J . S o p o u š e k ú l o h a /57/ 9.b 9.b.a Stanovení difúzního koeficientu amoniaku v membráně Difúze v roztoku je transportní děj, vyvolaný koncentračním spádem. Rozpuštěná látka samovolně proniká z míst větší koncentrace do míst s menší koncentrací tak dlouho, až se koncentrace vyrovnají. Difúze probíhá i přes membránu, která selektivně propouští danou látku. Příkladem selektivně propustné membrány může být hydrofobní fólie v iontově selektivní elektrodě pro amoniak firmy ORION. Tato membrána propouští amoniak, který se ve vnitřním prostoru před membránou uvolňuje z roztoku NH4Cl po přídavku NaOH a difunduje do vnějšího roztoku kyseliny borité, kde se tím neutralizuje na NH4 + sůl. Množství plynu dn, které prodifunduje za čas dt membránou, bude úměrné její ploše S a koncentračnímu spádu (dc/dx). Kvantitativně vyjadřuje tuto závislost I. Fickův zákon: ( ) dtdxdcSDdn -= / (1.) kde D je difúzní koeficient, který charakterizuje danou látku a závisí na prostředí a na teplotě (v menší míře i na koncentraci a tlaku). Záporné znaménko respektuje okolnost, že látkový tok jde ve směru klesající koncentrace. V případě stacionárního difúzního toku složky přes velmi tenkou membránu (několik desetin milimetru) lze koncentrační gradient nahradit podílem rozdílu koncentrací na obou stranách membrány a její tloušťky. Podmínky pokusu uvádí TABULKA XIII, kde ß je poměr objemů roztoku vně a uvnitř membrány (V / Vo). Čas (s) Koncentrace látky ve vnitřním prostoru (M) Koncentrace látky vně membrány (M) t = 0 t 0 co co-C c = 0 c = C Po čase t je rozdíl koncentrací na obou stranách membrány co - ßC - C =co -C (1+ß). Protože pro koncentraci látky platí C = n/V (n je látkové množství prošlé látky a V je objem vně membrány), platí také dcVdn = . Po dosazení těchto vztahů do Fickovy rovnice (1.) dostaneme: ( )[ ] x CcDS dt dc V +- = 10 (2.) Separujeme proměnné a podle podmínek pokusu zvolíme meze integrálů na pravé i levé straně: ( )[ ] =+- c o t o o xVdtDSCcdc /1/ (3.) Integrací rovnice (3.)dostaneme: ( ) ( )( )[ ] xVDStcCc oo //1ln1/1 =+-+- (4.) TABULKA XIII: Okrajové podmínky pro řešení difúze přes membránu ú l o h a j . S o p o u š e k /58/ Chyba! Nenaleze ( ) ( )( ) +- + = 1 ln 1 0 0 Cc c St xV D (5.) Tohoto vztahu je možné použít k návrhu experimentu na stanovení difúzního koeficientu amoniaku selektivní membránou. OBR. 14: Uspořádání pokusu: M-membrána, T-tubus, M1 a M2 -míchadla, x-tloušťka membrány, c0- počáteční koncentrace NH3 uvnitř (objem roztoku V0), C - koncentrace NH3 v čase t ve vnějším roztoku objemu V. Za předpokladu, že známe parametry membrány je třeba měřit v určitých časových intervalech koncentraci C roztoku vně membrány (v objemu V). Tuto časovou závislost koncentrace C lze například stanovit ze změny pH , která provází difúzi anoniaku do vnějšího roztoku s vhodným nadbytkem kyseliny borité. Koncentraci co amoniaku ve vnitřním roztoku vypočítáme jako výsledek kvantitativní reakce mezi NH4Cl a NaOH a při vhodném vedení pokusu se její hodnota nemění. Změnu pH ve vnějším roztoku můžeme sledovat i vizuálně na zabarvení acidobazického indikátoru (např. bromkrezolové zeleně). ÚKOL: Stanovte difúzní koeficient přenosu amoniaku přes membránu iontově selektivní membrány (od firmy ORION , rozměry: S = 0,6 cm2 a x = 0,032 cm )). POTŘEBY A CHEMIKÁLIE: pH-metr s citlivostí 0,001, magnetická a mechanická míchačka, tubus s membránou (membrána pro amoniakovou iontově selektivní elektrodu), stopky, 2 kádinky (100-150 cm3 ), 1 kádinka (50 cm3 ), pipety (25 cm3 , 10 cm3 ), dělené pipety (5 cm3 a 1 cm3 ), indikátor (0,1%ní bromkresolová zeleň v ethanolu), 2% roztok H3BO3, roztok 0,01M NH4OH, 0,1M NH4Cl a 0,1M NaOH. POSTUP PRÁCE: 1. Měření kalibrační křivky: Připravíme základní roztok smísením 100 cm3 2% roztoku kyseliny borité s 1 cm3 indikátoru. Druhý - pomocný roztok připravíme z 50 cm3 0,01mol dm- 3 NH4OH a 0,5 cm3 indikátoru. Seznámíme se s návodem pH-metru. Do měřící nádobky pH- metru přidáme 25 cm3 základního roztoku kyseliny borité s indikátorem a změříme výchozí pH kombinovanou skleněnou elektrodou. K obsahu v kádince připipetujeme první přídavek 0,25 cm3 pomocného roztoku hydroxidu amonného. Změříme pH a přidáme další přídavek pomocného roztoku. Celkem přidáme deset přídavků a provedeme deset měření pH. Chyb a! J . S o p o u š e k ú l o h a /59/ 9.b 2. Difúzní koeficient - Do větší kádinky napipetujeme 50 cm3 základního roztoku kyseliny borité a vložíme do ní tyčinku elektromagnetického míchadla. Do tubusu s membránou napipetujeme 7 cm3 0,1M NH4Cl a 1 cm3 0,1M NaOH. Tubus našroubujeme na závit zátky, kterou prochází horní mechanické míchadlo (viz OBR. 14) . Míchadlo v tubusu zapneme. Dočasně odsuneme spodní blok elektromagnetického míchadla a kádinku se základním roztokem podsuneme ze spodu na tubus. V okamžiku pomoření tubusu zapneme stopky a vrátíme blok míchadla zpět. Zapneme spodní elektromagnetické míchání, nastavíme mírné otáčky a případně soustavu vycentrujeme. Opatrně do roztoku vložíme elektrodu pH-metru a upevníme ji do stojanu tak, aby nedocházelo ke kontaktu točícího se míchadla s elektrodou. Odečet pH provádíme přesně po 60 vteřinách po dobu 20 minut . PROTOKOL: Vypočtená koncentrace amoniaku co v tubusu. Kalibrační tabulka 1: pro každý přídavek pomocného roztoku amoniaku do základního roztoku kyseliny borité: celkem přidaný objem pomocného roztoku, celkový objem, vypočtená koncentrace amoniaku C v celkovém objemu, naměřené pH . Kalibrační graf 1: závislost pH na koncentraci amoniaku C . Tabulka 2: Pro každou rozhodnou minutu: měměřené pH, koncentrace amoniaku dle kalibrační křivky, hodnoty výrazů: ,,zlomek" a ,,logaritmus" ve vztahu (5.), difúzní koeficient. ú l o h a j . S o p o u š e k /60/ Chyba! Nenaleze ORIENTAČNÍ ZNAČKY: Úvod k skupině laboratorních úloh Teorie a vztahy k vyhodnocení úlohy ? Úkol (otázka na níž odpovídá závěr laboratorní úlohy) Přístroje, potřeby a chemikálie potřebné k provedení úlohy Důležitá informace nebo upozornění Pracovní postup Způsob vyhodnocení Co nezapomenout uvést v protokolu (viz obecná osnova v kap. 13)