMATOGRAFIA Pylväskromatografiaksi kutsutaan neste-neste- tai neste-kiinteäainekromatografiaa, jossa stationäärifaasi on pakattu pylvääseen eli kolonniin (kuva 8.1.), jonka läpi liikkuva faasi virtaa hydrostaattisella paineella. Erottuminen pylväskromatografiassa voi perustua jo edellä esitettyihin ilmiöihin: adsorptioon, partitioon, ioninvaihtoon tai molekyylien siivilöitymiseen. Kuva 8.1. Kromatografiapylväs.

58 8.5.3. OHUTKERROSKROMATOGRAFIA Ohutkerroskromatografia (TLC = thin layer chromatography) perustuu tavallisimmin adsorptioon tai partitioon, mutta toisinaan myös ioninvaihtoon tai molekyylisiiviläefektiin riippuen käytetystä liuottimesta ja ohutkerroksen laadusta. Tavallisesti käytetään piihappogeelillä (silikageeli), alumiinioksidilla (alumina), piimaalla tai selluloosalla päällystettyjä lasi-, alumiini- tai muovilevyjä. Liuotin valitaan tehtävän analysoinnin ja kerrosmateriaalin perusteella. Ohutkerroskromatografiassakin on tulosten toistettavuuden kannalta tärkeää, että ajokammio on ajoliuoshöyryn kyllästämä. Yhdisteen analysoinnissa käytetään Rf-arvoa (ks. kuva 8.3.). Rf-arvo riippuu stationäärifaasista, kammion lämpötilasta ja eluentista. Kuva 8.2. Ohutkerroslevyn valmistelu ja ajo. Kuva 8.3. Rf-arvon määrittäminen ohutkerroslevyllä. Rf = yhdisteen kulkema matka / liuotinrintaman kulkema matka (b/a).

59 8.5.4. KAASUKROMATOGRAFIA Herkin kolonnikromatografian laji on kaasukromatografia (GLC = gas liquid chromatography). Sitä käytetään pienten näytemäärien kvalitatiiviseen ja kvantitatiiviseen analysointiin, mutta myös näytteen komponenttien eristämiseen. Näytteeltä edellytetään, että se saadaan höyrytilaan. Jos tutkittavat yhdisteet eivät sellaisenaan höyrysty, ne voidaan muuttaa höyrystyviksi johdannaisiksi ennen analysointia. Sopivaan liuottimeen liuotettu näyte ruiskutetaan injektoriin, jossa tapahtuu näytteen höyrystyminen. Sieltä höyrystynyt näyte joutuu kantokaasun huuhtelemana kolonniin, jossa komponentit erottuvat toisistaan erilaisen jakaantumisen (partition) perusteella kantokaasun (liikkuva faasi) ja kolonnin stationäärisen nestemäisen faasin välillä. Jakaantumiskertoimet riippuvat lämpötilasta. Kolonni on sijoitettu uuniin, jonka lämpötilaa voidaan säätää tai jopa tietyn ohjelman mukaan muuttaa analysoinnin aikana. Kolonnin jälkeen kantokaasu huuhtelee näytteen ilmaisimeen eli detektoriin. Tavallisimmin käytettyjä ovat lämmönjohtokyky-, liekkiionisaatio- tai elektroninsieppausdetektorit. Detektorilta saatu signaali vahvistetaan ja johdetaan piirturille, jolta saadaan kromatogrammi, jossa erottuneet komponentit näkyvät pohjaviivasta erottuvina piikkeinä. Injektori Detektori Tulosten käsittely Kaasut Kolonni Kuva 8.4. Kaavio kaasukromatografista. Analysoinnissa käytetään hyväksi retentioaikaa, joka on yhdisteen kolonnissa viipymä aika. Vakio-olosuhteissa se on tietylle yhdisteelle aina sama. Retentioaikaan vaikuttavat kolonnin pituus ja lämpötila, kantajakaasun virtausnopeus sekä stationäärisen nestefaasin luonne. Retentioaikaa käytetään yhdisteen tunnistamiseen ja kromatogrammipiikin pinta-alaa kvantitatiiviseen määritykseen.

60 8.5.5. NESTEKROMATOGRAFIA Nestekromatografia (LC) on kaasukromatografian ohella käytetyin kromatografialaji. Menetelmästä käytetään nimitystä HPLC (high performance liquid chromarography). Sitä käytetään sekä pienten ainemäärien analysointiin, että näytekomponenttien eristämiseen. HPLC-menetelmän etuna on että näyte voidaan analysoida nestetilasta normaalilämpötilassa. Liuottimeen liuotettu näyte ruiskutetaan luuppi-injektoriin erityisellä tylppäkärkisellä nestekromatografiaruiskulla. Injektorista näyte ohjautuu eluenttivirtaan (kantoneste) ja edelleen kolonniin, jossa erottuminen tapahtuu. Kantajana toimii neste tai nesteseos, jota kutsutaan eluentiksi. Eluentti syötetään kolonniin korkeapainepumpulla. Erottuminen perustuu komponenttien erilaiseen sitoutumiseen liikkuvan eluentin ja kolonnimateriaalin välillä. Kolonnin jälkeen komponentit kulkeutuvat detektorille, signaalit vahvistetaan ja tulostetaan piirturille kromarogrammiksi, jossa jokaista erottunutta komponenttia edustaa erillinen piikki. Nestekromatografiassa detektoreina voidaan käyttää UV-absorptioon, fluoresenssiin tai valon taittumiseen perustuvia ilmaisimia. Komponenttien analysointi perustuu niiden erilaisiin retentioaikoihin ja kvantitointi piikin pinta-alaan. HPLC:ssä retentioaikaan vaikuttavat kolonnin pituus ja paksuus, eluentin virtausnopeus (ml/min), lämpötila sekä kolonnimateriaalin ominaisuudet. Kuva 8.5. Kaavio nestekromatografista.

61 9. TYÖPÄIVÄKIRJA Työpäiväkirja on A4-kokoinen ruutuvihko, johon merkitään muistiin työn yksityiskohtia siten, että koe voidaan myöhemmin toistaa työmonisteen ja näiden merkintöjen perusteella. Pääsääntöisesti työvaiheet kirjataan vihon oikeanpuoleiselle sivulle ja alkuperäiset tulokset kuten laskut, punnitustulokset sekä graafiset esitykset vasemmanpuoleiselle sivulle. Työpäiväkirja sisältää alkuperäiset muistiinpanot siitä, mitä itse on tehty tai havaittu tai mitä on tapahtunut. Irrallisten muistilappujen käyttö on kielletty. Työpäiväkirjaan ei kirjata sellaisia seikkaperäisiä työohjeita, jotka on suoraan otettu monisteesta. Työpäiväkirjan tulee olla aina ajan tasalla ja vaadittaessa tarkastettavissa. Työpäiväkirjaan merkitään: Työn tai kokeen nimi ja päivämäärä Työn yleinen periaate ja tarkoitus lyhyesti Käytetyt välineet ja laitteet. Tarvittaessa selventävä piirros laitteista Käytetyt reagenssit ja liuokset sekä niiden valmistusohjeet, mikäli liuokset on itse tehty Laskut ja punnitustulokset Kokeitten tulokset selvästi ja graafiset esitykset mm-paperille Vastaukset kokeen yhteydessä esiintyviin kysymyksiin ja kotitehtäviin Lyhyt yhteenveto kokeen tuloksista, havaintojen luotettavuudesta ja mahdollisista virhelähteistä.

62 TYÖ 1. EPÄORGAANISTEN IONIEN REAKTIOITA Työssä opitaan havaintojen tekemistä kemiallisista reaktioista epäorgaanisten ionien ja yhdisteiden nimeämistä tasapainotetun reaktioyhtälön kirjoittamista Jokaisella aineella on luonteenomainen liukoisuus tiettyyn liuottimeen. Liukoisuus ilmoitetaan esim. g/l tai mol/l. Kylläinen liuos saadaan, kun ainetta liuotetaan liukoisuuden ilmoittama määrä liuottimeen. Kylläisessä liuoksessa vallitsee ns. heterogeeninen kemiallinen tasapaino, missä liukoinen aine, esimerkiksi jokin kiinteä aine, on tasapainossa liuoksessa olevan muotonsa kanssa: kiinteä aine liuennut aine Mitä enemmän tällainen heterogeeninen tasapainotila on siirtynyt vasemmalta oikealle, sitä runsaammin aine on kyseisissä olosuhteissa liukeneva eli sitä suurempi on sen kylläisen liuoksen konsentraatio. Eri aineilla on hyvin vaihtelevat liukoisuudet samaan liuottimeen ja samalla aineella eri liuottimiin. Tämä aiheutuu pääasiassa liuottimen ja liukenevan aineen rakenneosasten välisien vetovoimien erilaisuudesta eli itse liuottimen ja liukenevan aineen perusluonteesta, ennen kaikkea niiden polaarisuudesta. Myös lämpötilalla on vaikutusta liukoisuuteen. Useimmat aineet liukenevat runsaammin kuumiin kuin kylmiin liuottimiin. Saostus- ja liukenemisreaktiot Kun kiinteä aine on tasapainossa liuoksessa olevien ionien kanssa, ilmaistaan tasapaino liukoisuustulon avulla. Yleisesti liukoisuustulo, K s niukkaliukoiselle suolalle A m B n, joka ionisoituu liuottimeen seuraavasti: A m B n (s) ma n+ + nb m ilmaistaan lausekkeella K s = [A n+ ] m [B m ] n [A n+ ] = A n+ -ionin konsentraatio kylläisessä liuoksessa [B m ] = B m -ionin konsentraatio kylläisessä liuoksessa

63 eli esimerkiksi suolalle Ca 3 (PO 4 ) 2 seuraavasti Ca 3 (PO 4 ) 2 (s) 3 Ca 2+ 3 + 2 PO 4 K s = [Ca 2+ ] 3 [ PO 3 4 ] 2 Liukoisuustulon avulla voidaan tarkastella aineiden liukoisuuksia ja niihin vaikuttavia tekijöitä. Niinpä esimerkiksi liukoisuutta pienentävät vieraat aineet, joilla on samoja ioneja kuin liukenevalla aineella, koska liukoisuustulolla ilmaistava reaktiotasapaino siirtyy tällöin vasemmalle. Saostumisen alkaessa liuoksessa olevien ionien liukoisuustulon mukainen ionitulo (Q) ylittää liukoisuustulon arvon. Jos mainittu ionitulo on pienempi kuin liukoisuustulo, niin yhdiste pysyy liuoksena. esim. Ca 3 (PO 4 ) 2 jos [Ca 2+ ] 3 [ PO 3 4 ] 2 = K s vallitsee tasapaino jos [Ca 2+ ] 3 [ PO 3 4 ] 2 > K s tapahtuu saostuminen jos [Ca 2+ ] 3 [ PO 3 4 ] 2 < K s tapahtuu liukeneminen Vesi pystyy liuottamaan huomattavasti useampia aineita kuin muut liuottimet. Yleisluonteeltaan vesi on polaarinen liuotin, jolla on lisäksi suuri eristevakio, amfoteerinen luonne (amfolyytti toimii sekä happona että emäksenä) ja sen molekyylit ovat dipoleja. Nämä ominaisuudet tekevät siitä hyvän liuottimen. Kompleksinmuodostusreaktiot Kompleksiyhdisteiksi sanotaan kemiallisia yhdisteitä, joissa esiintyy koordinaatiosidoksia (koordinaatiosidos: kemiallinen sidos, missä siihen kuuluva yhteinen elektronipari on peräisin vain toiselta yhtyvistä atomeista). Kompleksiyhdiste muodostuu seuraavasti M + :L M:L eli M + :L ML, missä aine M toimii elektroniparin vastaanottajana eli akseptorina ja aine L eli ligandi toimii elektroniparin luovuttajana eli donorina. Akseptori saattaa sitoa useammankin kuin yhden elektroniparin, jotka ovat tällöin peräisin vastaavalta määrältä donoriatomeja. Kaksi- tai monihampainen ligandi on kyseessä silloin, kun samassa ligandissa on kaksi tai useampia sellaisia atomeja, joissa on koordinaatiosidoksen muodostumiselle välttämättömiä vapaita elektronipareja. Tällöin syntyy rengasrakenteinen kompleksiyhdiste eli kelaatti.

64 Kompleksiyhdisteen koordinaatioluku ilmaisee keskusatomin ja ligandien välisten sidosten lukumäärän. Tavallisimmin koordinaatioluku kompleksiyhdisteissä on 2, 4 tai 6. Esim. Cu 2+ + 4 NH 3 [Cu(NH 3 ) 4 ] 2+ tetra-ammiinikupari(ii)ioni koordinaatioluku on 4. Kompleksin kaavassa käytetään hakasulkuja, joiden ulkopuolelle mahdollinen kokonaisvaraus kirjoitetaan. Hakasulkujen sisällä kaava aloitetaan metallilla. Tämän jälkeen tulevat ensin ioniset ligandit ja sitten neutraalit ligandit. Kompleksin nimi alkaa ligandin nimellä. Jos samaa ligandia on useampia, se ilmaistaan etuliitteellä di, tri, tetra jne. Kun negatiivinen ioni on ligandina, se saa päätteen o. Esimerkiksi tiosyanaatti-ioni, SCN on ligandina tiosyanaatto. Ollessaan ligandina vesi on akva ja ammoniakki on ammiini. Ligandien nimien jälkeen tulee metallin nimi. Jos kompleksin kokonaisvaraus on negatiivinen, johdetaan metallin latinalaisperäisestä nimestä aatti-päätteinen sana, esim. [Co(SCN) 4 ] 2, tetratiosyanaattokoboltaatti(ii)ioni. Usealla hapetusluvulla esiintyvän metallin hapetusluku merkitään sulkuihin roomalaisin numeroin.

65 Hapetus-pelkistysreaktiot Hapetus-pelkistysreaktiot eli redox-reaktiot perustuvat hapettimen A ox ja pelkistimen B red väliseen reaktioon: aa ox + bb red aa red + bb ox missä hapettimena toimiva aine pelkistyy aineeksi A red ja sitoo elektroneja ja vastaavasti pelkistimenä toimiva aine B red hapettuu aineeksi B ox ja luovuttaa elektroneja, esim. MnO 4 + 8 H + + 5 Fe 2+ Mn 2+ + 5 Fe 3+ + 4 H2O Kemiallisen reaktioyhtälön kirjoittaminen 1. Kunkin alkuaineen atomien lukumäärän tulee olla sama reaktioyhtälön molemmilla puolilla. 2. Ionireaktioissa varausten summan tulee olla yhtä suuri reaktioyhtälön molemmilla puolilla. 3. Hapetus-pelkistysreaktioissa sekä luovutettujen että vastaanotettujen elektronien lukumäärien tulee olla yhtä suuret. Reaktiossa syntyvä sakka merkitään fl tai (s). Jos yhdiste on liuenneena veteen, merkitään (aq), esim. HCl(aq). Reaktiosta kaasumaisena vapautuva aine merkitään tai (g). Muodostunut kompleksiyhdiste merkitään [ ]. Esim. Fe 2+ + S 2 FeS fl FeS fl + 2 H + Fe 2+ + H 2 S Fe 3+ + SCN [Fe(SCN)] 2+

66 Työn suoritus Kokeellinen osa 1. Reaktiot tehdään puolimikrokoeputkessa (n. 4 ml). Tarvittavia reagensseja käytetään 3 5 tippaa. Kunkin reaktion jälkeen tehdään havainnot mahdollisesta sakan muodostumisesta, hapetus-pelkistysilmiöistä, värin muutoksista sekä kirjoitetaan tapahtunutta reaktiota kuvaava tasapainotettu reaktioyhtälö ja nimetään tuotteet. 2. Lasisauvalla sekoittaminen ja vesihauteessa lämmittäminen nopeuttavat reaktioita. 3. Useat reaktiot tapahtuvat vain tietyssä vetyionikonsentraatiossa (ph:ssa). Tämän vuoksi liuoksen ph:ta on tarvittaessa säädeltävä happo- tai emäslisäyksellä. ph todetaan hyvin sekoitetusta liuoksesta koskettamalla lasisauvalla liuosta ja koskettamalla sauvalla phpaperia. ph-paperipakkauksessa on värikoodit, joita katsomalla selviää ph-paperin väriä vastaava ph-alue. 4. Reaktioissa käytetään apuna tämän työn lopussa olevaa suolojen liukoisuustaulukkoa T1.1. Saostusreaktioita 1. Hopeanitraatti + vetykloridi Ag + + NO 3 + H + + Cl AgCl fl + H + + NO 3 AgNO 3 (aq) + HCl(aq) AgCl(s) + HNO 3 (aq) Reaktioyhtälö, jossa on vain reagoivat ionit: Ag + + Cl AgCl fl hopeakloridi, valkoinen sakka 2. Kupari(II)sulfaatti + natriumsulfidi Reaktioseosta lämmitetään vesihauteessa, jolloin muodostuu kupari(ii)sulfidia. 3. Rauta(III)nitraatti + ammoniakin vesiliuos (NH 4 OH) Sakka on niukkaliukoista rauta(iii)hydroksidia, K s = 2,6 10-39 4. Alumiinisulfaatti + ammoniakin vesiliuos (NH 4 OH) Sakka on alumiinihydroksidia, K s = 1,3 10-33 5. Kalsiumkloridi + natriumkarbonaatti Sakka on kalsiumkarbonaattia.

67 Liukoisuus- ja kompleksinmuodostusreaktioita 6. Tehdään reaktio 5 uudestaan ja liuotetaan saatu sakka vetykloridiin. Reaktiossa vapautuu hiilidioksidia. 7. Tehdään reaktio 1 uudestaan (1 tippa AgNO 3 + 1 tippa HCl) ja liuotetaan saatu sakka väk. ammoniakin vesiliuokseen. Reaktiossa muodostuu diammiinihopeaioni, [Ag(NH 3 ) 2 ] +. 8. Kupari(II)sulfaatti + väk. ammoniakin vesiliuos Reaktiossa muodostuu tetra-ammiinikupari(ii)ioni. 9. Rauta(III)nitraatti + ammoniumtiosyanaatti Reaktiossa muodostuu tiosyanaattorauta(iii)ioni, [Fe(SCN)] 2+. Hapetus-pelkistysreaktioita (ks. taulukko T1.2. tämän työn lopussa) 10. Hopeanitraatti + kupari (lanka/lastu) 11. Tehdään reaktio 2 uudestaan ja liuotetaan saatu sakka typpihappoon kuumentamalla reaktioseosta vesihauteessa. Reaktiossa sulfidi-ioni hapettuu rikiksi ja nitraatti-ioni pelkistyy typpimonoksidiksi. 12. Mangaani(II)nitraatti + väk. HNO 3 + lyijy(iv)oksidi Isoon koeputkeen otetaan 1 tippa Mn(NO 3 ) 2 -liuosta, 2 ml väk. HNO 3 :a, lusikan kärjellinen kiinteää PbO 2 :a ja kuumennetaan reaktioseosta vesihauteessa silloin tällöin koeputkea ravistellen. Reaktiossa mangaani(ii)ioni hapettuu permanganaatti-ioniksi, MnO 4 lyijy(iv)ioni pelkistyy lyijy(ii)ioniksi. ja Jätteiden käsittely Metallisuolajätteet metallisuolajäteastiaan.

68 Taulukko T1.1. Suolojen liukoisuustaulukko. Ag + Hg 2+ 2 Pb 2+ Hg 2+ Cu 2+ Fe 3+ Fe 2+ Mn 2+ Zn 2+ Al 3+ Ca 2+ Sr 2+ Ba 2+ Mg 2+ CO 2-3 h h h h h - h h h - h h h h CH 3COO - h h I - (h) (h) (h) h h Br - (h) (h) (h) Cl - (h) (h) (h) NO 3 - h SO 2-4 h h (h) h (h) (h) (h) PO 3-4 h h h h h h h h h h h h h h BO 3-3 h - h - h h - h h h h h h h AsO 3-3 h h - h h h h h h - h h h h S 2- h - h (h) h h h h h - h = happoihin, mutta ei veteen liukeneva Hg 2+ 2 = elohopea(i)ioni (merkuroioni) (h) = happoihin vaikeasti liukeneva Hg 2+ = elohopea(ii)ioni (merkuri-ioni) tyhjä = veteen liukeneva Fe 2+ = rauta(ii)ioni (ferroioni) K + -, Na + - ja NH + 4 -suolat ovat veteen liukenevia Fe 3+ = rauta(iii)ioni (ferri-ioni) - = yhdistettä ei tunneta Cu + = kupari(i)ioni (kuproioni) Cu 2+ = kupari(ii)ioni (kupri-ioni) Työhön liittyviä kotitehtäviä 1. Saat analysoitavaksi värittömän emäksisen liuoksen. Se on joko natriumhydoksidiliuosta tai natriumkarbonaattiliuosta. Miten selvität koeputkikokeilla, kumpaa analysoitava liuos on? Kirjoita tasapainotettu reaktioyhtälö. 2. Saat analysoitavaksi värittömän laimean happoliuoksen. Se on joko typpihappoa tai rikkihappoa. Miten selvität koeputkikokeilla, kumpaa analysoitava liuos on? Kirjoita tasapainotettu reaktioyhtälö. Käytä apuna suolojen liukoisuustaulukkoa T1.1. 3. Liuoksessa on sekä hopea- että kupari(ii)ioneja. Miten saat saostettua vain hopeaionit pois liuoksesta? Kirjoita tasapainotettu reaktioyhtälö. 4. Liuoksessa on sekä kupari(ii)- että rauta(iii)ioneja. Miten saat saostettua vain rauta(iii)ionit pois liuoksesta? Kirjoita tasapainotettu reaktioyhtälö.

69 Taulukko T1.2. Normaalipotentiaalien arvoja, lämpötila 298 K (konsentraatio on veteen liuenneen ionin tai yhdisteen suhteen 1 M, kaasun paine on 1 atm.). (R. Chang Chemistry, 9th ed. McGraw-Hill, New York (2007) s. 828 ja CRC Handbook of Chemistry and Physics, 75 ed. (1994) s.8-21 8-26.) Pelkistymispuolireaktio: E o (V) F2(g) + 2 e 2 F (aq) 2,87 H2O2(aq) + 2 H + + 2 e 2 H2O(l) 1,77 PbO2(s) + 4 H + + SO4 2 (aq) + 2 e PbSO4(s) + 2 H2O(l) 1,70 MnO4 (aq) + 4 H + + 3 e MnO2(s) + 2 H2O(l) 1,68 MnO4 (aq) + 8 H + + 5 e Mn 2+ (aq) + 4 H2O(l) 1,51 Au 3+ (aq) + 3 e Au(s) 1,50 PbO2(s) + 4 H + + 2 e Pb 2+ (aq) + 2 H2O(l) 1,46 Cl2(g) + 2 e 2 Cl (aq) 1,36 Cr2O7 2 (aq) + 14 H + + 6 e 2 Cr 3+ (aq) + 7 H2O(l) 1,33 O2(g) + 4 H + + 4 e 2 H2O(l) 1,23 MnO2(s) + 4 H + + 2 e Mn 2+ (aq) + 2 H2O(l) 1,23 Br2(l) + 2 e 2 Br (aq) 1,07 NO3 (aq) + 4 H + + 3 e NO(g) + 2 H2O(l) 0,96 Ag + (aq) + e Ag(s) 0,80 Fe 3+ (aq) + e Fe 2+ (aq) 0,77 O2(g) + 2 H + + 2 e 2 H2O2(aq) 0,68 MnO4 (aq) + 2 H2O(l) + 3e MnO2(s) + 4 OH (aq) 0,59 I2(l) + 2 e 2 I (aq) 0,53 O2(g) + 2 H2O(l) + 4 e 4 OH (aq) 0,40 Cu 2+ (aq) + 2 e Cu(s) 0,34 S(s) + 2 H + + 2 e H2S(aq) 0,14 Sn 4+ (aq) + 2 e Sn 2+ (aq) 0,13 2 H + +2 e H2(g) 0,00 S(s) + 2 e S 2 (aq) -0,48 Zn 2+ + 2 e Zn(s) -0,76 2 H2O(l) + 2 e H2(g) + 2 OH (aq) -0,83 Al 3+ (aq) + 3 e Al(s) -1,66 Li + (aq) + e Li(s) -3,05

TYÖ 2. RIKKIHAPON TITRAUS VÄRI-INDIKAATTORIN AVULLA 70 Työssä perehdytään kvantitatiiviseen titraukseen (ks. teoriaosa kohdasta 5.1) ja opitaan mitta-astioiden käyttö (pipetit, byretti) (ks. teoriaosa kohdasta 2.2.) titraustekniikka, byretin käyttö, sekoitus, ekvivalenttikohdan toteaminen (indikaattorit) mittaliuoksen (NaOH) konsentraation laskeminen titraustuloksista ottaen huomioon titrausreaktio analysoitavan aineen (H2SO4) massan määritys titraustuloksista ottaen huomioon titrausreaktio Hapot ja emäkset voidaan määrittää kvantitatiivisesti titraamalla. Emäsliuosta, jonka konsentraatio tunnetaan, lisätään byretistä asteittain tutkittavaan happoliuokseen. Määritettäessä emästä lisätään vastaavasti happoa emäsliuokseen. Tällöin tapahtuu neutraloitumisreaktio hapon ja emäksen välille. Tässä työssä määritetään rikkihapon massa titraamalla rikkihappoa natriumhydroksidilla. Titrausreaktio vesiliuoksessa on 2 H 3 O + + SO 2 4 + 2 Na + + 2 OH 4 H2O + SO 2 4 + 2 Na + tai lyhyemmin H 2 SO 4 (aq) + 2 NaOH(aq) Na 2 SO 4 (aq) + 2 H 2 O Titrauksen ekvivalenttikohta todetaan indikaattorin värinmuutoksen perusteella (ks. teoriaosa kohdasta 5.1. taulukko 5.1.). Koska tässä työssä titrataan vahvaa happoa vahvalla emäksellä, ekvivalenttikohdassa muodostunut Na 2 SO 4 -liuos on neutraali ja sopiva indikaattori on esim. fenoliftaleiini, jolloin ekvivalenttikohdalla liuos muuttuu värittömästä punaiseksi. (Indikaattorin happomuoto HIn on väritön ja emäsmuoto In punainen ja värin muuttuminen todetaan ph-välillä 8,3 10,0.) Kun tunnetaan mittaliuoksen (NaOH) kulutus (luetaan byretistä), voidaan rikkihapon massa laskea.

71 Työn suoritus NaOH-liuoksen valmistus Mittaliuoksena käytetään 0,1 M NaOH-liuosta. Sitä valmistetaan 250 ml mittapulloon laimentamalla 1 M NaOH-liuosta RO-vedellä mittalasia käyttäen. Liuosta sekoitetaan hyvin. NaOH-liuosta säilytetään muovipullossa, joka merkitään asianmukaisesti. NaOH-liuosta tarvitaan vielä töissä 3 ja 5. NaOH-liuoksen tarkan konsentraation määrittäminen Itsevalmistetun NaOH-liuoksen tarkka konsentraatio määritetään titraamalla oksaalihappoliuosta (primäärinen standardiliuos). Primäärinen standardiliuos: 0,0500 M oksaalihappoliuos on valmiina. Oksaalihapon titraus Täyspipetillä pipetoidaan pumpettia apuna käyttäen 10 ml (tarkasti) oksaalihappoliuosta 100 ml:n erlenmeyerkolviin (ks. teoriaosa kohdasta 2.2.). Lisätään RO-vettä noin 30 ml sekä 2 3 pisaraa fenoliftaleiini-indikaattoriliuosta (värinmuutos ph-alueella 8,3 10,0 värittömästä punaiseksi). Pipetoidaan oksaalihappoliuoksesta 10 ml:n rinnakkaisnäyte toiseen 100 ml:n erlenmeyerkolviin, lisätään RO-vesi ja fenolftaleiini-indikaattoriliuosta. Byretti täytetään NaOH-liuoksella yläkautta suppilon avulla (hana kiinni). Ilmakuplat poistetaan byretin alakärjestä lorauttamalla NaOH-liuosta hanan läpi dekantterilasiin. Suppilo poistetaan byretin yläpäästä. Byretissä olevan emäsliuoksen yläpinta lasketaan täsmälleen jonkin asteikon viivan kohdalle (ks. teoriaosa kohdasta 2.2. kuva 2.7.). Lähtökohta merkitään muistiin. Byrettiä luetaan kaarevan nestepinnan alimmalta kohdalta ja nestepintaan katsotaan suoraan silmän korkeudelta.

72 NaOH-liuosta lisätään byretistä pisaroittain oksaalihappoa sisältävään erlenmeyerkolviin samalla koko ajan sekoittaen. Byretin hanaa käännetään vasemmalla kädellä ja oikealla heilutetaan pyörivällä liikkeellä erlenmeyerkolvia (ks. kuva T2.1.). Kuva T2.1. Titraaminen. Lähellä titrauksen päätepistettä huuhdellaan titrausastian seinät ruiskupullolla. Kun titrattaessa liuos on muuttunut pysyvästi punertavaksi väriksi (väri säilyy sekoituksen jälkeen), on titrauksen päätepiste saavutettu. Byretin loppulukema merkitään muistiin ja lasketaan NaOHliuoksen kulutus. Titrataan rinnakkaisnäyte oksaalihappoa samalla tavalla. Jos NaOH-kulutus poikkeaa enemmän kuin 0,2 ml, toistetaan titraus vielä kerran. Itsevalmistetun NaOH-liuoksen tarkka konsentraatio (mol/l) lasketaan kulutusten keskiarvon perusteella (ks. teoriaosa kohdasta 5.1.) ottaen huomioon titrausreaktio H 2 SO 4 :n titraus Rikkihapponäyte siirretään kvantitatiivisesti 100 ml:n erlenmeyerkolviin. Tämä tehdään siten, että ensin rikkihapponäyte kaadetaan erlenmeyerkolviin ja sen jälkeen näyteastiaa huuhdellaan useita kertoja pienillä määrillä RO-vettä (ruiskupullosta) ja huuhteluvesi kaadetaan myös erlenmeyerkolviin. Erlenmeyerkolviin lisätään n. 30 ml RO-vettä sekä fenoliftaleiini-indikaattoria 2 3 pisaraa ja sekoitetaan. Liuos titrataan byretissä olevalla NaOH-liuoksella.

73 Tulosten laskeminen Lasketaan näytteen sisältämän rikkihapon massa (0,1 mg:n tarkkuudella) ottaen huomioon titrausreaktio. Vertaa titrauksessa saamaasi rikkihapon massaa näytteen sisältämään rikkihapon massaan (saadaan opettajalta). Onko massoissa eroa? Mistä arvelet eron johtuvan? Laske virheprosentti rikkihapon massan määrityksessä. Titrauksessa hyväksytty virhe on ± 3 %. Jätteiden käsittely NaOH-liuos otetaan byretistä talteen muovipulloon. Kaikki liuokset saa kaataa viemäriin vedellä runsaasti huuhdellen. Työhön liittyviä kotitehtäviä 1. Miten valmistat 250 ml 0,10 M NaOH-liuosta lähtien 1,00 M NaOH-liuoksesta? 2. Kiinteässä oksaalihapossa on kidevettä ja sen kemiallinen kaava on (COOH) 2 2H 2 O. Kuinka paljon on punnittava tätä oksaalihappodihydraattia, kun valmistetaan 250 ml 0,0500 M oksaalihappoliuosta? 3. Rikkihapponäyte laimennetaan RO-vedellä. Miksi lisätyn veden määrä ei vaikuta titrauksen lopputulokseen? 4. Ekvivalenttikohdan ohi titraaminen tarkoittaa, että titrausta ei huomata lopettaa, vaikka indikaattorin väri on jo vaihtunut ekvivalenttikohdassa. Titrauksesta saadaan liian suuri kulutus. Mitä vaikuttaa saamaasi rikkihapon massaan, jos titrataan ohi ekvivalenttikohdan a) H 2 SO 4 :n titrauksessa b) NaOH:n konsentraation määrityksessä Ennen laboratoriotyökertaa ratkaistava tehtävä

74 TYÖ 3. FOSFORIHAPON POTENTIOMETRINEN TITRAUS Työssä tutustutaan potentiometriseen titraukseen ja ph-mittarin käyttöön (ks. teoriaosa kohdasta 2.5.2.) ja opitaan ph-yhdistelmäelektrodin käsittely (elektrodit ks. teoriaosa kohdasta 2.5.2.) ph-mittarin kalibrointi puskuriliuoksilla heikon hapon (H3PO4) titraus vahvalla emäksellä (NaOH) ph-mittarin avulla titrauskäyrän piirtäminen mm-paperille, ekvivalenttikohtien määrääminen sekä titrauskäyrältä että laskemalla Hahn-Frommerin kaavasta titratun H 3 PO 4 :n massan laskeminen H 3 PO 4 :n happovakioiden määrittäminen titrauskäyrältä Liuoksen happamuuden mitta on sen oksoniumioniaktiivisuus a H3 O +. Tästä on johdettu suure ph, joka on määritelty kaavalla ph = log a H3 O + Laimeissa liuoksissa voidaan aktiivisuus korvata konsentraatiolla, joten määritelmä yksinkertaistuu ph = log[h 3 O + ] Koska vesiliuoksissa oksoniumioni- ja hydroksidi-ionikonsentraatiot useimmiten vaihtelevat välillä 1 ja 10-14 mol/dm 3, käsittää logaritminen asteikko ph:t välillä 0 ja 14. hapan neutraali emäksinen 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Kuva T3.1. ph-asteikko. Happoemästitrauksen kulkua voidaan seurata mittaamalla liuoksen ph jokaisen mittaliuoslisäyksen jälkeen. Tämä voidaan tehdä ph-mittarilla. (ks. teoriaosa kohdasta 2.5.2.). Esittämällä ph graafisesti mittaliuoslisäyksen funktiona saadaan titrauskäyrä. Ekvivalenttipiste (V e ) voidaan lukea a) titrauskäyrältä siltä kohdalta, missä ph:n muutos on suurin (käyrä nousee jyrkimmin, ks. teoriaosa kohdasta 5.1. kuva 5.1.) tai b) laskemalla esim. Hahn-Frommerin kaavasta.

75 Fosforihappo on kolmenarvoinen heikko happo, joka protolysoituu vesiliuoksessa seuraavasti: H 3 PO 4 + H2O H3O + + H 2 PO 4 H 2 PO 4 + H2O H3O + + 2 HPO 4 HPO 4 2 + H2O H3O + + PO 4 3 pk a1 = 2,13 (K a1 = 7,5 10-3 ) pk a2 = 7,21 (K a2 = 6,2 10-8 ) pk a3 = 12,32 (K a3 = 4,8 10-13 ) Työssä määritetään fosforihapon massa titraamalla fosforihappoa natriumhydroksidilla. Fosforihappo neutraloituu NaOH:lla titrattaessa asteittain: H 3 PO 4 + NaOH H 2 PO 4 + Na + + H2O H 2 PO 4 + NaOH HPO 4 2 + Na + + H2O HPO 4 2 + NaOH PO 4 3 + Na + + H2O Työn suoritus H3PO4-titraus Byretti kiinnitetään statiiviin ja täytetään itselaimennetulla NaOH-liuoksella (työstä 2). phmittari kalibroidaan ennen käyttöä (ks. ph-mittarin käyttöohje). Analysoitava fosforihappo laimennetaan RO-vedellä n. 150 ml:ksi 250 ml:n dekantterilasissa. Dekantterilasi nostetaan magneettisekoittajan päälle ja liuokseen upotetaan ph-yhdistelmäelektrodi ja magneettisauva ja kytketään magneettisekoittajasta sekoitus päälle. Analysoitavaa fosforihappoliuosta sekoitetaan koko titrauksen ajan. Liuoksen ph mitataan titrauksen alussa ja otetaan lukema muistiin. NaOH-liuosta lisätään byretistä 0,5 ml kerralla ja ph mitataan jokaisen lisäyksen jälkeen. Taulukoidaan NaOH-lisäykset ja mitatut ph:t. Titrausta jatketaan kunnes kaksi ekvivalenttikohtaa on ohitettu eikä ph enää juuri muutu (ph 11 12). Kolmatta ekvivalenttikohtaa ei voi määrittää näin titraamalla. Tulosten laskeminen Mittaustuloksista piirretään titrauskäyrä (ph NaOH-liuoksen kulutuksen funktiona) mmpaperille. mm-paperi liitetään työpäiväkirjaan. Määritetään ekvivalenttikohdat (Ve = V1 ja V2) titrauskäyrältä.

76 Ekvivalenttikohdat ja titraustulos lasketaan myös Hahn-Frommerin kaavalla Ø,, DpHm -DpH ø Ve = V +DV Œ ( ph,,, œ Œº D m -D ph ) + ( D ph m -D ph ) œß jossa V, = mittanestemäärä (ml) ennen, maksimihyppäystä (ph:ssa) DV = mittanesteen lisäys joka aiheutti maksimihyppäyksen DpH m = ph:n muutoksen suurin arvo DpH, ja DpH,, = ph:n muutokset ennen ja jälkeen maksimin Fosforihapon massa lasketaan molemmista ekvivalenttikohdista ottaen huomioon titrausreaktiot. Tuloksena ilmoitetaan massojen keskiarvo. Fosforihapon ensimmäisen ja toisen happovakion pk a -arvot määritetään seuraavasti: pk a1 saadaan titrauskäyrältä kohdasta, jossa H 3 PO 4 :sta puolet on muuttunut H 2 PO 4 :ksi. Käytetään Hahn-Frommerin menetelmällä laskettua ensimmäisen ekvivalenttikohdan tilavuutta V 1 ja lasketaan NaOH-kulutus: V pk a1 V = 1 ja tätä kulutusta vastaava ph = pk a1 luetaan titrauskäyrältä. 2 pka2 saadaan titrauskäyrältä kohdasta, jossa H 2 PO 4 :sta puolet on muuttunut HPO 4 2 :ksi. Käytetään Hahn-Frommerin menetelmällä laskettuja ensimmäisen ja toisen ekvivalenttikohdan tilavuuksia V 1 ja V 2 ja lasketaan NaOH-kulutus: V pk a2 (V+V) = 1 2 ja tätä kulutusta vastaava ph = pk a2 luetaan titrauskäyrältä. 2 Vertaa saamiasi pk a1 - ja pk a2 -arvoja edellisellä sivulla oleviin fosforihapon kirjallisuusarvoihin. Jätteiden käsittely Kaikki liuokset saa kaataa viemäriin vedellä runsaasti huuhdellen.

77 Kuva T3.2. Fosforihapon titrauskäyrä. (Titrauskäyrän pisteet on laskettu ohjelmalla I. G. R. Gutz, CurTiPot, versio 3.5.4.) Työhön liittyviä kotitehtäviä 1. Laske fosforihapolle määrittämistäsi pk a -arvoista happovakiot K a1 ja K a2. 2. Puskuriliuoksen ph voidaan laskea Henderson-Hasselbalchin yhtälöstä ph = pk [konjugoitu emäs] [happo] a + log. Kirjoita puskuriliuoksen lauseke ekvivalenttipisteiden välillä, kun konjugoidun happoemäsparin muodostavat H 2 PO 4 - ja HPO 2 4 -ionit. Pohdi, miksi fosfaattipuskuri toimii ekvivalenttipisteiden (ph = 6 8) välillä?

78 TYÖ 4. MAA-ANALYYSI Kasvinravinteet voidaan ryhmitellä makroravinteisiin (esim. N, P, Ca, Mg, K), joita kasvit tarvitsevat suuria määriä ja mikroravinteisiin (esim. Cu, Zn, Fe, Mn), joita kasvit tarvitsevat pieniä määriä. Viljavuustutkimuksissa erilaisten osittaisuuttomenetelmien avulla pyritään arvioimaan maan kasveille käyttökelpoisten ravinteiden määrää. Suomessa käytössä olevassa menetelmässä ravinnekationeista K + ja Ca 2+ ja anionimuotoisista ravinteista helppoliuokoinen fosfaatti uutetaan maanäytteestä happamalla ammoniumasetaattipuskurilla (ph = 4,65). Tässä työssä maanäytteen uutossa käytetään ammoniumasetaattipuskuria, mutta työvaiheet eroavat viljavuustutkimuksissa käytössä olevista. Maanesteen ph kuvaa vapaina olevien H + -ionien pitoisuutta. ph vaikuttaa ravinteiden kemialliseen käyttäytymiseen ja antaa viitteitä kasvien tarvitsemien ravinteiden saatavuudesta (kuva T4.2.). Jos ph nousee liian korkealle (esim. ph = 9), niin Ca:a ja Mg:a alkaa saostua hydroksideina ja karbonaatteina, jolloin niiden kasveille käyttökelpoiset määrät vähenevät. Kun ph laskee, mm. Fe:n, Mn:n ja Al:n liukoisuus alkaa lisääntyä ja samalla kasvaa niiden liian suurista pitoisuuksista aiheutuva myrkyllisyysriski. Rinnakkaismääritys Rinnakkaismääritysten tarkoituksena on parantaa lopputuloksen luotettavuutta. Mikäli rinnakkaismääritysten tulokset eroavat huomattavasti toisistaan, on ilmeistä, että määrityksessä on tapahtunut jokin satunnainen virhe ja asianomainen näyte on analysoitava uudelleen. Rutiinityöskentelyssä käytetään yleensä kahta rinnakkaisnäytettä. Lopputulos ilmoitetaan rinnakkaismääritysten keskiarvona. Jokainen työpari tekee kaksi maa-vesi -lietettä ph-mittausta varten (työ 4.1.) ja uuttaa kaksi maanäytettä kasvinravinteiden määrittämiseksi (työ 4.2.). 4.1. ph:n MÄÄRITTÄMINEN MAANÄYTTEESTÄ Työssä opitaan seuraavia työmenetelmiä: näytteen punnitseminen yläkuppivaa alla (ks. teoriaosa kohdasta 2.5.1.) ph:n mittaus maa-vesi -lietteestä (ks. teoriaosa kohdasta 2.5.2.) rinnakkaisnäytteiden käyttö ph määritetään maanäytteestä ravistelemalla maanäytettä ja vettä ja mittaamalla ph sopivan seisotusajan jälkeen ph-mittarilla.

79 Työn suoritus Määritys tehdään kahdella rinnakkaisnäytteellä. Punnitaan kaksi 20,00 g:n (yläkuppivaaka) erää ilmakuivattua maanäytettä suoraan muovipulloihin. Lisätään kumpaankin muovipulloon 50 ml RO-vettä. Muovipullot laitetaan ravistelijaan tunniksi ja jätetään sen jälkeen seisomaan seuraavaan työkertaan. Tällöin mitataan liuoksen ph sekoittamatta lietettä. Ennen mittausta ph-mittari on kalibroitava ohjeiden mukaan. Tulosten laskeminen Tuloksena ilmoitetaan ph-mittausten keskiarvo. 4.2. FOSFORIN, KALIUMIN JA KALSIUMIN UUTTAMINEN Tässä työssä opitaan seuraavia työmenetelmiä: imusuodatus (ks. teoriaosa kohdasta 7.9.) mittapullojen käyttö (ks. teoriaosa kohdasta 2.2.) liuoksen kvantitatiivinen siirtäminen astiasta toiseen Työn suoritus Ravinteiden uuttaminen maanäytteestä Ravinteiden määritys tehdään kahdella rinnakkaisnäytteellä. Määritystä varten punnitaan kaksi tarkasti noin 10 g:n (yläkuppivaaka) erää ilmakuivaa maata suoraan muovipulloon. Kumpaankin muovipulloon lisätään 100 ml uuttoliuosta (ammoniumasetaattipuskuri, 0,5 M CH3COONH4 + 0,5 M CH3COOH, ph = 4,65) ja pullot laitetaan ravistelijaan tunniksi. Tämän jälkeen liete suodatetaan imulla. Suodattimelle jäänyttä lietettä pestään 2 x 20 ml:lla uuttoliuosta. Suodos siirretään kvantitatiivisesti, imupulloa uuttoliuoksella useita kertoja huuhdellen, 250 ml:n mittapulloon. Lopuksi mittapullo täytetään merkkiin uuttoliuoksella. Mittapullon sisältö kaadetaan 250 ml:n säilöpulloon, joka merkitään asianmukaisesti. Rinnakkaisnäyte käsitellään vastaavalla tavalla. Säilöpullossa olevasta maauutteesta määritetään Ca-, K- ja P-pitoisuudet.

80 4.2.1. HELPPOLIUKOISEN FOSFORIN MÄÄRITTÄMINEN SPEKTROFOTO- METRISESTI Työssä opitaan aineen tai yhdisteen kvantitatiivinen määrittäminen spektrofotometrillä (ks. teoriaosa kohdasta 6.2.). Opittavia asioita ovat punnitseminen analyysivaa alla (ks. teoriaosa kohdasta 2.5.1.) pipetointi finnpipetillä (ks. teoriaosa kohdasta 2.2.) näytteen laimentaminen standardiliuosten valmistaminen Lambert-Beerin laki, standardisuoran ja näytteiden mittaaminen spektrofotometrillä standardisuoran piirtäminen mm-paperille ja tuloksen laskeminen standardisuoralta maanäytteen sisältämän fosforipitoisuuden laskeminen Edellytyksenä sille, että jokin ioni tai yhdiste voidaan määrittää spektrofotometrisesti on se, että ko. ioni tai yhdiste absorboi UV/VIS-säteilyä. Vain aniharvoilla epäorgaanisilla ioneilla on UV/VIS-absorptio. Sen vuoksi niistä on sopivien reagenssien kanssa muodostettava sellainen yhdiste, jonka absorbanssi voidaan mitata. Fosfaatti-ioni, PO 3 4 -ioni muodostaa happamassa liuoksessa fosforimolybdeenihappoa, joka voidaan pelkistää esim. tinakloridilla siniseksi kompleksiyhdisteeksi. Muodostuneen kompleksin värin voimakkuus on suoraan verrannollinen liuoksen fosforipitoisuuteen. Työn suoritus Standardien valmistaminen Määritystä varten valmistetaan 100 ml:n mittapulloon perusliuosta kiinteästä KH2PO4:sta ROveteen siten, että se sisältää 1000 mg P/l. Lasketaan punnittavan KH2PO4:n massa. Punnitaan tarvittava KH2PO4 analyysivaa'alla. Tästä perusliuoksesta tehdään välilaimennus 1:100 käyttäen uuttoliuosta (ammoniumasetaattipuskuri, 0,5 M CH3COONH4 + 0,5 M CH3COOH, ph = 4,65) (ks. teoriaosa kohdasta 4.3.). Tästä välilaimennusliuoksesta valmistetaan standardisarja 50 ml:n mittapulloihin siten, että liuoksissa on fosforia 0; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 ja 1,0 mg/l. Lasketaan paljonko välilaimennusliuosta on pipetoitava ja tehdään tarvittavat pipetoinnit. Tämän jälkeen mittapulloihin lisätään seuraavalla sivulla mainitut reagenssit. Näytteen valmistaminen Määrityksessä käytetään säilöpullossa olevaa maauutetta, jota pipetoidaan annettavien ohjeiden mukainen tilavuus 50 ml:n mittapulloon. Tämän jälkeen mittapulloihin lisätään seuraavalla sivulla mainitut reagenssit. Ennen laboratoriotyökertaa ratkaistava tehtävä

81 Reagenssit lisätään seuraavassa järjestyksessä: 1. 2 ml ammoniummolybdaattiliuosta ja sekoitetaan 2. uuttoliuosta (ammoniumasetaattipuskuria) mittapullo puolilleen ja sekoitetaan 3. 2 ml uuttoliuoksella laimennettua tinakloridiliuosta (valmis liuos) ja sekoitetaan 4. mittapullot täytetään merkkiin uuttoliuoksella (ammoniumasetaattipuskurilla) ja sekoitetaan Standardi- ja näyteliuosten absorbanssit mitataan aallonpituudella 700 nm aikaisintaan 15 min kuluttua. Tulosten laskeminen Piirretään mm-paperille standardisuora koordinaatistoon, missä x-akselilla on esitetty fosforipitoisuudet mg/l ja y-akselilla spektrofotometristä saadut absorbanssiarvot (kuva T4.1.). Luetaan suoralta analyysiliuoksen P-pitoisuus ja lasketaan tulos ottaen huomioon tehdyt laimennukset. Lopputulos on rinnakkaismääritysten keskiarvo. Tulos ilmoitetaan yksikössä mg/kg. mm-paperi liitetään työpäiväkirjaan. Kuva T4.1. Fosforin standardisuora. Jätteiden käsittely Tinaa tai molybdeeniä sisältävät liuokset metallisuolajäteastiaan.

82 4.2.2. KALIUMIN MÄÄRITTÄMINEN LIEKKIFOTOMETRISESTI Työssä määritetään K liekkifotometrisesti (ks. teoriaosa kohdasta 6.3.2.). Määrityksessä näytteen sisältämät K-yhdisteet höyrystetään liekissä, hajotetaan neutraaleiksi atomeiksi ja K- atomit viritetään. Virittyneiden atomien palatessa takaisin perustilaan ne lähettävät säteilyä, jonka voimakkuus riippuu K-atomien määrästä. Työssä tutustutaan atomeista emittoituvan säteilyn avulla tapahtuvan aineen kvantitatiiviseen määrittämiseen ja opitaan punnitseminen analyysivaa alla (ks. teoriaosa kohdasta 2.5.1.) näytteen laimentaminen standardiliuosten valmistaminen standardisuoran ja näytteiden mittaaminen tuloksen laskeminen standardisuoralta maanäytteen sisältämän kaliumpitoisuuden laskeminen Työn suoritus Standardien valmistaminen Määritystä varten valmistetaan 250 ml:n mittapulloon perusliuosta kiinteästä KCl:sta ROveteen siten, että se sisältää 1000 mg K/l. Lasketaan punnittavan KCl:n massa. Punnitaan tarvittava KCl analyysivaa'alla. Tästä perusliuoksesta tehdään välilaimennus 3:100 RO-veteen (ks. teoriaosa kohdasta 4.3.). Välilaimennusliuoksesta tehdään standardisarja 50 ml:n mittapulloihin siten, että pitoisuudet ovat 0, 3, 6, 9, 12 mg K/ml. Lasketaan kuinka paljon välilaimennusliuosta on pipetoitava. Mittapullot täytetään merkkiin RO-vedellä. Näytteen valmistaminen Määrityksessä käytetään säilöpullossa olevaa maauutetta joko sellaisenaan tai sitä laimennetaan annettavan ohjeen mukaan RO-vedellä 50 ml:n mittapulloon. Standardi- ja näyteliuokset mitataan atomiabsorptiospektrofotometrilla liekkifotometrisesti. Tulosten laskeminen Piirretään millimetripaperille standardisuora (x-akselilla kaliumpitoisuudet mg/l ja y-akselilla emission intensiteetti). Suoralta katsotaan näytteen K-pitoisuus ja lasketaan tulos ottaen huomioon tehdyt laimennukset. Tulos ilmoitetaan yksikössä mg/kg. Tulos on rinnakkaismääritysten keskiarvo. mm-paperi liitetään työpäiväkirjaan. Jätteiden käsittely Kaikki liuokset saa kaataa viemäriin vedellä runsaasti huuhdellen. Ennen laboratoriotyökertaa ratkaistava tehtävä

83 4.2.3. KALSIUMIN MÄÄRITTÄMINEN ATOMIABSORPTIOSPEKTROFOTO- METRISESTI Atomiabsorptio perustuu atomien kykyyn absorboida säteilyä. Laitteessa tutkittava alkuaine höyrystetään ja atomisoidaan liekissä. Syntyneet atomit viritetään valolla, jonka aallonpituus on juuri oikea virittämään mitattavat atomit. Mitä enemmän tutkittava näyte sisältää ko. alkuainetta sitä enemmän valon intensiteetistä kuluu niiden virittämiseen ja sitä suurempi absorbanssi havaitaan. Alkaali- ja maa-alkaalimetallit ionisoituvat helposti. Ionisoituminen häiritsee atomien virittymistä ja häiriö on sen vuoksi eliminoitava. Häiriö voidaan poistaa käyttämällä ns. ionisaatiopuskuria. Ionisaatiopuskuriksi soveltuu mikä tahansa alkuaine, joka ionisoituu helpommin kuin mitattava alkuaine. Yleisimmin ionisaatiopuskureina käytetään lantaania tai litiumia. Työssä tutustutaan atomiabsorptiospektrofotometrin avulla tapahtuvan aineen kvantitatiiviseen määrittämiseen ja opitaan pipetointi finnpipetillä (ks. teoriaosa kohdasta 2.2.) näytteen laimentaminen standardiliuosten valmistaminen standardisuoran ja näytteiden mittaaminen tuloksen laskeminen standardisuoralta maanäytteen sisältämän kalsium- ja magnesiumpitoisuuden laskeminen Työn suoritus Standardien valmistaminen Käytössä on valmista kalsiumin perusstandardiliuosta, joka sisältää 250 µg/ml Ca 2+ -ionia. Perusstandardiliuoksista tehdään seuraavat standardiliuokset: pipetoidaan 50 ml:n mittapulloihin 0; 1,0; 2,0; 3,0 ja 4,0 ml kalsiumin perusliuosta. Pulloihin lisätään 1 ml 0,5 % litiumliuosta ionisaatiopuskuriksi ja ne täytetään merkkiin RO-vedellä. Lasketaan valmistettujen standardiliuosten Ca-pitoisuudet. Ennen laboratoriotyökertaa ratkaistava tehtävä

84 Näytteen valmistaminen Määrityksessä käytetään säilöpullossa olevaa maauutetta. Sitä pipetoidaan annettavan ohjeen mukaan 50 ml:n mittapulloon. Kaikkiin mittapulloihin lisätään 0,5 % Li + -liuosta siten, että litiumpitoisuus tulee samaksi kuin standardiliuoksissa ja mittapullot täytetään merkkiin ROvedellä. Standardi- ja näyteliuokset mitataan atomiabsorptiospektrofotometrilla. Tulosten laskeminen Piirretään standardisuora (x-akselilla Ca-pitoisuus mg/l ja y-akselilla absorbanssi). Suoralta katsotaan näyteliuosten kalsiumpitoisuudet ja lasketaan tulos ottaen huomioon tehdyt laimennukset. Tulos on rinnakkaismääritysten keskiarvo. Tulos ilmoitetaan yksikössä mg/kg. mm-paperi(t) liitetään työpäiväkirjaan. Jätteiden käsittely Kaikki liuokset saa kaataa viemäriin vedellä runsaasti huuhdellen. Maa-analyysin tulosten yhteenveto Saaduista tuloksista (ph, P-, K- ja Capitoisuudet) laaditaan taulukko ja verrataan saatuja tuloksia taulukon T4.1. lukuihin. Taulukossa T4.1. maan tilavuus on ilmoitettu litroina. Tilavuus voidaan muuttaa massaksi, mutta massa riippuu maalajista: kivennäismaa: 1 l vastaa 1kg multa: 1 l vastaa 0,7 kg turve: 1 l vastaa 0,4 kg Kuva T4.2. ph:n vaikutus kasvinravinteiden liukoisuuteen. Nauhan kavetessa liukoisuus pienenee. Viljavuustutkimuksen tulkinta peltoviljelyssä. Viljavuuspalvelu Oy (2000).

85 Taulukko T4.1. Maa-analyysitulosten luokittelu viljavuusluokkiin (Viljavuustutkimuksen tulkinta peltoviljelyssä, Viljavuuspalvelu Oy (2000)). Viljavuusluokka Maan ominaisuus ja maalajiryhmä Multavuus Huono Huononlainen Välttävä Tyydyttävä Hyvä Korkea Arvel. korkea Happamuus, ph -savimaat -karkeat kivennäismaat -multamaat -turvemaat Kalsium, Ca mg/l -savimaat -karkeat kivennäismaat -eloperäiset maat Fosfori, P mg/l -savimaat -karkeat kivennäismaat: hiesu, hiue, hiekat -karkeat kivennäismaat: hiedat, moreenit -eloperäiset maat: muut paitsi ei rahkaturve -eloperäiset maat: rahkaturve Kalium, K mg/l -savimaat, ei liejusavet -liejusavi, hieta, moreenit, (ei hiekkamoreenit), hiesu, hiue, multamaa -hiekka, hiekkamoreeni, turve vm m rm erm vm m rm erm vm m rm, erm vm m rm, erm vm m rm, erm 5,4 5,8 6,3 6,7 7,2 7,6 5,4 5,6 6,0 6,4 6,9 7,3 5,0 5,4 5,8 6,2 6,6 7,0 4,8 5,2 5,6 6,0 6,4 6,8 5,1 5,5 5,9 6,3 6,7 7,1 5,0 5,4 5,8 6,2 6,6 7,0 4,9 5,3 5,7 6,1 6,5 6,9 4,7 5,1 5,5 5,9 6,3 6,7 4,6 5,0 5,4 5,8 6,2 6,6 4,4 4,8 5,2 5,6 6,0 6,4 1000 1500 2000 2600 3600 5600 400 800 1400 2000 2600 4000 600 1000 1600 2600 3600 5600 2,0 4,0 8,0 15 25 40 2,0 3,5 7,0 14 23 40 1,5 3,0 6,0 12 20 40 3,0 7,0 13 22 35 50 3,0 6,0 12 20 33 50 2,5 5,0 10 18 30 50 2,5 5,0 10 18 30 50 2,5 4,5 9,0 17 28 50 2,0 4,0 8,0 15 25 50 2,0 4,0 8,0 15 22 30 1,3 2,7 5,3 10 15 20 60 100 200 300 500 800 40 70 120 200 350 500 30 50 80 150 250 400 Magnesium, Mg mg/l -savimaat -karkeat kivennäismaat -eloperäiset maat 100 150 200 400 600 50 80 120 200 400 50 80 120 200 400 Suhde Mg:Ca Suhde Mg:K 1:80 1:40 1:20 1:10 1:5 1:2 1:10 1:5 1:3 1:2 1:1

TYÖ 5. KALIUMKLORIDIN MÄÄRITTÄMINEN IONIN- VAIHTOKROMATOGRAFISESTI Työssä opitaan ioninvaihto (ks. teoriaosa kohdasta 8.3.) titraaminen (ks. teoriaosa kohdasta 5.1.) analysoitavan aineen (KCl) massan määritys titraustuloksista ottaen huomioon ioninvaihto- ja titrausreaktiot 86 Ioninvaihtajalla tarkoitetaan ainetta, joka voi vaihtaa ioneja toisiin samanmerkkisiin ioneihin. Kationinvaihtajat sisältävät happoryhmiä ja voivat vaihtaa kationeja. Anioninvaihtajat sisältävät emäsryhmiä ja voivat vaihtaa anioneja. Nykyiset ioninvaihtajat ovat veteen ja useimpiin orgaanisiin liuottimiin liukenemattomia hartseja. Kationinvaihtajalle kaikkein tyypillisimpiä ryhmiä ovat sulfonihapporyhmät, mutta niissä käytetään myös fenolihydroksyyli- ja karboksyyliryhmiä. Vetyionimuodossa oleva hartsi (= resin, Rs) voidaan esittää ionimuodossa kaavamaisesti: Rs-SO 3 H + Rs-COO H + sulfonihappotyyppi (vahvasti hapan) karboksyylihappotyyppi (heikosti hapan) Kationinvaihtajaa voidaan pitää suurena, hyvin moniarvoisena anionina, johon on kiinnittynyt negatiivisten ryhmien lukumäärää vastaava määrä kationeja. Anioninvaihtajaa voidaan puolestaan pitää suurena moniarvoisena kationina, johon on kiinnittynyt negatiivisia ioneja tai myös hyvin suurimolekyylisenä liukenemattomana emäksenä tai sen suolana. Anioninvaihtajalle tyypillisiä ryhmiä ovat NH 2, NHR, NR 2 tai N + R 3 Ioninvaihtajan emäksiset ominaisuudet kasvavat siirryttäessä aminoryhmästä kvartääriseen ammoniumryhmään. Nykyisin monet ioninvaihtajat ovat polystyreenin johdannaisia, joissa pitkät polystyreeniketjut on liitetty toisiinsa verkkorakennelmiksi poikittaisilla sidoksilla käyttämällä divinyylibentseeniä. Niihin liitetään ennen polymeroimista määrättyjä aktiivisia, ionisoituvia ryhmiä, kuten edellä esitettiin, riippuen siitä minkälainen ioninvaihtaja halutaan valmistaa.

87 Ioninvaihtokapasiteetti ilmaisee funktionaalisten ryhmien kokonaismäärän hartsissa esim. mekv/g kuivaa hartsia tai mekv/ml hartsin vesisuspensiota kohti. Esim. tässä työssä käytetyn kationinvaihtajan Amberlite IR 120:n vaihtokapasiteetti on 5,0 mekv/g kuivana ja 1,9 mekv/ml märkänä. Ioninvaihtoa voidaan käyttää esim.: veden puhdistamiseen (deionisoitu vesi) suolan kokonaiskonsentraation määrittämiseen häiritsevien vastakkaismerkkisten ionien poistamiseen elektrolyyttien erottamiseen ei-elektrolyyteistä laimeiden liuosten konsentroimiseen (esim. ydinvoimaloiden lauhdevedet) pienten ja suurten ionien erottamiseen toisistaan eräiden teollisuustuotteiden puhdistukseen ja sivutuotteiden talteenottoon Ioninvaihdossa on ioninvaihtohartsi ensin regeneroitava. Kationinvaihdossa regeneroinnissa hartsi muutetaan vetyionimuotoon vetykloridilla. Tällöin ioninvaihtajassa olevat metalli-ionit korvautuvat vetyioneilla, esim.: Rs-SO 3 K + + H + + Cl Rs-SO 3 H + + K + + Cl Varsinainen ioninvaihto tapahtuu siten, että annetaan suolan vesiliuoksen kulkea regeneroidun ioninvaihtajan läpi, jolloin hartsin vetyionit vaihtuvat suolan metalli-ioneiksi ja ioninvaihtoputkesta ulostuleva eluentti sisältää vetyioneja ja suolan anioneja, esim.: Rs-SO 3 H + + K + + Cl Rs-SO 3 K + + H + + Cl Kvantitatiivisessa määrityksessä annetaan ko. suolaliuoksen kulkea hitaasti ioninvaihtomassan läpi. Ulostuleva happoliuos titrataan NaOH-liuoksella. HCl + NaOH NaCl + H2O Koska kaikki tutkittavassa liuoksessa olevat suolat muuttuvat vastaaviksi hapoiksi, antaa titraustulos vain suolan kokonaiskonsentraation. Työssä määritetään annetun analyysiliuoksen sisältämä KCl:n massa.

88 Työn suoritus NaOH-liuoksen valmistus ja konsentraation määritys Työssä 2 valmistettu 0,1 M NaOH-liuos laimennetaan 1:2 (ks. teoriaosa kohdasta 4.3.). Laimennetun liuoksen tarkka konsentraatio määritetään titraamalla sillä 0,0500 M oksaalihappoliuosta (primäärinen standardiliuos) vähintään kaksi 5,0 ml:n näytettä. Oksaalihappoliuos (5,0 ml) pipetoidaan tarkasti erlenmeyerkolviin ja lisätään 2 3 pisaraa fenoliftaleiinia indikaattoriksi. Titrattava liuos laimennetaan n. 50 ml:ksi RO-vedellä. Byretistä lisätään NaOH-liuosta pisaroittain kunnes liuoksen väri muuttuu pysyvästi punaiseksi. Rinnakkaisnäyte titrataan samalla tavalla. Mikäli tulos poikkeaa edellisestä enemmän kuin 0,1 ml, toistetaan titraus vielä kerran. Lasketaan NaOH-liuoksen tarkka konsentraatio. Ioninvaihtohartsin regenerointi Otetaan viisi lusikallista (kertakäyttökahvilusikka) ioninvaihtohartsia 100 ml:n dekantterilasiin ja kaadetaan päälle n. 20 ml 4 M HCl-liuosta. Sekoitetaan ja HCl-liuos dekantoidaan pois. Tämän jälkeen huuhdellaan hartsia 3 4 kertaa RO-vedellä, kunnes huuhteluvesi on kloriditonta (todetaan AgNO 3 liuoksella; ks. Työ 1, reaktio 1). Hartsi jätetään seisomaan ROveteen. Ioninvaihtoputken täyttö Ensin putkiosa täytetään RO-vedellä ja hanasta lorautetaan hieman vettä ulos. Ioninvaihtohartsia lusikoidaan dekantterilasista putken yläosassa olevaan suppilomaiseen laajennukseen ja sen annetaan laskeutua putkeen. Puoli putkellista ioninvaihtohartsia riittää. Kun putkiosa on puolillaan ioninvaihtohartsia, avataan hana ja päästetään ylimääräinen ROvesi pois, mutta nestepinnan täytyy aina pysyä ioninvaihtohartsipatsaan yläpään yläpuolella. Täyttämisen aikana ei putkeen saa jäädä ilmakuplia, jotka hidastavat operaatiota (kuva T5.1.). Jos ilmaa pääsee ioninvaihtohartsiin, on ioninvaihtaja purettava ja täytettävä veden kanssa uudelleen.

89 Ioninvaihto Näyte laimennetaan n. 15 ml:ksi RO-vedellä näyteputkessa ja kaadetaan varovasti ioninvaihtimeen. Näyteputken huuhteluvedellä (n. 50 ml RO-vettä) ajetaan näyte hitaasti ioninvaihtimen läpi. Ioninvaihtimen hanaa avataan siten, että pisara tippuu n. joka sekunti. Totea ph-paperin avulla, että ulostuleva liuos on happoa. Eluointia jatketaan, kunnes ulostuleva liuos on neutraalia. Erlenmeyerkolviin kertynyt eluentti titrataan byretissä olevalla NaOHliuoksella fenoliftaleiini indikaattorina. Kuva T5.1. Ioninvaihtoputki. Tulosten laskeminen Lasketaan kaliumkloridin määrä näytteessä mg:na. Vertaa saamaasi kaliumkloridin massaa näytteen sisältämään kaliumkloridin massaan (saadaan opettajalta). Laske virheprosentti kaliumkloridin massan määrityksessä. Jätteiden käsittely 4 M HCl ja ensimmäinen huuhteluvesi happo-emäsjätteisiin. Hopeanitraattikokeen jätteet metallisuolajätteisiin. Ioninvaihtohartsi palautetaan astiaan, josta se otettiin.