!!!!!OPINPOLKU 5.!!!!!!

Aspiriinin valmistaminen ja analysointi

A. Työn tarkoitus:

Tässä opinpolussa harjoitellaan yksikköprosesseja esteröinti, liuotus, kiteytys ja suodatus.

a) Hae blogiisi tietoa (oppikirjasta/internetistä) yksikköprosesseista esteröinti, liuotus, kiteytys ja suodatus

Mitä kyseisillä yksikköprosesseilla tarkoitetaan, mitkä tekijät vaikuttavat näiden yksikköprosessien suorittamiseen, missä niitä käytetään teollisuudessa?

- Esteröinti on kemiallinen reaktio.

- Liuos on liukenemista.

- Kiteytys on jonkin aineen saattamista kiteiseen muotoon.

- Suodatusta käytetään kemiassa erottamaan liuoksesta epäpuhtauksia tai erottamalla aineet toisistaan.

Työn tarkoituksena on valmistaa salisyylihaposta syntetisoimalla asetosalisyylihappoa eli aspiriinia. Asetosalisyylihapon valmistus on yksinkertainen reaktio, joka voidaan suorittaa pienessä mittakaavassa erlenmeyerpullossa. Kiteinen raakatuote eristetään suodattamalla imun avulla ja puhdistetaan kiteyttämällä.

Reaktio on seuraava:

salisyylihappo            asetanhydridi         asetosalisyylihappo                   etikkahappo

Salisyylihappo on fenolihappo, joka sisältää bentseenirenkaaseen kiinnittyneen karboksyyliryhmän ja fenoleille tunnusomaisen hydroksidiryhmän. Salisyylihappo esteröityy tässä reaktiossa asetanhydridin eli etaanihappoanhydridin avulla. Katalyyttinä käytetään rikkihappoa. Reaktio ei onnistu vesiliuoksessa, joten lähtöaineiden on oltava kuivia.

Tarvittavat välineet:

Erlenmeyerkolvi, 100 ml

Mittalasi, 100 ml

Dekantterilasi, 100 tai 250 ml

Lämpömittari

Vesihaude

Bühnersuppilo

Suodatinpaperia

Lasisauva

Sulamispisteen mittalaite

Koeputkia

pipettejä

                           

Tarvittavat reagenssit:        

Salisyylihappoa, C7H6O3 ; n. 5 g

Etikkahapon anhydridiä eli asetanhydridi, C4H6O3 ; 7 ml

Väkevä rikkihappo, H2SO4 (VARO!! SYÖVYTTÄVÄÄ!!)

Etanolia

NaOH-liuos 0,1 mol/L

                 

HUOM! Tutustu aineiden käyttöturvatiedotteisiin.

B. Työn suoritus:

1. Tuotteen valmistaminen

1.1. Reaktiovaihe

Pane erlenmeyeriin 5,0 g kuivaa salisyylihappoa (kuivattu tunnin ajan 60oC:ssa), 7 ml tislattua aseanhydridiä ja 2-3 tippaa väkevää rikkihappoa (VARO, SYÖVYTTÄVÄÄ!!). Kiinnitä erlenmeyer sisältöineen statiiviin.

Sekoita seosta lasisauvalla. Lämmitä sitten seos vesihauteella 50-60oC:een. Pidä seos tässä lämpötilassa 15 minuutin ajan. Sekoita silloin tällöin. Poista lämmityksen jälkeen lämpöhaude ja anna seoksen jäähtyä. Sekoita edelleen silloin tällöin.

1.2. Eristysvaihe

Lisää erlenmeyerkolviin 75 ml tislattua vettä ja sekoita hyvin. Suodata seos imun avulla suodatinpaperille Bühnersuppilolla.

1.3. Puhdistusvaihe KITEYTTÄMÄLLÄ

Liuota raaka asetosalisyylihappo 15 ml:aan kuumaa etanolia ja kaada seos n. 40 ml:aan kuumaa tislattua vettä. Jos kiteytyminen tapahtuu jo tässä vaiheessa, lämmitä seos niin, että kiteet liukenevat. Anna kirkkaan liuoksen jäähtyä hitaasti, jolloin kauniit neulasmaiset kiteet erottuvat. Mitä hitaampi jäähtyminen sitä suuremmiksi muodostuvat kiteet. Jos kiteitä ei muodostu liuoksen jäähtyessä, hankaa lasisauvalla astian seinämiä.

Punnitse uusi suodatinpaperi ja aseta se Bühnersuppiloon. Suodata kiteet jälleen imun ja Bühnersuppilon avulla. Levitä tämän jälkeen kiteet suodatinpaperilla huokoisen imevän alustan päällä (esim paperipyyhe) ja anna kiteiden kuivua. Punnitse kuiva saostuma.

2. Tuotteen puhtauden tutkiminen

Jos tuotteeseen on epäpuhtautena jäänyt vielä reagoimatonta salisyylihappoa, saadaan määrä mitattua SPEKTROFOTOMETRISESTI.

Liuota tarkasti 0,3-0,5 g valmistamaasi aspiriinia. Liuota sitä pienessä dekantterilasissa 25 ml kuumaa vettä (Huom! Aspiriini liukenee huonosti kylmään veteen). Suodata kylmää liuosta ja ota siitä 2 ml ja 4 ml erät kahteen 100 ml mittapulloon. Lisää kumpaakin pulloon 1 ml 0,1 mol/L NaOH-liuosta ja täytä laboratoriovedellä merkkiin. Näin olet valmistanut kaksi omaa näyteliuosta spektrofotometristä mittausta varten.

Näytteenä on kaupallinen, asetyylisalisyylihappoa sisältävä särkylääketabletti. Tabletti punnitaan ja jauhetaan sen jälkeen hienoksi huhmareessa. Lisätään 20 ml 0,1-M NaOH:ta ja poistetaan liukenematon osuus suodattamalla liuos 250 ml:n mittapulloon. Huhmare pestään kuudella 10 ml:n erällä 0,1-M NaOH:ta, jotka myös valutetaan suodatinpaperin läpi mittapulloon. Lopuksi pullo täytetään NaOH-liuoksella merkkiin. Sekoitetaan pullon sisältö hyvin. Pipetoidaan 2, 3 ja 4 ml:n erät 100 ml:n mittapulloihin. Nyt näytteitä on yhteensä 5 kpl.

Valmista KANTAVAKIOLIUOS liuottamalla aluksi tarkasti 0,1 g salisyylihappoa veteen 100 ml:n mittapullossa. (Lämmitys vesihauteessa saattaa olla välttämätöntä). Mittapullo täytetään merkkiin.

Mittaukseen tarvittavat standardiliuokset valmistetaan kantavakioliuoksesta pipetoimalla sitä viiteen 100 ml:n mittapulloon 1, 2, 3, 4 ja 5 ml. Kuhunkin pulloon lisätään 1 ml 0,1mol/L NaOH-liuosta ja täytetään laboratoriovedellä merkkiin. Nollaliuos tehdään ottamalla myös 1 ml 0,1M NaOH-liuosta ja täytetään vedellä merkkiin.

Näin mittausta varten käytettävissä ovat liuossarja 0-liuos, 10 mg/L. 20 mg/L, 30 mg/L, 40 mg/L ja 50 mg/L sekä kaksi laimennosta valmistetun aspiriinin vesiliuotuksesta. Mitataan liuosten absorbanssit spektrofotometrilla aallonpituudella 297 nm. Kyvettinä käytetään kvartsikyvettiä (UV-kyvetti), joka läpäisee ultraviolettivaloa.

Standardiliuosten avulla piirretään excel-ohjelmalla vakiokuvaaja ja sen avulla saadaan mitattujen näyteliuosten pitoisuudet selville. Laskennassa täytyy ottaa huomioon laimennokset 2ml →100 ml ja 4 ml → 100 ml.

Määritä valmistamasi aspiriinijauheen sulamispiste sulamispisteen mittauslaitteella. Laita toisesta päästä avoimeen kapillaarinäyteputkeen valmistamaasi aspiriinijauhetta. Pudottele kapillaaria suljettu pää alaspäin lasiputkessa, jolloin jauhe menee kapillaarin pohjalle. Aseta sitten kapillaariputki laitteeseen. Kytke virta ja tarkista asetukset SET-näppäimellä. Loppulämpötilan tulee olla 150­o­C ja nostonopeus 1,5 astetta minuutissa.

Tarkastele näytteen rakennetta. Heti, kun rakenne muuttuu, sulamispiste on saavutettu. Kirjaa ylös sulamislämpötila ja vertaa sitä kirjallisuusarvoon

TULOKSET:

Tuotteen teoreettinen saanto:

Tuotteen teoreettinen määrä eli teoreettinen saanto voidaan laskea lähtöaineiden määristä reaktioyhtälön avulla. Etsi salisyylihapon ja asetosalisyylihapon moolimassat ja laske teoreettinen saanto.

Laske sitten saantoprosentti vertaamalla työssä saatua tuotteen massaa teoreettiseen massaan.

s-% =  { s0 / st }. 100 %                  , missä       s-% on saantoprosentti

                                                                           st on teoreettinen saanto

                                                                           s0 on työssä saatu saanto

C. LOPPUTULOKSET

Esitä raporttisi lopputuloksina valmistamasi aspiriinin sulamispiste ja kuinka paljon se eroaa kirjallisuusarvona ilmoitetusta sulamispisteestä.

Esitä myös valmistusprosessisi saantoprosentti sekä valmistamasi aspiriinin vesiliuoksen pH-arvo.

Lisäksi esitä mitaamiesi aspiriinitabletin ja valmistamasi aspiriinin asetosalisyylihappopitoisuus, jonka selvitit spektrofotometrisellä analyysimenetelmällä.

Oman tuotteen sulamispiste oli 139 ℃, ja kun sitä vertaa teollisen aspiriinin sulamispisteeseen (135℃), tulos oli hyvä.

Salisyylihapon moolimassa 138,121 g/mol
Asetyylisalisyylihapon moolimassa 180,157 g/mol
Salisyylihappo 5,0738 g
Aspiriini 0,4108 g
Aspiriinin sulamispiste meidän työssä oli 139,0°C
Teollisen aspiriinin sulamispiste on 135°C
5,0738 g / 138,121 g/mol = 0,0367 mol
n(C9H3O4) = 0,0367
Teor. saanto 0,0367 mol *180,157 g/mol = 6,6117 g
Oma saanto 3,2997 g

Saanto% = 49,906%

OPINPOLKU 3.

Malmikiven murskaus, seulonta ja jauhatus ja malmin kuparipitoisuuden määritys

Työn tarkoitus:

Tässä opinpolussa harjoitellaan ykskköprosesseja murskaus, jauhatus ,seulonta sekä liuotus, saostus ja suodatus.

a) Hae blogiisi tiedot (oppikirjasta/internetistä) yksikköprosesseista Murskaus, Jauhatus, Seulonta, Liuotus , Saostus ja Suodatus

Mitä näillä yksikköprosesseilla tarkoitetaan, millaisia laitteita käytetään teollisuudessa, millaisija tekijöitä on huomioitava kun käytetään kyseistä yksikköprosessia.

Tarvittavat välineet ja reagenssit:

Välineet

Leukamurskain

Seulontalaitteisto (täryseula + virallinen seulasarja 0,45um -4mm)

Kuulamylly + kuulat

työntömitta

Dekantterilasi 400 ml

Mittapullo, 250 ml + korkki

Mittapipetti, 1 ml

Suodatinpaperia, ashless  (sini- tai mustanauha)

Lasisuppilo

Posliiniupokas+kansi tai kanneksi taiteltua alumiinifoliota

Analyysivaaka

Keittolevy

Kellonlasi

Lasisauva

Kolmijalka + upokaskolmio

Täyspipetti 50 ml + pumpetti

Reagenssit:    

Ammoniumnitraatti, NH4NO3, kiinteä

Ammoniumkloridi, NH4Cl, kiinteä

Ammoniakkia, NH3, (väkevää)

Hopeanitraattiliuos, AgNO3

30-% H2O2-liuos

1) Malmikiven murskaus ja seulonta

1. Murskaus leukamurskaimella

Työssä tutustutaan leukamurskaimen

rakenteeseen ja toimintaan eri

asetusarvoilla murskattaessa.

Työn suoritus

1. Tutustu käytettävissä olevan murskaimen rakenteeseen ja toimintaan. Puhdista

murskain ja sen vastaanottoastia harjalla/imurilla.

2. Piirrä käytettävissä olevan murskauslaitteiston periaatekuva ja numeroi kuvaan

seuraavat osat:

Leukamurskain

1  kiinteä leuka

2. liikkuva leuka

3  epäkesko moottori

4. syöte

5. kita-aukko

3. Säädä leukamurskaimen asetusarvo maksimiin.

4. Punnitse noin 500-700 g materiaalia eli yksi malmikivi

Materiaalin murskaus

Voit joutua suorittamaan malmikiven esimurskauksen ruuvipenkissä tai vasaralla.

5. Mittaa suurimman syötelohkareen halkaisija

6. Käynnistä murskain ja syötä malmikivilohkareet rauhallisesti

murskaimeen.

7. Pienennä murskauksen asetusarvoa ja syötä lohkareet

uudelleen murskaimeen

8. Pienennä asetusarvoa ja toista murskaus kunnes olet

murskannut materiaalinmurskaimen pienimällä asetusarvolla.

9. Pysäytä murskain ja seulo saamastasi murskeesta edustava

näyte (100 g) seulasarjalla. Merkitse seulonnan tulokset taulukkoon .

11. Kerää saamasi murske talteen jauhatusharjoitusta varten.

12. Mittaa murskauksen tuotteen suurimman kappaleen halkaisija

Murskauksen tuotteen seula-analyysi:

Näyte:	malmikivi
pvm:	30.10.2017
punnitus (g)	100g
seulonta-aika (min)	10minuuttia

Seula	Seula-aukko	Seula ennen	Seula jälkeen	Seulalle jäänyt		Seulan läpäissyt
No	mm	g	g	g	%	%
1	2	481	497,9	16,9	16,90	83,1
2	1	450	464,4	14,4	14,40	68,7
3	0,5	374	389	15	15,00	53,7
4	0,25	349	364,4	15,4	15,40	38,3
5	0,125	340	354,5	14,5	14,50	23,8
6	0,063	328	339,2	11,2	11,20	12,6
7	0,045	239,5	244,7	5,2	5,20	7,4
Pohja		345,5	351	5,5	5,50	1,9
Yhteensä		2907	3005,1	98,1	98,10
Häviöt				1,9	1,90

80 % läpäisy
Päiväys	30.10.2017
Analyysin tekijä:	Joakim Niemelä

Vastaa kysymyksiin:

a.  Mikä oli murskaussuhde

b.  Mitä tarkoitetaan murskaimen kita-aukolla?

c.  Mitä tarkoitetaan murskaimen asetusarvolla?

d.  Millaiseen murskaukseen leukamurskain soveltuu parhaiten?

2) Murskatun malmikiven jauhatus

Työn tarkoituksena. on tutustua jauhatustapahtuman

suorittamiseen laboratoriomittakaavaisella kuula- ja/tai

tankomyllyllä.

Työn suoritus

1. Tutustu käytössäsi olevaan jauhatuslaitteistoon.

2. Määritä myllyn täyttöasteen (40 %) avulla työssä tarvittavien jauhinkappaleiden

   määrä.

   Mikä on käyttämäsi jauhinkappaleiden (kuulien [ ] tai tankojen [ ])

Halkaisija (mm)	17,7
Pituus (mm)
Lukumäärä (kpl)	11
Massa (g)	234
Täyttöaste (%)	20,8

3. Seulo murskaamaasi materiaali raekokoon 1-4 mm noin 220 g (2 x 110 g) ja jaa murske kahteen edustavaan osaan.

4. Koe toistetaan kahdella eri jauhatusajalla: 60 min ja 90 min.

5. Laita murske ja kuulat kuulamyllyyn, käynnistä mylly ja säädä kierrosluku

oikeaksi. Käynnistä ajanotto.

6. Poista materiaali jauhatusajan päätyttyä myllystä ja seulo se käyttäen neljää

sopivankokoista, perättäistä seulaa. Taulukoi tulokset.

Jauhatustulokset:

Jauhatusaika:	60	min
Seula-analyysi
Koko	Ennen	Jälkeen	Seulalle jäänyt
	g	g	g	%
0,25	349	351	2	1,82
0,125	341	429,9	89,9	81,73
0,063	328	344,4	16,4	14,91
0,045	239,5	240,1	0,6	0,545
pohja	345,5	345,99	0,49	0,445

6. Poista materiaali jauhatusajan päätyttyä myllystä ja seulo se käyttäen neljää

sopivankokoista, perättäistä seulaa. Taulukoi tulokset.

Jauhatusaika:	90	min
Seula-analyysi
Koko	Ennen	Jälkeen	Seulalle jäänyt
	g	g	g	%
0,25	349	349	0	0,00
0,125	340	412,2	72,2	65,63
0,063	328	358	30	27,27
0,045	239,5	241,5	2	1,82
pohja	345,5	347,3	1,8	1,64

Tulosten käsittely ja tarkastelu

8. Esitä graafisesti eri jauhatuskokeissa saarnasi tulokset. Seulalle jäänyt

ainernäärä (%)jauhatusajan funktiona

9. Mikä on jauhatusajan vaikutus jauhatustapahtumaan?

3) Jauhetun rautapitoisen malmikiven rautapitoisuuden määrittäminen

Periaate:

Työn tarkoituksena on määrittää annetun näytteen rautapitoisuus saostamalla ammoniakilla rauta niukkaliukoisena rauta(III)hydroksidina Fe(OH)3 (Ks = 4,10-38). Saostuman koostumus ei ole tarkka, vaan se sisältää vaihtelevia määriä kemiallisesti sitoutunutta tai adsorboitunutta vettä. Eli kyseessä on vesipitoinen oksidi Fe2O3.xH2O.

Saostusreaktio on esitettävissä:

Fe3+ + 6NH3 + (3+x)H2O →  Fe2O3 . xH2O (s) + 6NH4+

Jotta saostus toimisi mahdollisimman täydellisesti kokonaisrautapitoisuuden selvittämiseksi on kahdenarvoinen rauta hapetettava kolmenarvoiseksi raudaksi, Fe3+ :ksi. Saostus suoritetaan kuumasta, ammoniumsuoloja sisältävästä liuoksesta, jotta ei muodostuisi kolloidista rauta(III)hydroksidia. Ammoniumsuolalisäys estää myös muiden vieraiden ionien kerasaostumisen. Kuumentamalla saostettua, hydratoitunutta oksidia uunissa muuttuu se reaktioyhtälön mukaisesti, stoikiometrisesti rauta(III)oksidiksi, Fe2O3:ksi.

Työn suoritus:

A) Upokaan vakiopainoon saattaminen

Hehkutetaan kahta tyhjää upokasta uunissa 800oC:ssa n. 30 min. Nostetaan upokkaat keraamiselle alustalle jäähtymän 10 minuutiksi ja siirretään tämän jälkeen upokkaat eksikaattoriin. Pidetään upokaita eksikaattorissa tarkasti esim. 15 min ja punnitaan upokkaat analyysivaa´alla. Toistetaan hehkutus (n.15 min), jäähdytys keraamisella alustalla, jäähdytys eksikaattorissa täsmälleen saman ajan kuin 1. Kerralla ja punnitus vaa´alla. (Käsittely toistetaan vielä kerran mikäli punnitusten ero on > 0,2 mg!!)

B) Näytteen valmistaminen

Punnitaan tarkasti jauhettua malminäytettä 1-2 grammaa (Fe-pitoisuus noin 100 mg/g). Näyte liuotetaan teflonisessa dekantterilasissa hiekkahauteella lämmittäen kuningasvedellä (1 osa väk HNO3 ja 3 osaa väk HCl). Kiehutusta jatketaan noin 30 minuutin ajan ja dekantterilasiin lisätään VAROVASTI ionivapaata vettä, jotta liuotus ei pääse kuivumaan. Liuosseos laimennetaan vedellä ja suodatetaan liukenematta jäänyt aines (pääosin alumiinia ja piitä oksideina). Suodos kaadetaan 250 ml(=Vtot) mittapulloon, lisätään noin 0,5 ml väkevää rikkihappoa (H2SO4) ja täytetään ionivapaalla vedellä merkkiin.

Vertailunäytteeksi opettaja antaa rautapitoisuudeltaan tunnetun näytteen, joka liuotetaan veteen, lisätään noin 0,5 ml väkevää rikkihappoa (H2SO4) ja täytetään ionivapaalla vedellä 250 ml:n mittapullossa merkkiin.

Näistä 250 ml:n mittapulloista pipetoidaan täyspipetillä 100 ml (=Vpipetointi) liuosta kahteen 400 ml:n dekantterilasiin. Kumpaakin liuokseen lisätään dekantterilaseissa 1 ml väkevää vetyperoksidia (H2O2), jotta kaikki kahdenarvoiset rautaionit (Fe2+) saadaan hapetettua kolmenarvoisiksi ioneiksi (Fe3+).

Sitten nesteet lämmitetään kellonlasilla peitettynä kiehuvaksi ja keitetään niitä jonkin aikaa vetyperoksidiylimäärän hajottamiseksi. Tämän jälkeen dekantterilasit otetaan keittolevyltä ja kellonlasien alapinnat huuhdellaan tislatulla vedellä dekantterilaseihin. Liuoksiin lisätään 2-3 g ammoniumkloridia (NH4Cl) ja laimennetaan liuokset vedellä 150 ml:ksi.

Sitten liuoksia lämmitetään vetokaapissa työskennellen kiehuvaksi, nostetaan levyltä ja lisätään voimakkaasti sekoittaen väkevää ammoniakkia (NH3), kunnes nesteet haisevat ammoniakilta ja ruskeanpunaista sakkaa alkaa muodostua. Muodostuneen saostuman annetaan laskeutua dekantterilasien pohjille. Kokeillaan saostumisen täydellisyyttä lisäämällä muutama pisara ammoniakkia ja tarkkailemalla muodostuuko lisää punertavaa saostumaa, joka vajoaa kohti dekantterilasin pohjaa.

Kuuma neste kaadetaan sitten varovasti Buchner-suppiloon asetetun ashless-suodatinpaperin läpi. Saostuman pääosa saa aluksi jäädä dekantterilasin pohjalle, missä se esihuuhdellaan kuumalla 1% NH4NO3-liuoksella. Saostumaa huuhdellaan samalla nesteellä suodattimelle käyttäen apuna lasisauvaa ja pesupulloa. Saostuma pestään kloridittomaksi (eli  se ei enää sisällä Cl- -ioneja) NH4NO3-liuoksella ja lopuksi vedellä (todetaan AgNO3-liuoksella: pisara AgNO3-liuosta ja muutama pisara suodatinpaperin läpi tullutta pesuliuosta koeputkessa → valkoinen sakka osoittaa vielä kloridia olevan läpi tulleessa pesuliuoksessa, jolloin pesua on vielä jatkettava).

Suodatinpaperien yläosat molemmissa suodatuksissa taitetaan siten, että saostumat jäävät suljettuihin nyytteihin. Kumpikin paperinyytti asetetaan vakiopainoon saatettuun posliiniupokkaaseensa ja kuivataan lämpökaapissa 110oC:ssa. Sen jälkeen kumpikin upokas peitetään kannella, asetetaan vuorollaan hehkutuskolmioon kolmijalan varaan ja kuumennetaan varovasti Bunsen-polttimen kaasuliekillä. Tällöin paperi hiiltyy palamalla. Kun hiiltyminen on täydellistä, kuumennetaan jäännöstä suuremmalla liekillä, kunnes hiili palaa pois. Upokas on tällöin ilman kantta kolmiossa hieman kaltevassa asennossa, jolloin ilman happi pääsee paremmin kosketuksiin hiilen kanssa.

Suodatinpaperin hiiltäminen upokkaassa

Lopuksi upokasta hehkutetaan uunissa 800oC:ssa n. 30 min. Uunista upokas nostetaan keraamiselle alustalle (10 min) ja sitten eksikaattoriin jäähtymään (tarkasti 20 min) ja lopuksi punnitaan upokas+sakka. Hehkutus toistetaan niin kauan, kunnes upokas on vakiopainossa. Punnitustuloksena saadun Fe2O3-sakan painon perusteella lasketaan alkuperäisen näytteen raudan määrä.

Ellei suodatinpaperia hiilletä ja hiilen polttoa uunissa suoriteta huolellisesti, voi kolmen-arvoinen rauta pelkistyä kahdenarvoiseksi ioniksi (Fe2+) tai jopa metalliseksi raudaksi jäännöshiilen vaikutuksesta.

Tulokset:

Punnitustulokset:

              

näyte	malmi 6,83 mg	malmin Cu-pitoisuus 3,424mg/g
QC-näyte	2,118	virheprosentti 15,2%