KONZERVÁTORSKÉ PRAKTIKUM č. 1 Jméno: Hodnocení: Datum: Podpis: Název studia: Datum: Počet listů: NÁZEV: 1. Chemické výpočty 2. Měření pH 1. Chemické výpočty V praxi se určite setkáte s návody …abychom uměli vypočítat to složení Roztok je homogenní směs složená ze dvou (nebo několika) látek. Zastoupení jednotlivých složek v roztoku označujeme jako koncentrace roztoku. Koncentraci roztoku udává nejčastěji: 1. Hmotnostní zlomek (hmotnostní procentová koncentrace) Vyjadřuje se nejčastěji v procentech a udává tedy počet gramů rozpuštěné látky ve 100 g roztoku 2. Objemový zlomek (objemová procentní koncentrace) Vyjadřuje se nejčastěji v procentech a udává tedy počet dm^3 rozpuštěné látky ve 100 dm^3 roztoku 3. Hmotnostní koncentrace g.dm^-3 4. Molární koncentrace mol.dm^-3 .... MOLARITA · Základní veličiny Relativní molekulová hmotnost Mr(Y) je opět dana poměrem hmotnosti molekuly Y a atomove hmotnostni jednotky: Mr (Y) = m(Y)/mu ................ Molární hmotnost!!! Látkové množství n – Látkové množství umožňuje vyjadřovat množství látky pomocí počtu částic. Jednotkou je mol. Jeden mol je látkové množství vzorku, který obsahuje tolik částic (atomů, molekul, iontů - je třeba uvést), kolik atomů je obsaženo ve vzorku nuklidu ^12C, jehož hmotnost je přesně 12 g. Uzce spojeno s ….. Molární hmotnost M Zakladni jednotkou molární hmotnosti v soustavě SI je kg.mol-1.Často použivame dilči jednotku g.mol-1. Molarni hmotnost vyjadřuje hmotnost latkoveho množstvi 1 molu dane latky (elementarnich častic) a je definovana podilem hmotnosti m a latkoveho množstvi n teto latky: M = m/n .... příklad u vody ... H[2]O = 16 + 1*2 = 18 g/mol Hustota ρ Hustota vyjadřuje hmotnost objemu 1m3 latky v kg. Je definovan podilem hmotnosti m dane latky a jejiho objemu V: ρ = m/V · Příprava roztoků (křížové pravidlo, směšovací rovnice, látkové množství –molární koncentrace) Ředění a směšování roztoků Při řešení těchto příkladů používáme nejčastěji metod: 1. Směšovací rovnice 2. Křížové pravidlo 3. Úvaha, trojčlenka Směšovací rovnice Smísíme-li roztoky o hmotnostech m[1], m[2] s hmotnostními zlomky w[1], w[2], vznikne roztok s hmot.zlomkem w[3], pro který platí: m[1].w[1] + m[2].w[2] = (m[1] + m[2]).w[3] m[1].c[1] + m[2].c[2] = (m[1] + m[2]).c[3] Vypočtěte koncentraci roztoku chloridu sodného, který vznikne smísením 60 g 3M roztoku NaCl a 20^ g 8M roztoku NaCl. = Dosadíme do směšovací rovnice: 60.3 + 20.8 = (60 + 20).c[3] a dostáváme: c[3] = 340 / 80 = 4,25 M Výsledek: Vznikne 4,25M roztok NaCl. Křížové pravidlo vznikne ze směšovacích rovnic a udává mechanický způsob výpočtu. Odsud dostáváme: 3.(x - 3) = 8 - x 4x = 17 x = 4,25 Výsledek: Vznikne 4,25M roztok NaCl. · Stechiometrické rovnice (acidobazické reakce, oxidačně-redukční reakce) Chemicke rovnice nejen specifikuji reaktanty a produkty při zapisu chemickereakce, ale podavaji zaroveň informace o vztazich mezi látkovým množstvím reagujicich latek. Tuto informaci lze ziskat pouze ze spravně vyčislene chemicke rovnice. Při připravě chemickych latek v laboratoři i v chemickem průmyslu jsou vypočty z chemickych rovnic (stechiometricke vypočty – stechiometricke koeficienty) otazkou zasadniho vyznamu. - Je nutne umět vypočitat množstvi vychozich latek potřebnych k tomu, aby reakce proběhly beze zbytku a nedochazelo ke zbytečnym ztratam - Je důležite vypočitat množstvi vznikajicich produktů z daneho množstvi reaktantů aA + bB → cC + dD a : b : c : d = n(A) : n(B) : n(C) : n(D) - sestaveni a vyčisleni chemicke rovnice Acidobazické reakce a jejich využití v odměrné analýze (titrace) · Tyto reakce také nazýváme protolytické či neutralizační · Protolyt účastnící se acidobazické reakce je elektrolyt schopný odštěpit nebo vázat proton · Kyselinami jsou jakékoliv molekuly či ionty odštěpující proton · Zásadami jsou látky schopné proton přijímat · Uvedené definice jsou základem Brönstedovy teorie (1923) · Brönstedova teorie má obecnou platnost i pro nevodná rozpouštědla · Brönstedova teorie nahradila dřívější teorii kyselin a zásad podle Arrhenia · Existují i jiné teorie kyselin a zásad, například teorie Lewisova · Každá kyselina je se svou zásadou svázána ve dvojici, která se nazývá konjugovaný pár kyselina 1 + zásada 2 ↔kyselina 2 + zásada 1 HCl + H[2]O ↔ H[3]O^+ + Cl^- oxidačně-redukční reakce (redox) Redoxní reakce (nebo oxidačně-redukční reakce) jsou chemické reakce, při kterých se mění oxidační čísla atomů. Každá redoxní reakce je tvořena dvěma poloreakcemi, které probíhají současně. Tyto dvě poloreakce jsou oxidace a redukce. Při oxidaci se oxidační číslo atomu zvyšuje, atom tedy ztrácí elektrony, při redukci se oxidační číslo snižuje, atom tedy elektrony přijímá. V přírodě se často setkáváme s hořením a korozí. Koroze železa: Na levou stranu rovnice napí.eme vzorce výchozích látek, na pravou stranu vzorce produktů, ve vzorcích vyznačíme oxidační čísla atomů. Fe +O[2] + H2O → Fe(OH)[3] Zjistíme, u kterých atomů dochází při reakci ke změně oxidačního čísla. Jsou to atomy jodu, které se oxidují a atomy síry, které se redukují. Má-li zůstat zachován součet oxidačních čísel v.ech atomů, musí být poměr mezi počty redukovaných a oxidovaných atomů obrácený vzhledem k poměru absolutních hodnot změn jejich oxidačních čísel, Fe 0 na 3 …. 2/4 O 0 na -2 …. 3/6 Poměr 1:5 byl roz.ířen na 2:10, proto.e jak v molekulách peroxidu vodíku, tak v molekulách elementárního kyslíku, je po dvou atomech kyslíku - tedy počet atomů kyslíku, které vstupují do dané reakce a u nich. se mění oxidační číslo, musí být sudý. Příklady: 1. Kolik gramů vody je třeba , aby z 16 g KMnO[4] byl připraven 2%ní roztok této soli? 2. Kolik ml 36%ní HCl (h =1,1789 g/ml) a kolik ml vody je třeba k přípravě 1 litru 10%ní HCl (h =1,0474 g/ml) ? 3. Kolik gramů 30%ní HNO[3] je třeba na přípravu 500 ml jejího 0,5 M roztoku? 4. Vypočítejte molární koncentraci 180 cm^3 roztoku, který obsahuje 11,476 g KOH. M[(KOH)] = 56,1 5. Při moření oceli kyselinou sírovou probíhá m.j. reakce FeO + H[2]SO[4] → FeSO[4] + H[2]O. Vypočtěte kolik kg H[2]SO[4] (100%ní) je třeba na 50 g FeO ? 6. Vypočtěte stechiometrické koeficienty v rovnici redukce oxidu měďnatého amoniakem, při níž vzniká měď, dusík a voda. 2. Měření pH * Základní chemické a fyzikální vlastnosti vody, tvrdá – měkká voda * voda, H[2]O, je na Zemi nejrozšířenější sloučeninou kyslíku * fyzikální a chemické vlastnosti vody vyplývají ze struktury jejích molekul, z povah vazeb mezi atomy kyslíku a vodíku a z přítomnosti volných elektronových párů na atomu kyslíku * elektronové poměry v molekule vody : Voda · tvar – lomená molekula, úhel H-O-H 104°30¢ (v důsledku repulze elektronových párů) · vazba O – H polární · molekula polární Tvrdost vody Velična nejčastěji udávající koncentraci kationtů vápníku a hořčíku ve vodě. Definice tvrdosti vody je však nejednotná, někdy se tak označuje koncentrace dvojmocných kationtů vápníku, hořčíku, stroncia a barya, nebo všech kationtů s nábojem větším než jedna. Vzhledem k této nejednotnosti se moderní hydrochemie termínu tvrdost vody snaží vyhýbat. V praxi mnoha oborů, například akvaristiky, se však pojem tvrdost vody stále často užívá. Celkovou tvrdost můžeme rozdělit na přechodnou, tj. uhličitanovou a na stálou. Přechodnou (karbonátovou) tvrdost vody způsobují rozpustné hydrogenuhličitany a to především hydrogenuhličitan vápenatý Ca(HCO[3])[2] a hydrogenuhličitan hořečnatý Mg(HCO[3])[2]; tuto tvrdost vody lze odstranit převařením – dekarbonizací: Ca(HCO[3])[2] → CaCO[3] + H[2]O + CO[2] Mg(HCO[3])[2] → MgCO[3] + H[2]O + CO[2]. Vařením se však nezbavíme tvrdosti trvalé (nekarbonátové), za kterou jsou odpovědné především sírany, a to síran vápenatý CaSO[4] a síran hořečnatý MgSO[4]. K jejich odstranění používáme srážení působením hydroxidu vápenatého Ca(OH)[2] a uhličitanu sodného Na[2]CO[3]: Ca(HCO[3])[2] + Ca(OH)[2] → 2CaCO[3] + 2H[2]O Mg(HCO[3])[2] + Ca(OH)[2] → CaCO[3] + MgCO[3] + 2 H[2]O b) autoprotolýza vody, iontový součin vody, pH roztoků § i naprosto čistá voda nepatrně vede elektrický proud – je elektrolytem, což ukazuje na existenci iontů § důvodem je vznik iontů H[3]O^+ a OH^- při disociaci vody – tzv. autoprotolýze § autoprotolýza – reakce, při níž se látka chová amfoterně – jako kyselina i zásada, ze dvou částic dané látky vzniká nová kyselina a zásada : H[2]O + H[2]O ® H[3]O^+ + OH^- [H[3]O^+].[OH^-] § [H[2]O]^2 rovnovážná konstanta : K = § zahrnutím jmenovatele tohoto zlomku do konstanty vzniká tzv. iontový součin vody K[v] , můžeme vynásobit [H[2]O]^2, protože j¨na jednu disociovanou molekulu H2O pripada 555 milionu nedisiciovanych, jedna se tedy o konstantu .... K[v] = [H[3]O^+].[OH^-] § jeho hodnota závisí na teplotě, při teplotě 25°C K[v] = 1,2.10^-14, při běžných výpočtech se užívá hodnota 10^-14 § autoprotolýze tedy podléhá jen velmi málo molekul (asi 1 z 50-ti milionů) § poměr kationtů a aniontů v čisté vodě je 1 : 1 § hodnota součinu koncentrací H[3]O^+ a OH^- je za dané teploty ve všech vodných roztocích stejná § z toho vyplývá pro čistou vodu : [H[3]O^+] = [OH^-] K[v] = [H[3]O^+]^2 [H[3]O^+] = K[v]^1/2 = 10^-7 [H[3]O^+] = [OH^-] = 10^-7 § podle koncentrace oxoniových iontů (popř. hydroxidových) určujeme reakci roztoků (rozlišujeme je na kyselé, neutrální a zásadité) PH .... protože se koncentrace H[3]O (oxoniové kationty) OH (hydroxidové) § k vyjádření koncentrace H[3]O^+ se používá stupnice pH , kterou vytvořil Sörensen : pH = – log [H[3]O^+] (záporný dekadický logaritmus koncentrace oxoniových kationtů v roztoku) § je možno počítat s koncentracemi (problém nastává u koncentrovaných roztoků, kde již výpočty nemusí být dostatečně přesné). § stupnice pH sahá od 0 do 14, kde 0 znamená jednotkovou koncentraci oxoniových kationtů (kyselé prostředí), zatímco 14 značí koncentraci blízkou 10^-14 (zásadité prostředí), neutrální pH je na hodnotě 7, kdy je koncentrace oxoniových kationtů a tedy i hydroxidových aniontů rovna 10^-7 § Roztoky tak můžeme obecně rozdělit na kyselé a zásadité...... podle pH Měření pH Pro hrubou orientaci o kyselosti měřeného roztoku se k měření pH používá lakmusový papírek, což je proužek papíru napuštěný lakmusem. Poněkud přesnější údaj o kyselosti měřeného roztoku poskytuje univerzální indikátorový papírek, jehož zbarvení se mění s pH měřeného roztoku od (barevnou škálu vystihuje vedlejší tabulka hodnot pH běžně se vyskytujících roztoků). Instrumentální metody měření pH Pro přesná měření hodnot pH vodných roztoků se v současné době používá prakticky výlučně potenciometrie s využitím skleněné elektrody jako měrného členu. Podstatou uvedené metody je velmi přesné měření elektrického potenciálu mezi měrnou (skleněnou) a referentní elektrodou. Kyselost měřeného roztoku určuje elektrický potenciál měrné skleněné elektrody. Základní část skleněné elektrody tvoří tenkostěnná miniaturní baňka ze speciálního skla. Vnitřní objem baňky je naplněn pufrem, tedy roztokem o konstantním pH. Vnější povch baňky je ve styku s měřeným roztokem a rovnováha mezi hydroxoniovými ionty ve zkoumaném roztoku a ionty v povrchu skla způsobují změnu elektrického potenciálu elektrody. Komerčně dodávané přístroje - pH-metry současně převádějí měřené napětí mezi elektrodami přímo na hodnotu pH, kterou zobrazují digitálně na displeji. Dotykové elektrody, přenosné pH metry pro měření v terénu Jaké jsou způsoby čištění vody, používané v konzervátorské laboratoři Většinou postačí demineralizovaná, destilovaná voda, případně převařená. Příklad 1 Vypočítejte pH roztoku hydroxidu draselného o koncentraci 0,01 mol.dm-3. Příklad 2 Jaká je koncentrace roztoku kyseliny sírové o pH = 1,4 ? Příklad 3 Jaké je pH roztoku H[2]SO[4] o koncentraci c = 0,01 mol/l ? Příklad 4 Jaká je koncentrace roztoku hydroxidu barnatého o pH = 13 ? 1. Známé množství testovaného materiálu (např. různé druhy dřeva) je ponořeno na určitou dobu do daného objemu připravené vody. pH vzniklého extraktu je proměřeno pomocí indikátorových papírků a pH-metru. Kvalita vody použitá pro přípravu vodného extraktu je velmi důležitá; je nutné pracovat s destilovanou nebo deionizovanou vodou, která je převařená (pro odstranění oxidu uhličitého). a. Destilovanou vodu zahřívejte po dobu 10 min. na bodu varu tak, aby se odstranily rozpuštěné plyny, po té přikryjte očním sklíčkem a nechejte zchladnout na pokojovou teplotu. b. Odeberte vždy 1 g vzorku z různých druhů dřeva (očíslujte je poznačte si jejich názvy) a ponořte je do oddělených nádob s připravenou destilovanou vodou (1g/50ml vody) po dobu 2 hod. c. Vzorky vyjměte z vody. Jestliže v nádobě zůstanou nějaké zbytky, roztok musí být přefiltrován přes neutrální filtrační papír. d. Změřte orientační hodnotu pH pomocí indikátorových papírků u připravených extraktů a hodnoty zapište. e. Naměřené hodnoty pH ověřte pomocí pH metru. Nejprve zkontrolujte správnost měření daného přístroje použitím vhodných pufrů (pH 4 a pH 7). f. Ponořte elektrodu do připraveného extraktu a změřte pH. Před následným měřením extraktů musí být elektroda opláchnuta destilovanou vodou a osušena filtračním papírem. g. Zapište naměřené hodnoty pH k jednotlivým druhům testovaného dřeva. h. Vyhodnoťte výsledky. Které druhy dřeva jsou nevhodné pro kontakt s kovovým materiálem a které jsou nebezpečné pro organický materiál ? 2. Měření pH roztoků NaOH o různé koncentraci Změřte pH pomocí indikátorových papírků a pH metru v roztocích NaOH o různých látkových koncentracích c = 0, 1; 0, 01; 0, 001; 0, 0001. a. Vypočtěte požadované množství látky NaOH (M = 40, 01 g) pro přípravu roztoku o c = 0, 1; další koncentrace připravte postupným ředěním. b. Vypočtěte teoretickou hodnotu pH u daných roztoků a porovnejte s naměřenou hodnotu pH pomocí indikátorových papírků a pH metru.