Skript CIW WS 20 21 PDF

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Skript Quanti CIW WS 20/21 praktikum...

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Praktikumsskript mit Anleitungen zum Analytischen Praktikum für Chemieingenieure

WS 2020 / 2021

Inhaltsverzeichnis 1.

Allgemeiner Ablauf des Praktikums .....................................................................................

2.

Theoretische Einführung.......................................................................................................

3.

Praktische Einführung...........................................................................................................

4.

Im Labor ausstehende Chemikalien und Materialien ..........................................................

5.

Versuche ................................................................................................................................ Versuch 1.

Bestimmung der H2SO4-Konzentration durch Neutralisationstitration ..................................

Versuch 2. Bestimmung der H3PO4-Konzentration durch Potentiometrie.................................................. Versuch 3. Elektrogravimetrische Bestimmung von Kupfer ....................................................................... Versuch 4. Iodometrische Bestimmung von Kupfer ................................................................................... Versuche 5-6. Komplexometrische Bestimmung von Magnesium / Wasserhärte ..................................... Versuch 7. Photometrische Bestimmung von Nitrat...................................................................................

6.

Musterprotokoll......................................................................................................................

7.

H- und P-Sätze .......................................................................................................................

9.

Handelsübliche Konzentrationen einiger Säuren und Laugen ...........................................

10.

Periodensystem der Elemente ..............................................................................................

Arbeits- und Sicherheitsvorschriften 1. Die Teilnahme an der Sicherheitsbelehrung ist Voraussetzung für die Zulassung zum Praktikum! 2. Am Praktikum darf nicht teilnehmen, bei wem bekannte medizinische Hinderungsgründe (z.B. starke Allergien) bestehen, die eine Exposition mit den im Praktikum verwendeten Stoffen unvertretbar machen. Dies gilt insbesondere für Schwangerschaften. 3. Vor Beginn der praktischen Arbeit ist eine Laborversicherung (z. B. bei der Fachschaft Chemie) abzuschließen und dem Praktikumsassistenten ein Nachweis darüber zu erbringen. Die Platzzuteilung und -übergabe erfolgt im Anschluss an die Einführungsveranstaltung gemeinsam mit dem Assistenten. 4. Den Sicherheitsanweisungen der Saalaufsicht ist Folge zu leisten! Laborarbeiten dürfen nur durchgeführt werden, wenn mindestens eine Saalaufsicht anwesend ist. 5. In den Protokollen sind alle Angaben zum Versuch, Reaktionsgleichungen und Berechnungen vom Studenten einzutragen. Die Protokolle sind dem Assistenten abzugeben. 6. Die Protokolle können nur dann sinnvoll geführt werden, wenn der/die Studierende sich auf den Stoff des betreffenden Praktikumstages gut vorbereitet hat. 7. Der Arbeitsplatz ist sauber zu verlassen. 8. Rauchen, Essen und Trinken sind im Labor nicht erlaubt. 9. Das Tragen von hochhackigen Schuhen und von Kleidung aus Perlon ist aus Sicherheitsgründen untersagt. Schutzbrillen (evtl. über einer optischen Brille) und Laborkittel sind ständig zu tragen. Besucher haben in den Laborräumen nichts zu suchen. 10. Versuche, bei denen gefährliche Gase entstehen können, sind unter dem Abzug durchzuführen. 11. Das Arbeiten an den Membranpumpen ist nur nach Einweisung durch einen Assistenten gestattet. 12. Geraten Chemikalien auf die Haut oder auf Kleidungsstücke, so ist gründlich mit Wasser zu waschen. Die Kleidungsstücke dürfen im Zweifelsfalle nicht weitergetragen werden. Die Saalaufsicht sollte benachrichtigt werden! 13. Lange Haare sollten nicht offen getragen werden. Es wird empfohlen, während der Laborarbeit Uhren, Ringe und Armbänder abzulegen. 14. Halten Sie sich bitte an die angegebenen Mengenangaben und -verhältnisse; arbeiten Sie allenfalls mit kleineren, nicht mit größeren Mengen. 15. Pipetten dürfen nicht zur Reagensentnahme in gemeinsame Vorratsflaschen getaucht werden. Soll eine Vorratslösung aus einem Gefäß abgemessen werden, so wird ein Teil davon in ein kleines Becherglas gefüllt, woraus mit Pipette oder Tropfrohr weiter abgemessen wird. Sollte aus Versehen eine gemeinsame Vorratslösung kontaminiert worden sein, so sind die Mitbetroffenen und die Saalaufsicht zu informieren. 16. Konzentrierte Säure- und Basenlösungen sind vorsichtig zu verdünnen, wobei die konzentrierte Lösung zum vorgelegten Wasser gegeben wird! Erst das Wasser, dann die Säure – sonst passiert das Ungeheure! 17. Zur Herstellung von Lösungen wird grundsätzlich entionisiertes Wasser verwendet. Im Zweifelsfalle wird zu Beginn eines Arbeitstages die Füllung der Spritzflasche mit frisch gezapftem entionisierten Wasser ausgetauscht. 18. Vor Gebrauch sind alle Gefäße zu reinigen. Hartnäckiger Schmutz wird mit konz. HCl oder konz. HNO3 beseitigt. Bitte nicht die Reagensglasbürsten in konzentrierte Säurelösungen tauchen. Danach wird mehrere Male mit Leitungswasser, dann mit entionisiertem Wasser gespült. 19. Büretten werden von oben erst mit entionisiertem Wasser durchgespült, danach mit der Maßlösung (ebenfalls von oben). Bei der endgültigen Füllung geben Sie bitte etwas mehr Lösung als benötigt bis über die Eichmarke in die Bürette; stellen Sie dann den Nullpunkt durch Ablassen ein. 20. Undichte, verstopfte oder schwergängige Bürettenhähne sind umgehend dem Assistenten zu melden. 21. Die Aufsichtspersonen stehen für alle Fragen zur Verfügung. Sie sind zu informieren bei a) Laborunfällen (Verätzungen, Schnitten, Verbrennungen, Verbrühungen), b) Glasbruch (außer Reagensgläser und Pasteurpipetten) und Geräteschäden, c) Defekten an Abzügen,

d) Kontaminierung des Peleus -Balles mit anderen Flüssigkeiten als Wasser! e) Verschütten von Chemikalien auf den Fußboden. Es darf auf keinen Fall gewischt werden, ohne den pH-Wert geprüft und die ausgeflossene Lösung neutralisiert zu haben. 22. Reaktionsgemische mit gefährlichen oder giftigen Chemikalien werden in den im Abzug stehenden Kanistern entsprechend ihrer pH-Werte gesammelt. Dabei ist zu beachten, dass die Maximalfüllhöhe nicht überschritten wird! 23. Mit Chemikalien verunreinigte Wischpapiere, Filterreste und Indikatorpapierschnitzel gehören in die blauen Sondermülltonnen, die ebenfalls in den Abzügen bereitstehen. Vor der Entsorgung voller Tonnen ist der Assistent zu informieren, damit er einen Begleitschein ausfüllt. 24. Jeglicher Glasbruch ist ebenfalls in die blauen Sondermülltonnen zu entsorgen. Zerbrochene Glasgeräte sind umgehend zu ersetzen. Alle Ausrüstungsgegenstände können in der Materialverwaltung erworben werden. 25. Sparsamer Reagens- und Indikatorverbrauch sollte selbstverständlich sein. 26. Nicht mehr benötigte Chemikalien sollten umgehend wieder auf ihren Platz zurückgestellt werden.

1. Allgemeiner Ablauf des Praktikums Bestandteil des Praktikums sind die praktischen Laborarbeiten mit den dazugehörigen Protokollen. Während des Praktikums sind die nachfolgend aufgeführten Analysen durchzuführen. Analysenplan: Bestimmungsmethoden

Nr.

Versuche

Versuch 1

Bestimmung der H2SO4-Konzentration durch Neutralisationstitration

Versuch 2

Bestimmung der H3PO4-Konzentration durch potentiometrische Titration

Potentiometrie

Versuch 3

Elektrogravimetrische Bestimmung von Kupfer

Elektrolyse

Versuch 4

Iodometrische Bestimmung von Kupfer

Redox-Titration

Versuche 5-6

Komplexometrische Bestimmung von Magnesium / Wasserhärte

Versuch 7

Photometrische Bestimmung von Nitrat

Säure-BaseTitration

Komplexometrie Photometrie

Durchführung der Analysen Die Bestimmungen sind ausschließlich nach den im Skript beschriebenen Verfahren durchzuführen. Jeder Teilnehmer des Praktikums ist verpflichtet, Protokolle zu jedem Versuch zu erstellen. Das Musterbeispiel hierfür ist in diesem Skript zu finden. Ohne die erforderlichen Angaben gilt die Analyse als nicht durchgeführt. Jeder Praktikumsteilnehmer muss die eigene und vorschriftsmäßige Durchführung der Analyse jederzeit nachweisen können. Die Protokolle sind dem Assistenten abzugeben.

Chemikalien Alle für die Versuche notwendigen Chemikalien sind in den Regalen und Abzügen im Labor zu finden. Einige Lösungen müssen von den Studenten selbst aus den Salzen oder konzentrierten Lösungen angesetzt werden. Verbraucht ein Student eine der Chemikalien im Labor, ist der Assistent zu verständigen.

Leih- und Ersatzgeräte Für jeden Teilnehmer wird bei der Materialverwaltung (MV) ein Konto eingerichtet. Er kann dort für den eigenen Bedarf Leihgeräte nach Vorzeigen seines Studentenausweises abholen. Zu Bruch gegangene Platzausrüstung kann dort ebenfalls nachgekauft werden

Feinwaage Die Feinwaagen dürfen erst nach Einweisung durch die Assistenten benutzt werden. Es ist unbedingt darauf zu achten, keine zu hohen Gewichte auf die Wagenteller zu stellen! Vor dem Wiegen sind Datum, Uhrzeit, Name und evtl. vorgefundene Mängel in das bereitgelegte Benutzerbuch einzutragen. Mängel sind umgehend dem Assistenten zu melden. Die Feinwaagen sowie die Tische sind sauber zu halten.

Abgabe und Bewertung der Analysenergebnisse Als Ergebnis einer Analyse ist die in 100 mL Lösung enthaltene Menge in mg in die Praktikumsdatenbank, Protokolle und Laborjournal einzutragen. Eine Einführung zur Arbeit mit der Datenbank erfolgt während der Praktikumseinweisung. Ein Musterprotokoll ist in Kapitel 6 des Skripts zu finden. Die Protokolle sind dem Assistenten abzugeben. Ohne Protokoll gilt der Versuch als nicht durchgeführt. Der Assistent prüft die Richtigkeit des von Ihnen erhaltenen und in die Datenbank eingegebenen Analysenwertes. Die prozentuelle Abweichung Ihres Wertes wird entsprechend der nachstehenden Tabelle in Punkte umgerechnet. "Pro-Forma"-Abgaben sind nicht zulässig.

Abweichung

Punkte

≤ 0,5%

10

> 0,5 - ≤ 1,0 %

9

> 1,0 % - ≤ 1,5%

8

> 1,5% - ≤ 2,0 %

7

> 2,0 % - ≤ 2,5%

6

> 2,5% - ≤ 3,0 %

5

> 3,0 % - ≤ 3,5%

4

> 3,5% - ≤ 4,0 %

3

> 4,0% - ≤ 4,5 %

2

> 4,5% - ≤ 5,0%

1

> 5,0%

0

Praktikumsende und Platzabgabe Sind bis zum Ende des Praktikums noch nicht alle Analysen abgeschlossen, so gilt das gesamte Praktikum als nicht bestanden und muss komplett wiederholt werden. Der Student verpflichtet sich mit seiner Unterschrift bei der Platzübernahme zu Beginn des Praktikums nach Beendigung der Laborarbeit, spätestens jedoch am letzten Praktikumstag seinen Laborplatz abzugeben. Dazu sind folgende Aufgaben zu erledigen:  Laufzettel ausfüllen,  Leihgeräte aus der Materialverwaltung zurückgeben,  Laborplatzausrüstung sauber und komplett bei den Assistenten abgeben (Unterschrift Assistent),  allgemeiner Laborputz am letzten Praktikumstag (Anwesenheitspflicht, Techniker).

2. Theoretische Einführung Stoffmengen und Konzentrationen Zur quantitativen Beschreibung chemischer Reaktionen benötigt man Größen wie Masse m, Volumen V, Teilchenanzahl N oder Stoffmenge n. Die SI-Einheit der Stoffmenge n(X) ist das Mol (Einheitenzeichen: mol). Ein Mol ist die Stoffmenge einer Substanz, in der so viele Teilchen enthalten sind wie Atome in 12 g des Kohlenstoffnuklids

12C.

Die Teilchen können Atome, Moleküle, Ionen, Elektronen oder Formeleinheiten sein.

Die Teilchenzahl, die ein Mol eines jeden Stoffes enthält, beträgt N A = 6,022 ⋅ 1023 mol-1 .

NA wird als Avogadro-Konstante bezeichnet. In der Chemie wird vorzugsweise mit der Stoffmenge und nicht mit der Masse gerechnet. Die molare Masse M eines Stoffes X ist der Quotient aus der Masse m(X) und der Stoffmenge n(X) dieses Stoffes

฀฀(฀฀) =

฀฀(฀฀) ฀฀(฀฀)

Die SI-Einheit ist kg/mol, die übliche Einheit g/mol. Beispiele: M(12C) = 12 g/mol M(Na) = 23 g/mol M(H2SO4) = 98 g/mol (2·1 + 1·32 + 4· 16), d.h. 1 mol H2SO 4 sind 98 g 42 mg H 2SO4 sind 42/98 = 0,43 mmol H2SO4 (Anmerkung: 1 mmol = 1 10-3 mol) M(NaCl) = 58,5 g/mol (23 + 35,5), 1 mol NaCl sind 58,5 g 4,7 t NaCl sind 4.700.000/58,5 = 80 341,9 mol NaCl.

Die Stoffmengenkonzentration c(X) ist die Stoffmenge n(X), die in einem Volumen V vorhanden ist.

฀฀(฀฀) =

฀฀(฀฀) ฀ ฀

Die SI-Einheit ist mol/m3, die übliche Einheit mol/l. Mit wachsender Teilchenzahl pro Volumen wächst auch die Konzentration. Die Konzentration kann für flüssige und feste Lösungen sowie für Gasgemische benutzt werden.

Beispiel: c(HCl) = 0,1 mol/l, d.h. in 1 l einer HCl-Lösung sind 0,1 mol gasförmiges HCl gelöst Identisch sind die folgenden Bezeichnungen, die teilweise auch noch verwendet werden •

die Schreibweise 0,1 M HCl-Lösung

•

die Bezeichnung 0,1 molare Salzsäure

•

der Begriff Molarität statt Konzentration

Häufig hat man aber nur die Masse des zu lösenden Stoffes zur Verfügung und nicht die Stoffmenge. Infolgedessen gilt außerdem:

฀฀(฀฀) ฀฀(฀฀) = ฀฀(฀฀) ∙ ฀฀ Werden z.B. 98 g H2SO 4 in 1 l Wasser gelöst, so ergibt das eine Konzentration von c(H2SO4) = 1 mol/l. 9,8 g H2SO4 in 1 l Wasser ergibt: c(H2SO 4) = 0,1 mol/l 117 g NaCl in 1 l Wasser ergibt: c(NaCl) = 2 mol/l 1,17 g NaCl in 1 l Wasser ergibt: c(NaCl) = 0,2 mol/l

Stöchiometrische Berechnungen Das Rechnen mit Stoffmengenkonzentration c, Masse m und Volumen V wird Stöchiometrie genannt. Allgemein gilt folgende Beziehung zwischen Stoffmenge n, Konzentration c und Volumen V:

n = c ⋅V [mol =

mol ⋅ l] l

Konzentrationen in g/l müssen in mol/l umgerechnet werden. Umrechnungsfaktor ist die molare Masse M. Beispiele: a) Wie viel mol NaOH enthalten 16 Liter einer NaOH -Lösung mit c(NaOH) = 0,45 mol/l?

n(NaOH) = c ⋅V = 0,45

mol ⋅16 l = 7,2 mol l

b) Wie viel Liter NaOH-Lösung mit c(NaOH) = 0,6 mol/l ergeben 5,4 mol NaOH?

V(NaOH) =

n 5,4 mol⋅ l = =9l c 0,6 mol

Formulieren von Reaktionsgleichungen Die Ausgangsstoffe (Edukte) werden auf die linke, die Produkte auf die rechte Seite der Reaktionsgleichung geschrieben. Die einzelnen Reaktanten reagieren in äquivalenten Mengen miteinander. Wird ein n-wertiger Stoff mit einem m-wertigen umgesetzt, dann müssen so viele Äquivalente beider Stoffe in die Reaktionsgleichung eingehen, wie es dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen der Zahlen m und n entspricht. Beispiele: a) Ba2+-Kationen und CO2-Gas reagieren in basischer Lösung zu BaCO3. Ba2+ -Ionen sind zweiwertig; CO2, Anhydrid einer zweiwertigen Säure, reagiert mit einwertigen OH--Ionen zum zweiwertigen Carbonat-Anion. Kleinstes gemeinsames Vielfaches der Wertigkeiten ist 2. CO2↑

+ 2 OH -

 CO32-

Ba2+

+ CO32-

 BaCO3↓

Ba2+

+ CO2↑ + 2 OH-

 BaCO3↓

+ H2O

+ H 2O

Der Pfeil nach unten (↓) drückt aus, dass sich eine unlösliche Substanz bildet, die ausfällt. Es entsteht ein Niederschlag. Der Pfeil nach oben (↑) zeigt eine Gasentwicklung an. b) Metallisches Aluminium wird von H2SO4 unter Freisetzung elementaren Wasserstoffes gelöst, wobei Al3+Kationen entstehen. Al3+-Kationen sind dreiwertig, H2SO4 ist eine zwei wertige Säure, zweiwertig ist folglich auch ihr Anion Sulfat, SO42-, Protonen, H+, sind einwertig, das Wasserstoffmolekül ist zweiatomig. Das kleinste gemeinsame Vielfache der Wertigkeiten ist 6. 2 Al

+ 6 H3O+



(3 SO42-)

2 Al3+

+ 3 H 2↑

+ 6 H2O

(3 SO42-) + 3 SO42- + 3 H2↑

bzw.:

2 Al

+ 3 H2SO4



2 Al3+

vereinfacht:

2 Al

+ 3 H2SO4



Al2(SO 4)3 + 3 H2↑

c) Durch Zusammengeben von Dichromat-Anionen, Cr2O72-, mit Ba2+-Kationen entsteht in schwach basischer Lösung ein Niederschlag von BaCrO4. Das Cr2O72--Anion ist eine zweiwertige Säure, die nach folgender Gleichung mit Wasser reagiert: Cr2O72- + 3 H 2O  2 H3O+ + 2 CrO42Es entstehen unter Neutralisierung zweier einwertiger OH--Ionen (durch die beiden H+) zwei zwei wertige CrO42--Anionen, d.h. gegenüber Kationen ist Cr2O72- vierwertig; Ba2+-Ionen sind zweiwertig. Das kleinste gemeinsame Vielfache der Wertigkeiten beträgt 4.

Cr2O72-

+ H2O

2 Ba2+

+ 2 CrO42-

Cr2O72-

+ 2 Ba2+

+

2 OH-

 2 H2O

+ 2 CrO42-

 2 BaCrO4↓ +

2 OH-

 2 BaCrO4↓

+ H2O

Das Massenwirkungsgesetz Eine Reaktion verläuft niemals vollständig und kommt, außer am absoluten Nullpunkt, niemals zum Stillstand. Der Hinreaktion der Ausgangsstoffe zu den Produkten steht die Rückreaktion der Produkte zu den Ausgangsstoffen gegenüber. Auch wenn scheinbar keine Reaktion zu beobachten ist, stehen doch Hin- und Rückreaktion im dynamischen Gleichgewicht, dessen Lage von Druck und Temperatur abhängig ist. Damit zwei Teilchen der Ausgangsstoffe A1 und A2 zur Reaktion zu einem oder mehreren Reaktionsprodukten B1, B2 . . . kommen können, müssen sie zusammenstoßen. Die Häufigkeit der Zusammenstöße von Teilchen der Art A1 mit beliebigen Teilchen der Art A2 in einem Reaktionsgemisch ist der Konzentration [A2] der Teilchen A2 proportional. Ebenso ist die Häufigkeit der Zusammenstöße von der Konzentration [A1] abhängig. Nur ein Anteil aller Zusammenstöße, dargestellt durch den Proportionalitätsfaktor kA, führt zu Reaktionen; dieser Anteil ist von Größe, Geometrie und Energieinhalt der zusammenstoßenden Teilchen abhängig. Die Reaktionsgeschwindigkeit vA der Hinreaktion ergibt sich damit zu:

v A = k A ⋅ [A1]⋅ [A 2] = −

d [A1] d [B1] =+ dt dt

Die Reaktionsprodukte B1, B2 usw. reagieren ebenfalls durch Zusammenstöße zu den Ausgangsstoffen zurück, die Geschwindigkeit dieser Rückreaktion ist gegeben als:

v B = k B ⋅ [B 1]⋅ [B2 ]= −

d [B1] d [A1] =+ dt dt

Im dynamischen Gleichgewicht gilt vA = vB; daraus folgt:

K =

k A [B1 ] ⋅ [B2 ] ⋅ ... = kB [A1 ] ⋅ [A2 ]

Der Quotient K wird Massenwirkungskonstante der betreffenden Reaktion genannt. Wird bei konstantem K eine der Konzentrationen [Ai] oder [Bj] geändert, so muss sich das Gleichgewicht durch synchrone Änderung einer oder mehrerer der anderen Konzentrationen wieder einpendeln. Allgemein gilt für Reaktionen von beliebig vielen Ausgangsstoffen Ai zu beliebig vielen Reaktionsprodukten Bj:

K =

[B1 ] ⋅ [B2 ] ⋅ . . . [Bn ] [A1 ] ⋅ [A2 ] ⋅ . .. [Am ]

Die meisten Massenwirkungskonstanten sind sehr klein. Um sie zu tabellieren, benutzt man ihre negativen dekadischen Logarithmen, die pK-Werte oder Gleichgewichtsexponenten genannt werden. pK = - lg K lg K

= lg[B1] + lg[B2] +...

lg[B n]

- lg[A1] - lg[A2] -... lg[Am]

pK

= lg[A1] + lg[A 2] +...

lg[Am]

- lg[B1] - lg[B2] -... lg[Bn]

Bei der Formulierung des Massenwirkungsgesetzes für beliebige Reaktionen sind einige Regeln zu beachten: Grundregel: Die Konzentrationen der Reaktionsprodukte...