IChO 2017 · Theory problem 5
Phosphate and silicate in soil
Distribution and mobility of phosphorus in soil are usually studied by sequential extraction. Sequential extraction is performed by the use of acid or alkaline reagents to fractionate inorganic phosphorus in soil. Soil sample was extracted and analyzed as follows:
Part A. Determination of total phosphate (\(\ce{PO4^3-}\)) and silicate (\(\ce{SiO4^4-}\))
A 5.00 gram of soil sample is digested to give a final volume of 50.0 \(\mathrm{cm^3}\) digesting solution which dissolves total phosphorus and silicon. The extract is analyzed for the total concentrations of phosphorus and silicon. The concentrations of phosphorus and silicon are found to be 5.16 \(\mathrm{mg\,dm^{-3}}\) and 5.35 \(\mathrm{mg\,dm^{-3}}\), respectively.
5.1.1 Determine the mass of \(\ce{PO4^3-}\) in mg per 1.00 g of soil.
5.1.2 Determine the mass of \(\ce{PO4^3-}\) in mg per 1.00 g of soil.
Part B. Determination of available \(\ce{PO4^3-}\) in acid extract
Phosphate can be analyzed by using molybdenum blue method. One mole of phosphate is converted into one mole of molybdenum blue compound. This method is used for determination of phosphate in the acid extract. Absorbance (\(A\)) and transmittance (\(T\)) are recorded at 800 nm. The molar absorptivity of the molybdenum blue compound is 6720 \(\mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,cm^{-1}}\) and all measurement is carried out in a 1.00-cm cuvette.
Transmittance and absorbance are given by the following equations:
\[ T = I/I_{\mathrm{o}} \]
\[ A = \log(I_{\mathrm{o}}/I) \]
where \(I\) is the intensity of the transmitted light and \(I_{\mathrm{o}}\) is the intensity of the incident light.
5.2.1 When the sample containing high concentration of phosphate is analyzed, a reference solution of \(7.5\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\) of molybdenum blue compound is used for adjusting zero absorbance. The transmittance of the sample solution is then measured to be 0.55. Calculate the concentration of phosphate (\(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\)) in the sample solution.
Part C. Determination of \(\ce{PO4^3-}\) and \(\ce{SiO4^4-}\) in alkaline extract
Both phosphate and silicate ions can react with molybdate in alkaline solution, producing the yellow molybdophosphate and molybdatosilicate. Further reduction with ascorbic acid produces intense color molybdenum blue compounds. Both complexes exhibit maximum absorption at 800 nm. Addition of tartaric acid helps preventing interference from silicate in the determination of phosphate.
Two series of phosphate standard are treated with and without tartaric acid whereas a series of silicate standard is not treated with tartaric acid. Linear equations obtained from those calibration curves are as follows:
| Conditions | Linear equations |
|---|---|
| Phosphate with and without tartaric acid | \(y = 6720x_1\) |
| Silicate without tartaric acid | \(y = 868x_2\) |
\(y\) is absorbance at 800 nm,
\(x_1\) is concentration of phosphate as \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\),
\(x_2\) is concentration of silicate as \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\)
Absorbance at 800 nm of the alkaline fraction of the soil extract after treated with and without tartaric acid are 0.267 and 0.510, respectively.
5.3.1 Calculate the phosphate concentration in the alkaline soil extract in \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\) and calculate the corresponding phosphorus in \(\mathrm{mg\,dm^{-3}}\).
5.3.2 Calculate the silicate concentration from the soil sample in t the alkaline fraction in \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\) and calculate the corresponding silicon in \(\mathrm{mg\,dm^{-3}}\).
Part D. Preconcentration of ammonium phosphomolybdate
A 100 \(\mathrm{cm^3}\) of aqueous sample of ammonium phosphomolybdate (\(\ce{(NH4)3PMo12O40}\)) compound is extracted with 5.0 \(\mathrm{cm^3}\) of an organic solvent. The organic-water partition coefficient (\(K_{\mathrm{ow}}\)) is defined as the ratio of concentration of the compound in the organic phase (\(c_{\mathrm{o}}\)) to that in the water phase (\(c_{\mathrm{w}}\)). \(K_{\mathrm{ow}}\) of the ammonium phosphomolybdate is 5.0.
The molar absorptivity of ammonium phosphomolybdate in the organic phase is 5000 \(\mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,cm^{-1}}\).
5.4 If the absorbance in the organic phase is 0.200, calculate the total mass of phosphorus (in mg unit) in the original aqueous sample solution. The optical pathlength of the cuvette is 1.00 cm.
Official English text of the problem.
Answers
- 5.1.1: \(\boxed{0.158\ \mathrm{mg}}\) of phosphate, \(\ce{PO4^3-}\), per 1.00 g of soil.
- 5.1.2: As printed, \(\boxed{0.158\ \mathrm{mg}}\) of phosphate per 1.00 g of soil. If the intended species is silicate, \(\ce{SiO4^4-}\), the answer is \(\boxed{0.175\ \mathrm{mg}}\) per 1.00 g of soil.
- 5.2.1: \(\boxed{c(\ce{PO4^3-})=1.14\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\).
- 5.3.1: \(\boxed{c(\ce{PO4^3-})=3.97\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\), corresponding to \(\boxed{1.23\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}\) of phosphorus.
- 5.3.2: \(\boxed{c(\ce{SiO4^4-})=2.80\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\), corresponding to \(\boxed{7.86\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}\) of silicon.
- 5.4: \(\boxed{m(\ce{P})=0.031\ \mathrm{mg}}\) in the original aqueous sample.
Solution
The ions quantified are phosphate (orthophosphate), \(\ce{PO4^3-}\), SMILES O=P([O-])([O-])[O-], and orthosilicate, \(\ce{SiO4^4-}\), SMILES [O-][Si]([O-])([O-])[O-]. Both have tetrahedral arrangements of oxygen atoms around the central atom. The phosphate SMILES represents one localized Lewis structure; it does not convey resonance delocalization.
For mass conversions, use the standard atomic molar masses \[ M(\ce{P})=30.97,\qquad M(\ce{Si})=28.09,\qquad M(\ce{O})=16.00 \quad \mathrm{g\,mol^{-1}}. \] Thus, \[ M(\ce{PO4^3-})=94.97\ \mathrm{g\,mol^{-1}},\qquad M(\ce{SiO4^4-})=92.09\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
5.1.1
The digest volume is \[ 50.0\ \mathrm{cm^3}=0.0500\ \mathrm{dm^3}. \]
The phosphorus mass in the entire 5.00 g soil sample is \[ m(\ce{P}) =(5.16\ \mathrm{mg\,dm^{-3}})(0.0500\ \mathrm{dm^3}) =0.258\ \mathrm{mg}. \]
Each phosphate ion contains one phosphorus atom. Therefore, the phosphate mass per gram of soil is \[ \frac{m(\ce{PO4^3-})}{m_{\mathrm{soil}}} = \frac{0.258\ \mathrm{mg}}{5.00\ \mathrm{g}} \frac{94.97}{30.97} = \boxed{0.158\ \mathrm{mg\,g^{-1}}}. \]
5.1.2
Taken literally, this repeats 5.1.1, so the answer is again \[ \boxed{0.158\ \mathrm{mg\ of\ }\ce{PO4^3-}\mathrm{\ per\ }1.00\ \mathrm{g\ of\ soil}}. \]
If the intended question concerns silicate, the silicon mass in the digest is \[ m(\ce{Si}) =(5.35\ \mathrm{mg\,dm^{-3}})(0.0500\ \mathrm{dm^3}) =0.2675\ \mathrm{mg}. \]
Each orthosilicate ion contains one silicon atom, giving \[ \frac{m(\ce{SiO4^4-})}{m_{\mathrm{soil}}} = \frac{0.2675\ \mathrm{mg}}{5.00\ \mathrm{g}} \frac{92.09}{28.09} = \boxed{0.175\ \mathrm{mg\,g^{-1}}}. \]
5.2.1
Beer–Lambert’s law is \[ A=\varepsilon\ell c. \]
Because the instrument is zeroed against a solution containing molybdenum blue, the measured transmittance is the sample intensity divided by the reference intensity: \[ T_{\mathrm{meas}} =\frac{I_{\mathrm{sample}}}{I_{\mathrm{reference}}} =10^{-\varepsilon\ell(c_{\mathrm{sample}}-c_{\mathrm{reference}})}. \]
Consequently, \[ -\log_{10}T_{\mathrm{meas}} =\varepsilon\ell(c_{\mathrm{sample}}-c_{\mathrm{reference}}). \]
The measured absorbance difference is \[ \Delta A=-\log_{10}(0.55)=0.259637. \]
Hence, \[ \begin{aligned} c_{\mathrm{sample}} &=c_{\mathrm{reference}}+\frac{\Delta A}{\varepsilon\ell}\\ &=7.5\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}} +\frac{0.259637} {(6720\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,cm^{-1}})(1.00\ \mathrm{cm})}\\ &=1.13637\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \end{aligned} \]
The stated phosphate-to-molybdenum-blue conversion is 1:1, so \[ \boxed{c(\ce{PO4^3-})=1.14\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
5.3.1
Tartaric acid suppresses the silicate contribution while leaving the phosphate calibration unchanged. Thus, the absorbance with tartaric acid measures phosphate alone: \[ 0.267=6720c(\ce{PO4^3-}), \] where concentration is in \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\).
Therefore, \[ c(\ce{PO4^3-}) =\frac{0.267}{6720} =\boxed{3.97\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
There is one phosphorus atom per phosphate ion, so the corresponding phosphorus mass concentration is \[ \begin{aligned} \rho(\ce{P}) &=(3.97321\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (30.97\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) (1000\ \mathrm{mg\,g^{-1}})\\ &=\boxed{1.23\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}. \end{aligned} \]
5.3.2
Without tartaric acid, the two absorbance contributions add: \[ A_{\mathrm{without}} =6720c(\ce{PO4^3-})+868c(\ce{SiO4^4-}). \]
Subtracting the phosphate contribution gives \[ A_{\mathrm{silicate}}=0.510-0.267=0.243. \]
Thus, \[ c(\ce{SiO4^4-}) =\frac{0.243}{868} =\boxed{2.80\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
Each silicate ion contains one silicon atom: \[ \begin{aligned} \rho(\ce{Si}) &=(2.79954\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (28.09\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) (1000\ \mathrm{mg\,g^{-1}})\\ &=\boxed{7.86\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}. \end{aligned} \]
5.4
First determine the equilibrium concentration of ammonium phosphomolybdate in the organic phase: \[ c_{\mathrm{o}} =\frac{A}{\varepsilon\ell} =\frac{0.200} {(5000\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,cm^{-1}})(1.00\ \mathrm{cm})} =4.00\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Using the partition coefficient, \[ K_{\mathrm{ow}}=\frac{c_{\mathrm{o}}}{c_{\mathrm{w}}}=5.0, \] the concentration remaining in water is \[ c_{\mathrm{w}} =\frac{4.00\times10^{-5}}{5.0} =8.0\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Conservation of solute requires counting both phases: \[ \begin{aligned} n_{\mathrm{initial}} &=c_{\mathrm{o}}V_{\mathrm{o}}+c_{\mathrm{w}}V_{\mathrm{w}}\\ &=(4.00\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (0.0050\ \mathrm{dm^3})\\ &\quad +(8.0\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (0.100\ \mathrm{dm^3})\\ &=2.0\times10^{-7}+8.0\times10^{-7}\\ &=1.0\times10^{-6}\ \mathrm{mol}. \end{aligned} \]
Thus only 20% of the compound is extracted into the organic phase. Each formula unit of \(\ce{(NH4)3PMo12O40}\) contains one phosphorus atom, so \[ \begin{aligned} m(\ce{P}) &=(1.0\times10^{-6}\ \mathrm{mol}) (30.97\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) (1000\ \mathrm{mg\,g^{-1}})\\ &=0.03097\ \mathrm{mg}\\ &\approx\boxed{0.031\ \mathrm{mg}}. \end{aligned} \]
The solution was checked against the official solution.
IChO 2017 · Theorieaufgabe 5
Phosphat und Silicat im Boden
Die Verteilung und Mobilität von Phosphor im Boden werden üblicherweise durch sequenzielle Extraktion untersucht. Bei der sequenziellen Extraktion werden saure oder alkalische Reagenzien eingesetzt, um den anorganischen Phosphor im Boden zu fraktionieren. Eine Bodenprobe wurde wie folgt extrahiert und analysiert:
Teil A. Bestimmung des Gesamtgehalts an Phosphat (\(\ce{PO4^3-}\)) und Silicat (\(\ce{SiO4^4-}\))
Eine Bodenprobe von 5.00 Gramm wird aufgeschlossen, wobei eine Aufschlusslösung mit einem Endvolumen von 50.0 \(\mathrm{cm^3}\) erhalten wird, in der der gesamte Phosphor und das gesamte Silicium gelöst sind. Im Extrakt werden die Gesamtkonzentrationen von Phosphor und Silicium bestimmt. Die ermittelten Konzentrationen betragen 5.16 \(\mathrm{mg\,dm^{-3}}\) für Phosphor bzw. 5.35 \(\mathrm{mg\,dm^{-3}}\) für Silicium.
5.1.1 Bestimmen Sie die Masse an \(\ce{PO4^3-}\) in mg pro 1.00 g Boden.
5.1.2 Bestimmen Sie die Masse an \(\ce{PO4^3-}\) in mg pro 1.00 g Boden.
Teil B. Bestimmung des verfügbaren \(\ce{PO4^3-}\) im sauren Extrakt
Phosphat kann mithilfe der Molybdänblau-Methode bestimmt werden. Ein Mol Phosphat wird in ein Mol einer Molybdänblau-Verbindung umgewandelt. Diese Methode wird zur Bestimmung von Phosphat im sauren Extrakt verwendet. Die Absorbanz (\(A\)) und die Transmission (\(T\)) werden bei 800 nm gemessen. Der molare Absorptionskoeffizient der Molybdänblau-Verbindung beträgt 6720 \(\mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,cm^{-1}}\), und alle Messungen werden in einer Küvette mit einer Schichtdicke von 1.00 cm durchgeführt.
Transmission und Absorbanz sind durch die folgenden Gleichungen gegeben:
\[ T = I/I_{\mathrm{o}} \]
\[ A = \log(I_{\mathrm{o}}/I) \]
Dabei ist \(I\) die Intensität des durchgelassenen Lichts und \(I_{\mathrm{o}}\) die Intensität des einfallenden Lichts.
5.2.1 Bei der Analyse einer Probe mit hoher Phosphatkonzentration wird eine Referenzlösung mit einer Konzentration der Molybdänblau-Verbindung von \(7.5\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\) verwendet, um die Absorbanz auf null einzustellen. Anschließend wird für die Probenlösung eine Transmission von 0.55 gemessen. Berechnen Sie die Phosphatkonzentration (\(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\)) in der Probenlösung.
Teil C. Bestimmung von \(\ce{PO4^3-}\) und \(\ce{SiO4^4-}\) im alkalischen Extrakt
Sowohl Phosphat- als auch Silicat-Ionen können in alkalischer Lösung mit Molybdat reagieren, wobei gelbes Molybdophosphat bzw. Molybdatosilicat entsteht. Durch anschließende Reduktion mit Ascorbinsäure entstehen intensiv gefärbte Molybdänblau-Verbindungen. Beide Komplexe zeigen ein Absorptionsmaximum bei 800 nm. Die Zugabe von Weinsäure hilft, eine Störung durch Silicat bei der Phosphatbestimmung zu verhindern.
Zwei Reihen von Phosphatstandardlösungen werden mit bzw. ohne Weinsäure behandelt, während eine Reihe von Silicatstandardlösungen ohne Weinsäure behandelt wird. Aus diesen Kalibrierkurven werden die folgenden linearen Gleichungen erhalten:
| Bedingungen | Lineare Gleichungen |
|---|---|
| Phosphat mit und ohne Weinsäure | \(y = 6720x_1\) |
| Silicat ohne Weinsäure | \(y = 868x_2\) |
\(y\) ist die Absorbanz bei 800 nm,
\(x_1\) ist die Phosphatkonzentration in \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\),
\(x_2\) ist die Silicatkonzentration in \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\)
Die Absorbanz der alkalischen Fraktion des Bodenextrakts bei 800 nm beträgt nach Behandlung mit Weinsäure 0.267 und ohne Weinsäure 0.510.
5.3.1 Berechnen Sie die Phosphatkonzentration im alkalischen Bodenextrakt in \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\) und die entsprechende Phosphorkonzentration in \(\mathrm{mg\,dm^{-3}}\).
5.3.2 Berechnen Sie die Silicatkonzentration in der alkalischen Fraktion der Bodenprobe in \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\) und die entsprechende Siliciumkonzentration in \(\mathrm{mg\,dm^{-3}}\).
Teil D. Anreicherung von Ammoniumphosphomolybdat
Eine wässrige Probenlösung von Ammoniumphosphomolybdat (\(\ce{(NH4)3PMo12O40}\)) mit einem Volumen von 100 \(\mathrm{cm^3}\) wird mit 5.0 \(\mathrm{cm^3}\) eines organischen Lösungsmittels extrahiert. Der Verteilungskoeffizient zwischen organischer Phase und Wasser (\(K_{\mathrm{ow}}\)) ist als das Verhältnis der Konzentration der Verbindung in der organischen Phase (\(c_{\mathrm{o}}\)) zu derjenigen in der wässrigen Phase (\(c_{\mathrm{w}}\)) definiert. Für Ammoniumphosphomolybdat beträgt \(K_{\mathrm{ow}}\) 5.0.
Der molare Absorptionskoeffizient von Ammoniumphosphomolybdat in der organischen Phase beträgt 5000 \(\mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,cm^{-1}}\).
5.4 Berechnen Sie die Gesamtmasse an Phosphor (in mg) in der ursprünglichen wässrigen Probenlösung, wenn die Absorbanz in der organischen Phase 0.200 beträgt. Die optische Schichtdicke der Küvette beträgt 1.00 cm.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 5.1.1: \(\boxed{0.158\ \mathrm{mg}}\) Phosphat, \(\ce{PO4^3-}\), pro 1.00 g Boden.
- 5.1.2: Gemäß dem gedruckten Wortlaut \(\boxed{0.158\ \mathrm{mg}}\) Phosphat pro 1.00 g Boden. Falls die gemeinte Spezies Silicat, \(\ce{SiO4^4-}\), ist, lautet die Antwort \(\boxed{0.175\ \mathrm{mg}}\) pro 1.00 g Boden.
- 5.2.1: \(\boxed{c(\ce{PO4^3-})=1.14\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\).
- 5.3.1: \(\boxed{c(\ce{PO4^3-})=3.97\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\), entsprechend \(\boxed{1.23\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}\) Phosphor.
- 5.3.2: \(\boxed{c(\ce{SiO4^4-})=2.80\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\), entsprechend \(\boxed{7.86\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}\) Silicium.
- 5.4: \(\boxed{m(\ce{P})=0.031\ \mathrm{mg}}\) in der ursprünglichen wässrigen Probe.
Lösung
Die quantitativ bestimmten Ionen sind Phosphat (Orthophosphat), \(\ce{PO4^3-}\), SMILES O=P([O-])([O-])[O-], und Orthosilicat, \(\ce{SiO4^4-}\), SMILES [O-][Si]([O-])([O-])[O-]. Bei beiden sind die Sauerstoffatome tetraedrisch um das Zentralatom angeordnet. Die SMILES-Darstellung des Phosphats gibt eine lokalisierte Lewis-Struktur wieder; sie bildet die mesomere Delokalisierung nicht ab.
Für die Massenumrechnungen werden die folgenden molaren Standardatommassen verwendet: \[ M(\ce{P})=30.97,\qquad M(\ce{Si})=28.09,\qquad M(\ce{O})=16.00 \quad \mathrm{g\,mol^{-1}}. \] Damit gilt: \[ M(\ce{PO4^3-})=94.97\ \mathrm{g\,mol^{-1}},\qquad M(\ce{SiO4^4-})=92.09\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
5.1.1
Das Volumen der Aufschlusslösung beträgt \[ 50.0\ \mathrm{cm^3}=0.0500\ \mathrm{dm^3}. \]
Die Phosphormasse in der gesamten Bodenprobe von 5.00 g beträgt \[ m(\ce{P}) =(5.16\ \mathrm{mg\,dm^{-3}})(0.0500\ \mathrm{dm^3}) =0.258\ \mathrm{mg}. \]
Jedes Phosphat-Ion enthält ein Phosphoratom. Daher beträgt die Phosphatmasse pro Gramm Boden \[ \frac{m(\ce{PO4^3-})}{m_{\mathrm{soil}}} = \frac{0.258\ \mathrm{mg}}{5.00\ \mathrm{g}} \frac{94.97}{30.97} = \boxed{0.158\ \mathrm{mg\,g^{-1}}}. \]
5.1.2
Wörtlich genommen wiederholt diese Teilaufgabe 5.1.1, sodass die Antwort erneut lautet: \[ \boxed{0.158\ \mathrm{mg\ of\ }\ce{PO4^3-}\mathrm{\ per\ }1.00\ \mathrm{g\ of\ soil}}. \]
Falls sich die beabsichtigte Frage auf Silicat bezieht, beträgt die Siliciummasse in der Aufschlusslösung \[ m(\ce{Si}) =(5.35\ \mathrm{mg\,dm^{-3}})(0.0500\ \mathrm{dm^3}) =0.2675\ \mathrm{mg}. \]
Jedes Orthosilicat-Ion enthält ein Siliciumatom. Daraus ergibt sich \[ \frac{m(\ce{SiO4^4-})}{m_{\mathrm{soil}}} = \frac{0.2675\ \mathrm{mg}}{5.00\ \mathrm{g}} \frac{92.09}{28.09} = \boxed{0.175\ \mathrm{mg\,g^{-1}}}. \]
5.2.1
Das Lambert-Beer'sche Gesetz lautet \[ A=\varepsilon\ell c. \]
Da das Gerät gegen eine molybdänblauhaltige Lösung auf null eingestellt wird, ist die gemessene Transmission gleich der Lichtintensität nach Durchgang durch die Probe dividiert durch die Lichtintensität nach Durchgang durch die Referenzlösung: \[ T_{\mathrm{meas}} =\frac{I_{\mathrm{sample}}}{I_{\mathrm{reference}}} =10^{-\varepsilon\ell(c_{\mathrm{sample}}-c_{\mathrm{reference}})}. \]
Folglich gilt: \[ -\log_{10}T_{\mathrm{meas}} =\varepsilon\ell(c_{\mathrm{sample}}-c_{\mathrm{reference}}). \]
Die gemessene Absorbanzdifferenz beträgt \[ \Delta A=-\log_{10}(0.55)=0.259637. \]
Daraus folgt: \[ \begin{aligned} c_{\mathrm{sample}} &=c_{\mathrm{reference}}+\frac{\Delta A}{\varepsilon\ell}\\ &=7.5\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}} +\frac{0.259637} {(6720\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,cm^{-1}})(1.00\ \mathrm{cm})}\\ &=1.13637\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \end{aligned} \]
Die angegebene Umwandlung von Phosphat in Molybdänblau erfolgt im Verhältnis 1:1, sodass \[ \boxed{c(\ce{PO4^3-})=1.14\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
5.3.1
Weinsäure unterdrückt den Beitrag des Silicats, während die Phosphatkalibrierung unverändert bleibt. Die Absorbanz in Gegenwart von Weinsäure erfasst daher ausschließlich Phosphat: \[ 0.267=6720c(\ce{PO4^3-}), \] wobei die Konzentration in \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\) angegeben wird.
Daher gilt: \[ c(\ce{PO4^3-}) =\frac{0.267}{6720} =\boxed{3.97\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
Jedes Phosphat-Ion enthält ein Phosphoratom, sodass die entsprechende Massenkonzentration von Phosphor beträgt: \[ \begin{aligned} \rho(\ce{P}) &=(3.97321\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (30.97\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) (1000\ \mathrm{mg\,g^{-1}})\\ &=\boxed{1.23\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}. \end{aligned} \]
5.3.2
Ohne Weinsäure addieren sich die beiden Absorbanzbeiträge: \[ A_{\mathrm{without}} =6720c(\ce{PO4^3-})+868c(\ce{SiO4^4-}). \]
Durch Subtraktion des Phosphatbeitrags ergibt sich \[ A_{\mathrm{silicate}}=0.510-0.267=0.243. \]
Somit gilt: \[ c(\ce{SiO4^4-}) =\frac{0.243}{868} =\boxed{2.80\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
Jedes Silicat-Ion enthält ein Siliciumatom: \[ \begin{aligned} \rho(\ce{Si}) &=(2.79954\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (28.09\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) (1000\ \mathrm{mg\,g^{-1}})\\ &=\boxed{7.86\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}. \end{aligned} \]
5.4
Zunächst wird die Gleichgewichtskonzentration von Ammoniumphosphomolybdat in der organischen Phase bestimmt: \[ c_{\mathrm{o}} =\frac{A}{\varepsilon\ell} =\frac{0.200} {(5000\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,cm^{-1}})(1.00\ \mathrm{cm})} =4.00\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Mit dem Verteilungskoeffizienten \[ K_{\mathrm{ow}}=\frac{c_{\mathrm{o}}}{c_{\mathrm{w}}}=5.0, \] ergibt sich für die im Wasser verbleibende Konzentration \[ c_{\mathrm{w}} =\frac{4.00\times10^{-5}}{5.0} =8.0\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Die Stoffmengenbilanz des gelösten Stoffes erfordert die Berücksichtigung beider Phasen: \[ \begin{aligned} n_{\mathrm{initial}} &=c_{\mathrm{o}}V_{\mathrm{o}}+c_{\mathrm{w}}V_{\mathrm{w}}\\ &=(4.00\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (0.0050\ \mathrm{dm^3})\\ &\quad +(8.0\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (0.100\ \mathrm{dm^3})\\ &=2.0\times10^{-7}+8.0\times10^{-7}\\ &=1.0\times10^{-6}\ \mathrm{mol}. \end{aligned} \]
Somit werden nur 20% der Verbindung in die organische Phase extrahiert. Jede Formeleinheit von \(\ce{(NH4)3PMo12O40}\) enthält ein Phosphoratom, sodass \[ \begin{aligned} m(\ce{P}) &=(1.0\times10^{-6}\ \mathrm{mol}) (30.97\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) (1000\ \mathrm{mg\,g^{-1}})\\ &=0.03097\ \mathrm{mg}\\ &\approx\boxed{0.031\ \mathrm{mg}}. \end{aligned} \]
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 2017 · Teori sorusu 5
Toprakta fosfat ve silikat
Fosforun topraktaki dağılımı ve hareketliliği genellikle ardışık ekstraksiyonla incelenir. Ardışık ekstraksiyon, topraktaki inorganik fosforu fraksiyonlarına ayırmak için asidik veya bazik reaktifler kullanılarak gerçekleştirilir. Bir toprak örneği aşağıdaki şekilde ekstrakte edilmiş ve analiz edilmiştir:
Bölüm A. Toplam fosfat (\(\ce{PO4^3-}\)) ve silikat (\(\ce{SiO4^4-}\)) tayini
5.00 gramlık bir toprak örneği, fosfor ve silisyumun tamamını çözen ve son hacmi 50.0 \(\mathrm{cm^3}\) olan bir çözelti elde edilecek şekilde yaş yakma işlemine tabi tutulur. Ekstrakttaki toplam fosfor ve silisyum derişimleri analiz edilir. Fosfor ve silisyum derişimleri sırasıyla 5.16 \(\mathrm{mg\,dm^{-3}}\) ve 5.35 \(\mathrm{mg\,dm^{-3}}\) olarak bulunur.
5.1.1 1.00 g toprak başına \(\ce{PO4^3-}\) kütlesini mg cinsinden belirleyiniz.
5.1.2 1.00 g toprak başına \(\ce{PO4^3-}\) kütlesini mg cinsinden belirleyiniz.
Bölüm B. Asidik ekstraktta yararlanılabilir \(\ce{PO4^3-}\) tayini
Fosfat, molibden mavisi yöntemi kullanılarak analiz edilebilir. Bir mol fosfat, bir mol molibden mavisi bileşiğine dönüştürülür. Bu yöntem, asidik ekstrakttaki fosfatın tayini için kullanılır. Absorbans (\(A\)) ve geçirgenlik (\(T\)) 800 nm'de kaydedilir. Molibden mavisi bileşiğinin molar absorptivitesi 6720 \(\mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,cm^{-1}}\) olup tüm ölçümler 1.00 cm'lik bir küvette gerçekleştirilir.
Geçirgenlik ve absorbans aşağıdaki denklemlerle verilir:
\[ T = I/I_{\mathrm{o}} \]
\[ A = \log(I_{\mathrm{o}}/I) \]
Burada \(I\), geçen ışığın şiddeti; \(I_{\mathrm{o}}\) ise gelen ışığın şiddetidir.
5.2.1 Yüksek derişimde fosfat içeren bir örnek analiz edilirken absorbansı sıfıra ayarlamak için \(7.5\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\) derişiminde molibden mavisi bileşiği içeren bir referans çözeltisi kullanılır. Daha sonra örnek çözeltisinin geçirgenliği 0.55 olarak ölçülür. Örnek çözeltisindeki fosfat derişimini (\(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\)) hesaplayınız.
Bölüm C. Bazik ekstraktta \(\ce{PO4^3-}\) ve \(\ce{SiO4^4-}\) tayini
Hem fosfat hem de silikat iyonları bazik çözeltide molibdatla tepkimeye girerek sarı renkli molibdofosfat ve molibdatosilikat oluşturabilir. Ardından askorbik asitle indirgenmeleri, yoğun renkli molibden mavisi bileşiklerini oluşturur. Her iki kompleks de 800 nm'de maksimum absorpsiyon gösterir. Tartarik asit ilavesi, fosfat tayininde silikattan kaynaklanan girişimin önlenmesine yardımcı olur.
İki seri fosfat standardından biri tartarik asit varlığında, diğeri tartarik asit yokluğunda işleme tabi tutulurken bir seri silikat standardı tartarik asit eklenmeden işleme tabi tutulur. Bu kalibrasyon eğrilerinden elde edilen doğrusal denklemler aşağıdaki gibidir:
| Koşullar | Doğrusal denklemler |
|---|---|
| Tartarik asit varlığında ve yokluğunda fosfat | \(y = 6720x_1\) |
| Tartarik asit yokluğunda silikat | \(y = 868x_2\) |
\(y\), 800 nm'deki absorbanstır,
\(x_1\), \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\) cinsinden fosfat derişimidir,
\(x_2\), \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\) cinsinden silikat derişimidir.
Toprak ekstraktının bazik fraksiyonunun tartarik asit varlığında ve yokluğunda işleme tabi tutulduktan sonra 800 nm'deki absorbansları sırasıyla 0.267 ve 0.510'dur.
5.3.1 Bazik toprak ekstraktındaki fosfat derişimini \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\) cinsinden ve buna karşılık gelen fosfor derişimini \(\mathrm{mg\,dm^{-3}}\) cinsinden hesaplayınız.
5.3.2 Toprak örneğinin bazik fraksiyonundaki silikat derişimini \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\) cinsinden ve buna karşılık gelen silisyum derişimini \(\mathrm{mg\,dm^{-3}}\) cinsinden hesaplayınız.
Bölüm D. Amonyum fosfomolibdatın ön deriştirilmesi
Amonyum fosfomolibdat (\(\ce{(NH4)3PMo12O40}\)) bileşiği içeren 100 \(\mathrm{cm^3}\) hacmindeki sulu örnek, 5.0 \(\mathrm{cm^3}\) organik çözücü ile ekstrakte edilir. Organik faz–su dağılım katsayısı (\(K_{\mathrm{ow}}\)), bileşiğin organik fazdaki derişiminin (\(c_{\mathrm{o}}\)) su fazındaki derişimine (\(c_{\mathrm{w}}\)) oranı olarak tanımlanır. Amonyum fosfomolibdatın \(K_{\mathrm{ow}}\) değeri 5.0'dır.
Amonyum fosfomolibdatın organik fazdaki molar absorptivitesi 5000 \(\mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,cm^{-1}}\)'dir.
5.4 Organik fazdaki absorbans 0.200 ise başlangıçtaki sulu örnek çözeltisinde bulunan toplam fosfor kütlesini (mg biriminde) hesaplayınız. Küvetin optik yol uzunluğu 1.00 cm'dir.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 5.1.1: 1.00 g toprak başına \(\boxed{0.158\ \mathrm{mg}}\) fosfat, \(\ce{PO4^3-}\).
- 5.1.2: Basılı hâliyle, 1.00 g toprak başına \(\boxed{0.158\ \mathrm{mg}}\) fosfat. Kastedilen tür silikat, \(\ce{SiO4^4-}\), ise cevap 1.00 g toprak başına \(\boxed{0.175\ \mathrm{mg}}\)'dır.
- 5.2.1: \(\boxed{c(\ce{PO4^3-})=1.14\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\).
- 5.3.1: \(\boxed{c(\ce{PO4^3-})=3.97\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\); bu, \(\boxed{1.23\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}\) fosfora karşılık gelir.
- 5.3.2: \(\boxed{c(\ce{SiO4^4-})=2.80\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\); bu, \(\boxed{7.86\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}\) silisyuma karşılık gelir.
- 5.4: Başlangıçtaki sulu örnekte \(\boxed{m(\ce{P})=0.031\ \mathrm{mg}}\).
Çözüm
Miktarları belirlenen iyonlar fosfat (ortofosfat), \(\ce{PO4^3-}\), SMILES O=P([O-])([O-])[O-], ve ortosilikat, \(\ce{SiO4^4-}\), SMILES [O-][Si]([O-])([O-])[O-], iyonlarıdır. Her ikisinde de oksijen atomları merkez atomun çevresinde tetrahedral olarak düzenlenmiştir. Fosfatın SMILES gösterimi, yerelleşmiş bir Lewis yapısını temsil eder; rezonans delokalizasyonunu yansıtmaz.
Kütle dönüşümleri için standart atomik molar kütleleri kullanınız: \[ M(\ce{P})=30.97,\qquad M(\ce{Si})=28.09,\qquad M(\ce{O})=16.00 \quad \mathrm{g\,mol^{-1}}. \] Böylece, \[ M(\ce{PO4^3-})=94.97\ \mathrm{g\,mol^{-1}},\qquad M(\ce{SiO4^4-})=92.09\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
5.1.1
Yaş yakma sonucunda elde edilen çözeltinin hacmi \[ 50.0\ \mathrm{cm^3}=0.0500\ \mathrm{dm^3}. \]
5.00 g'lık toprak örneğinin tamamındaki fosfor kütlesi \[ m(\ce{P}) =(5.16\ \mathrm{mg\,dm^{-3}})(0.0500\ \mathrm{dm^3}) =0.258\ \mathrm{mg}. \]
Her fosfat iyonu bir fosfor atomu içerir. Dolayısıyla, bir gram toprak başına fosfat kütlesi \[ \frac{m(\ce{PO4^3-})}{m_{\mathrm{soil}}} = \frac{0.258\ \mathrm{mg}}{5.00\ \mathrm{g}} \frac{94.97}{30.97} = \boxed{0.158\ \mathrm{mg\,g^{-1}}}. \]
5.1.2
Yazıldığı şekliyle ele alındığında bu soru 5.1.1'i tekrarlar; dolayısıyla cevap yine \[ \boxed{0.158\ \mathrm{mg\ of\ }\ce{PO4^3-}\mathrm{\ per\ }1.00\ \mathrm{g\ of\ soil}}. \]
Kastedilen soru silikatla ilgiliyse yaş yakma sonucunda elde edilen çözeltideki silisyum kütlesi \[ m(\ce{Si}) =(5.35\ \mathrm{mg\,dm^{-3}})(0.0500\ \mathrm{dm^3}) =0.2675\ \mathrm{mg}. \]
Her ortosilikat iyonu bir silisyum atomu içerir; buradan \[ \frac{m(\ce{SiO4^4-})}{m_{\mathrm{soil}}} = \frac{0.2675\ \mathrm{mg}}{5.00\ \mathrm{g}} \frac{92.09}{28.09} = \boxed{0.175\ \mathrm{mg\,g^{-1}}}. \]
5.2.1
Beer–Lambert yasası şöyledir: \[ A=\varepsilon\ell c. \]
Cihaz, molibden mavisi içeren bir çözeltiye karşı sıfırlandığı için ölçülen geçirgenlik, örnekten geçen ışığın şiddetinin referanstan geçen ışığın şiddetine oranıdır: \[ T_{\mathrm{meas}} =\frac{I_{\mathrm{sample}}}{I_{\mathrm{reference}}} =10^{-\varepsilon\ell(c_{\mathrm{sample}}-c_{\mathrm{reference}})}. \]
Bunun sonucunda, \[ -\log_{10}T_{\mathrm{meas}} =\varepsilon\ell(c_{\mathrm{sample}}-c_{\mathrm{reference}}). \]
Ölçülen absorbans farkı \[ \Delta A=-\log_{10}(0.55)=0.259637. \]
Dolayısıyla, \[ \begin{aligned} c_{\mathrm{sample}} &=c_{\mathrm{reference}}+\frac{\Delta A}{\varepsilon\ell}\\ &=7.5\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}} +\frac{0.259637} {(6720\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,cm^{-1}})(1.00\ \mathrm{cm})}\\ &=1.13637\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \end{aligned} \]
Belirtilen fosfattan molibden mavisine dönüşüm oranı 1:1 olduğundan \[ \boxed{c(\ce{PO4^3-})=1.14\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
5.3.1
Tartarik asit, fosfat kalibrasyonunu değiştirmeden silikatın katkısını baskılar. Bu nedenle tartarik asit varlığındaki absorbans yalnızca fosfatı ölçer: \[ 0.267=6720c(\ce{PO4^3-}), \] burada derişim \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\) cinsindendir.
Dolayısıyla, \[ c(\ce{PO4^3-}) =\frac{0.267}{6720} =\boxed{3.97\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
Her fosfat iyonunda bir fosfor atomu bulunduğundan buna karşılık gelen fosforun kütle derişimi \[ \begin{aligned} \rho(\ce{P}) &=(3.97321\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (30.97\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) (1000\ \mathrm{mg\,g^{-1}})\\ &=\boxed{1.23\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}. \end{aligned} \]
5.3.2
Tartarik asit yokluğunda iki absorbans katkısı toplanır: \[ A_{\mathrm{without}} =6720c(\ce{PO4^3-})+868c(\ce{SiO4^4-}). \]
Fosfatın katkısı çıkarıldığında \[ A_{\mathrm{silicate}}=0.510-0.267=0.243. \]
Böylece, \[ c(\ce{SiO4^4-}) =\frac{0.243}{868} =\boxed{2.80\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
Her silikat iyonu bir silisyum atomu içerir: \[ \begin{aligned} \rho(\ce{Si}) &=(2.79954\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (28.09\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) (1000\ \mathrm{mg\,g^{-1}})\\ &=\boxed{7.86\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}. \end{aligned} \]
5.4
Önce amonyum fosfomolibdatın organik fazdaki denge derişimini belirleyiniz: \[ c_{\mathrm{o}} =\frac{A}{\varepsilon\ell} =\frac{0.200} {(5000\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,cm^{-1}})(1.00\ \mathrm{cm})} =4.00\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Dağılım katsayısı kullanılarak, \[ K_{\mathrm{ow}}=\frac{c_{\mathrm{o}}}{c_{\mathrm{w}}}=5.0, \] suda kalan bileşiğin derişimi bulunur: \[ c_{\mathrm{w}} =\frac{4.00\times10^{-5}}{5.0} =8.0\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Çözünen maddenin korunumu, her iki fazın da hesaba katılmasını gerektirir: \[ \begin{aligned} n_{\mathrm{initial}} &=c_{\mathrm{o}}V_{\mathrm{o}}+c_{\mathrm{w}}V_{\mathrm{w}}\\ &=(4.00\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (0.0050\ \mathrm{dm^3})\\ &\quad +(8.0\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (0.100\ \mathrm{dm^3})\\ &=2.0\times10^{-7}+8.0\times10^{-7}\\ &=1.0\times10^{-6}\ \mathrm{mol}. \end{aligned} \]
Böylece bileşiğin yalnızca %20'si organik faza ekstrakte edilir. Her \(\ce{(NH4)3PMo12O40}\) formül birimi bir fosfor atomu içerdiğinden \[ \begin{aligned} m(\ce{P}) &=(1.0\times10^{-6}\ \mathrm{mol}) (30.97\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) (1000\ \mathrm{mg\,g^{-1}})\\ &=0.03097\ \mathrm{mg}\\ &\approx\boxed{0.031\ \mathrm{mg}}. \end{aligned} \]
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 2017 · Problema teórico 5
Fosfato y silicato en el suelo
La distribución y la movilidad del fósforo en el suelo suelen estudiarse mediante extracción secuencial. La extracción secuencial se lleva a cabo utilizando reactivos ácidos o alcalinos para fraccionar el fósforo inorgánico del suelo. Se realizó la extracción y el análisis de una muestra de suelo de la siguiente manera:
Parte A. Determinación del fosfato (\(\ce{PO4^3-}\)) y del silicato (\(\ce{SiO4^4-}\)) totales
Se somete una muestra de suelo de 5.00 gramos a digestión hasta obtener un volumen final de 50.0 \(\mathrm{cm^3}\) de disolución de digestión, en la que se disuelven todo el fósforo y todo el silicio. Se analiza el extracto para determinar las concentraciones totales de fósforo y silicio. Se obtiene que las concentraciones de fósforo y silicio son 5.16 \(\mathrm{mg\,dm^{-3}}\) y 5.35 \(\mathrm{mg\,dm^{-3}}\), respectivamente.
5.1.1 Determine la masa de \(\ce{PO4^3-}\) en mg por cada 1.00 g de suelo.
5.1.2 Determine la masa de \(\ce{PO4^3-}\) en mg por cada 1.00 g de suelo.
Parte B. Determinación del \(\ce{PO4^3-}\) disponible en el extracto ácido
El fosfato puede analizarse mediante el método del azul de molibdeno. Un mol de fosfato se convierte en un mol del compuesto azul de molibdeno. Este método se utiliza para determinar el fosfato en el extracto ácido. La absorbancia (\(A\)) y la transmitancia (\(T\)) se registran a 800 nm. La absortividad molar del compuesto azul de molibdeno es 6720 \(\mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,cm^{-1}}\) y todas las mediciones se realizan en una cubeta de 1.00 cm.
La transmitancia y la absorbancia vienen dadas por las siguientes ecuaciones:
\[ T = I/I_{\mathrm{o}} \]
\[ A = \log(I_{\mathrm{o}}/I) \]
donde \(I\) es la intensidad de la luz transmitida e \(I_{\mathrm{o}}\) es la intensidad de la luz incidente.
5.2.1 Cuando se analiza una muestra que contiene una concentración elevada de fosfato, se utiliza una disolución de referencia de \(7.5\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\) del compuesto azul de molibdeno para ajustar la absorbancia a cero. A continuación, se mide la transmitancia de la disolución de la muestra y se obtiene un valor de 0.55. Calcule la concentración de fosfato (\(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\)) en la disolución de la muestra.
Parte C. Determinación de \(\ce{PO4^3-}\) y \(\ce{SiO4^4-}\) en el extracto alcalino
Tanto los iones fosfato como los iones silicato pueden reaccionar con el molibdato en disolución alcalina, produciendo molibdofosfato y molibdatosilicato de color amarillo. La posterior reducción con ácido ascórbico produce compuestos de azul de molibdeno de color intenso. Ambos complejos presentan un máximo de absorción a 800 nm. La adición de ácido tartárico ayuda a evitar la interferencia del silicato en la determinación del fosfato.
Se preparan dos series de disoluciones patrón de fosfato, una tratada con ácido tartárico y otra sin él, mientras que una serie de disoluciones patrón de silicato no se trata con ácido tartárico. Las ecuaciones lineales obtenidas a partir de esas curvas de calibración son las siguientes:
| Condiciones | Ecuaciones lineales |
|---|---|
| Fosfato con y sin ácido tartárico | \(y = 6720x_1\) |
| Silicato sin ácido tartárico | \(y = 868x_2\) |
\(y\) es la absorbancia a 800 nm,
\(x_1\) es la concentración de fosfato en \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\),
\(x_2\) es la concentración de silicato en \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\)
Las absorbancias a 800 nm de la fracción alcalina del extracto de suelo tras el tratamiento con y sin ácido tartárico son 0.267 y 0.510, respectivamente.
5.3.1 Calcule la concentración de fosfato en el extracto alcalino del suelo en \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\) y calcule la concentración correspondiente de fósforo en \(\mathrm{mg\,dm^{-3}}\).
5.3.2 Calcule la concentración de silicato de la muestra de suelo en la fracción alcalina en \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\) y calcule la concentración correspondiente de silicio en \(\mathrm{mg\,dm^{-3}}\).
Parte D. Preconcentración del fosfomolibdato de amonio
Se extraen 100 \(\mathrm{cm^3}\) de una muestra acuosa del compuesto fosfomolibdato de amonio (\(\ce{(NH4)3PMo12O40}\)) con 5.0 \(\mathrm{cm^3}\) de un disolvente orgánico. El coeficiente de reparto entre la fase orgánica y el agua (\(K_{\mathrm{ow}}\)) se define como el cociente entre la concentración del compuesto en la fase orgánica (\(c_{\mathrm{o}}\)) y su concentración en la fase acuosa (\(c_{\mathrm{w}}\)). El \(K_{\mathrm{ow}}\) del fosfomolibdato de amonio es 5.0.
La absortividad molar del fosfomolibdato de amonio en la fase orgánica es 5000 \(\mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,cm^{-1}}\).
5.4 Si la absorbancia en la fase orgánica es 0.200, calcule la masa total de fósforo (en mg) en la disolución acuosa original de la muestra. La longitud del trayecto óptico de la cubeta es 1.00 cm.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 5.1.1: \(\boxed{0.158\ \mathrm{mg}}\) de fosfato, \(\ce{PO4^3-}\), por cada 1.00 g de suelo.
- 5.1.2: Según el enunciado impreso, \(\boxed{0.158\ \mathrm{mg}}\) de fosfato por cada 1.00 g de suelo. Si la especie a la que se pretendía hacer referencia es el silicato, \(\ce{SiO4^4-}\), la respuesta es \(\boxed{0.175\ \mathrm{mg}}\) por cada 1.00 g de suelo.
- 5.2.1: \(\boxed{c(\ce{PO4^3-})=1.14\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\).
- 5.3.1: \(\boxed{c(\ce{PO4^3-})=3.97\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\), que corresponde a \(\boxed{1.23\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}\) de fósforo.
- 5.3.2: \(\boxed{c(\ce{SiO4^4-})=2.80\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\), que corresponde a \(\boxed{7.86\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}\) de silicio.
- 5.4: \(\boxed{m(\ce{P})=0.031\ \mathrm{mg}}\) en la muestra acuosa original.
Solución
Los iones que se cuantifican son el fosfato (ortofosfato), \(\ce{PO4^3-}\), SMILES O=P([O-])([O-])[O-], y el ortosilicato, \(\ce{SiO4^4-}\), SMILES [O-][Si]([O-])([O-])[O-]. Ambos presentan disposiciones tetraédricas de los átomos de oxígeno alrededor del átomo central. El SMILES del fosfato representa una estructura de Lewis localizada; no refleja la deslocalización por resonancia.
Para las conversiones de masa, se utilizan las masas molares atómicas estándar \[ M(\ce{P})=30.97,\qquad M(\ce{Si})=28.09,\qquad M(\ce{O})=16.00 \quad \mathrm{g\,mol^{-1}}. \] Por tanto, \[ M(\ce{PO4^3-})=94.97\ \mathrm{g\,mol^{-1}},\qquad M(\ce{SiO4^4-})=92.09\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
5.1.1
El volumen de la disolución obtenida por digestión es \[ 50.0\ \mathrm{cm^3}=0.0500\ \mathrm{dm^3}. \]
La masa de fósforo en la totalidad de la muestra de suelo de 5.00 g es \[ m(\ce{P}) =(5.16\ \mathrm{mg\,dm^{-3}})(0.0500\ \mathrm{dm^3}) =0.258\ \mathrm{mg}. \]
Cada ion fosfato contiene un átomo de fósforo. Por tanto, la masa de fosfato por gramo de suelo es \[ \frac{m(\ce{PO4^3-})}{m_{\mathrm{soil}}} = \frac{0.258\ \mathrm{mg}}{5.00\ \mathrm{g}} \frac{94.97}{30.97} = \boxed{0.158\ \mathrm{mg\,g^{-1}}}. \]
5.1.2
Tomado literalmente, este apartado repite el 5.1.1, por lo que la respuesta vuelve a ser \[ \boxed{0.158\ \mathrm{mg\ of\ }\ce{PO4^3-}\mathrm{\ per\ }1.00\ \mathrm{g\ of\ soil}}. \]
Si la pregunta pretendía referirse al silicato, la masa de silicio en la disolución obtenida por digestión es \[ m(\ce{Si}) =(5.35\ \mathrm{mg\,dm^{-3}})(0.0500\ \mathrm{dm^3}) =0.2675\ \mathrm{mg}. \]
Cada ion ortosilicato contiene un átomo de silicio, lo que da \[ \frac{m(\ce{SiO4^4-})}{m_{\mathrm{soil}}} = \frac{0.2675\ \mathrm{mg}}{5.00\ \mathrm{g}} \frac{92.09}{28.09} = \boxed{0.175\ \mathrm{mg\,g^{-1}}}. \]
5.2.1
La ley de Beer–Lambert es \[ A=\varepsilon\ell c. \]
Como el instrumento se ajusta a cero frente a una disolución que contiene azul de molibdeno, la transmitancia medida es la intensidad de la muestra dividida entre la intensidad de la referencia: \[ T_{\mathrm{meas}} =\frac{I_{\mathrm{sample}}}{I_{\mathrm{reference}}} =10^{-\varepsilon\ell(c_{\mathrm{sample}}-c_{\mathrm{reference}})}. \]
En consecuencia, \[ -\log_{10}T_{\mathrm{meas}} =\varepsilon\ell(c_{\mathrm{sample}}-c_{\mathrm{reference}}). \]
La diferencia de absorbancia medida es \[ \Delta A=-\log_{10}(0.55)=0.259637. \]
Por consiguiente, \[ \begin{aligned} c_{\mathrm{sample}} &=c_{\mathrm{reference}}+\frac{\Delta A}{\varepsilon\ell}\\ &=7.5\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}} +\frac{0.259637} {(6720\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,cm^{-1}})(1.00\ \mathrm{cm})}\\ &=1.13637\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \end{aligned} \]
La conversión indicada de fosfato a azul de molibdeno es 1:1, por lo que \[ \boxed{c(\ce{PO4^3-})=1.14\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
5.3.1
El ácido tartárico suprime la contribución del silicato sin alterar la calibración del fosfato. Por tanto, la absorbancia en presencia de ácido tartárico mide únicamente el fosfato: \[ 0.267=6720c(\ce{PO4^3-}), \] donde la concentración se expresa en \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\).
Por tanto, \[ c(\ce{PO4^3-}) =\frac{0.267}{6720} =\boxed{3.97\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
Hay un átomo de fósforo por cada ion fosfato, por lo que la concentración másica correspondiente de fósforo es \[ \begin{aligned} \rho(\ce{P}) &=(3.97321\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (30.97\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) (1000\ \mathrm{mg\,g^{-1}})\\ &=\boxed{1.23\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}. \end{aligned} \]
5.3.2
En ausencia de ácido tartárico, las dos contribuciones a la absorbancia se suman: \[ A_{\mathrm{without}} =6720c(\ce{PO4^3-})+868c(\ce{SiO4^4-}). \]
Al restar la contribución del fosfato se obtiene \[ A_{\mathrm{silicate}}=0.510-0.267=0.243. \]
Por tanto, \[ c(\ce{SiO4^4-}) =\frac{0.243}{868} =\boxed{2.80\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
Cada ion silicato contiene un átomo de silicio: \[ \begin{aligned} \rho(\ce{Si}) &=(2.79954\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (28.09\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) (1000\ \mathrm{mg\,g^{-1}})\\ &=\boxed{7.86\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}. \end{aligned} \]
5.4
Primero se determina la concentración de equilibrio del fosfomolibdato de amonio en la fase orgánica: \[ c_{\mathrm{o}} =\frac{A}{\varepsilon\ell} =\frac{0.200} {(5000\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,cm^{-1}})(1.00\ \mathrm{cm})} =4.00\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Utilizando el coeficiente de reparto, \[ K_{\mathrm{ow}}=\frac{c_{\mathrm{o}}}{c_{\mathrm{w}}}=5.0, \] la concentración que permanece en el agua es \[ c_{\mathrm{w}} =\frac{4.00\times10^{-5}}{5.0} =8.0\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
La conservación del soluto exige contabilizar ambas fases: \[ \begin{aligned} n_{\mathrm{initial}} &=c_{\mathrm{o}}V_{\mathrm{o}}+c_{\mathrm{w}}V_{\mathrm{w}}\\ &=(4.00\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (0.0050\ \mathrm{dm^3})\\ &\quad +(8.0\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (0.100\ \mathrm{dm^3})\\ &=2.0\times10^{-7}+8.0\times10^{-7}\\ &=1.0\times10^{-6}\ \mathrm{mol}. \end{aligned} \]
Así pues, solo el 20% del compuesto se extrae a la fase orgánica. Cada unidad fórmula de \(\ce{(NH4)3PMo12O40}\) contiene un átomo de fósforo, por lo que \[ \begin{aligned} m(\ce{P}) &=(1.0\times10^{-6}\ \mathrm{mol}) (30.97\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) (1000\ \mathrm{mg\,g^{-1}})\\ &=0.03097\ \mathrm{mg}\\ &\approx\boxed{0.031\ \mathrm{mg}}. \end{aligned} \]
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 2017 · 理论题 5
土壤中的磷酸盐和硅酸盐
通常采用连续提取法研究磷在土壤中的分布和迁移性。连续提取法利用酸性或碱性试剂对土壤中的无机磷进行分级提取。对土壤样品进行如下提取和分析:
部分 A. 总磷酸盐(\(\ce{PO4^3-}\))和总硅酸盐(\(\ce{SiO4^4-}\))的测定
将 5.00 g 土壤样品消解,得到最终体积为 50.0 \(\mathrm{cm^3}\) 的消解液,其中溶解了全部的磷和硅。分析该提取液中磷和硅的总浓度。测得磷和硅的浓度分别为 5.16 \(\mathrm{mg\,dm^{-3}}\) 和 5.35 \(\mathrm{mg\,dm^{-3}}\)。
5.1.1 求每 1.00 g 土壤中 \(\ce{PO4^3-}\) 的质量,以 mg 为单位。
5.1.2 求每 1.00 g 土壤中 \(\ce{PO4^3-}\) 的质量,以 mg 为单位。
部分 B. 酸性提取液中有效态 \(\ce{PO4^3-}\) 的测定
磷酸盐可用钼蓝法分析。每摩尔磷酸盐转化为一摩尔钼蓝化合物。此方法用于测定酸性提取液中的磷酸盐。在 800 nm 处记录吸光度(\(A\))和透射比(\(T\))。钼蓝化合物的摩尔吸光系数为 6720 \(\mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,cm^{-1}}\),所有测量均使用光程为 1.00 cm 的比色皿进行。
透射比和吸光度由下列方程给出:
\[ T = I/I_{\mathrm{o}} \]
\[ A = \log(I_{\mathrm{o}}/I) \]
其中,\(I\) 为透射光强度,\(I_{\mathrm{o}}\) 为入射光强度。
5.2.1 分析含高浓度磷酸盐的样品时,使用钼蓝化合物浓度为 \(7.5\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\) 的参比溶液将吸光度调零。随后测得样品溶液的透射比为 0.55。计算样品溶液中磷酸盐的浓度(\(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\))。
部分 C. 碱性提取液中 \(\ce{PO4^3-}\) 和 \(\ce{SiO4^4-}\) 的测定
磷酸根离子和硅酸根离子均可在碱性溶液中与钼酸盐反应,生成黄色的磷钼酸盐和硅钼酸盐。用抗坏血酸进一步还原,可生成颜色浓烈的钼蓝化合物。两种配合物均在 800 nm 处具有最大吸收。加入酒石酸有助于防止硅酸盐对磷酸盐测定的干扰。
对两组磷酸盐标准溶液分别进行加入酒石酸和不加入酒石酸的处理,另有一组硅酸盐标准溶液不加入酒石酸。由这些校准曲线得到的线性方程如下:
| 条件 | 线性方程 |
|---|---|
| 加入和不加入酒石酸的磷酸盐 | \(y = 6720x_1\) |
| 不加入酒石酸的硅酸盐 | \(y = 868x_2\) |
\(y\) 为 800 nm 处的吸光度,
\(x_1\) 为磷酸盐的浓度,单位为 \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\),
\(x_2\) 为硅酸盐的浓度,单位为 \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\)
土壤的碱性提取液经加入酒石酸和不加入酒石酸处理后,在 800 nm 处的吸光度分别为 0.267 和 0.510。
5.3.1 计算土壤碱性提取液中磷酸盐的浓度,以 \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\) 为单位,并计算相应的磷含量,以 \(\mathrm{mg\,dm^{-3}}\) 为单位。
5.3.2 计算土壤样品碱性提取部分中硅酸盐的浓度,以 \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\) 为单位,并计算相应的硅含量,以 \(\mathrm{mg\,dm^{-3}}\) 为单位。
部分 D. 磷钼酸铵的预富集
用 5.0 \(\mathrm{cm^3}\) 有机溶剂萃取 100 \(\mathrm{cm^3}\) 磷钼酸铵(\(\ce{(NH4)3PMo12O40}\))水溶液样品。有机相–水相分配系数(\(K_{\mathrm{ow}}\))定义为该化合物在有机相中的浓度(\(c_{\mathrm{o}}\))与其在水相中的浓度(\(c_{\mathrm{w}}\))之比。磷钼酸铵的 \(K_{\mathrm{ow}}\) 为 5.0。
磷钼酸铵在有机相中的摩尔吸光系数为 5000 \(\mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,cm^{-1}}\)。
5.4 若有机相的吸光度为 0.200,计算原水溶液样品中磷的总质量(以 mg 为单位)。比色皿的光程为 1.00 cm。
题目译自官方英文原文。
答案
- 5.1.1: 每 1.00 g 土壤中含有 \(\boxed{0.158\ \mathrm{mg}}\) 磷酸根,\(\ce{PO4^3-}\)。
- 5.1.2: 按题目所印内容,每 1.00 g 土壤中含有 \(\boxed{0.158\ \mathrm{mg}}\) 磷酸根。若题目原本意指硅酸根,\(\ce{SiO4^4-}\),则答案为每 1.00 g 土壤中含有 \(\boxed{0.175\ \mathrm{mg}}\)。
- 5.2.1: \(\boxed{c(\ce{PO4^3-})=1.14\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\)。
- 5.3.1: \(\boxed{c(\ce{PO4^3-})=3.97\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\),相应的磷含量为 \(\boxed{1.23\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}\)。
- 5.3.2: \(\boxed{c(\ce{SiO4^4-})=2.80\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\),相应的硅含量为 \(\boxed{7.86\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}\)。
- 5.4: 原水溶液样品中 \(\boxed{m(\ce{P})=0.031\ \mathrm{mg}}\)。
解答
所测定的离子为磷酸根(正磷酸根),\(\ce{PO4^3-}\),SMILES 为 O=P([O-])([O-])[O-],以及正硅酸根,\(\ce{SiO4^4-}\),SMILES 为 [O-][Si]([O-])([O-])[O-]。两者的氧原子均以四面体构型排列在中心原子周围。磷酸根的 SMILES 表示一个定域的路易斯结构,并未体现共振离域。
进行质量换算时,采用下列标准原子摩尔质量: \[ M(\ce{P})=30.97,\qquad M(\ce{Si})=28.09,\qquad M(\ce{O})=16.00 \quad \mathrm{g\,mol^{-1}}. \] 因此, \[ M(\ce{PO4^3-})=94.97\ \mathrm{g\,mol^{-1}},\qquad M(\ce{SiO4^4-})=92.09\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
5.1.1
消解液的体积为 \[ 50.0\ \mathrm{cm^3}=0.0500\ \mathrm{dm^3}. \]
整份 5.00 g 土壤样品中的磷质量为 \[ m(\ce{P}) =(5.16\ \mathrm{mg\,dm^{-3}})(0.0500\ \mathrm{dm^3}) =0.258\ \mathrm{mg}. \]
每个磷酸根离子含有一个磷原子。因此,每克土壤中的磷酸根质量为 \[ \frac{m(\ce{PO4^3-})}{m_{\mathrm{soil}}} = \frac{0.258\ \mathrm{mg}}{5.00\ \mathrm{g}} \frac{94.97}{30.97} = \boxed{0.158\ \mathrm{mg\,g^{-1}}}. \]
5.1.2
按字面理解,本问与 5.1.1 重复,因此答案仍为 \[ \boxed{0.158\ \mathrm{mg\ of\ }\ce{PO4^3-}\mathrm{\ per\ }1.00\ \mathrm{g\ of\ soil}}. \]
如果题目原本要问的是硅酸根,则消解液中硅的质量为 \[ m(\ce{Si}) =(5.35\ \mathrm{mg\,dm^{-3}})(0.0500\ \mathrm{dm^3}) =0.2675\ \mathrm{mg}. \]
每个正硅酸根离子含有一个硅原子,因此 \[ \frac{m(\ce{SiO4^4-})}{m_{\mathrm{soil}}} = \frac{0.2675\ \mathrm{mg}}{5.00\ \mathrm{g}} \frac{92.09}{28.09} = \boxed{0.175\ \mathrm{mg\,g^{-1}}}. \]
5.2.1
朗伯–比尔定律为 \[ A=\varepsilon\ell c. \]
由于仪器使用含有钼蓝的溶液作为参比调零,测得的透射比等于样品的透射光强度除以参比溶液的透射光强度: \[ T_{\mathrm{meas}} =\frac{I_{\mathrm{sample}}}{I_{\mathrm{reference}}} =10^{-\varepsilon\ell(c_{\mathrm{sample}}-c_{\mathrm{reference}})}. \]
因此, \[ -\log_{10}T_{\mathrm{meas}} =\varepsilon\ell(c_{\mathrm{sample}}-c_{\mathrm{reference}}). \]
测得的吸光度差为 \[ \Delta A=-\log_{10}(0.55)=0.259637. \]
由此可得, \[ \begin{aligned} c_{\mathrm{sample}} &=c_{\mathrm{reference}}+\frac{\Delta A}{\varepsilon\ell}\\ &=7.5\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}} +\frac{0.259637} {(6720\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,cm^{-1}})(1.00\ \mathrm{cm})}\\ &=1.13637\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \end{aligned} \]
题目给出的磷酸盐与钼蓝之间的转化摩尔比为 1:1,因此 \[ \boxed{c(\ce{PO4^3-})=1.14\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
5.3.1
酒石酸抑制了硅酸盐对吸光度的贡献,而不改变磷酸盐的校准关系。因此,加入酒石酸后测得的吸光度仅反映磷酸盐: \[ 0.267=6720c(\ce{PO4^3-}), \] 其中浓度的单位为 \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\)。
因此, \[ c(\ce{PO4^3-}) =\frac{0.267}{6720} =\boxed{3.97\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
每个磷酸根离子含有一个磷原子,因此相应的磷质量浓度为 \[ \begin{aligned} \rho(\ce{P}) &=(3.97321\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (30.97\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) (1000\ \mathrm{mg\,g^{-1}})\\ &=\boxed{1.23\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}. \end{aligned} \]
5.3.2
不加入酒石酸时,两者对吸光度的贡献相加: \[ A_{\mathrm{without}} =6720c(\ce{PO4^3-})+868c(\ce{SiO4^4-}). \]
减去磷酸盐的贡献,得到 \[ A_{\mathrm{silicate}}=0.510-0.267=0.243. \]
因此, \[ c(\ce{SiO4^4-}) =\frac{0.243}{868} =\boxed{2.80\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
每个硅酸根离子含有一个硅原子: \[ \begin{aligned} \rho(\ce{Si}) &=(2.79954\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (28.09\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) (1000\ \mathrm{mg\,g^{-1}})\\ &=\boxed{7.86\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}. \end{aligned} \]
5.4
首先确定磷钼酸铵在有机相中的平衡浓度: \[ c_{\mathrm{o}} =\frac{A}{\varepsilon\ell} =\frac{0.200} {(5000\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,cm^{-1}})(1.00\ \mathrm{cm})} =4.00\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
利用分配系数, \[ K_{\mathrm{ow}}=\frac{c_{\mathrm{o}}}{c_{\mathrm{w}}}=5.0, \] 水中剩余的浓度为 \[ c_{\mathrm{w}} =\frac{4.00\times10^{-5}}{5.0} =8.0\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
根据溶质守恒,必须将两相中的溶质均计入: \[ \begin{aligned} n_{\mathrm{initial}} &=c_{\mathrm{o}}V_{\mathrm{o}}+c_{\mathrm{w}}V_{\mathrm{w}}\\ &=(4.00\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (0.0050\ \mathrm{dm^3})\\ &\quad +(8.0\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (0.100\ \mathrm{dm^3})\\ &=2.0\times10^{-7}+8.0\times10^{-7}\\ &=1.0\times10^{-6}\ \mathrm{mol}. \end{aligned} \]
因此,只有 20% 的该化合物被萃取到有机相中。每个 \(\ce{(NH4)3PMo12O40}\) 化学式单位含有一个磷原子,因此 \[ \begin{aligned} m(\ce{P}) &=(1.0\times10^{-6}\ \mathrm{mol}) (30.97\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) (1000\ \mathrm{mg\,g^{-1}})\\ &=0.03097\ \mathrm{mg}\\ &\approx\boxed{0.031\ \mathrm{mg}}. \end{aligned} \]
解答已与官方解答核对。
IChO 2017 · Теоретическая задача 5
Фосфаты и силикаты в почве
Распределение и подвижность фосфора в почве обычно изучают методом последовательной экстракции. Последовательную экстракцию проводят с использованием кислых или щелочных реагентов для разделения неорганического фосфора почвы на фракции. Образец почвы подвергли экстракции и проанализировали следующим образом:
Часть A. Определение общего содержания фосфатов (\(\ce{PO4^3-}\)) и силикатов (\(\ce{SiO4^4-}\))
Образец почвы массой 5.00 г подвергают разложению, получая раствор конечным объёмом 50.0 \(\mathrm{cm^3}\), в который переходят весь фосфор и весь кремний. В полученном экстракте определяют общие концентрации фосфора и кремния. Найденные концентрации фосфора и кремния составляют 5.16 \(\mathrm{mg\,dm^{-3}}\) и 5.35 \(\mathrm{mg\,dm^{-3}}\) соответственно.
5.1.1 Определите массу \(\ce{PO4^3-}\) в мг на 1.00 г почвы.
5.1.2 Определите массу \(\ce{PO4^3-}\) в мг на 1.00 г почвы.
Часть B. Определение доступного \(\ce{PO4^3-}\) в кислом экстракте
Фосфаты можно определять методом молибденовой сини. Один моль фосфата превращается в один моль соединения молибденовой сини. Этот метод используют для определения фосфатов в кислом экстракте. Оптическую плотность (\(A\)) и коэффициент пропускания (\(T\)) измеряют при 800 нм. Молярный коэффициент поглощения соединения молибденовой сини равен 6720 \(\mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,cm^{-1}}\), и все измерения проводят в кювете с длиной оптического пути 1.00 см.
Коэффициент пропускания и оптическая плотность определяются следующими уравнениями:
\[ T = I/I_{\mathrm{o}} \]
\[ A = \log(I_{\mathrm{o}}/I) \]
где \(I\) — интенсивность прошедшего света, а \(I_{\mathrm{o}}\) — интенсивность падающего света.
5.2.1 При анализе образца с высокой концентрацией фосфатов для установки нулевой оптической плотности используют раствор сравнения, содержащий \(7.5\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\) соединения молибденовой сини. Затем измеряют коэффициент пропускания раствора образца, который оказывается равным 0.55. Рассчитайте концентрацию фосфатов (\(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\)) в растворе образца.
Часть C. Определение \(\ce{PO4^3-}\) и \(\ce{SiO4^4-}\) в щелочном экстракте
Как фосфат-ионы, так и силикат-ионы могут реагировать с молибдатом в щелочном растворе с образованием жёлтых молибдофосфата и молибдосиликата. При дальнейшем восстановлении аскорбиновой кислотой образуются интенсивно окрашенные соединения молибденовой сини. Оба комплекса имеют максимум поглощения при 800 нм. Добавление винной кислоты позволяет предотвратить мешающее влияние силикатов при определении фосфатов.
Две серии стандартных растворов фосфатов обрабатывают с добавлением и без добавления винной кислоты, а серию стандартных растворов силикатов обрабатывают без добавления винной кислоты. Линейные уравнения, полученные по этим градуировочным графикам, приведены ниже:
| Условия | Линейные уравнения |
|---|---|
| Фосфаты с добавлением и без добавления винной кислоты | \(y = 6720x_1\) |
| Силикаты без добавления винной кислоты | \(y = 868x_2\) |
\(y\) — оптическая плотность при 800 нм,
\(x_1\) — концентрация фосфатов в \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\),
\(x_2\) — концентрация силикатов в \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\)
Оптическая плотность щелочной фракции почвенного экстракта при 800 нм после обработки с добавлением и без добавления винной кислоты составляет 0.267 и 0.510 соответственно.
5.3.1 Рассчитайте концентрацию фосфатов в щелочном почвенном экстракте в \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\) и соответствующую концентрацию фосфора в \(\mathrm{mg\,dm^{-3}}\).
5.3.2 Рассчитайте концентрацию силикатов из образца почвы в щелочной фракции в \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\) и соответствующую концентрацию кремния в \(\mathrm{mg\,dm^{-3}}\).
Часть D. Предварительное концентрирование фосфомолибдата аммония
Пробу водного раствора фосфомолибдата аммония (\(\ce{(NH4)3PMo12O40}\)) объёмом 100 \(\mathrm{cm^3}\) экстрагируют 5.0 \(\mathrm{cm^3}\) органического растворителя. Коэффициент распределения между органической и водной фазами (\(K_{\mathrm{ow}}\)) определяется как отношение концентрации соединения в органической фазе (\(c_{\mathrm{o}}\)) к его концентрации в водной фазе (\(c_{\mathrm{w}}\)). Для фосфомолибдата аммония \(K_{\mathrm{ow}}\) равен 5.0.
Молярный коэффициент поглощения фосфомолибдата аммония в органической фазе равен 5000 \(\mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,cm^{-1}}\).
5.4 Если оптическая плотность органической фазы равна 0.200, рассчитайте общую массу фосфора (в мг) в исходной пробе водного раствора. Длина оптического пути кюветы составляет 1.00 см.
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 5.1.1: \(\boxed{0.158\ \mathrm{mg}}\) фосфата, \(\ce{PO4^3-}\), на 1.00 г почвы.
- 5.1.2: Согласно напечатанному условию, \(\boxed{0.158\ \mathrm{mg}}\) фосфата на 1.00 г почвы. Если подразумевается силикат, \(\ce{SiO4^4-}\), ответ составляет \(\boxed{0.175\ \mathrm{mg}}\) на 1.00 г почвы.
- 5.2.1: \(\boxed{c(\ce{PO4^3-})=1.14\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\).
- 5.3.1: \(\boxed{c(\ce{PO4^3-})=3.97\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\), что соответствует \(\boxed{1.23\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}\) фосфора.
- 5.3.2: \(\boxed{c(\ce{SiO4^4-})=2.80\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\), что соответствует \(\boxed{7.86\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}\) кремния.
- 5.4: \(\boxed{m(\ce{P})=0.031\ \mathrm{mg}}\) в исходной водной пробе.
Решение
Количественно определяемые ионы — фосфат (ортофосфат), \(\ce{PO4^3-}\), SMILES O=P([O-])([O-])[O-], и ортосиликат, \(\ce{SiO4^4-}\), SMILES [O-][Si]([O-])([O-])[O-]. В обоих ионах атомы кислорода расположены тетраэдрически вокруг центрального атома. Запись SMILES для фосфата представляет одну локализованную структуру Льюиса; она не отражает резонансную делокализацию.
Для пересчёта масс используем стандартные молярные массы атомов \[ M(\ce{P})=30.97,\qquad M(\ce{Si})=28.09,\qquad M(\ce{O})=16.00 \quad \mathrm{g\,mol^{-1}}. \] Следовательно, \[ M(\ce{PO4^3-})=94.97\ \mathrm{g\,mol^{-1}},\qquad M(\ce{SiO4^4-})=92.09\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
5.1.1
Объём раствора после разложения составляет \[ 50.0\ \mathrm{cm^3}=0.0500\ \mathrm{dm^3}. \]
Масса фосфора во всём образце почвы массой 5.00 г равна \[ m(\ce{P}) =(5.16\ \mathrm{mg\,dm^{-3}})(0.0500\ \mathrm{dm^3}) =0.258\ \mathrm{mg}. \]
Каждый фосфат-ион содержит один атом фосфора. Поэтому масса фосфата в расчёте на грамм почвы равна \[ \frac{m(\ce{PO4^3-})}{m_{\mathrm{soil}}} = \frac{0.258\ \mathrm{mg}}{5.00\ \mathrm{g}} \frac{94.97}{30.97} = \boxed{0.158\ \mathrm{mg\,g^{-1}}}. \]
5.1.2
При буквальном прочтении этот пункт повторяет 5.1.1, поэтому ответ снова равен \[ \boxed{0.158\ \mathrm{mg\ of\ }\ce{PO4^3-}\mathrm{\ per\ }1.00\ \mathrm{g\ of\ soil}}. \]
Если в вопросе подразумевается силикат, масса кремния в растворе после разложения составляет \[ m(\ce{Si}) =(5.35\ \mathrm{mg\,dm^{-3}})(0.0500\ \mathrm{dm^3}) =0.2675\ \mathrm{mg}. \]
Каждый ортосиликат-ион содержит один атом кремния, откуда \[ \frac{m(\ce{SiO4^4-})}{m_{\mathrm{soil}}} = \frac{0.2675\ \mathrm{mg}}{5.00\ \mathrm{g}} \frac{92.09}{28.09} = \boxed{0.175\ \mathrm{mg\,g^{-1}}}. \]
5.2.1
Закон Бугера — Ламберта — Бера имеет вид \[ A=\varepsilon\ell c. \]
Поскольку прибор устанавливают на нуль по раствору, содержащему молибденовую синь, измеренный коэффициент пропускания равен отношению интенсивности света, прошедшего через образец, к интенсивности света, прошедшего через раствор сравнения: \[ T_{\mathrm{meas}} =\frac{I_{\mathrm{sample}}}{I_{\mathrm{reference}}} =10^{-\varepsilon\ell(c_{\mathrm{sample}}-c_{\mathrm{reference}})}. \]
Следовательно, \[ -\log_{10}T_{\mathrm{meas}} =\varepsilon\ell(c_{\mathrm{sample}}-c_{\mathrm{reference}}). \]
Измеренная разность оптических плотностей равна \[ \Delta A=-\log_{10}(0.55)=0.259637. \]
Отсюда \[ \begin{aligned} c_{\mathrm{sample}} &=c_{\mathrm{reference}}+\frac{\Delta A}{\varepsilon\ell}\\ &=7.5\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}} +\frac{0.259637} {(6720\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,cm^{-1}})(1.00\ \mathrm{cm})}\\ &=1.13637\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \end{aligned} \]
Согласно условию, превращение фосфата в молибденовую синь происходит в мольном отношении 1:1, поэтому \[ \boxed{c(\ce{PO4^3-})=1.14\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
5.3.1
Винная кислота подавляет вклад силикатов, не изменяя градуировочную зависимость для фосфатов. Поэтому оптическая плотность в присутствии винной кислоты определяется только фосфатами: \[ 0.267=6720c(\ce{PO4^3-}), \] где концентрация выражена в \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\).
Следовательно, \[ c(\ce{PO4^3-}) =\frac{0.267}{6720} =\boxed{3.97\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
На каждый фосфат-ион приходится один атом фосфора, поэтому соответствующая массовая концентрация фосфора равна \[ \begin{aligned} \rho(\ce{P}) &=(3.97321\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (30.97\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) (1000\ \mathrm{mg\,g^{-1}})\\ &=\boxed{1.23\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}. \end{aligned} \]
5.3.2
В отсутствие винной кислоты два вклада в оптическую плотность складываются: \[ A_{\mathrm{without}} =6720c(\ce{PO4^3-})+868c(\ce{SiO4^4-}). \]
Вычитая вклад фосфатов, получаем \[ A_{\mathrm{silicate}}=0.510-0.267=0.243. \]
Таким образом, \[ c(\ce{SiO4^4-}) =\frac{0.243}{868} =\boxed{2.80\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
Каждый силикат-ион содержит один атом кремния: \[ \begin{aligned} \rho(\ce{Si}) &=(2.79954\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (28.09\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) (1000\ \mathrm{mg\,g^{-1}})\\ &=\boxed{7.86\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}. \end{aligned} \]
5.4
Сначала определим равновесную концентрацию фосфомолибдата аммония в органической фазе: \[ c_{\mathrm{o}} =\frac{A}{\varepsilon\ell} =\frac{0.200} {(5000\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,cm^{-1}})(1.00\ \mathrm{cm})} =4.00\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Используя коэффициент распределения, \[ K_{\mathrm{ow}}=\frac{c_{\mathrm{o}}}{c_{\mathrm{w}}}=5.0, \] находим концентрацию вещества, оставшегося в воде: \[ c_{\mathrm{w}} =\frac{4.00\times10^{-5}}{5.0} =8.0\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
Материальный баланс растворённого вещества требует учёта обеих фаз: \[ \begin{aligned} n_{\mathrm{initial}} &=c_{\mathrm{o}}V_{\mathrm{o}}+c_{\mathrm{w}}V_{\mathrm{w}}\\ &=(4.00\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (0.0050\ \mathrm{dm^3})\\ &\quad +(8.0\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (0.100\ \mathrm{dm^3})\\ &=2.0\times10^{-7}+8.0\times10^{-7}\\ &=1.0\times10^{-6}\ \mathrm{mol}. \end{aligned} \]
Таким образом, в органическую фазу экстрагируется лишь 20% соединения. Каждая формульная единица \(\ce{(NH4)3PMo12O40}\) содержит один атом фосфора, поэтому \[ \begin{aligned} m(\ce{P}) &=(1.0\times10^{-6}\ \mathrm{mol}) (30.97\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) (1000\ \mathrm{mg\,g^{-1}})\\ &=0.03097\ \mathrm{mg}\\ &\approx\boxed{0.031\ \mathrm{mg}}. \end{aligned} \]
Решение проверено по официальному решению.
IChO 2017 · مسألة نظرية 5
الفوسفات والسيليكات في التربة
تُدرس عادةً توزُّعات الفوسفور وحركيته في التربة بالاستخلاص المتتابع. ويُجرى الاستخلاص المتتابع باستخدام كواشف حمضية أو قلوية لفصل الفوسفور غير العضوي في التربة إلى أجزاء. استُخلصت عينة تربة وحُلِّلت على النحو الآتي:
الجزء A. تعيين الفوسفات الكلية (\(\ce{PO4^3-}\)) والسيليكات الكلية (\(\ce{SiO4^4-}\))
تُهضم عينة تربة كتلتها 5.00 غرام للحصول على حجم نهائي قدره 50.0 \(\mathrm{cm^3}\) من محلول الهضم الذي يذيب كامل الفوسفور والسيليكون. ويُحلَّل المستخلص لتعيين التركيزين الكليين للفوسفور والسيليكون. وُجد أن تركيزي الفوسفور والسيليكون هما 5.16 \(\mathrm{mg\,dm^{-3}}\) و5.35 \(\mathrm{mg\,dm^{-3}}\)، على الترتيب.
5.1.1 عيِّن كتلة \(\ce{PO4^3-}\) بوحدة mg لكل 1.00 g من التربة.
5.1.2 عيِّن كتلة \(\ce{PO4^3-}\) بوحدة mg لكل 1.00 g من التربة.
الجزء B. تعيين \(\ce{PO4^3-}\) المتاحة في المستخلص الحمضي
يمكن تحليل الفوسفات باستخدام طريقة أزرق الموليبدينوم. ويتحوَّل مول واحد من الفوسفات إلى مول واحد من مركَّب أزرق الموليبدينوم. وتُستخدم هذه الطريقة لتعيين الفوسفات في المستخلص الحمضي. تُسجَّل الامتصاصية (\(A\)) والنفاذية (\(T\)) عند 800 nm. ويبلغ معامل الامتصاص المولي لمركَّب أزرق الموليبدينوم 6720 \(\mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,cm^{-1}}\)، وتُجرى جميع القياسات في خلية قياس طول مسارها 1.00 cm.
تُعطى النفاذية والامتصاصية بالمعادلتين الآتيتين:
\[ T = I/I_{\mathrm{o}} \]
\[ A = \log(I_{\mathrm{o}}/I) \]
حيث \(I\) شدة الضوء النافذ، و\(I_{\mathrm{o}}\) شدة الضوء الساقط.
5.2.1 عند تحليل عينة تحتوي على تركيز مرتفع من الفوسفات، يُستخدم محلول مرجعي من مركَّب أزرق الموليبدينوم بتركيز \(7.5\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}\) لضبط الامتصاصية على الصفر. ثم تُقاس نفاذية محلول العينة فتكون 0.55. احسب تركيز الفوسفات (\(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\)) في محلول العينة.
الجزء C. تعيين \(\ce{PO4^3-}\) و\(\ce{SiO4^4-}\) في المستخلص القلوي
يمكن لكلٍّ من أيونات الفوسفات والسيليكات أن تتفاعل مع الموليبدات في محلول قلوي، فتنتج موليبدوفوسفات وموليبدوسيليكات صفراء اللون. ويؤدي الاختزال اللاحق بحمض الأسكوربيك إلى تكوُّن مركَّبات أزرق الموليبدينوم شديدة اللون. ويُظهر كلا المعقَّدين امتصاصًا أعظميًّا عند 800 nm. وتساعد إضافة حمض الطرطريك على منع تداخل السيليكات عند تعيين الفوسفات.
تُعالَج سلسلتان من محاليل الفوسفات القياسية، إحداهما بإضافة حمض الطرطريك والأخرى من دونه، بينما لا تُعالَج سلسلة من محاليل السيليكات القياسية بحمض الطرطريك. والمعادلات الخطية المستخلصة من منحنيات المعايرة هذه هي كما يأتي:
| الظروف | المعادلات الخطية |
|---|---|
| الفوسفات بوجود حمض الطرطريك ومن دونه | \(y = 6720x_1\) |
| السيليكات من دون حمض الطرطريك | \(y = 868x_2\) |
\(y\) هي الامتصاصية عند 800 nm،
\(x_1\) هو تركيز الفوسفات بوحدة \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\)،
\(x_2\) هو تركيز السيليكات بوحدة \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\)
تبلغ الامتصاصية عند 800 nm للجزء القلوي من مستخلص التربة بعد المعالجة بوجود حمض الطرطريك ومن دونه 0.267 و0.510، على الترتيب.
5.3.1 احسب تركيز الفوسفات في مستخلص التربة القلوي بوحدة \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\)، واحسب تركيز الفوسفور المقابل بوحدة \(\mathrm{mg\,dm^{-3}}\).
5.3.2 احسب تركيز السيليكات المستخلصة من عينة التربة في الجزء القلوي بوحدة \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\)، واحسب تركيز السيليكون المقابل بوحدة \(\mathrm{mg\,dm^{-3}}\).
الجزء D. التركيز المسبق لفوسفوموليبدات الأمونيوم
تُستخلص عينة مائية حجمها 100 \(\mathrm{cm^3}\) من مركَّب فوسفوموليبدات الأمونيوم (\(\ce{(NH4)3PMo12O40}\)) باستخدام 5.0 \(\mathrm{cm^3}\) من مذيب عضوي. ويُعرَّف معامل التوزُّع بين الطور العضوي والماء (\(K_{\mathrm{ow}}\)) بأنه نسبة تركيز المركَّب في الطور العضوي (\(c_{\mathrm{o}}\)) إلى تركيزه في الطور المائي (\(c_{\mathrm{w}}\)). وتبلغ قيمة \(K_{\mathrm{ow}}\) لفوسفوموليبدات الأمونيوم 5.0.
يبلغ معامل الامتصاص المولي لفوسفوموليبدات الأمونيوم في الطور العضوي 5000 \(\mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,cm^{-1}}\).
5.4 إذا كانت الامتصاصية في الطور العضوي 0.200، فاحسب الكتلة الكلية للفوسفور (بوحدة mg) في محلول العينة المائي الأصلي. يبلغ طول المسار الضوئي لخلية القياس 1.00 cm.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 5.1.1: \(\boxed{0.158\ \mathrm{mg}}\) من الفوسفات، \(\ce{PO4^3-}\)، لكل 1.00 g من التربة.
- 5.1.2: وفقًا للنص المطبوع، \(\boxed{0.158\ \mathrm{mg}}\) من الفوسفات لكل 1.00 g من التربة. وإذا كان النوع الكيميائي المقصود هو السيليكات، \(\ce{SiO4^4-}\)، فالإجابة هي \(\boxed{0.175\ \mathrm{mg}}\) لكل 1.00 g من التربة.
- 5.2.1: \(\boxed{c(\ce{PO4^3-})=1.14\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\).
- 5.3.1: \(\boxed{c(\ce{PO4^3-})=3.97\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\)، وهو ما يقابل \(\boxed{1.23\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}\) من الفوسفور.
- 5.3.2: \(\boxed{c(\ce{SiO4^4-})=2.80\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}\)، وهو ما يقابل \(\boxed{7.86\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}\) من السيليكون.
- 5.4: \(\boxed{m(\ce{P})=0.031\ \mathrm{mg}}\) في العينة المائية الأصلية.
الحل
الأيونات التي يُجرى تعيينها كمِّيًّا هي الفوسفات (الأورثوفوسفات)، \(\ce{PO4^3-}\)، وتمثيلها بصيغة SMILES هو O=P([O-])([O-])[O-]، والأورثوسيليكات، \(\ce{SiO4^4-}\)، وتمثيلها بصيغة SMILES هو [O-][Si]([O-])([O-])[O-]. وفي كلٍّ منهما، تنتظم ذرات الأكسجين حول الذرة المركزية في ترتيب رباعي السطوح. ويمثِّل ترميز SMILES للفوسفات بنية لويس واحدة ذات إلكترونات متموضعة؛ ولا يعبِّر عن عدم تموضع الإلكترونات الناتج عن الرنين.
لإجراء التحويلات بين الكتل، نستخدم الكتل المولية الذرية القياسية \[ M(\ce{P})=30.97,\qquad M(\ce{Si})=28.09,\qquad M(\ce{O})=16.00 \quad \mathrm{g\,mol^{-1}}. \] ومن ثم، \[ M(\ce{PO4^3-})=94.97\ \mathrm{g\,mol^{-1}},\qquad M(\ce{SiO4^4-})=92.09\ \mathrm{g\,mol^{-1}}. \]
5.1.1
حجم محلول الهضم هو \[ 50.0\ \mathrm{cm^3}=0.0500\ \mathrm{dm^3}. \]
كتلة الفوسفور في كامل عينة التربة البالغة كتلتها 5.00 g هي \[ m(\ce{P}) =(5.16\ \mathrm{mg\,dm^{-3}})(0.0500\ \mathrm{dm^3}) =0.258\ \mathrm{mg}. \]
يحتوي كل أيون فوسفات على ذرة فوسفور واحدة. لذلك، تكون كتلة الفوسفات لكل غرام من التربة \[ \frac{m(\ce{PO4^3-})}{m_{\mathrm{soil}}} = \frac{0.258\ \mathrm{mg}}{5.00\ \mathrm{g}} \frac{94.97}{30.97} = \boxed{0.158\ \mathrm{mg\,g^{-1}}}. \]
5.1.2
إذا أُخذ النص حرفيًّا، فإنه يكرِّر 5.1.1، ولذلك تكون الإجابة مرة أخرى \[ \boxed{0.158\ \mathrm{mg\ of\ }\ce{PO4^3-}\mathrm{\ per\ }1.00\ \mathrm{g\ of\ soil}}. \]
إذا كان السؤال المقصود يتعلق بالسيليكات، فإن كتلة السيليكون في محلول الهضم هي \[ m(\ce{Si}) =(5.35\ \mathrm{mg\,dm^{-3}})(0.0500\ \mathrm{dm^3}) =0.2675\ \mathrm{mg}. \]
يحتوي كل أيون أورثوسيليكات على ذرة سيليكون واحدة، فنحصل على \[ \frac{m(\ce{SiO4^4-})}{m_{\mathrm{soil}}} = \frac{0.2675\ \mathrm{mg}}{5.00\ \mathrm{g}} \frac{92.09}{28.09} = \boxed{0.175\ \mathrm{mg\,g^{-1}}}. \]
5.2.1
قانون بير–لامبرت هو \[ A=\varepsilon\ell c. \]
نظرًا إلى أن الجهاز ضُبط على الصفر باستخدام محلول يحتوي على أزرق الموليبدينوم، فإن النفاذية المقيسة تساوي شدة الضوء النافذ عبر العينة مقسومة على شدة الضوء النافذ عبر المحلول المرجعي: \[ T_{\mathrm{meas}} =\frac{I_{\mathrm{sample}}}{I_{\mathrm{reference}}} =10^{-\varepsilon\ell(c_{\mathrm{sample}}-c_{\mathrm{reference}})}. \]
وبناءً على ذلك، \[ -\log_{10}T_{\mathrm{meas}} =\varepsilon\ell(c_{\mathrm{sample}}-c_{\mathrm{reference}}). \]
فرق الامتصاصية المقيس هو \[ \Delta A=-\log_{10}(0.55)=0.259637. \]
وعليه، \[ \begin{aligned} c_{\mathrm{sample}} &=c_{\mathrm{reference}}+\frac{\Delta A}{\varepsilon\ell}\\ &=7.5\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}} +\frac{0.259637} {(6720\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,cm^{-1}})(1.00\ \mathrm{cm})}\\ &=1.13637\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \end{aligned} \]
النسبة المولية المذكورة لتحوُّل الفوسفات إلى أزرق الموليبدينوم هي 1:1، لذا \[ \boxed{c(\ce{PO4^3-})=1.14\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
5.3.1
يثبِّط حمض الطرطريك مساهمة السيليكات مع إبقاء معايرة الفوسفات دون تغيير. ومن ثم، فإن الامتصاصية بوجود حمض الطرطريك تقيس الفوسفات وحدها: \[ 0.267=6720c(\ce{PO4^3-}), \] حيث يُعبَّر عن التركيز بوحدة \(\mathrm{mol\,dm^{-3}}\).
لذلك، \[ c(\ce{PO4^3-}) =\frac{0.267}{6720} =\boxed{3.97\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
توجد ذرة فوسفور واحدة في كل أيون فوسفات، لذا يكون التركيز الكتلي المقابل للفوسفور \[ \begin{aligned} \rho(\ce{P}) &=(3.97321\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (30.97\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) (1000\ \mathrm{mg\,g^{-1}})\\ &=\boxed{1.23\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}. \end{aligned} \]
5.3.2
في غياب حمض الطرطريك، تُجمع المساهمتان في الامتصاصية: \[ A_{\mathrm{without}} =6720c(\ce{PO4^3-})+868c(\ce{SiO4^4-}). \]
بطرح مساهمة الفوسفات نحصل على \[ A_{\mathrm{silicate}}=0.510-0.267=0.243. \]
ومن ثم، \[ c(\ce{SiO4^4-}) =\frac{0.243}{868} =\boxed{2.80\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}}. \]
يحتوي كل أيون سيليكات على ذرة سيليكون واحدة: \[ \begin{aligned} \rho(\ce{Si}) &=(2.79954\times10^{-4}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (28.09\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) (1000\ \mathrm{mg\,g^{-1}})\\ &=\boxed{7.86\ \mathrm{mg\,dm^{-3}}}. \end{aligned} \]
5.4
نعيِّن أولًا تركيز فوسفوموليبدات الأمونيوم عند الاتزان في الطور العضوي: \[ c_{\mathrm{o}} =\frac{A}{\varepsilon\ell} =\frac{0.200} {(5000\ \mathrm{dm^3\,mol^{-1}\,cm^{-1}})(1.00\ \mathrm{cm})} =4.00\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
باستخدام معامل التوزُّع، \[ K_{\mathrm{ow}}=\frac{c_{\mathrm{o}}}{c_{\mathrm{w}}}=5.0, \] يكون التركيز المتبقي في الماء \[ c_{\mathrm{w}} =\frac{4.00\times10^{-5}}{5.0} =8.0\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}. \]
يقتضي حفظ كمية المذاب احتساب كلا الطورين: \[ \begin{aligned} n_{\mathrm{initial}} &=c_{\mathrm{o}}V_{\mathrm{o}}+c_{\mathrm{w}}V_{\mathrm{w}}\\ &=(4.00\times10^{-5}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (0.0050\ \mathrm{dm^3})\\ &\quad +(8.0\times10^{-6}\ \mathrm{mol\,dm^{-3}}) (0.100\ \mathrm{dm^3})\\ &=2.0\times10^{-7}+8.0\times10^{-7}\\ &=1.0\times10^{-6}\ \mathrm{mol}. \end{aligned} \]
إذن لا يُستخلص إلى الطور العضوي سوى 20% من المركَّب. وتحتوي كل وحدة صيغة من \(\ce{(NH4)3PMo12O40}\) على ذرة فوسفور واحدة، لذا \[ \begin{aligned} m(\ce{P}) &=(1.0\times10^{-6}\ \mathrm{mol}) (30.97\ \mathrm{g\,mol^{-1}}) (1000\ \mathrm{mg\,g^{-1}})\\ &=0.03097\ \mathrm{mg}\\ &\approx\boxed{0.031\ \mathrm{mg}}. \end{aligned} \]
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.