Chemia - Zbiór zadań CKE, Poziom rozszerzony (Formuła 2015) - Zadanie 66.
Kolorymetria jest metodą stosowaną w analizie chemicznej. Dzięki niej można określić stężenie barwnego roztworu badanej substancji. Metoda ta wykorzystuje zjawisko pochłaniania przez barwny roztwór promieniowania elektromagnetycznego o określonej długości fali z zakresu światła widzialnego. Im większe jest stężenie badanej substancji w roztworze, w tym większym stopniu roztwór ten pochłania promieniowanie, a więc osłabia natężenie promieniowania przepuszczanego przez roztwór. Osłabienie to można zmierzyć, a jego miarą jest wielkość zwana absorbancją. Jeżeli serię pomiarów absorbancji roztworów badanej substancji w danym rozpuszczalniku przeprowadza się w tych samych warunkach, umieszczając próbki roztworów w identycznych naczynkach, wartości absorbancji zależą tylko od stężenia tych roztworów.
Jednym z zastosowań metody kolorymetrycznej jest oznaczanie stężenia jonów żelaza(III), które z jonami tiocyjanianowymi SCN– tworzą jony kompleksowe [Fe(SCN)]2+. Jony te obecne w roztworze wodnym nadają mu intensywne krwistoczerwone zabarwienie, umożliwiające wykrycie nawet śladowych ilości żelaza.
W celu wyznaczenia zawartości żelaza w postaci jonów żelaza(III) w badanym roztworze przeprowadzono opisane poniżej doświadczenie.
Wykonano pomiar absorbancji A trzech wodnych roztworów o znanym stężeniu jonów [Fe(SCN)]2+, umieszczając je w identycznych naczynkach. Wyniki pomiarów zestawiono w tabeli.
| Stężenie jonów [Fe(SCN)]2+, mol · dm–3 | Absorbancja A |
| 0,25·10–4 | 0,24 |
| 0,65·10–4 | 0,62 |
| 1,05·10–4 | 1,01 |
Próbkę 10,00 cm3 badanego roztworu umieszczono w kolbie miarowej o pojemności 50,00 cm3 i do kolby dodano w nadmiarze bezbarwny wodny roztwór tiocyjanianu potasu KSCN tak, aby powstał kompleks [Fe(SCN)]2+. Zawartość kolby dopełniono do kreski wodą destylowaną i dokładnie wymieszano. Następnie pobrano z niej próbkę i zmierzono jej absorbancję w takich samych warunkach, w jakich wykonano wcześniejszy pomiar absorbancji roztworów o znanym stężeniu. Zmierzona absorbancja A próbki badanego roztworu wyniosła 0,44.
A. Bielański, Podstawy chemii nieorganicznej, Warszawa 2010, s. 963.
| a) | Narysuj wykres zależności absorbancji A roztworów o znanym stężeniu i oszacuj wartość stężenia jonów [Fe(SCN)]2+ w badanym roztworze. |
| b) | Oblicz, ile mikrogramów (μg) żelaza w postaci jonów żelaza(III) zawierała początkowa próbka badanego roztworu o objętości 10 cm3. |
Rozwiązanie
Odpowiedź: Stężenie [Fe(SCN)]2+ w badanym roztworze: 0,45 · 10–4 mol · dm–3.
Uwagi od BiologHelp:
W treści zadania dostrzegam pewną niekonsekwencję dotyczącą określenia "badany roztwór". W opisie przeprowadzenia doświadczenia "badanym roztworem" jest roztwór zawierający jony żelaza przed dodaniem odczynnika wybarwiającego, a więc oryginalny roztwór, który rzeczywiście chcemy badać, przed jego rozcieńczeniem w ramach procedury wybarwiania. Zgodnie z poleceniem należy natomiast podać stężenie jonów [Fe(SCN)]2+ w "badanym roztworze" - sugeruje to, że tym razem autor nazywa "badanym roztworem" roztwór już po podaniu odczynnika wybarwiającego i po rozcieńczeniu próbki, ponieważ w pierwotnym roztworze jonów [Fe(SCN)]2+ nie ma. Innymi słowy w zadaniu użyto tego samego określenia "badany roztwór" w stosunku do dwóch różnych roztworów w obecnych w ramach opisanej procedury badania stężenia jonów żelaza, co moim zdaniem jest nieintuicyjne i może prowadzić do niepotrzebnych wątpliwości.
Przykład poprawnej odpowiedzi
z wykresu c[Fe(SCN)]2+ = 0,45 ⋅10−4 mol ⋅ dm−3
VH2O = 10,00 cm3 = 10 ⋅10−3 dm3
MFe = 55,85 g ⋅ mol−1
mFe, μg
Rozwiązanie:
mFe = nFe ⋅ MFe i cFe = nFeV ⇒ nFe = cFe ⋅ V ⇒
mFe = cFe ⋅ V ⋅ MFe
mFe = 0,45 ⋅ 10−4 mol ⋅ dm−3 ⋅10,00 ⋅10−3 dm3 ⋅ 55,85 g ⋅ mol−1 ≈ 251 ⋅10−7 g
mFe = 25,1⋅10−6 g ≈ 25 μg
Odpowiedź: Początkowa próbka badanego roztworu zawierała 25 μg żelaza.
Uwagi od BiologHelp:
W mojej ocenie proponowana przez CKE odpowiedź na zadane pytanie jest błędna. Z analizy poprzedniego podpunktu zadania oraz treści wprowadzenia wiemy, że absorbancja mierzona jest po rozcieńczeniu pierwotnej próbki roztworu odczynnikiem i wodą do objętości 50,00 cm3 (do próbki 10 cm3 dodano roztwór KSCN i dopełniono wodą do kreski na kolbie o pojemności 50 cm3). Powyżej obliczono zatem zawartość żelaza w 10 cm3 już rozcieńczonego roztworu, a nie w próbce początkowej, o której mowa w poleceniu. Aby uzyskać odpowiedź dotyczącą zawartości żelaza w początkowej próbce, należało przeprowadzić te same obliczenia, jednak dla objętości rozcieńczonego roztworu równej 50,00 cm3 - całkowita zawartość bezwzględna żelaza (w μg) w próbce przed i po rozcieńczeniu będzie taka sama.
