SUMUINEN AAMU METALLINKIERRÄTYSLAITOKSELLA KOHDERYHMÄ: Työ on suunniteltu lukion kurssille KE4, jolla käsitellään teollisuuden tärkeitä raaka-aineita sekä hapetus-pelkitysreaktioita. Työtä voidaan käyttää myös yläkoululaisille, kunhan teoriaa supistetaan sopivasti ja laskut hoidetaan exelin valmiilla laskenta mallilla. KESTO: n. 1h. MOTIVAATO: Tässä työssä mitataan metallimateriaalin kuparipitoisuus. Oppilas työskentelee metallinkierrätyslaitoksella, jonne asiakas tuo suuren erän metallia kierrätettäväksi. Metallinkierrätyslaitos maksaa kierrätykseen tuotavasta kuparista 2 /kg ja oppilaan tehtävä on päättää, kuinka paljon asiakkaalle voidaan metallierästä maksaa. TAVOITE: Oppia kokeellista työskentelyä ja näytteen esikäsittelyä. Tutustua spektrofotometrin toimintaperiaatteeseen ja käyttöön. Oppia tulosten analysoiminen standardisuoran piirtämisellä, sekä käsin, että tietokoneella. AVAINSANAT: Pitoisuus Spektrofotometria Absorbanssi Vertailusuora Kierrätys - Metallit Työskentelet metallinkierrätyslaitoksella. Asiakas tuo kierrätyslaitokselle 1200 kilogramman erän kellertävää metallimateriaalia, joka on löytynyt purettavasta varastorakennuksesta. Kierrätykseen tuotavasta kuparista maksetaan 2 /kg. Asiakkaan arvion mukaan metallimateriaalin kuparipitoisuus on ainakin 50 %. Mitä teet: a) tarjoat asiakkaalle metallierästä 1000 ja kokeilet, hyväksyykö hän tarjouksen b) selvität kemiallisin mittauksin metallimateriaalin kuparipitoisuuden? ENNENVIERAILUA TEHTÄVIÄ ETUKÄTEISTEHTÄVIÄ: 1. Kupari on jalometalli, mutta se reagoi typpihapon kanssa. Miksi? Esitä metallisen kuparin reaktio väkevän typpihapon kanssa. Miten reaktio eroaa, jos typpihappo on laimeaa?
Väkevä typpihappo hapettaa kuparin hapetusasteelle +II. Samalla typpihapon typpi pelkistyy hapetusasteelta +V hapetusasteelle + IV, jolloin muodostuu ruskeaa typpidiokdisia: Cu + 4 HNO 3 Cu(NO 3 ) 2 + 2 NO 2 + 2 H 2 O Jos typpihappo on laimeaa, muodostuu väritöntä typpimonoksia, jossa typen hapetusaste on +II: 3 Cu + 8 HNO 3 3 Cu(NO 3 ) 2 + 2 NO + 4 H 2 O 2. Metallista kuparia käytetään sekä sellaisenaan että metalliseoksissa, ns. lejeeringeissä. Minkälaisia kuparipitoisista metallilejeerinkejä on olemassa ja mihin niitä käytetään? Esimerkkejä kuparipitoisista metallilejeeringeistä on lueteltu seuraavassa taulukossa: Lejeeringin nimi Messinki Pronssi Konstantaani Uushopea Lejeeringin pääkomponentit Kupari ja sinkki Kupari ja tina Kupari ja nikkeli Kupari, nikkeli ja sinkki 3. Mieti, miksi kuparia kierrätetään ja miksi metallinkierrätyslaitos haluaa maksaa asiakkailleen kierrätykseen tuodusta kuparista? Kuparia kierrätetään, koska sitä voidaan käyttää uudelleen kuparituotteiden valmistuksessa. Kuparituotteita valmistava teollisuus ostaa kierrätettyä kuparia, kunhan sen puhtaus on tarpeeksi hyvä ja hinta sopiva. Metallinkierrätyslaitos haluaa maksaa kierrätykseen tuotavasta kuparista, jotta asiakkaat suostuvat tuomaan kuparia kierrätykseen.
TAUSTAA Väkevä typpihappo hapettaa metallisen kuparin reaktioyhtälön mukaisesti. Kemian opetuksen keskus Cu + 4 HNO 3 Cu(NO 3 ) 2 + 2 NO 2 + 2 H 2 O Kupari-ioni muodostaa ammoniakin kanssa sinisen yhdisteen, tetra-ammiinikupari(ii)- ionin: Cu 2+ + 4 NH 3 [Cu(NH 3 ) 4 ] 2+ Metallimateriaalin kuparipitoisuus saadaan selville liuottamalla metallia ensin typpihappoon, ja sekoittamalla typpihappoliuos ammoniakkiliuokseen. Mitä enemmän kuparia on, sitä voimakkaampi on liuoksen sininen väri. Liuoksen värin voimakkuus mitataan spektrofotometrillä. Näyteliuoksen värin voimakkuutta verrataan sellaisiin liuoksiin, joiden kuparipitoisuudet tunnetaan. REAGENSSIT TARVIKKEET SUORITUS Esim. messinkisiä nauloja väkevää typpihappoa 5% ammoniakki-liuos tislattua vettä Koeputki 50 ml mittapullo mittalasi kyvetti TYÖTURVALLISUUS JA JÄTTEIDEN KÄSITTELY Suojalasit, -takki ja hanskat! Typpihappo on vahva happo. Väkevä typpihappo on erittäin syövyttävää, vain opettajan tulee käsitellä sitä. Ammoniakkiliuos on emäksinen liuos joka syövyttää ja kuivattaa ihoa. Mahdolliset roiskeet huuhdeltava heti runsaalla vedellä! Tarvittaessa lääkäriin! Kupariliuosjäte kierrätetään epäorgaaniseen jätteeseen. Näyteliuoksen valmistus: Punnitse tutkittavaa metallia n. 0,05 grammaa. Kirjaa punnitun näytteen massa seuraavalla sivulla olevaan taulukkoon.
Laita metalli koeputkeen, jossa on 1 millilitraa väkevää typpihappoa. (Opettaja on laittanut hapon valmiiksi) Kun metalli on liuennut, kaada koeputken sisältö suppilon avulla 50 millilitran mittapulloon, jossa on 13 millilitraa 5 % ammoniakkiliuosta. Täytä koeputki vielä vedellä ja kaada vesi mittapulloon. Täytä mittapullo lopuksi merkkiin asti vedellä ja sekoita. Mittauksen suoritus: Laita näyteliuosta ja vertailuliuoksia pipetin avulla spektrofotometrin mittausastioihin, eli kyvetteihin. Huomaa, että kyvetin puhtaalle pinnalle ei saa koskea (sormenjäljet häiritsevät mittausta!) Valitse spektrofotometristä aallonpituudeksi 600 nm ja mittaa kunkin liuoksen absorbanssi. Kirjaa liuosten absorbanssit seuraavalla sivulla olevaan taulukkoon. Tulosten tulkinta: Täydennä mitatut liuosten absorbanssit taulukoksi. A c (mg/l) Laimea vertailuliuos 200 Väkevä vertailuliuos 1000 Näyteliuos Absorbanssin suhde liuoksen pitoisuuteen käyttäytyy Lambert-Beerin lain mukaisesti: A = * b * c, jossa A on absorbanssi, on molaarinen absortiviteettikerroin (vakio), b on valon kulkema matka kyvetissä (mittauksessa oletetaan vakioksi) ja c on liuoksen konsentraatio (mg/l). Kaavasta nähdään siis, että absorbanssin suhde on liuoksen konsentraatioon suoraan verrannollinen.
TULOKSET Kemian opetuksen keskus Piirrä tähän huomioon perustuen vertailusuora millimetripaperille. Mikä on näyteliuoksen pitoisuus vertailusuoralta katsottuna? Täydennä taulukkoon. Kirjaa mittaustulokset alla oleviin taulukoihin. Näytteen massa (grammoina) Laimean vertailuliuoksen absorbanssi (200 mg/l) Väkevän vertailuliuoksen absorbanssi (1000 mg/l) Näyteliuoksen absorbanssi KYSYMYKSIÄ Kuinka suuri on asiakkaan tuoman metallimateriaalin kuparipitoisuus? Kuinka paljon asiakkaan toimittamasta metallierästä voidaan maksaa? Tarkan kuparipitoisuuden ja hinnan voi laskea Excel-taulukon avulla. Kierrätykseen tuodusta metallimateriaalista voidaan maksaa hyvin, jos metallien hinnat ovat korkealla. Kun hinnat ovat alhaalla, metallimateriaalista voidaan maksaa vain vähän, mikä saattaa vähentää kierrätykseen tuodun metallin määrää. Tulisiko mielestäsi yhteiskunnan tukea metallinkierrätystä takaamalla kierrätykseen tuotavalle metallille korkea hinta myös silloin, kun metallien hinnat ovat alhaalla? Perustele. Jos kierrätykseen tuotavasta metallista ei voida maksaa tarpeeksi hyvin, saattaa kierrätykseen tuotavan metalliromun määrä vähentyä. Tällöin tuotantoalueen teollisuuden metallinsaannissa tuontimetallin tai malmin osuus kasvaa, mikä taas heikentää ulkomaankauppatasetta (= kansantalouden viennin arvo tuonnin arvo).
Tätä kautta voidaan olettaa, että yhteiskunnan tuki kierrätykseen tuotavasta metallista maksettavalle hinnalle saattaa vaikuttaa myönteisesti kansantalouteen. Metallinkierrätyksen tukemaista voidaan perustella myös energian kulutuksen näkökulmasta. Esimerkiksi kierrätetyn alumiinin valmistukseen menee huomattavasti vähemmän energiaa kuin sen valmistukseen alumiinipitoisesta malmista. Tämä johtuu siitä, että kierrätettävää alumiinia ei tarvitse elektrolysoida metalliseen muotoon. LIUOSTEN VALMISTUS (opettaja tekee nämä valmiiksi) 5 % NH 3 : 100 ml 25 % NH 3 laimennetaan 500 ml:ksi. Kuparin perusliuos (kuparia 4 g/l): 3,143 g CuSO 4. 5 H 2 O laimennetaan vedellä 200 ml:ksi liuosta. Laimea vertailuliuos, kuparia 200 mg/l: Pipetoi 2 ml väkevää typpihappoa 100 ml mitapulloon, jossa on 25 ml 5 % ammoniakkia. Pipetoi perään 5 ml kuparin perusliuosta (Cu 2+ 4 g/l) ja täytä merkkiin asti vedellä. Väkevä vertailuliuos, kuparia 1000 mg/l: Pipetoi 2 ml väkevää typpihappoa 100 ml mitapulloon, jossa on 25 ml 5 % ammoniakkia. Pipetoi perään 25 ml kuparin perusliuosta (Cu 2+ 4 g/l) ja täytä merkkiin asti vedellä.