4.5 Magnbundin efnagreining

Á 18. öld var styrkur (í raun styrkur) edikssýna ákvarðaður með því að skrá magn kalíumkarbónats, K₂CO₃, sem þurfti að bæta við, smátt og smátt, þar til freyðing hætti. Því meiri þyngd kalíumkarbónats sem bætt var við til að ná þeim punkti þar sem freyðingin hætti, því styrkara var edikið.

Við vitum nú að freyðingin sem átti sér stað í þessu ferli var vegna efnahvarfs við ediksýru, CH₃CO₂H, efnasambandið sem er aðallega ábyrgt fyrir lykt og bragði ediks. Ediksýra hvarfast við kalíumkarbónat samkvæmt eftirfarandi jöfnu:

2 {CH}_{3} {CO}_{2} H (a q) + K_{2} {CO}_{3} (s) ⟶ {2 CH}_{3} {CO}_{2} K (a q) + {CO}_{2} (g) + H_{2} O (l)

Freyðingin stafaði af myndun CO₂.

Prófun á ediki með kalíumkarbónati er ein tegund magnbundinnar greiningar (e. quantitative analysis) – ákvörðun á magni eða styrk efnis í sýni. Í greiningu á ediki var styrkur leysta efnisins (ediksýru) ákvarðaður út frá magni hvarfefnis sem hvarfaðist við leysta efnið sem var til staðar í þekktu rúmmáli lausnarinnar. Í öðrum tegundum efnagreininga er magn efnis sem er til staðar í sýni ákvarðað með því að mæla magn myndefnis sem myndast.

Títrun

Lýst aðferð til að mæla styrk ediks var snemmbúin útgáfa af greiningartækninni sem kallast títrunargreining (e. titration analysis). Dæmigerð títrunargreining felur í sér notkun á búrettu (e. buret) (Mynd 4.16) til að gera stigvaxandi álagningar á lausn sem inniheldur þekktan styrk af einhverju efni (títrantinum (e. titrant)) í sýnislausn sem inniheldur efnið sem á að mæla styrk þess (greiningarefnið (e. analyte)). Títranturinn og greiningarefnið gangast undir efnahvarf með þekktri hlutfallaefnafræði, og því gerir mæling á rúmmáli títrantslausnar sem þarf til að ljúka efnahvarfinu við greiningarefnið (jafngildispunktur (e. equivalence point) títrunarinnar) kleift að reikna út styrk greiningarefnisins. Hægt er að greina jafngildispunkt títrunar með berum augum ef greinileg breyting á útliti sýnislausnarinnar fylgir lokum efnahvarfsins. Stöðvun á loftbólumyndun í klassísku ediksgreiningunni er eitt slíkt dæmi, þótt algengara sé að sérstök litarefni sem kallast litavísar (e. indicators) séu bætt við sýnislausnirnar til að valda litabreytingu við eða mjög nálægt jafngildispunkti títrunarinnar. Einnig er hægt að greina jafngildispunkta með því að mæla einhvern eiginleika lausnarinnar sem breytist á fyrirsjáanlegan hátt í gegnum títrunina. Óháð því hvaða aðferð er notuð til að greina jafngildispunkt títrunar, er rúmmál títrants sem raunverulega er mælt kallað endapunktur (e. end point). Rétt hannaðar títrunaraðferðir tryggja yfirleitt að munurinn á jafngildis- og endapunkti sé hverfandi. Þótt hvers kyns efnahvarf geti legið til grundvallar títrunargreiningu eru þau þrjú sem lýst er í þessum kafla (útfelling, sýru-basa og redox) algengust. Nánari upplýsingar um títrunargreiningu er að finna í kaflanum um sýru-basa jafnvægi.

Two pictures are shown. In a, a person is shown pouring a liquid from a small beaker into a buret. The person is wearing goggles and gloves as she transfers the solution into the buret. In b, a close up view of the markings on the side of the buret is shown. The markings for 10, 15, and 20 are clearly shown with horizontal rings printed on the buret. Between each of these whole number markings, half markings are also clearly shown with horizontal line segment markings. — Mynd 4.16 (a) Nemandi fyllir búrettu í undirbúningi fyrir títrunargreiningu. (b) Dæmigerð búretta leyfir rúmmálsmælingar með 0,01 ml nákvæmni. (mynd a: breyting á verki eftir Mark Blaser og Matt Evans; mynd b: breyting á verki eftir Mark Blaser og Matt Evans)

Dæmi 4.14

Títrunargreining

Endapunkti í títrun á 50,00 ml sýni af HCl í vatnslausn var náð með álagningu á 35,23 ml af 0,250 M NaOH títranti. Títrunarefnahvarfið er:

HCl (a q) + NaOH (a q) ⟶ NaCl (a q) + H_{2} O (l)

Hver er mólstyrkur HCl?

Lausn

Eins og í öllum útreikningum á hlutfallaefnafræði efnahvarfa er lykilatriðið sambandið milli mólmagns þeirra efnafræðilegu tegunda sem máli skipta eins og sýnt er í stilltri efnajöfnu. Fylgt er aðferðinni sem lýst er í fyrri einingum þessa kafla, með viðbótarathugunum sem krafist er, þar sem magn hvarfefna sem gefið er upp og beðið er um er gefið upp sem styrkur lausna.

Fyrir þetta verkefni mun útreikningurinn fylgja eftirfarandi skrefum:

Mólmagn HCl er reiknað út sem:

35,23 mL NaOH \times \frac{1 L}{1000 mL} \times \frac{0,250 mol NaOH}{1 L} \times \frac{1 mol HCl}{1 mol NaOH} = 8,81 \times 10^{−3} mol HCl

Með því að nota uppgefið rúmmál HCl-lausnarinnar og skilgreininguna á mólstyrk er styrkur HCl:

\begin{array}{l} M = \frac{mol HCl}{L lausn} \\ M = \frac{8,81 \times 10^{−3} mol HCl}{50,00 mL \times \frac{1 L}{1000 mL}} \\ M = 0,176 M \end{array}

Athugið: Fyrir þessa tegund títrunarútreikninga er hentugt að gera sér grein fyrir því að mólstyrkur lausnar er einnig jafn fjölda millimóla af leystu efni á millilítra af lausn:

M = \frac{mol solute}{L lausn} \times \frac{\frac{10^{3} mmol}{mol}}{\frac{10^{3} mL}{L}} = \frac{mmol solute}{mL lausn}

Notkun þessarar útgáfu af mólstyrkseiningunni mun stytta útreikninginn með því að útiloka tvo umreikningsstuðla:

\frac{35,23 mL NaOH \times \frac{0,250 mmol NaOH}{mL NaOH} \times \frac{1 mmol HCl}{1 mmol NaOH}}{50,00 mL lausn} = 0,176 M HCl

Kannaðu þekkingu þína

20,00 ml sýni af oxalsýru í vatnslausn, H₂C₂O₄, var títrað með 0,09113-M lausn af kalíumpermanganati, KMnO₄ (sjá nettó jónajöfnu hér að neðan).

{2MnO}_{4}^{−} (a q) + 5 H_{2} C_{2} O_{4} (a q) + 6 H^{+} (a q) ⟶ 10 {CO}_{2} (g) + 2 {Mn}^{2+} (a q) + 8 H_{2} O (l)

Rúmmál upp á 23,24 ml þurfti til að ná endapunktinum. Hver er mólstyrkur oxalsýrunnar?

Massagreining

Massagreining (e. gravimetric analysis) er greining þar sem sýni er meðhöndlað á þann hátt að það veldur fasaskiptum á greiniefninu sem gerir kleift að aðskilja það frá öðrum efnisþáttum sýnisins. Massamælingar á sýninu, einangraða greiniefninu eða einhverjum öðrum efnisþætti greiningarkerfisins, notaðar ásamt þekktri hlutfallaefnafræði viðkomandi efnasambanda, gera kleift að reikna út styrk greiniefnisins. Massagreiningaraðferðir voru fyrstu aðferðirnar sem notaðar voru við magnbundna efnagreiningu og þær eru enn mikilvæg verkfæri á nútíma efnafræðistofu.

Nauðsynleg fasaskipti í massagreiningu má ná fram með ýmsum eðlis- og efnafræðilegum ferlum. Til dæmis er rakainnihald (vatn) sýnis venjulega ákvarðað með því að mæla massa sýnis fyrir og eftir að það er látið gangast undir stýrt hitunarferli sem gufar upp vatnið. Einnig eru algengar massagreiningaraðferðir þar sem greiniefnið er látið gangast undir útfellingarefnahvarf af því tagi sem lýst var fyrr í þessum kafla. Botnfallið er venjulega einangrað úr efnahvarfsblöndunni með síun, þurrkað vandlega og síðan vegið (Mynd 4.17). Massi botnfallsins má síðan nota, ásamt viðeigandi hlutfallaefnafræðilegum samböndum, til að reikna út styrk greiniefnisins.

A photo is shown of a flask and funnel used for filtration. The flask contains a slightly opaque liquid filtrate with a slight yellow tint. A funnel, which contains a bright yellow and orange material, sits atop the flask. The flask is held in place by a clamp and is connected to a vacuum line. The connection between the funnel and flask is sealed with a rubber bung or gasket. — Mynd 4.17 Botnfall má fjarlægja úr efnahvarfsblöndu með síun.

Dæmi 4.15

Massagreining

0,4550 g efnablanda í föstu formi sem inniheldur MgSO₄ er leyst upp í vatni og meðhöndluð með umframmagni af Ba(NO₃)₂, sem leiðir til útfellingar á 0,6168 g af BaSO₄.

{MgSO}_{4} (a q) + Ba {({NO}_{3})}_{2} (a q) ⟶ {BaSO}_{4} (s) + Mg {({NO}_{3})}_{2} (a q)

Hver er styrkurinn (massaprósenta) af MgSO₄ í efnablöndunni?

Lausn

Áætlunin fyrir þennan útreikning er svipuð öðrum sem notaðir eru í hlutfallaefnafræðilegum útreikningum, þar sem aðalskrefið er tengingin milli móla BaSO₄ og MgSO₄ í gegnum hlutfallaefnafræðilega þáttinn þeirra. Þegar massi MgSO₄ er reiknaður út má nota hann ásamt massa sýnisblöndunnar til að reikna út umbeðinn prósentustyrk.

Massi MgSO₄ sem myndi gefa uppgefinn massa botnfalls er

0,6168 {g BaSO}_{4} \times \frac{1 {mol BaSO}_{4}}{233,43 {g BaSO}_{4}} \times \frac{1 {mol MgSO}_{4}}{1 {mol BaSO}_{4}} \times \frac{120,37 {g MgSO}_{4}}{1 {mol MgSO}_{4}} = 0,3181 {g MgSO}_{4}

Styrkur MgSO₄ í sýnisblöndunni er þá reiknaður út sem

\begin{array}{l} {percent MgSO}_{4} = \frac{{massi MgSO}_{4}}{massi sýnis} \times 100 % \\ \frac{0,3181 g}{0,4550 g} \times 100 % = 69,91 % \end{array}

Kannaðu þekkingu þína

Hver er prósenta klóríðjónar í sýni ef 1,1324 g af sýninu myndar 1,0881 g af AgCl þegar það er meðhöndlað með umframmagni af Ag⁺?

{Ag}^{+} (a q) + {Cl}^{−} (a q) ⟶ AgCl (s)

Frumefnasamsetningu kolvetna og skyldra efnasambanda má ákvarða með massagreiningaraðferð sem kallast brunagreining (e. combustion analysis). Í brunagreiningu er vegið sýni af efnasambandinu hitað að háu hitastigi undir straumi af súrefnisgasi, sem leiðir til fullkomins bruna þess og myndunar á loftkenndum myndefnum með þekkta eiginleika. Fullkominn bruni kolvetna, til dæmis, mun gefa koldíoxíð og vatn sem einu myndefnin. Loftkenndu brunamyndefnin eru leidd í gegnum aðskilin, forvegin söfnunartæki sem innihalda efnasambönd sem gleypa sértækt hvort myndefni fyrir sig (Mynd 4.18). Massaaukning hvers tækis samsvarar massa gleypa myndefnisins og má nota í viðeigandi hlutfallaefnafræðilegum útreikningi til að leiða út massa viðkomandi frumefnis.

Mynd 4.18 Þessi skýringarmynd sýnir grunnhluta brunagreiningartækis til að ákvarða kolefnis- og vetnisinnihald sýnis.

Dæmi 4.16

Brunagreining

Pólýetýlen er kolvetnisfjölliða sem notuð er til að framleiða matargeymslupoka og marga aðra sveigjanlega plasthluti. Brunagreining á 0,00126 g sýni af pólýetýleni gefur 0,00394 g af CO₂ og 0,00161 g af H₂O. Hver er reynsluformúla pólýetýlens?

Lausn

Meginforsendan í þessu dæmi er að allt kolefni í sýninu sem brennt er breytist í koldíoxíð og allt vetni í sýninu breytist í vatn:

C_{x} H_{y} (s) + {excess O}_{2} (g) ⟶ x {CO}_{2} (g) + \frac{y}{2} H_{2} O (g)

Takið eftir að stillt efnajafna er ekki nauðsynleg fyrir verkefnið. Til að leiða út reynsluformúlu efnasambandsins þarf aðeins neðanskriftirnar x og y.

Fyrst skal reikna mólmagn kolefnis og vetnis í sýninu með því að nota uppgefinn massa koldíoxíðs og vatns, hvort um sig. Með þessum mólmögnun má skrifa reynsluformúlu efnasambandsins eins og lýst er í fyrri kafla þessarar bókar. Yfirlit yfir þessa aðferð er gefið í eftirfarandi flæðiriti:

\begin{array}{l} mol C = 0,00394 {g CO}_{2} \times \frac{1 {mol CO}_{2}}{44,01 g} \times \frac{1 mol C}{1 {mol CO}_{2}} = 8,95 \times 10^{- 5} mol C \\ mol H = 0,00161 {g H}_{2} O \times \frac{1 {mol H}_{2} O}{18,02 g} \times \frac{2 mol H}{1 {mol H}_{2} O} = 1,79 \times 10^{- 4} mol H \end{array}

Reynsluformúla efnasambandsins er síðan leidd út með því að finna minnstu heiltölumargfeldi fyrir þessi mólmögn. Mólhlutfall H á móti C er

\frac{mol H}{mol C} = \frac{1,79 \times 10^{−4} mol H}{8,95 \times 10^{−5} mol C} = \frac{2 mol H}{1 mol C}

og reynsluformúla pólýetýlens er CH₂.

Kannaðu þekkingu þína

0,00215 g sýni af pólýstýreni, fjölliðu sem samanstendur af kolefni og vetni, myndaði 0,00726 g af CO₂ og 0,00148 g af H₂O í brunagreiningu. Hver er reynsluformúla pólýstýrens?

Námsmarkmið