Bestämning av antalet kristallvatten i kopparsulfat

Tillhör kategori: jämvikt, kemiska metoder

Författare: Bengt Johansson

Introduktion Riktlinjer Säkerhet Materiel Förarbete Utförande Förklaring Kemisk bakgrund Fördjupning Litteratur Fler experiment

Irriterande 

Tid för förberedelse: 10 minuter

Tid för genomförande: 20 minuter

Antal tillfällen: 1

Säkerhetsfaktor: Utföres med normal varsamhet

Svårighetsgrad: Kräver viss labvana

Introduktion

Koppar som jon sitter tillsammans med vatten i kopparsulfat. Laborationen går ut på att bestämma antalet vattenmolekyler som sitter ihop med varje kopparjon i saltet kopparsulfat.

Riktlinjer

Laborationen är lämplig att utföra som grupparbete. Arbeta gärna i grupper om två.

Observera att tidsangivelsen för genomförandet gäller den experimentella delen. De efterföljande beräkningarna brukar ta cirka en lektion.

Säkerhet

Kopparsulfat är giftigt och måste förvaras oåtkomligt för små barn. Tänk på risken att bränna dig när du hanterar den heta bägaren med saltet.

Kopparjonerna fräter på vattenledningen om man spolar ut kopparsulfatet i avloppet. Därför bör man lösa kopparsulfatet i vatten och sätta till stålull. Kopparjonerna faller då ut som ren koppar medan järnet går i lösning. Sedan kan man hälla lösningen i avloppet (om det handlar om små mängder).

Materiel

Förarbete

Ifall den våg som skall användas behöver kalibreringstid kan denna förberedas innan lektionen. I övrigt inget förarbete.

Utförande

  1. Nollställ och kalibrera vågen. Avläsningarna skall ske så noggrant som möjligt, i samtliga fall med 4 decimaler (ifall du har en sådan våg).
  2. Börja med att väga bägaren tom.
  3. Tillsätt därefter ca: 1 gram kopparsulfat med kristallvatten i bägaren och väg bägare med kopparsulfat.
  4. Beräkna vikten av kopparsulfatet.
    Avläsning och beräkning Vikt i gram
    Bägare med kopparsulfat med kristallvatten, cirka 1 g  
     
    Bägare tom  
     
    Bägare med kopparsulfat och kristallvatten – bägare tom = kopparsulfat med kristallvatten  
     

     
  5. Värm bägaren med dess innehåll (blått) så att allt kristallvatten avges, vilket man ser på att saltet antagit en gråvit färg och ingen ånga längre avges. Vänta en liten stund extra för att vara säker på att reaktionen skett klart. (Ett alternativ är att värma i ugn c:a 220 grader)
    • Observera! Det är viktigt att man ser till att kopparsulfaten är jämt fördelad i bägaren.
  6. Väg bägaren med vattenfri kopparsulfat.
  7. Utför beräkningarna nedan så att du får hur många gram kristallvatten som avgått.
    Avläsning och beräkning Vikt i gram
    Bägare med vattenfri kopparsulfat  
     
    Bägare tom  
     
    Bägare med vattenfri kopparsulfat – bägare tom = kopparsulfat utan kristallvatten  
     

     
  8. Utför beräkningarna nedan så att du får hur många gram kristallvatten som avgått.
    Avläsning och beräkning Vikt i gram
    Kopparsulfat med kristallvatten  
     
    Vattenfri kopparsulfat  
     
    Kopparsulfat med kristallvatten – vattenfri kopparsulfat = kristallvatten  
     

     
  9. Nu skall du använda dig av de kunskaper som du förvärvat i kemikursen. Du skall beräkna hur många mol det finns av vattenfritt kopparsulfat respektive det avgångna kristallvattnet.
    Storhet Kopparsulfat Vatten
    Vikt (g)  
     
     
     
    Molmassa (g/mol)  
     
     
     
    Substansmängd (mol)  
     
     
     

     
  10. Nu kan du beräkna molförhållandet mellan kopparsulfaten och vattnet. Detta gör du genom ta antalet mol vatten/antalet mol kopparsulfat (vattenfri). Detta är värdet på x i formeln CuSO4·x H2O.

Variation: Termogravimetrisk analys

Termogravimetrisk analys visar hur massa avgår när provet långsamt upphettas.

När ett oorganiskt ämne upphettas, sönderfaller det ofta i etapper. Man kan mäta massförlusterna och jämföra dessa med provets totala massa. Ur mätningarna kan man dra slutsatser om vilka ämnen som försvinner ur provet och vid vilken temperatur.

Exempel: En termogravimetrisk analys av 1 mmol kopparsulfat pentahydrat gav följande: Massförlusterna motsvarade 4 mmol vatten vid ca 110 °C, 1 mmol vatten vid ca 150 °C och 1 mmol svaveltrioxid vid ca 600 °C.

Förklaring

Kristallvattnet ingår i saltets struktur. Det fyller ut de luckor som saknas för att kopparsulfatetenheterna ska binda till varandra i regelbundna, stabila former. Vid upphettning ”kokar” man bort kristallvattnet och saltet faller sönder. När kristallerna övergår i pulverform bryts det infallande ljuset oregelbundet och reflekteras. Färgen blir vit av samma anledning som snö ser vit ut i jämförelse med kärnis.

Det krävs energi att avlägsna vattnet från kopparsulfatet. Om man å andra sidan tillsätter vatten till vattenfri kopparsulfat, så utvecklas motsvarande energi. Vid hydratiseringen blir det därför varmt.

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

Kopparsulfat i hydratiserad form

Eftersom Cu2+ i vattenlösning omger sig att ett skal av H2O kallas sägs den vara hydratiserad. Vattnet binds till kopparjonen genom jon-dipolbindning. Den negativa motjonen, sulfat, SO42-, är uppbyggd av flera atomslag och sägs därför vara en komplex jon. Svavlet sitter i mitten och kallas centralatom. Även sulfatjonen är hydratiserad i vattenlösning. När saltet kristalliserar följer vatten med och byggs in i kristallstrukturen. Sådan vatten benämns kristallvatten.

Färgen som denna komplexjon har är blå så länge som vattnet sitter kvar. Det finns även andra föreningar där koppar och vatten ingår som har blå färg, så färgen är inte speciell för just kopparsulfat med kristallvatten.

Det som avgör färgen är vilka våglängder av det synliga ljuset som absorberas. Det i sin tur bestäms av skillnaderna mellan energinivåerna i ämnets elektronmoln. Ljus absorberas bara när ljuskvantats energi motsvarar skillnaden mellan två energinivåer i ämnet. En intressant sak är att liganden kan påverka energinivåerna och därmed färgen. Till exempel är kopparjoner med klorid som ligander gröna medan kopparjoner med vatten som ligander är blå. Det kan man se om man löser kopparklorid i vatten. Så länge som lösningen är koncentrerad är den grön därför kopparen har klorid som ligand, men när den blir utspädd ändras färgen till blå när kloriden ersätts av vatten som ligand.

Vattenfri kopparsulfat är gråvit

Vattenfri kopparsulfat är vit till vit/grå. Anledningen att vattenfri kopparsulfat är vit är att kristallerna har fallit sönder. Det är analogt med att snö är vit. När ljuset faller in i ett pulver bryts det och reflekteras oregelbundet i otaliga ytor. Det mesta ljuset reflekteras tillbaka innan det hunnit passera särskilt mycket av saltet och därmed hinner inte de röd-gula våglängderna absorberas. Det reflekterade ljuset är därför nästan vitt. Eventuellt är energiförhållandet hos bindningarna i vattenfri kopparsulfat även sådant att synligt ljus inte absorberas. I så fall skulle saltet vara vitt även om det bestod av stora regelbundna kristaller.

När vatten tillsätts igen minskar reflektion och brytning eftersom det blir mindre skillnad i brytningsindex mellan vattnet och kristallen. Dessutom återbildas då regelbundna kristaller, om än små och då återtar föreningen den blå färgen.

Kristallvattnet står i jämvikt med luftfuktigheten

Kristallstrukturen gör att saltet binder ett bestämt antal vatten. Om fukthalten i luften överstiger jämviktsvärdet kommer kristallerna att ta upp vatten.

Exempel: Jämvikten mellan trihydratet och pentahydratet, där saltet och den fuktiga luften är innestängda i ett slutet system:

Trihydratet tar upp vatten ifall vattenångtrycket i luften överstiger 10 mbar.
CuSO4·3 H2O + 2 H2O(g) → CuSO4 · 5 H2O till dess vattenångtrycket minskat till 10 mbar.

Om luftfuktigheten är lägre än jämviktstrycket kommer saltet att avge kristallvatten till luften.
CuSO4·5 H2O → CuSO4·3 H2O + 2 H2O(g) till dess vattenångtrycket ökat till 10 mbar.

Man kan alltså sammanfatta det hela som en jämvikt där två former av saltet ingår:
CuSO4·5 H2O ⇄ CuSO4·3 H2O + 2 H2O(g)

I diagrammet nedan ser man t ex att över 31 mbar vattenångtryck så förekommer kopparsulfat bara som lösning. Med så hög luftfuktighet kommer all fast kopparsulfat av delikvescera, dvs bilda lösning. Vid 31 mbar har vi jämvikt mellan en lösning av kopparsulfat och pentahydratet (med 5 H2O). Vid 10 mbar står pentahydratet och trihydratet i jämvikt med varandra (5 respektive 3 H2O). Man kan se att om man skulle låta en lösning med kopparsulfat avdunsta och sedan fortsätta uttorkningen skulle man få ett plötsligt hopp i vattenångtrycket från 31 till 10 mbar just när man har rent pentahydrat osv.

Vattenångtryck över kopparsulfat

Vi ser också i diagrammet att de former av kopparsulfat som förekommer har 0, 1, 3 eller 5 kristallvatten. 2 respektive 4 kristallvatten förekommer inte.

Formelskrivning

Vad betyder egentligen siffrorna i de olika positionerna i den kemiska formeln respektive kemiska reaktionsformeln? Vi utgår från det aktuella exemplet kopparsulfat med kristallvatten.

Kopparsulfatets formel

Kopparsulfat med kristallvatten skrivs normalt CuSO4·5 H2O. Kopparjonen som sitter tillsammans med en sulfatjon betecknas Cu2+ och har en laddning på plus två som uppväger sulfatjonens SO42- negativa laddning på minus två. Totalt blir denna sammasatta jon oladdad.

Skälet till att sulfatjonen har en negativ laddning på minus två är att den härstammar från den tvåprotoniga svavelsyran som avgivit två stycken protoner vid protolysen och dess två elektroner (en från varje väte) hänger då kvar hos sulfatjonen och ger den negativa laddningen.

Koppar är en övergångsmetall, dvs. ligger i blocket mellan grupp 2A och 3A i periodiska systemet. Övergångsmetallernas elektroner fylls på enligt "aufbau"-principen, dvs. att lägsta energinivåerna fylls på först. I koppar har s-elektronerna i yttersta skalet lägre energi än d-elektronerna i skalet innanför. Därför påbörjas yttersta skalet innan skalet innanför är fullt. Därmed blir både elektroner i yttersta och näst yttersta skalet "valenselektroner". Detta gör också övergångsmetallernas jonladningar inte stämmer med gruppnumret. Koppar har vanligen jonladdningen 2+, men ibland kan den vara 1+.

Efter beteckningen för kopparsulfat står en punkt (·) och därefter 5, d.v.s. antalet H2O. Med detta menas att till varje formelenhet kopparsulfat (CuSO4) så följer det med fem vatten (5 H2O).

Denna beskrivning är en förenklad bild av hur det ser ut både till utseendet, namngivning och en korrekt skriven formel. Om man tittar på nedanstående strukturformel så blir det genast lättare att förstå den något krångligare formeln [Cu(H2O)4]SO4·H2O, koppar(II)sulfat pentahydrat.

Reaktionsformler när koppparsulfat upphettas

Om man därefter tittar på vad som mer exakt händer vid en långsam upphettning och kopplar samman detta med reaktionsformelskrivning så kan man se hur de olika bindningarna lossar från varandra.

Vid 110 °C så händer följande: CuSO4·5 H2O → CuSO4·H2O + 4 H2O. Det är de fyra vatten runt kopparjonen som avgår först.

Vid 150 °C så händer följande: CuSO4·H2O → CuSO4 + H2O. Då avgår resterande vatten.

Tydligen är det så att jon-dipolbindningen mellan kopparjonen och vattenmolekylerna är svagare än den vätebindning som sitter mellan den sista vattenmolekylen och sulfatjonen.

Vid 650 °C sönderdelas det vattenfria kopparsulfatet och svavlet avgår som svaveltrioxid: CuSO4 → CuO+ SO3(g).

Vid bestämningen av antalet kristallvatten i kopparsulfat är det viktigt att temperaturen inte når upp till 600 °C eftersom det då blir en rest av kopparoxid i stället för det vattenfria kopparsulfatet.

Termogravimetrisk analys

En metod att analysera vilka kemiska reaktioner som sker är med termogravimetrisk analys. Den innebär att ett prov långsamt upphettas samtidigt som man följer vikförändringarna. Om man analyserar 1 mmol kopparsulfat pentahydrat med denna metod och för in vikten som funktion av temperaturen, så får man diagrammet nedan.

När man vet att kristallvatten avges vid upphettning så kan man ur viktsförändringarna få fram att 1 mmol kopparsulfat ⇔ 4 mmol H2O (vid 110 °C) resp. 1 mmol H2O (vid 150 °C), dvs. molförhållandet är (kopparsulfat : H2O vid100 °C :H2O vid 180 °C) = (1:4:1). Sammanlagt avges alltså 5 kristallvatten av en formelenhet kopparsulfat och man inser att det är ett pentahydrat.

Tabellen nedan visar samma sak som diagrammet, men med siffror.

ämne molmassa (g/mol) mängd (mmol) vikt (mg) temp (°C) resterande vikt (mg)
kopparsulfat pentahydrat 249,7 1 249,7    
vatten 18,0 4 72,1 110 177,6
vatten 18,0 1 18,0 150 159,6
svaveltrioxid 80,1 1 80,1 650 79,5

Kemiska beräkningar

Sambandet mellan massa, molmassa och substansmängd

De begrepp man använder när man gör kemiska beräkningar är:

Värt att nämna är också Avogadros konstant som har värdet 6·1023 (mer exakt värde 6,02214199·1023). En mol, substansmängen av ett ämne, innehåller alltid 6·1023 st formelenheter av ämnet.

Exempel: Kol (C) har atomnummer 6. I periodiska systemet kan man se att molmassan för kol är 12 g/mol. Detta innebär att 12 gram kol är lika med 1 mol och denna substansmängd väger 12 gram samt innehåller 6·1023 st kolatomer.

Sambandet mellan massan, molmassan och substansmängden inser man direkt i och med att molmassan anges i gram/mol. Således gäller nedanstående samband för de beräkningar som behövs.

M = m/n m = M·n n = m/M

Beräkningar på kopparsulfatet

Den kopparsulfat som vi använder i laborationen betecknas normalt CuSO4·5 H2O och kallas rätt och slätt för kopparsulfat med kristallvatten. Dess riktiga namn är koppar(II)sulfat pentahydrat. (II) är beteckningen för att det är Cu2+ som är inblandat och penta står för att det är 5 vatten (hydrat).

Det som kan vara förvillande när man skall beräkna molmassan för kopparsulfaten är att det står ett "multiplikationstecken" mellan kopparsulfaten och vattnet. Detta skall inte tolkas som att molmassan för kopparsulfaten skall multipliceras med molmassan för vattnet. Utan dessa skall istället adderas till varandra.

Molmassan för kopparsulfatet

Vi beräknar molmassan för kopparsulfaten, CuSO4·5 H2O. I periodiska systemet kan vi läsa av molmassan för de ingående grundämnena.

Atomer Molmassa
1 st koppar, Cu:  63,5 g/mol
1 st svavel, S:  32,1 g/mol
4 st syre, O:  64,0 g/mol (dvs 4·16,0 g/mol)
10 st väte, H:  10,0 g/mol (dvs 10·1,0 g/mol)
5 st syre, O:  80,0 g/mol (dvs 5 ·16,0 g/mol)

Om man nu lägger ihop dessa, 63,5 + 32,1 + 64,0 + 10,0 + 80,0 = 249,6 g/mol, så får man molmassan för kopparsulfat med kristallvattnet.

Fördjupning

Litteratur

  1. Hägg, G. (1989). Allmän och oorganisk kemi. (9. uppl.) Stockholm: Almqvist & Wiksell.
  2. Determination of the amount of water in a crystalline solid hydrate, Thomas J. Greenbowe, Iowa State University
  3. Naming complex metal ions, Jim Clark, Chemguide
    http://www.chemguide.co.uk/inorganic/complexions/names.html (2005-03-16)
  4. Chemistry 101 Class Notes, Prof. N. De Leon
    http://www.iun.edu/~cpanhd/C101webnotes/index.html (2005-05-23)
  5. The Mole Concept (Avogadro's Number),
    http://www.iun.edu/~cpanhd/C101webnotes/quantchem/moleavo.html (2005-05-23)
  6. The Aufbau Principle,
    http://www.iun.edu/~cpanhd/C101webnotes/modern-atomic-theory/aufbau-principle.html (2005-05-23)
  7. Complete Electron Configurations, Mark Bishop's Chemistry Site
    http://www.mpcfaculty.net/mark_bishop/complete_electron_configuration_help.htm (2005-05-23)

Fler experiment


jämvikt
Anden i flaskan
Att döda bakterier - kan Klorin & Javex va´ nå´t?
Avdunstning och temperatur
Brus-raketen
Den frysande bägaren
Den omöjliga tvålen - den är preparerad!
Flaskor mun mot mun
Framställ väldoftande luktämnen
Fryspunktsnedsättning
Färgämnen i M&M
Försvinnande bläck
Gasvolym och temperatur
Gummi och lösningsmedel
Gör kopparslanten skinande ren - med komplexkemi
Hockey-visir
Hur fungerar en torrboll?
Hur smakar salmiak?
Kemi i en brustablett
Kemi i en plastpåse
Kemisk jämvikt hos ett osynligt bläck
Kemiskt snöfall
Koka vatten i en spruta
Kondomen i flaskan
Kristallodling
Kristallvatten i kopparsulfat
Luftfuktighet och rostbildning
Löslighet och pH - En extraktion
Maskrosen som krullar sig
Molnet i flaskan
När flyter potatisen?
pH i kokt mineralvatten
pH-förändringar vid fotosyntes
Principen för dynamisk jämvikt
Reaktionshastighet med permanganat
Saltat islyft
Superabsorbenter i blöjor
Svantes testexperiment
Utfällning av aluminium
Utsaltning av alkohol i vatten
Varför äter vi Samarin?
Åka hiss
Ägget i flaskan
Älskling, jag krympte ballongen

kemiska metoder
Att göra bly
Att vara kemisk detektiv
Bränna papper
DNA ur kiwi
Elektrofores av grön hushållsfärg
Framställ låglaktosmjölk
Förtenning
Gör hårt vatten mjukt
Kemi med zinkjodid, del 2: Återbilda grundämnena elektrokemiskt
Mät CMC med hjälp av droppstorleken
Syrehalten i luft
Testa C-vitamin i maten
Tillverka en ytspänningsvåg