5. týden PŘÍPRAVA ROZTOKŮ KYSELIN, PUFRŮ A MĚŘENÍ pH Úvod Různé kyseliny jsou ve vodných roztocích při stejných koncentracích různě disociovány - říkáme, že kyseliny jsou různě silné. Jednotlivé kyseliny lze z tohoto hlediska charakterizovat disociačním stupněm, disociační konstantou, resp. hodnotou pKa. Jestliže uvážíme protolytickou rovnováhu typu HA + H20 <=> H30+ + A , pak lze říci, že čím slabší je kyselina UA, tím silnější je její konjugovaná zásada A . Relativně silné zásady A pak ve vodě podléhají hydrolýze, tedy reakci typu A + H20 <=> OH + HA, které způsobují alkalickou reakci (vzrůst pH) roztoku. U slabých kyselin (např. CH3COOH, HN02 aj.) mají obě výše uvedené reakce rovnovážný charakter. To znamená, že odčerpání H30+ iontů přídavkem OH do roztoku slabé kyseliny způsobí její další disociaci ve snaze o obnovení rovnováhy; tím se do určité míry utlumí výkyv pH způsobený přídavkem zásady. Na druhé straně, odčerpání OH iontů z roztoku hydrolyzujícího aniontu slabé kyseliny přídavkem H30+ způsobí jeho další hydrolýzu; tím se částečně utlumí výkyv pH způsobený přídavkem kyseliny. Je tedy nasnadě, že směsi slabých kyselin a jejich aniontů mohou efektivně tlumit (pufrovat) výkyvy pH způsobené přídavkem kyselin i zásad. Pufrující prostředí jsou obzvláště důležitá v biologických systémech, neboť většina enzymatických pochoduje citlivá na změny pH. Cílem tohoto cvičení je ověřit odlišná pH roztoků silné a slabé kyseliny a připravených pufrů o různých koncentracích. Zároveň se seznámíte s odměrným laboratorním sklem a vyzkoušíte práci s pH-metrem. Úkoly 1. Připravte roztoky HC1 a CH3COOH o koncentracích 0,01 mol dm3, vypočítejte a určete jejich pH. 2. Připravte asi 0,01 molární roztok CH3C00Na-3H20 a vypočítejte s jeho přesné navážky molární koncentraci připraveného roztoku. 3. Míšením zásobních roztoků připravte octanové pufry o různých koncentracích, vypočítejte a určete jejich pH. Pracovní postup a) Příprava roztoků kyselin • Pro přípravu roztoků HC1 a CH3COOH použijeme zásobní roztok HC1 o procentuální koncentraci 2 % (p = 1,0082 g cm3) a zásobní roztok CH3COOH o látkové koncentraci 0,5 mol dm3. Vypočítejte objemy zásobních roztoků, které jsou třeba pro přípravu roztoků kyselin o koncentracích 0,01 mol dm3 v odměrných baňkách o objemu 100 cm3. Jednotlivé odměrné baňky si před použitím zřetelně označte, aby nedošlo k záměně roztoků. • S použitím dělené pipety, kterou před použitím propláchnete zásobním roztokem, přeneste do označené odměrné baňky vypočítané množství zásobního roztoku kyseliny chlorovodíkové, doplňte demineralizovanou vodou po rysku (k doplnění vody přesně po rýškuje vhodné použít plastovou pipetku), opatřete zátkou a několikanásobným převrácením obsah baňky důkladně promíchejte. Analogickým způsobem připravte roztok kyseliny octové. • Vypočítejte očekávanou hodnotu pH připraveného roztoku HC1. S využitím tabelované hodnoty Ka kyseliny octové (Ka = 1,75.105) vypočítejte očekávanou hodnotu pH roztoku CH3COOH. • Odlijte přibližně po 15 cm3 jednotlivých roztoků do připravených kádinek o objemu 25 cm3 a zkalibrovaným pH-metrem změřte jejich pH. Výsledky zaznamenejte do laboratorního deníku. b) Příprava pufrů • Pro přípravu roztoku CH3COONa použijeme krystalický CH3C00Na-3H20. Vypočítejte hmotnost CH3C00Na-3H20, který je třeba pro přípravu roztoku o koncentraci 0,01 mol dm3 v odměrné baňce o objemu 100 cm3. • Vzhledem ke komplikované manipulaci se vzorkem v prostoru analytických vah není třeba, aby připravovaný roztok CH3COONa měl koncentraci rovnu přímo 0,01 mol dm3. Navážku CH3C00Na-3H20 je však třeba stanovit na analytických vahách, abychom koncentraci mohli později (pro účely výpočtu pH) zpřesnit. • Vhodný postup pro navážení CH3COONa-3H20 je následující. Na analytických vahách zvažte prázdnou lodičku (tj. s přesností na 4 desetinná místa, resp. desetiny miligramu) a váhy vynulujte (TARA nebo ZERO). Prázdnou zváženou lodičku přeneste na předvážky, předvážky vynulujte a navažte vypočítané množství CH3COONa-3H20. Přesnou hodnotu navážky (na 4 desetinná místa) zjistíte přenesením lodičky s navážkou zpět na vynulované analytické váhy. • Do odměrné baňky vsuňte nálevku s dlouhou stopkou a navážku z lodičky kvantitativně spláchněte demineralizovanou vodou ze střičky do baňky. Lodičku i nálevku opláchněte vodou ze střičky do baňky. Doplňte odměrnou baňku asi do 3/4 vodou a teprve po rozpuštění krystalů (promícháváním obsahu baňky) baňku doplňte vodou po rysku pomocí plastové pipetky. Po uzátkování obsah baňky důkladně promíchejte. • Do jedné kádinky pipetami přeneseme 10 cm3 0,01 molárního roztoku CH3COOH a 10 cm3 přibližně 0,01 molárního roztoku CH3COONa. • Do druhé kádinky přeneseme 20 cm3 0,01 molárního roztoku CH3COOH a 4 cm3 přibližně 0,01molárního roztoku CH3COONa. Roztoky v kádinkách promícháme skleněnými tyčinkami. • Změřte pH obou roztoků a porovnejte s hodnotami, vypočtenými na základě Hendersonova-Hasselbachova vztahu. Při výpočtu zohledněte přesnou koncentraci vámi připraveného roztoku CH3COONa. • Z úlohy zpracujte krátký protokol obsahující tabulku, ve které uvedete koncentrace připravených roztoků, jejich vypočtená pH a pH určená pH-metrem, teplotu roztoků. Poznámky: • Při práci s pipetami dbejte nato, aby přišly do kontaktu pouze s jediným roztokem. Pokud je nutné použít pipetu k odměřování jiného roztoku, je předtím nezbytně nutné pipetu tímto roztokem alespoň dvakrát vypláchnout. Po použití pipety ji několikrát vypláchněte demineralizovanou vodou a nechte vyschnout na vzduchu. • I při velmi přesné práci není prakticky možné naměřit pH, které by přesně odpovídalo hodnotě vypočítané na základě molárních koncentrací. Je to důsledkem skutečnosti, že s rostoucí koncentrací iontů v roztoku se zvyšuje jejich vzájemné elektrostatické ovlivňování. Správně bychom proto koncentrace iontů měli nahradit jejich aktivitami dle vztahu: ai = yi. ci, kde yi je aktivitní koeficient příslušného iontu. • Při výpočtech pH lze tedy aktivity nahradit koncentracemi pouze ve velmi zředěných roztocích. Dále je třeba vzít v úvahu, že disociační konstanty kyselin a iontový součin vody jsou tabelovány při určitých teplotách, které je třeba při správných stanoveních pH dodržet. Obrl Měření pH. DESTILACE Úvod K rozdělení směsi navzájem mísitelných kapalin s rozdílnou teplotou varu anebo k oddělení rozpouštědla od netěkavé látky vněm rozpuštěné lze s výhodou využít destilace. Možnost rozdělení směsi závisí na velikosti rozdílů v teplotách varu jejích složek. Prostou destilací lze od sebe dobře oddělit kapaliny, je-li rozdíl v jejich teplotách varu alespoň 150 °C, při rozdílu větším než 80 °C je možné pokusit se o rozdělení pomocí frakční destilace a při rozdílu menším než 80 °C je nutné využít k dělení rektifikaci na koloně. V tomto cvičení se omezíme na demonstraci využití prosté destilace k oddělení části rozpouštědla z roztoku netěkavé soli, tedy k zahuštění roztoku. PROSTÁ DESTILACE ZA ATMOSFÉRICKÉHO TLAKU Jednotlivé části destilačního mostu + destilační most Úkoly 1. Připravte roztok skalice modré. 2. Na jednoduché destilační aparatuře oddestilujte přibližně 10 až 20 cm3 vody z vodného roztoku modré skalice. 3. Změřte index lomu destilátu Abbého refraktometrem a porovnejte ho s tabelovaným indexem lomu destilované vody. 4. V literatuře vyhledejte hodnoty indexu lomu destilované vody pro teploty 20 až 25 °C. Pracovní postup • Na předvážkách navažte přibližně 1,5 g CuS04 5H20. • Navážku kvantitativně spláchněte do 250 cm3 varné baňky vodou ze střičky, přidejte 100 cm3 deionizované vody a modrou skalici rozpusťte intenzivním mícháním tyčinkou. Přidejte varný kamínek. • Sestavte aparaturu podle obrázku 3. • Na stojan postavte kahan a nad kahan do vhodné výšky uchyťte žíhací kruh se síťkou. • Nad síťku přichyťte svorkou s držákem varnou baňku s roztokem CuS04 tak, aby dno baňky spočívalo na síťce. • K chladiči destilačního mostu připojte hadice pro přívod a odvod vody. Využijte centrální uzavřený okruh chladicí vody. • Mírně namažte zabrus destilačního nástavce. • Na baňku nasaďte destilační most. Upevněte ho svorkou za zabrus destilačního nástavce a ještě v polovině délky chladiče k dalšímu stojanu. • Na alonž destilačního mostu připojte zábrusovou baňku s rovným dnem (předlohu), kterou pevně připojíte na další stojan. Do zábrusu destilačního nástavce zasuňte zábrusový teploměr a nastavte přiměřený průtok chladicí vody. • Baňku s roztokem CuS04 zahřívejte kahanem a po předestilování přibližně 10 cm3 kapaliny odečtěte teplotu par odcházejících do chladiče a zahřívání ukončete. • Po vychladnutí aparaturu rozeberte, změřte teplotu destilátu. Pokud bude třeba, vytemperujte destilát na teplotu 20 °C. • Index lomu destilátu změřte Abbého refraktometrem a porovnejte jej s tabelovanou hodnotou indexu lomu destilované vody. • Zbylý roztok CuS04 nalijte do lahve označené „ Odpad-roztok CuS04 ". Zábrusový teploměr / Obr 3 Aparatura pro destilaci za atmosférického tlaku TEORETICKÁ PRÍPRAVA SKRIPTA: Příhoda, Černík, Janků, Literák, LABORATORNÍ TECHNIKA, Brno 2012. • Kapitola 4 Spojovací a uzavírací prvky aparatur - zábrusy • Kapitola 5 Základní operace v laboratoři - zahřívání • Kapitola 6 Základní laboratorní techniky - destilace. REFRAKTOMETRICKÉ URČENÍ INDEXU LOMU Index lomu kapalin je jejich charakteristickou fyzikální vlastností. Pro čisté kapaliny je, při dané teplotě a vlnové délce použitého světla, konstantou, kterou lze využít k jejich identifikaci. Tabelované údaje pro jednotlivé kapaliny jsou uváděny zpravidla ve formě nD20, což představuje hodnotu indexu lomu měřeného při 20 °C ve světle sodíkové výbojky. Pokud byly podmínky měření jiné, je to v tabulkách uvedeno. Index lomu směsí kapalin vykazuje aditivní vlastnosti, tzn. index lomu směsi je váženým průměrem indexů lomu kapalin, které směs tvoří. Index lomu měříme na Abbého refraktometru (obr 4). Pracovní postup • Tamponem namočeným v ethanolu očistíme oba hranoly Abbého refraktometru. • Pomocí stolní halogenové lampičky a pohyblivého zrcátka nastavíme jasné a stejnoměrné osvětlení zorného pole viditelné v okuláru refraktometru. • Na spodní hranol ve vodorovné poloze Pasteurovou pipetkou opatřenou pipetovacím prstem nebo balónkem naneseme několik kapek měřené kapaliny a okamžitě na něj přitiskneme horní hranol, který zajistíme zámkem. Při správném postupu vznikne mezi hranoly souvislá vrstvička kapaliny, která nám umožní přesné změření indexu lomu. U těkavých kapalin (aceton, methanol) je třeba měřit co nejrychleji, poněvadž se rychle odpařují. V případě měření indexu lomu těkavých roztoků může proto docházet k postupnému úbytku jejich koncentrace a tudíž i ke změně indexu lomu. • Pozorujeme zorné pole v pravém okuláru, ve kterém je viditelný nitkový kříž a celé pole by mělo být rozděleno na dvě části - světlou a tmavou. Není-li tomu tak, nastavíme rozhraní otáčením knoflíku na levém boku refraktometru. • Otáčením knoflíku na pravé straně rozhraní zaostříme a odstraníme jeho barevné okolí. • Ostré rozhraní mezi tmavou a osvětlenou částí zorného pole otáčením levého knoflíku nastavíme přesně na střed nitkového kříže a na stupnici v levém okuláru odečteme hodnotu indexu lomu s přesností na pět platných číslic. • Zjištěnou hodnotu indexu lomu porovnáme s tabelovanou hodnotou pro příslušnou teplotu. Obr 4 Určení indexu lomu TEORETICKÁ PŘÍPRAVA SKRIPTA: Příhoda, Černík, Janků, Literák, LABORATORNÍ TECHNIKA, Brno 2012. • Kapitola 7 Identifikace látek - index lomu.