1. Strona główna
  2. Zadania maturalne z chemii
  3. Zbiór zadań CKE, Poziom rozszerzony (Formuła 2015)

Chemia - Zbiór zadań CKE, Poziom rozszerzony (Formuła 2015) - Zadanie 66.

Kategoria: Roztwory i reakcje w roztworach wodnych - ogólne Typ: Uzupełnij/narysuj wykres, schemat lub tabelę Oblicz

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.

Na podstawie: D.A. Skoog, D.M. West, F.J. Holler, S.R. Crouch, Podstawy chemii analitycznej, t. 2, Warszawa 2007, s. 301–302;
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

a)
(0-2)

Odpowiedź: Stężenie [Fe(SCN)]2+ w badanym roztworze: 0,45 · 10–4 mol · dm–3.

Komentarz od BiologHelp:
W powyższym rozwiązaniu przyjęto, że próbki o znanej wartości stężenia jonu [Fe(SCN)]2+ zostały przygotowane tak samo jak próbka badana tj. zostały rozcieńczone przez dodanie roztworu tiocyjanianu potasu i wody do objętości 50 cm3. Jest to sensowne założenie wynikające z faktu, że należy dodać odczynnika, aby próbki wybarwić oraz wynikające ze standardowego postępowania przy tego typu oznaczeniach stężeń badanych roztworów. Dzięki takiemu postępowaniu absorbancji odczytywanej z urządzenia zawsze przypisujemy stężenie nierozcieńczonych próbek - nie ma potrzeby uwzględniania rozcieńczenia próbki badanej przez odczynnik wybarwiający w odczycie stężenia z krzywej ponieważ wszystkie były rozcieńczone tak samo.
Uczeń nie musi znać standardowego wykonania tej procedury, jednak treść zadania nie podaje szczegółów przygotowania próbek do wyznaczenia krzywej, wręcz sugeruje, że do badania absorbancji zostały wykorzystane roztwory badanego jonu, bez informacji o dodatku wybarwiającego odczynnika. Nie ma również informacji, czy podane stężenie próbek wzorcowych stanowi stężenie jonów przed czy po dodaniu odczynnika wybarwiającego. Treść zadania jest wobec tego według mnie niepełna i wprowadza w błąd osobę rozwiązującą zadanie, ponieważ nie pozwala ona jednoznacznie stwierdzić, czy trzeba uwzględniać rozcieńczenie badanej próbki w obliczeniach czy też nie.

b)
(0-1)

Przykład poprawnej odpowiedzi

Dane:
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
Szukane:
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.

Wskazówki

a)
Aby oszacować wartość stężenia jonów [Fe(SCN)]2+ w badanym roztworze o znanej wartości absorbancji, należy narysować wykres zależności absorbancji roztworu od stężenia jonów [Fe(SCN)]2+ i z niego odczytać szukaną wartość (część a) zadania). Narysowanie tego wykresu polega na naniesieniu 3 punktów i połączeniu ich. Przy okazji warto zauważyć, że wykres jest liniowy, co zresztą wynika z analizy danych przedstawionych w tabeli. Przy określaniu wartości stężenia trzeba pamiętać o tym, że liczba odczytana na osi odciętych musi być pomnożona przez 10–4, co wynika z opisu tej osi.

b)
Do rozwiązania tej części zadania wykorzystujemy odczytaną w jego części a) wartość stężenia jonów [Fe(SCN)]2+. Liczba moli żelaza w postaci jonów Fe3+ w początkowym badanym roztworze o znanej objętości jest równa liczbie moli jonów [Fe(SCN)]2+. Wielkość tę obliczamy, wiedząc, że liczba moli jonów [Fe(SCN)]2+ jest równa iloczynowi stężenia tych jonów i objętości roztworu (trzeba pamiętać o wyrażeniu tej objętości w dm3). Mając liczbę moli żelaza, możemy obliczyć jego masę przez pomnożenie liczby moli przez masę molową żelaza odczytaną z układu okresowego pierwiastków chemicznych. Musimy także zwrócić uwagę na to, że polecenie wymaga wyrażenia jej w mikrogramach, μg. Jeżeli nie pamiętamy, co oznacza przedrostek mikro, możemy sprawdzić to w zestawie Wybranych wzorów i stałych fizykochemicznych na egzamin maturalny z biologii, chemii i fizyki. Jest w nim napisane, że przedrostek mikro oznacza mnożnik 10–6, a więc 1 μg = 10–6 g, z czego wynika, że 1 g = 106 μg.