Prawo piwa

Źródło: Smaa Koraym z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa, MD, USA

1. Konfiguracja laboratorium dla Prawa PiwaRozwiń

   W tym laboratorium połączysz wodne roztwory FeCl₃ i NaSCN, tworząc pomarańczowo-czerwony kompleks [Fe(NCS)]²⁺. Kiedy FeCl₃ rozpuszcza się w wodzie, centrum żelaza jest otoczone sześcioma cząsteczkami wody. Ten kwaśny kompleks łatwo traci protony z cząsteczek wody, co może prowadzić do wytrącania się wodorotlenków żelaza z roztworu.

   Aby temu zapobiec, twoje roztwory będą zawierały wystarczającą ilość HNO₃, aby utrzymać żelazo w roztworze, przede wszystkim w pobliżu bezbarwnego [Fe(H₂O)₆]³⁺ i żółtego [Fe(H₂O)₅(OH)]²⁺. W tym laboratorium będziemy odnosić się do wyjściowych kompleksów żelaza zbiorczo jako Fe³⁺.

   Kompleks [Fe(NCS)]²⁺ powstaje, gdy [SCN]- wymienia się z inną grupą na żelazie, a azot oddziałuje z żelazem. Ta wymiana jest odwracalna, więc istnieje ogólna równowaga między powstawaniem a utratą [Fe(NCS)]²⁺.

   Interakcja tiocyjanian-żelazo nadaje roztworom [Fe(NCS)^]2+ intensywny kolor. Ostatecznie powiążesz intensywność absorbancji UV-Vis ze stężeniem kompleksu [Fe(NCS)^]2+ za pomocą prawa Beera. Pozwala to na eksperymentalny pomiar stężenia równowagowego kompleksu [Fe(NCS)^]2+, na podstawie którego można oszacować stałą równowagi dla całego procesu.

   • Załóż fartuch laboratoryjny, odporne na zachlapanie okulary ochronne i rękawice nitrylowe. Roztwory, których będziesz używać, są silnie, dlatego należy zachować ostrożność podczas obchodzenia się z nimi.
   • Oznacz trzy zlewki 150 ml jako 0'.5 M HNO₃, '1 M FeCl₃ in 0.5 M HNO₃', oraz '0.5 mM NaSCN in 0.5 M HNO₃'.
   • Oznacz zlewkę o pojemności 400 ml jako 'odpad'. Oznaczyć jedną biuretę jako "[SCN]-", a drugą jako "HNO₃".
   • Zaciśnij biurety na tyle wysoko, aby zmieściła się pod nimi zlewka na odpady o pojemności 400 ml.
   • Użyj 50-ml cylindra z podziałką, aby odmierzyć 100 ml 0,5 M HNO₃ do odpowiednio oznakowanej zlewki w okapie. Przykryj zlewkę szkiełkiem zegarkowym i włóż ją z powrotem do dygestorium.
   • Odmierz 20 ml 1 M FeCl₃ do odpowiedniej opisanej zlewki. Upewnij się, że butelka z wywarem jest zakryta przed włożeniem porcji roztworu z powrotem do kaptura.
   • Odmierz 40 ml 0,5 mM NaSCN i przelej go do odpowiedniej opisanej zlewki.
   • Oznacz i napełnij 100-mililitrową zlewkę wodą dejonizowaną.
   • Upewnij się, że kurki obu biuret są zamknięte. Umieść lejek w każdej biurecie i wlej do nich wodę dejonizowaną.
   • Umieść zlewkę na odpady pod jedną biuretą i otwórz kurek. Po spuszczeniu wody zamknij kran i powtórz proces z drugą biuretą.
   • Wlej około 5 ml 0,5 M HNO₃ do odpowiedniej biurety i umieść zlewkę na odpady pod dziobkiem. Otwórz kurek, aby napełnić końcówkę HNO₃ i pozwól, aby kilka ml spłynęło przed jej zamknięciem.
   • Dodaj około 40 ml HNO₃ do biurety. Pamiętaj, że podziałki mierzą się od góry do dołu, więc powinieneś wypełnić go do około 10 ml. nuta: Objętość dozowana przez biuretę jest śledzona przez różnicę między początkowymi i końcowymi odczytami objętości.
   • Umieść zlewkę na odpady pod biuretą [SCN]- i napełnij końcówkę roztworem NaSCN w taki sam sposób jak HNO₃.
   • Wlej resztę swojego roztworu [SCN]- do biurety. Delikatnie postukaj w biuretę, aby usunąć wszelkie pęcherzyki powietrza. Jeśli w końcówce biurety znajdują się pęcherzyki, należy na krótko otworzyć zawór odcinający, aby je wypłukać.
   • Zdobądź cztery kwadraty plastikowej folii parafinowej i dwa arkusze folii aluminiowej, aby zakończyć ustawianie.
2. Pomiary krzywej kalibracyjnejRozwiń

   Musisz znać dokładne stężenia [Fe(NCS)^]2+ w roztworach wzorcowych, aby uzyskać dokładną krzywą kalibracyjną. Jednak kompleks jest w równowadze z Fe³⁺ i [SCN]-, więc tylko sam kompleks [Fe(NCS)]²⁺ liczy się do tego celu. W ten sposób twoje roztwory wzorcowe będą wykorzystywać 0,2 M FeCl₃, dzięki czemu żelazo będzie w 500 do 2000 razy nadmiarze.

   Każdy [SCN]- który opuści jedno żelazko, znajdzie drugie tak szybko, że w rzeczywistości nie będzie wolnego [SCN]- w tych roztworach. Można zatem założyć, że stężenie [Fe(NCS)]²⁺ jest równe początkowemu stężeniu NaSCN roztworu wzorcowego.

   • Oznacz kolbę miarową o pojemności 50 ml jako '0,2 M FeCl₃'.
   • Dozuj 10 ml FeCl₃ do kolby miarowej. Dodaj lejek do kolby i wlej do niej około 30 ml wody dejonizowanej.
   • Zamknij kolbę kwadratem plastikowej folii parafinowej i odwróć ją kilka razy, aby dokładnie wymieszać roztwór.
   • Użyj jednorazowej pipety, aby napełnić kolbę do linii wodą dejonizowaną i zachowaj pipetę na później. Ponownie zamknąć kolbę i kilkakrotnie ją odwrócić, aby wymieszać roztwór.
   • Włącz ręczny spektrofotometr i upewnij się, że jest ustawiony na pomiar absorbancji.
   • Podczas gdy źródło światła się nagrzewa, owiń pięć 50-mililitrowych zlewek folią aluminiową, aby chronić światłoczuły roztwór FeCl₃ podczas eksperymentu.
   • Oznacz pięć zlewek i pięć czystych pipet jednorazowego użytku 1 - 5. Połóż ręczniki papierowe jako czystą powierzchnię dla szkła, którego będziesz ponownie używać.
   • Postępuj zgodnie z instrukcjami, aby przygotować roztwory 1 – 5. W przypadku roztworu 1 dodać 5 ml 0,2 M FeCl₃ do zlewki 1, a następnie umieścić go pod biuretą HNO₃.

     Tabela 1: Roztwory wzorcowe dla krzywej kalibracyjnej [Fe(NCS)^]2+

     λmax

     Rozwiązanie #	0.2 M Fe3+ (mL)	0.5 mM [SCN]- (mL)	0.5 M HNO3 (mL)	Absorbancja przyλ max	Całkowita objętość (ml)	[Fe(NCS)]2+]
     1	5	0	5	Solvent puste
     2	5	1	4
     3	5	2	3
     4	5	3	2
     5	5	4	1

     Kliknij tutaj, aby pobrać tabelę 1
   • Zwróć uwagę na aktualną objętość biurety, a następnie dozuj dokładnie 5 ml HNO₃ do zlewki. Wymieszaj roztwór za pomocą szklanego pręta do mieszania.
   • Użyj pipety 1, aby napełnić kuwetę około 75% roztworem 1 i zakryj kuwetę.
   • Wyczyść przezroczyste boki kuwety chusteczką laboratoryjną i umieść ją w spektrofotometrze.
   • Uzyskaj pomiar tła — ślepą próbę rozpuszczalnika.
   • Wyjmij kuwetę, opróżnij ją do zlewki na odpady i spłucz ją trzy razy wodą dejonizowaną. Ta sama kuweta będzie używana do wszystkich pomiarów, aby zminimalizować błędy związane z niedoskonałościami kuwety.
   • Przygotuj roztwór o średnim stężeniu, próbka 3. Dodać 5 ml 0,2 M FeCl₃ do zlewki 3.
   • Dozuj 2 ml NaSCN i 3 ml HNO₃ do zlewki z biuret.
   • Wymieszaj roztwór 3 ze szklanym prętem do mieszania, a następnie użyj pipety 3, aby napełnić czystą, suchą kuwetę roztworem 3 w około 75%.
   • Wyczyść przezroczyste boki i umieść je w spektrofotometrze.
   • Zmierz absorbancję roztworu przez około 5 s i określ długość fali o maksymalnej absorbancji. Zapisz tę długość fali w notatniku laboratoryjnym jako_{λ max} dla kompleksu [Fe(NCS)]²⁺.
   • Ustaw spektrofotometr na średnie odczyty powyżej 10 s i dostosuj długość fali do_{λ max}. Zapisz pełny pomiar absorbancji roztworu 3. Zapisz absorbancję przy_{λ max} w zeszycie laboratoryjnym.
   • Postępuj zgodnie z tym samym procesem dla rozwiązań 2, 4 i 5. Przygotuj roztwory pojedynczo lub przechowuj przygotowane roztwory pod folią aluminiową, aż będziesz gotowy do ich użycia.
   • Dodaj odpowiedni roztwór do kuwety i zmierz wartości absorbancji.
   • Po zarejestrowaniu wszystkich wartości absorbancji przy_{λ max}, naszkicuj wykres [SCN]- objętość w stosunku do wartości absorbancji, który powinien być liniowy. Jeśli zauważysz jakiekolwiek wartości odstające, przerób rozwiązanie i spróbuj ponownie.
3. Pomiary roztworów o nieznanych [Fe(NCS)]²⁺ stężeniachRozwiń

   W ostatniej części laboratorium przygotujesz cztery roztwory [Fe(NCS)^]2+ z 0,02 M roztworem FeCl₃, tak aby żelazo było w 40 do 100-krotnym nadmiarze. Przy tych stężeniach [SCN]-, które opuszcza centrum żelaza, niekoniecznie znajdzie natychmiast inne centrum żelaza. Zatem [Fe(NCS)]²⁺ będzie w równowadze z Fe³⁺ i [SCN]-, a jego stężenie nie będzie równe początkowemu stężeniu [SCN]-.

   • Opróżnij zlewki o pojemności 50 ml do pojemnika na odpady, usuń etykiety i spłucz je wodą dejonizowaną.
   • Wysusz zlewki i oznacz je jako 6 – 10. Oznacz również pięć pipet jednorazowych jako 6 – 10.
   • Opróżnij kolbę miarową z 0,2 M roztworem FeCl₃ do zlewki na odpady i przepłucz ją wodą dejonizowaną. Ponownie oznaczyć przepłukaną kolbę jako 0,02 M FeCl₃.
   • Użyj pipety miarowej o pojemności 1 ml, aby przenieść 1 ml 1 M FeCl₃ do kolby miarowej. Dodać około 40 ml wody dejonizowanej do kolby.
   • Zamknij kolbę folią z tworzywa sztucznego i odwróć ją kilka razy, aby wymieszać roztwór. Otwórz kolbę i napełnij ją do linii wodą dejonizowaną. Ponownie zamknąć kolbę i dobrze wymieszać roztwór.
   • Przygotuj roztwór 6, nową ślepą próbę rozpuszczalnika. Dodać 5 ml 0,02 M FeCl₃ i 5 ml HNO₃, a następnie wymieszać z mieszadłem.
   • Odpipetuj roztwór do kuwety i uzyskaj pomiar tła jak poprzednio.
   • Postępuj zgodnie z instrukcjami, aby przygotować roztwory od 7 do 10, uzyskać ich widma i zapisać ich wartości absorbancji przy_{λ max}, tak jak to zrobiłeś wcześniej. Pamiętaj, aby dokładnie przepłukać mieszadło i kuwetę wodą dejonizowaną między każdym roztworem.

     Tabela 2. Roztwory o nieznanych stężeniach [Fe(NCS)]²⁺

     [FeCl3] początkowy (M)

     0.01

     Rozwiązanie #	0.2 M Fe3+ (mL)	0.5 mM [SCN]- (ml)	0.5 M HNO3 (mL)	Absorbancja przyλ max	[[Fe(NCS)]2+]eq	[Fe3+]eq	[[SCN]-]eq	Keq (M-1)
     6	5	0	5	Solvent puste
     7	5	1	4
     8	5	2	3
     9	5	3	2
     10	5	4	1

     Kliknij tutaj, aby pobrać tabelę 2
   • Gdy skończysz, opróżnij kuwetę, kolbę miarową i zlewki do zlewki na odpady i przepłucz je wodą dejonizowaną.
   • Zbierz nadmiar HNO₃ i NaSCN w odpowiednich zlewkach. Zneutralizować odpady i nadmiar roztworów odczynników sodą oczyszczoną i wyrzucić odpady oraz nadmiar roztworu FeCl₃ do odpowiedniego pojemnika na odpady.
   • Zneutralizowane roztwory HNO₃ i NaSCN spłukać do kanalizacji wodą z kranu.
   • Umyj swoje szkło i sprzęt zgodnie ze standardowymi procedurami laboratoryjnymi.
   • Zbierz ręczniki papierowe i inne śmieci z twojego dygestorium i wrzuć je do laboratoryjnego kosza.
4. WynikiRozwiń
   • Oblicz stężenia [Fe(NCS)^]2+ w roztworach wzorcowych. W tych roztworach stężenie żelaza jest tak wysokie, że możemy przyjąć, że początkowe stężenie [SCN]^- jest takie samo jak stężenie [Fe(NCS)]²⁺.
   • Dla każdej próby, pomnóż stężenie [SCN]^- przez objętość dodanego NaSCN i podziel to przez całkowitą objętość roztworu wynoszącą 10 ml. Powtórz tę czynność dla wszystkich standardowych rozwiązań.
   • Utwórz krzywą kalibracyjną, wykreślając absorbancję przy_{λ max} dla roztworów wzorcowych w odniesieniu do ich stężeń [Fe(NCS)^]2+. Znajdź funkcję liniową, która pasuje do danych, i w razie potrzeby ustaw punkt przecięcia z osią y = 0. nuta: Prawo Beera jest wyrażone przez funkcję liniową, która wiąże absorbancję ze stężeniem. Zatem nachylenie krzywej kalibracyjnej jest równe molowemu współczynnikowi tłumienia pomnożonemu przez szerokość kuwety lub długość ścieżki, która w tym laboratorium wynosiła 1 cm.
   • Zmień układ równania liniowego, aby rozwiązać koncentrację. Pamiętaj, że współczynnik tłumienia molowców i długość ścieżki będą takie same dla każdej próby. Wypełnić absorbancję dla każdej nieznanej próby i rozliczyć stężenie równowagowe [Fe(NCS)^]2+ dla tego roztworu.
   • Oszacuj stałą równowagi dla [Fe(NCS)]²⁺ w roztworze. Dla uproszczenia wyrażymy stałą w jednostkach 1/M.
   • Oblicz początkowe stężenia Fe³⁺ i [SCN]^- dla każdej próby. Określić ich stężenia równowagowe w każdym badaniu, odejmując stężenie równowagowe [Fe(NCS)]²⁺ od początkowych stężeń odczynnika dla tego badania.
   • Uzupełnij stężenia równowagi produktu i reagentów. Następnie rozwiąż równanie równowagi, aby oszacować stałą dla tej próby. Na koniec porównaj stałe dla prób.