Why is nitric acid added to the iron(III) chloride solution in this Beer's Law experiment?

Nitric acid prevents iron hydroxides from precipitating out of solution. When FeCl3 dissolves in water, the iron center is surrounded by water molecules in an acidic complex that easily loses protons. Adding HNO3 keeps the iron in solution primarily as near-colorless [Fe(H2O)6]3+ and yellow [Fe(H2O)5(OH)]2+ complexes, ensuring accurate measurements throughout the experiment.

How does the [Fe(NCS)]2+ complex form and why does it give solutions their orange-red color?

The [Fe(NCS)]2+ complex forms when thiocyanate ions [SCN]- exchange with water molecules on the iron center, with nitrogen interacting directly with iron. This exchange is reversible, creating an equilibrium between complex formation and dissociation. The thiocyanate-iron interaction produces the intense orange-red color that allows you to measure absorbance using Beer's Law and relate it to complex concentration.

Why is excess iron used when preparing the calibration curve standards?

The calibration curve uses 0.2 M FeCl3 so iron is in 500 to 2,000-fold excess over thiocyanate. At this ratio, any [SCN]- that leaves one iron center finds another so quickly that there is effectively no free [SCN]- in solution. This allows you to assume the [Fe(NCS)]2+ concentration equals the initial NaSCN concentration, making calculations straightforward and accurate.

What is the difference between the standard solutions and the unknown concentration solutions in this experiment?

Standard solutions use 0.2 M FeCl3 with excess iron so [Fe(NCS)]2+ concentration equals starting [SCN]- concentration. Unknown solutions use 0.02 M FeCl3 with only 40 to 100-fold excess iron, meaning [SCN]- that leaves iron may not immediately find another center. This creates an equilibrium where [Fe(NCS)]2+ concentration differs from starting [SCN]- concentration, requiring the calibration curve to determine actual concentrations.

How do you determine the wavelength of maximum absorbance for the [Fe(NCS)]2+ complex?

Prepare the mid-concentration standard solution and measure its absorbance spectrum using a handheld spectrophotometer. The instrument identifies the wavelength with maximum absorbance, which you record as lambda max for the [Fe(NCS)]2+ complex. All subsequent absorbance measurements are then taken at this specific wavelength to ensure consistency and accuracy across all calibration and unknown samples.

How does the calibration curve relate absorbance to concentration in Beer's Law?

Plot absorbance at lambda max versus [Fe(NCS)]2+ concentration for standard solutions to create a linear calibration curve. The slope of this line equals the molar attenuation coefficient multiplied by the cuvette pathlength (1 cm in this lab). Rearranging the linear equation allows you to solve for unknown concentrations by entering their measured absorbance values, directly applying Beer's Law to experimental data.

How do you calculate the equilibrium constant from the unknown concentration measurements?

First, determine equilibrium concentrations of [Fe(NCS)]2+ from the calibration curve using measured absorbance. Then calculate equilibrium concentrations of Fe3+ and [SCN]- by subtracting [Fe(NCS)]2+ from their starting concentrations. Finally, substitute all equilibrium values into the equilibrium expression to solve for the constant. Comparing constants across trials reveals the consistency and reliability of your experimental measurements.

חוק הבירה

מושגים הכנת המדריך נוהל לתלמידים

0 צפיות02:53 דק׳

תגובות כימיות רבות מתקדמות בשני כיוונים, קדימה ואחורה. עם הזמן, התגובות קדימה ואחורה יתרחשו באותו קצב, והריכוז של המגיבים והמוצרים לא ישתנה עוד. זה ידוע בשם שיווי משקל כימי.

בשיווי משקל כימי, הריכוזים של כל רכיב קשורים זה לזה על ידי קבוע שיווי המשקל, K, שהוא היחס בין ריכוזי המכפלה לריכוזי המגיבים, שכל אחד מהם מועלה לחזקת המקדמים הסטויכיומטריים שלהם.

אבל איך קובעים ריכוזי שיווי משקל? שיטה אחת מודדת את עוצמת אורך הגל של האור שהמוצר בולע לפני ואחרי שהוא עובר דגימה. הפרש העוצמה נקרא ספיגה, והוא מתאים לכמות התרכובת הבולעת בדגימה.

אתם אולי זוכרים שאלקטרונים תופסים בעיקר את מצב הקרקע. כאשר הם סופגים כמות מסוימת של אנרגיה, הם נרגשים לרמת אנרגיה גבוהה יותר. אנרגיה זו מתאימה לאורך גל מסוים של אור. ניתן למצוא אורך גל זה ולמדוד בליעה באמצעות ספקטרופוטומטר, המכוון קרן אור דרך הדגימה ומודד את השינוי בעוצמתו באורכי גל אחד או יותר.

הבליעה שווה ללוג השלילי של עוצמת האור המוחלש על פני עוצמת אור האירוע. על ידי התוויית ערכי הספיגה של תמיסות מרובות עם ריכוזי מוצרים ידועים שונים, אנו רואים קשר ליניארי בין ספיגה לריכוז. זו דוגמה לחוק הבירה.

חוק באר מבוטא מתמטית על ידי משוואה זו, כאשר A הוא הבליעה, אפסילון הוא מקדם ההנחתה המולרי, קבוע המשתנה עבור כל תרכובת, l הוא אורך נתיב האור דרך הדגימה, ו- c הוא ריכוז התרכובת.

על ידי זיהוי הפונקציה הליניארית עבור תרכובת נתונה באורך גל מסוים ובאורך נתיב מסוים, ניתן להשתמש בנתוני הבליעה של תמיסה בשיווי משקל כדי לקבוע את ריכוז שיווי המשקל של המכפלה. משם, ניתן לחשב את ריכוזי שיווי המשקל של המגיבים ולפתור עבור קבוע שיווי המשקל. במעבדה זו, תוכלו להכין תמיסות של ברזל (III) isothiocyanate ולהשתמש ספקטרופוטומטר כדי לקבוע את ספיגתו בריכוזים שונים.

Print Procedure Steps

מקור: סמאא קורים באוניברסיטת ג'ונס הופקינס, MD, ארה"ב

Lab Setup for Beer's Law
במעבדה זו, תשלב תמיסות מימיות של FeCl₃ ו- NaSCN ליצירת קומפלקס כתום-אדום [Fe(NCS)]²⁺. כאשר FeCl₃ מומס במים, מרכז הברזל מוקף בשש מולקולות מים. קומפלקס חומצי זה מאבד בקלות פרוטונים ממולקולות המים שלו, מה שעלול להוביל להידרוקסידים של ברזל הנובעים מתמיסה.

כדי למנוע זאת, הפתרונות שלך יכללו מספיק HNO₃ כדי לשמור על הברזל בתמיסה, בעיקר כחסר צבע [Fe(H₂O)₆]³⁺ וצהוב [Fe(H₂O)₅(OH)]²⁺. עבור מעבדה זו, נתייחס למתחמי הברזל ההתחלתיים באופן קולקטיבי כ-Fe³⁺.

[Fe(NCS)]²⁺ מורכב נוצר כאשר [SCN]- מחליף עם קבוצה אחרת על ברזל, עם חנקן אינטראקציה עם ברזל. חילוף זה הפיך, כך שיש שיווי משקל כולל בין היווצרות ואובדן של [Fe(NCS)]²⁺.

האינטראקציה תיוציאנט-ברזל מעניקה לתמיסות [Fe(NCS)^]2+ את צבען העז. בסופו של דבר תקשר את עוצמת הספיגה של UV-Vis לריכוז של קומפלקס [Fe(NCS)^]2+ באמצעות חוק באר. זה מאפשר לך למדוד באופן ניסיוני את ריכוז שיווי המשקל של קומפלקס [Fe(NCS)]²⁺, שממנו אתה יכול להעריך קבוע שיווי משקל עבור התהליך הכולל.
- לבשו מעיל מעבדה, משקפי בטיחות חסיני התזה וכפפות ניטריל. הפתרונות שבהם תשתמש הם קורוזיביים מאוד, אז היזהר בעת הטיפול בהם.
- תייגו שלוש כוסות של 150 מ"ל כ-0'.5 M HNO₃, '1 M FeCl₃ אינץ' 0.5 M HNO₃' ו-'0.5 mM NaSCN ב-0.5 M HNO₃'.
- תייגו של 400 מ"ל כ'פסולת'. תייגו בורט אחד כ-'[SCN]-' ואת השני כ-'HNO₃'.
- הדקו את הבורטות מספיק גבוה כדי שכוס הפסולת של 400 מ"ל תוכל להיכנס מתחתם.
- השתמש בצילינדר המדורג של 50 מ"ל כדי למדוד 100 מ"ל של 0.5 M HNO₃ לתוך הכד המסומן כראוי במכסה המנוע. כסו את הכד בכוס שעון והחזירו אותה למכסה המנוע.
- מדוד 20 מ"ל של 1 M FeCl₃ לתוך הכד המסומן המתאים. ודאו שבקבוק הסטוק סגור לפני שתחזירו את החלק של התמיסה למכסה המנוע.
- למדוד 40 מ"ל של 0.5 mM NaSCN ולשפוך אותו לתוך הכד המסומן המתאים.
- תייגו ומלאו של 100 מ"ל במים שעברו דה-יוניזציה.
- ודא שהסטופקוקים של שני הבורטות סגורים. מניחים משפך בכל בורטה ויוצקים מים נטולי יונים.
- מניחים את הפסולת מתחת לבורטה אחת ופותחים את הסטופרקוק. לאחר שהמים התנקזו, סגרו את הסטופר, וחזרו על התהליך עם הבורטה השנייה.
- יוצקים כ-5 מ"ל של 0.5 M HNO₃ לתוך הבורטה המתאימה ומניחים את הפסולת מתחת לפיה. פתח את הסטופרקוק כדי למלא את הקצה עם HNO₃ ולאפשר כמה מ"ל להתנקז לפני סגירתו.
- הוסף כ 40 מ"ל של HNO₃ לבורט. זכור כי סיום הלימודים למדוד מלמעלה למטה, אז אתה צריך למלא אותו בערך 10 מ"ל סימן. הערה: הכרך המחולק על ידי בורט עוקב אחר ההבדל בין קריאת הכרך הפותח והאחרון.
- הניחו את הפסולת מתחת לבורט [SCN]- ומלאו את הקצה בתמיסת NaSCN באותו אופן כמו HNO₃.
- שפכו את שאר הפתרון [SCN]- שלכם לתוך הבורט. הקש בעדינות על הבורטה כדי לעקור בועות אוויר. אם יש בועות בקצה הבורטה, פתחו לרגע את הסטופקוק כדי לשטוף אותן החוצה.
- השג ארבעה ריבועים של סרט פרפין מפלסטיק ושתי יריעות של רדיד אלומיניום כדי לסיים את ההגדרה.
Calibration Curve Measurements
עליך לדעת את הריכוזים המדויקים [Fe(NCS)^]2+ בפתרונות הסטנדרטיים שלך כדי ליצור עקומת כיול מדויקת. עם זאת, הקומפלקס נמצא בשיווי משקל עם Fe³⁺ ו- [SCN]-, כך שרק קומפלקס [Fe(NCS)]²⁺ עצמו נחשב למטרה זו. לכן, הפתרונות הסטנדרטיים שלך ישתמשו ב- FeCl₃ של 0.2 M כך שהברזל יהיה עודף של פי 500 עד פי 2,000.

כל [SCN] - שמשאיר ברזל אחד ימצא ברזל אחר כל כך מהר שלא יהיה, למעשה, [SCN] חופשי - בתמיסות אלה. ניתן, אם כן, להניח שריכוז [Fe(NCS)^]2+ שווה לריכוז NaSCN הראשוני של התמיסה הסטנדרטית.
- תייגו את הבקבוק הנפחי של 50 מ"ל כ-'0.2 M FeCl₃'.
- Dispense 10 mL FeCl₃ לתוך הצלוחית הנפחית. מוסיפים משפך לבקבוק ויוצקים לתוכו כ -30 מ"ל מים נטולי יונים.
- אוטמים את הבקבוק בריבוע של סרט פרפין מפלסטיק והופכים אותו מספר פעמים כדי לערבב היטב את התמיסה.
- השתמשו בפיפט חד פעמי כדי למלא את הבקבוק עד לקו המים שעברו דה-יוניזציה ולשמור את הפיפטה למועד מאוחר יותר. אטמו מחדש את הבקבוק והפכו אותו מספר פעמים כדי לערבב את התמיסה.
- הפעל את ספקטרופוטומטר כף היד וודא שהוא מוגדר למדידת ספיגה.
- בזמן שמקור האור מתחמם, עטפו חמישה כוסות 50 מ"ל ברדיד אלומיניום כדי להגן על תמיסת FeCl₃ הרגישה לאור במהלך הניסוי.
- תייגו חמש כוסות וחמש פיפטות חד פעמיות נקיות 1 - 5. הניחו מגבות נייר כמשטח נקי לכלי הזכוכית בהם תעשו שימוש חוזר.
- עקוב כדי להכין פתרונות 1 – 5. לתמיסה 1, הוסף 5 מ"ל של 0.2 M FeCl₃ לכוס 1, ולאחר מכן הנח אותה מתחת לבורטה של HNO₃.
  טבלה 1: פתרונות סטנדרטיים עבור [Fe(NCS)]²⁺ עקומת כיול
  
  λ_max
  <טבלה align="center" height="224" style="border-collapse: collapse; font-size: 14px; line-height: 20px;" width="100%"> Solution # 0.2 M Fe³⁺ (mL) 0.5 mM [SCN]^- (mL) 0.5 M HNO₃ (mL) Absorbance at λ_max Total volume (mL) [Fe(NCS)]²⁺] 1 5 0 5 Solvent blank 2 5 1 4 3 5 2 3 4 5 3 2 5 5 4 1 לחץ כאן להורדת טבלה 1
- שימו לב לנפח הנוכחי בבורטה, ואז שחררו בדיוק 5 מ"ל של HNO₃ לתוך הכד. מערבבים את התמיסה עם מוט ערבוב זכוכית.
- השתמשו בפיפט 1 כדי למלא קובטה מלאה כ-75% בתמיסה 1 ומכסים את הקובטה.
- נקו את הדפנות השקופות של הקובטה בעזרת מגבון מעבדה והניחו אותה בספקטרופוטומטר.
- רכוש מדידת רקע — ריק ממס.
- הוציאו את הקוביה, רוקנו אותה לתוך כד האשפה ושטפו אותה שלוש פעמים במים נטולי יונים. אותה קובטה תשמש לכל המדידות כדי למזער שגיאות הקשורות לפגמים בקובט.
- הכינו את תמיסת הריכוז האמצעי, מדגם 3. הוסף 5 מ"ל של 0.2 M FeCl₃ לכוס 3.
- Dispense 2 מ"ל של NaSCN ו-3 מ"ל של HNO₃ לתוך הכד מהבורטים.
- מערבבים תמיסה 3 עם מוט ערבוב הזכוכית, ולאחר מכן משתמשים בפיפט 3 כדי למלא את הקובטה הנקייה והיבשה כ-75% מלאה בתמיסה 3.
- נקו את הדפנות השקופות והניחו אותו בספקטרופוטומטר.
- למדוד את הבליעה של התמיסה במשך כ-5 שניות ולזהות את אורך הגל עם הבליעה המרבית. רשום אורך גל זה במחשב המעבדה שלך כ-λ_max עבור קומפלקס [Fe(NCS)^]2+ .
- הגדר את הספקטרופוטומטר לקריאות ממוצעות מעל 10 שניות וכוונן את אורך הגל ל_{- λ max}. שמור מדידת ספיגה מלאה של תמיסה 3. רשום את הספיגה ב- λ_max במחשב המעבדה שלך.
- בצע את אותו תהליך עבור פתרונות 2, 4 ו- 5. הכינו את הפתרונות אחד בכל פעם או שמרו את התמיסות המוכנות תחת רדיד אלומיניום עד שתהיו מוכנים להשתמש בהן.
- הוסף את הפתרון המתאים לקובט ומדוד את ערכי הספיגה.
- לאחר שרשמת את כל ערכי הספיגה ב- λ_max, שרטט תרשים של [SCN]- נפח לעומת ערך בליעה, שאמור להיות ליניארי. אם אתה רואה חריגות, צור מחדש את הפתרון ונסה שוב.
מדידות של פתרונות עם לא ידוע [Fe(NCS)]²⁺ ריכוזים<לחצן class="expand">הרחב
בחלק האחרון של המעבדה, תכינו ארבע תמיסות [Fe(NCS)^]2+ עם תמיסת FeCl₃ של 0.02 M, כך שהברזל יהיה בעודף של פי 40 עד פי 100. בריכוזים אלה, ה-SCN שמשאיר מרכז ברזל לא בהכרח ימצא מרכז ברזל אחר באופן מיידי. לפיכך, [Fe(NCS)]²⁺ יהיה בשיווי משקל עם Fe³⁺ ו- [SCN]-, וריכוזו לא יהיה שווה לריכוז [SCN] ההתחלתי.
- רוקנו את כוסות 50 מ"ל לתוך כד הפסולת, הסירו את התוויות ושטפו אותן במים נטולי יונים.
- יבשו את הכוסות ותייגו אותן מחדש כ-6 – 10. כמו כן, תייגו חמש פיפטות חד פעמיות כ-6 – 10.
- רוקן את הבקבוק הנפחי של תמיסת FeCl₃ 0.2 M לתוך הפסולת ושטוף אותה במים נטולי יונים. יש לתייג מחדש את הבקבוק השטוף כ-0.02 M FeCl₃.
- השתמש בפיפט נפחי של 1 מ"ל כדי להעביר 1 מ"ל של 1 M FeCl₃ לצלוחית הנפחית. מוסיפים כ 40 מ"ל של מים deionized לבקבוק.
- אטמו את הבקבוק בסרט פלסטיק והפכו אותו מספר פעמים כדי לערבב את התמיסה. פתח את הבקבוק ומלא אותו לקו עם מים deionized. אוטמים מחדש את הבקבוק ומערבבים היטב את התמיסה.
- הכן את פתרון 6, הממס החדש ריק. מוסיפים 5 מ"ל של 0.02 M FeCl₃ ו-5 מ"ל של HNO₃, ולאחר מכן מערבבים עם מוט הערבוב.
- Pipette הפתרון לתוך cuvette ולקבל את מדידת הרקע כמו קודם.
- עקוב כדי להכין פתרונות 7 עד 10, לרכוש את הספקטרום שלהם, ולרשום את ערכי הספיגה שלהם ב λ_{מקסימום} כפי שעשית בעבר. זכרו לשטוף היטב את מוט הערבוב והקובטה במים נטולי יונים, בין כל תמיסה.
  טבלה 2. פתרונות עם ריכוזים לא ידועים [Fe(NCS)]²⁺
  
  [FeCl₃] initial (M) 0.01
  
  <טבלה align="center" height="224" style="border-collapse: collapse; font-size: 14px; line-height: 20px;" width="100%"> Solution # 0.2 M Fe³⁺ (mL) 0.5 mM [SCN]^- (mL) 0.5 M HNO₃ (mL) Absorbance at λ_max [[Fe(NCS)]²⁺]_eq [Fe³⁺]_eq [[SCN]^-]_eq K_eq (^M-1) 6 5 0 5 Solvent blank 7 5 1 4 8 5 2 3 9 5 3 2 10 5 4 1 לחץ כאן להורדת טבלה 2
- כשתסיימו, רוקנו את הקוביה, הצלוחית הנפחית והכוסות לתוך הפסולת ושטפו אותם במים נטולי יונים.
- אספו עודפי HNO₃ ו-NaSCN בכוסות שלהם. נטרלו את הפסולת ואת תמיסות הריאגנטים העודפים עם סודה לשתייה והשליכו את הפסולת ואת תמיסת FeCl₃ העודפת במיכל הפסולת המתאים.
- שטפו את תמיסות HNO₃ ו-NaSCN המנוטרלות במורד הניקוז במי ברז.
- שטפו את כלי הזכוכית והציוד שלכם לפי נהלי המעבדה הסטנדרטיים שלכם.
- אספו מגבות נייר ואשפה אחרת ממכסה האדים שלכם והכניסו אותם לפח המעבדה.
Results
- חשב את הריכוזים של [Fe(NCS)]²⁺ בתמיסות הסטנדרטיות. בתמיסות אלה, ריכוז הברזל כה גבוה שאנו יכולים להניח שריכוז ההתחלה [SCN] זהה לריכוז [Fe(NCS)]²⁺.
- עבור כל ניסוי, הכפל את ריכוז [SCN]^- מלאי בנפח NaSCN שנוסף, וחלק זאת בנפח התמיסה הכולל של 10 מ"ל. חזור על הפעולה עבור כל הפתרונות הסטנדרטיים.
- צור עקומת כיול על ידי התוויית הספיגה ב- λ_max עבור הפתרונות הסטנדרטיים ביחס לריכוזי [Fe(NCS)]²⁺ שלהם. מצא את הפונקציה הליניארית המתאימה לנתונים והגדר את y-intercept = 0, במידת הצורך. הערה: חוק באר מבוטא על ידי פונקציה ליניארית, המתייחסת לספיגה לריכוז. לפיכך, שיפוע עקומת הכיול שלך שווה למקדם ההנחתה המולרי כפול רוחב הקובטה, או אורך המסלול, שהיה 1 ס"מ במעבדה זו.
- סדר מחדש את המשוואה הליניארית כדי לפתור עבור ריכוז. זכור כי מקדם ההנחתה המולרי שלך ואורך המסלול יהיו זהים עבור כל ניסוי. מלא את הספיגה עבור כל ניסוי לא ידוע ופתור עבור ריכוז שיווי משקל של [Fe(NCS)]²⁺ עבור פתרון זה.
- הערך את קבוע שיווי המשקל עבור [Fe(NCS)]²⁺ בתמיסה. לשם הפשטות, נבטא את הקבוע ביחידות של 1/M.
- חשב את הריכוזים ההתחלתיים של Fe³⁺ ו- [SCN]^-עבור כל ניסוי. קבע את ריכוזי שיווי המשקל שלהם בכל ניסוי על ידי הפחתת ריכוז שיווי המשקל של [Fe(NCS)^]2+ מריכוזי המגיבים ההתחלתיים עבור אותו ניסוי.
- מלא את ריכוזי שיווי המשקל של המוצר והמגיבים. לאחר מכן, פתור את משוואת שיווי המשקל כדי להעריך את הקבוע עבור ניסוי זה. לבסוף, השווה את הקבועים עבור הניסויים.

Browse More Videos

UV Vis

III

חוק הבירה

טבלה 1: פתרונות סטנדרטיים עבור [Fe(NCS)]2+ עקומת כיול

טבלה 2. פתרונות עם ריכוזים לא ידועים [Fe(NCS)]2+

Browse More Videos

טבלה 1: פתרונות סטנדרטיים עבור [Fe(NCS)]²⁺ עקומת כיול

טבלה 2. פתרונות עם ריכוזים לא ידועים [Fe(NCS)]²⁺