1 Tehtävät Edellisellä työkerralla oli valmistettu rauta(ii)oksalaattia epäorgaanisen synteesin avulla. Tätä sakkaa tarkasteltiin seuraavalla kerralla. Tällä työ kerralla ensin valmistettiin kaliumpermanganaatti- ja oksaalihappoliuos. Kaliumpermanganaattiliuoksen konsentraatio tarkastettiin titraamalla sillä oksaalihappoliuos jonka konsentraatio oli tunnettu. Sen jälkeen alettiin analysoida itse rauta(ii)oksa-laattia titraamalla sitä kaliumpermanganaattiliuoksella. Analyysin vaiheita olivat rauta(ii)oksalaattinäytteen hapettaminen kaliumpermanganaattiliuoksella, rauta(iii)ionien pelkistäminen sinkkimetallilla rauta(ii)ioneiksi ja rauta(ii)ionien hapettaminen kaliumpermanganaattiliuoksella. 2 Teoria Hapetus-pelkistystitraukset perustuvat hapettimen ja pelkistimen väliseen reaktioon, jossa aineet pelkistyvät ja hapettuvat. Hapetus-pelkistystitrauksella voidaan tutkia aineita, joilla on useita hapetuslukuja. Ennen titrausta on varmistetta, että tutkittava aine on täysin yhdellä hapetusluvulla. Jos näin ei ole on tutkittava aine ensin käsiteltävä sopivalla hapettimella tai pelkistimellä. Tällaisessa tapauksessa reagenssia lisätään ylimäärä ja poistetaan ennen titrausta. Titrauksen päätepiste voidaan havaita usealla eri tavalla. Tässä työssä titraukseen käytetään kaliumpermanganaattiliuosta, jolloin liuoksen violettia väriä voidaan käyttää päätepisteen havaitsemiseen. Titrauksen päätepiste voidaan havaita myös suorittamalla titraus potenttiometrisesti tai käyttämällä hapetus-pelkistysindikaattoreina värillisiä orgaanisia yhdisteitä, joiden hapettunut- ja pelkistynyt muoto ovat erivärisiä. Työssä tarvitaan seuraavia kaavoja. n = m M c = n V (1) (2) missä n =ainemäärä, m =massa, M =atomimassa, c =konsentraatio ja V =tilavuus. 1
3 Työn suoritus Rauta(II)oksalaatti valmistettiin tekemällä ensin kaksi liuosta, jotka sitten yhdistettiin. Näistä liuoksista muodostui sakkaa joka kuivattiin analyysiä varten. Ensimmäinen liuos valmistettiin punnitsemalla 2, 50g oksaalihappoa ((COOH) 2 2H 2 O) 100ml:n dekantterilasiin johon lisättiin noin 30ml deionisoitua vettä. Tämän jälkeen seosta lämmitettiin ja sekoitettiin. Toinen liuos valmistettiin punnitsemalla 4, 01g ammoniumrautasulfaattia (F e (NH 4 ) 2 ((SO) 4 ) 2 6H 2 O) 250ml:n dekantterilasiin, johon lisättiin noin 25ml deionisoitua vettä ja noin 2ml 1M H 2 SO 4. Tämän jälkeen liuosta lämmitettiin ja sekoitettiin. Kun emmat liuokset olivat valmiit liuos 1 lisättiin liuoksen 2 dekantterilasiin ja keitetiin varovasti muutaman minuutin ajan. Dekantterilasiin muodostunut sakka huuhdottiin Büchner-suppilon ja imun avulla ja pestiin dekantterilasista vedellä ja pienellä määrällä asetonia. Suodoksen annettiin vielä kuivua muutama minuutti imussa ja siirrettiin sen jälkeen punnittuun kuivaan dekantterilasiin ja jätettiin eksikaattoriin kuivumaan. Työn seuraavaa vaihetta aloitettaessa suodos ja dekantterilasi punnittiin, jolloin sakan painoksi saatiin 1, 6995g. Työn toinen osa aloitettiin valmistamalla titraukseen käytettävä noin 0, 016M kaliumpermanganaattiliuos ja 0, 025M oksaalihappoliuos, jolla tarkistettiin kaliumpermanganaattiliuoksen konsentraatio. Oksaalihappoliuos valmistettiin pipetoimalla 50ml 0, 50M oksaalihappoliuosta 1000ml mittapulloon, joka täytettiin deionisoidulla vedellä ja sekoitettiin. KMnO 4 -liuos valmistettiin pipetoimalla 80ml 0, 4M KMnO 4 -liuosta 2000ml mittapulloon. Nämä kaksi liuosta olivat yhteisesti koko ryhmän käytössä. Kaliumpermanganaattiliuoksen konsentraatio tarkistettiin titraamalla sillä oksaalihappoliuos. Ensin täytettiin 50ml byretti 0, 016M KMnO 4 liuoksella ja pipetoitiin täyspipetillä 25ml 0, 0250M oksaalihappoliuosta 250ml erlenmeyerkolviin, johon lisättiin noin 20ml 1M rikkihappoa ja vajaa lusikan kärjellinen mangaanisulfaattia, joka toimii reaktiossa katalyyttinä. Liuosta kuumennettiin noin 80 90 C:ksi. Kuuma liuos titrattiin kaliumpermanganaattiliuoksella. Titrauksen päätepiste saavutettiin kun KMnO 4 väri pysyi liuoksessa, tällöin liuosta oli kulunut V = 16, 55ml. Valmistettu rauta(ii)oksalaatti analysoitiin kaliumpermanganaattititrauksen avulla. Rauta(II)oksalaattia punnittiin 183, 2mg ja liuotettiin 250ml erlenmeyerkolvissa noin 30ml:aan 1M:sta rikkihappoa. Tähän lisättiin vajaa lusikan kärjellinen mangaanisulfaattia. Tätä liuosta titrattiin kaliumpermanganaattiliuoksella, kun permanganaatin väri alkoi kadota liuoksesta liuosta kuumennettiin noin 60 C:een ja jatkettiin titrausta päätepisteeseen. Kaliumpermanganaattiliuosta kului titrauksessa V 1 = 40, 0ml. Tämän jälkeen liuosta sisältävään erlenmeyerkolviin lisättiin noin 2g sinkkijauhetta ja annettiin 2
reagoida noin viisi minuuttia, seosta kuumennettiin ja reaktion annettiin jatkui vielä toiset viisi minuuttia. Liuos suodatettiin lasivillan läpi 250ml erlenmeyerkolviin. Sinkkijauhe ja astia pestiin kolme kertaa 10ml:lla 1M:sta rikkihappoa ja pesuliuosten annettiin valua suodokseen. Lopuksi suodos titrattiin KMnO 4 -liuoksella, jonka kulutukseksi saatiin V 2 = 13, 3ml. 4 Mittaustulosten käsittely Kaliumpermanganaattiliuoksen konsentraatio määritettiin titraamalla sillä tunnettu oksaalihapponäyte. Hapettumis- ja pelkistymisosareaktiot ja niiden kokonaisreaktio ovat seuraavat. Hap. (COOH) 2 2CO 2 + 2H + + 2e Kok. 5(COOH) 2 + 2MnO 4 + 6H + 10CO 2 + 2Mn 2+ + 8H 2 O Kun oksaalihappoa oli V 1 = 25ml ja sen konsentraatio c 1 = 0, 0250M saadaan sen ainemääräksi n((cooh) 2 ) = V 1 c 1 = 25 10 3 l 0, 0250M = 6, 25 10 4 Reaktioyhtälöstä nähdään, että n(kmno 4 ) = 2 5 n((cooh) 2) = 2, 5 10 4. Kun V (KMnO 4 ) = 16, 55ml saadaan sen tarkaksi konsentraatioksi c(kmno 4 ) = n(kmno 4) V (KMnO 4 ) = 2, 5 10 4 16, 55 10 3 l = 0, 0151M =: c Kun punnittu rauta(ii)oksalaatti titrattiin KMnO 4 -liuoksella sekä oksaalianionit että F e 2+ -kationit hapettuivat, tapahtuneet hapettumis- ja pelkistymisreaktiot olivat seuraavat. Oksaalianionien hapettumisreaktio Hap. (COO ) 2 2CO 2 + 2e Kok. 5(COO ) 2 + 2MnO 4 + 16H + 10CO 2 + 2Mn 2+ + 8H 2 O F e 2+ -kationien hapettumisreaktio Hap. F e 2+ F e 3+ + e Kok. 5F e 2+ + MnO 4 + 8H + 5F e 3+ + Mn 2+ + 4H 2 O Näihin kahteen reaktioon kului yhteensä V 1 = 40, 0ml kaliumoksalaattia. F e 3+ -ionien pelkistys sinkillä tapahtui seuraavan reaktion mukaisesti Hap. Zn Zn 2+ + 2e Pelk. F e 3+ + e F e 2+ Kok. 2F e 3+ + Zn 2F e 2+ + Zn 2+ 3
Edellisessä reaktiossa muodostuneet F e 2+ -ionit titrataan vielä KMnO 4 - liuoksella, jolloin reaktio on sama kuin edellä jo kirjoitettiin. Hap. F e 2+ F e 3+ + e Kok. 5F e 2+ + MnO 4 + 8H + 5F e 3+ + Mn 2+ + 4H 2 O Tässä titrauksessa kaliumoksalaattia kului V 2 = 13, 3ml. Tämä määrä kului siis F e 2+ -kationien hapettamiseen Nyt saadaan oksalaatin hapettamiseen kuluneen mangaanioksalaatin määräksi V 3 = V 1 V 2 = 40, 0ml 13, 3ml = 26, 7ml V 2 :n ja V 3 :n avulla voidaan laskea paljonko permanganaattia kului raudan ja oksalaatin hapettamiseen. Oksaalin hapettamiseen kului n(mno 4 ) 1 = cv 3 = 0, 0151M 26, 7 10 3 l = 4, 0317 10 4 ja raudan hapettamiseen kului n(mno 4 ) 2 = cv 2 = 0, 0151M 13, 3 10 3 l = 2, 0083 10 4 Raudan ja oksalaatin ainemääriksi saadaan nyt n((coo ) 2 ) = 5 2 n(mno 4 ) 1 = 5 2 4, 0317 10 4 = 1, 0079 10 3 n(f e 2+ ) = 5n(MnO 4 ) 2 = 5 2 2, 0083 10 4 = 1, 0042 10 3 Massoiksi saadaan siis m((coo ) 2 ) =n((coo ) 2 )M((COO ) 2 ) =1, 0079 10 3 88, 02 g = 88, 72mg m(f e 2+ ) =n(f e 2+ )M(F e 2+ ) =1, 0042 10 3 55, 845 g = 56, 08mg Veden massaksi saadaan nyt m(h 2 O) =m(rauta(ii)oksalaatti) m((coo ) 2 ) m(f e 2+ ) =183, 2mg 88, 72mg 55, 02mg = 39, 46mg Joten veden ainemäärä alkuperäisessä näytteessä oli n(h 2 O) = m(h 2O) M(H 2 O) = 39, 46 10 3 g 18, 016 g 4 = 2, 1903 10 3
Ainemäärien n(f e 2+ ) : n((coo ) 2 ) : n(h 2 O) suhteesta 1 : 1 : 2 voidaan päätellä rauta(ii)oksalaatin empiirinen kaava, joka on (COO) 2 F E 2H 2 O. Kun tiedetään rauta(ii)oksalaatin empiirinen kaava voidaan kirjoittaa sen valmistuksessa käytetyn synteesin reaktioyhtälö. (COOH) 2 2H 2 O(s) + F e(nh 4 ) 2 (SO 4 ) 2 6H 2 O(s) + n(h 2 O)(l) (COOH) 2 (aq) + F e(nh 4 ) 2 (SO 4 ) 2 (aq) (COO) 2 F e 2H 2 O + 2NH + 4 + 2SO 2 4 + 2H + + 6H 2 O Oksaalihapon atomimassa on M((COOH) 2 ) = 2 (12, 01 + 2 16, 00 + 1, 008) g g = 126, 069 ja ammoniumrauta(ii)sulfaatin atomimassa M(F e(nh 4 ) 2 (SO 4 ) 2 6H 2 O) = (55, 845 + 2 14, 01 + 20 1, 008 + 2 32, 07 + 14 16, 00) g g = 392, 165. Ainemäärät ovat siis n((cooh) 2 H 2 O) = m((cooh) 2 H 2 O) M(COOH) 2 H 2 O) 2, 50g = 126, 069 g = 0, 01983 n(f e(nh 4 ) 2 (SO 4 ) 2 6H 2 O) = m(f e(nh 4) 2 (SO 4 ) 2 6H 2 O) M(F e(nh 4 ) 2 (SO 4 ) 2 6H 2 O) 4, 01g = 392, 165 g = 0, 01023 Reaktioyhtälöstä nähdään, että ammoniumrauta(ii)sulfaatti on reaktion rajoittavatekijä. Rauta(II)oksalaattia syntyy siis 0, 01023. Tästä voidaan laskea paljonko rauta(ii)oksalaattia syntyy. m((coo) 2 F e) = M((COO) 2 F e)n((coo) 2 F e) = (55, 845 + 4 16, 00 + 2 12, 01) g = 1, 7695g 0, 01023 Todellisuudessa saatiin 1, 6995g rauta(ii)oksalaattia, joten saantoprosentti oli. 1, 6995g saanto % = 100% = 96, 0% 1, 7695g 5 Tulokset Edellä laskettujen oksalaatin, raudan ja veden ainemäärien perusteella voidaan päätellä, että yhdisteessä on yhtä monta moolia rautaa ja oksaalia sekä 5
kaksinkertainen määrä kidevettä. Yhdisteen empiiriseksi kaavaksi saadaan tällöin (COO) 2 F e 2H 2 O. Koska rauta F e 2+ esiintyy kaavassa kaksi arvoisena ja oksalaatti (COO) 2 2 samoin voidaan päätellä, että aineen rakennekaava ilman kidevesiä on F e(coo) 2. Saantoprosentiksi saatiin 96, 0%. 6 Tulosten luotettavuuden arviointi Saadut tulokset vaikuttavat järkeviltä, koska rauta F e 2+ ja oksalaatti (COO) 2 2 ovat tuotteessa kaksiarvoisina täytyy niitä olla lopullisessa tuotteessa yhtä paljon, muuten valmistettu tuote ei olisi varaukseltaan neutraali. Laskemalla päästiinkin tähän tulokseen. Lasketut ainemäärät ovat muutenkin verrattain lähellä toisiaan. Työssä saatu saantoprosentti vaikuttaa myös hyvältä. 6