Opgaver til T3.5

Opgaverne hører til siden T3.5 Måling af nitrat. Prøv selv, før du åbner hjælpen under opgaven.

Opgave T3.5.1: De vigtigste ord

  1. Hvorfor kan nitrat ikke måles med de to reagenser fra siden T3.4?
  2. Hvilket stof bruges til at lave nitrat om til nitrit?
  3. Er zink et oxidationsmiddel eller et reduktionsmiddel?
  4. Hvad viser en måling med zink, og hvad viser en måling uden zink?
  5. Hvilket stof kan standardopløsningerne laves af?
  6. Hvad er nitrat-nitrogen, og hvordan forkortes det?

Læs afsnittene Zink laver nitrat om til nitrit, To målinger på samme vand, Standardkurven laves med nitrat og Nitrat eller nitrat-nitrogen på siden T3.5.

Farvereaktionen virker kun på nitrit. Et stof, der reducerer et andet stof, er et reduktionsmiddel. Ved nitrat-nitrogen tæller man kun massen af én slags atomer.

  1. Nitrat reagerer ikke med reagenserne. Farvereaktionen virker kun på nitrit.
  2. Zinkpulver. Vandprøven gøres sur og rystes med lidt zinkpulver.
  3. Et reduktionsmiddel. Zink reducerer nitrat til nitrit.
  4. En måling med zink viser nitrat og nitrit tilsammen. En måling uden zink viser nitrit alene.
  5. Af et nitratsalt, fx kaliumnitrat.
  6. Massen af nitrogenatomerne i nitraten. Det forkortes nitrat-N.

Opgave T3.5.2: Zink reducerer nitrat

Zink reagerer med nitrat i sur opløsning:

NO3−(aq) + Zn(s) + 2 H+(aq) → NO2−(aq) + Zn2+(aq) + H2O(l)

  1. Find oxidationstallet for nitrogen i nitrat og i nitrit.
  2. Find oxidationstallet for zink før og efter reaktionen.
  3. Hvilket grundstof bliver oxideret, og hvilket bliver reduceret?
  4. Vis, at stigningen i oxidationstal er lige så stor som faldet.
  5. Vis, at ladningen er den samme på begge sider af pilen.
  6. Hvorfor skal vandprøven gøres sur, før den rystes med zinkpulver?
  7. 100 nitrationer reagerer. Hvor mange nitritioner bliver der dannet, og hvor mange zinkatomer bliver der brugt?

Brug reglerne fra afsnit 8.3 i bogen til C-niveau. Oxygen har −II i forbindelser, og et grundstof har 0. I en ion er summen af oxidationstallene lig med ionens ladning.

I NO3− giver de tre oxygenatomer 3 · (−2) = −6. Summen skal være −1. En ion med ét atom har samme oxidationstal som ladningen.

Til spørgsmål e: Læg ladningerne sammen på hver side af pilen. Husk, at der er 2 H+.

Til spørgsmål f: Se, hvilke stoffer der står til venstre for pilen.

  1. Nitrogen har +V i nitrat og +III i nitrit. I NO3− giver de tre oxygenatomer −6, og summen skal være −1, så nitrogen har +5. I NO2− giver de to oxygenatomer −4, og summen skal være −1, så nitrogen har +3.

  2. Zink har 0 før reaktionen, fordi det er et grundstof. Efter reaktionen har zink +II i Zn2+.

  3. Zink bliver oxideret. Oxidationstallet stiger fra 0 til +II. Nitrogen bliver reduceret. Oxidationstallet falder fra +V til +III.

  4. Stigning: 1 zinkatom stiger 2. Fald: 1 nitrogenatom falder 2. Stigning og fald er lige store.

  5. Ladningen på hver side:

    \[ \begin{aligned} \text{ladning til venstre} &= (-1) + 0 + 2 \cdot (+1) = +1 \\ \text{ladning til højre} &= (-1) + (+2) + 0 = +1 \end{aligned} \]

  6. Reaktionen bruger hydroner. Der står 2 H+ til venstre for pilen, og dem er der kun nok af i en sur opløsning.

  7. Der bliver dannet 100 nitritioner, og der bliver brugt 100 zinkatomer. Hver nitration bliver til én nitrition, og den reagerer med ét zinkatom.

Opgave T3.5.3: To målinger på samme vand

Tre vandprøver er målt to gange: én gang uden zink og én gang med zink. Tallene er et eksempel.

Prøve Vandet kommer fra Absorbans uden zink Absorbans med zink
A hanen 0,000 0,135
B en å 0,020 0,200
C et nyt akvarium 0,150 0,150
  1. Hvilket stof kommer farven fra i målingen uden zink? Hvilke stoffer kommer den fra i målingen med zink?
  2. Hvilken af de tre prøver indeholder ingen nitrit?
  3. Hvor stor en del af absorbansen med zink skyldes nitrat i hver af de tre prøver?
  4. Hvilken prøve indeholder nitrit, men ingen nitrat?
  5. Standardkurven for nitrat har ligningen A = 0,0450 µM−1 · c. Beregn koncentrationen af nitrat i den opløsning fra prøve B, der blev målt.
  6. I drikkevand er der næsten altid meget mere nitrat end nitrit. Hvorfor laver man alligevel målingen uden zink?

Se figuren med de to målinger på siden T3.5. Nitrat findes som forskellen mellem målingen med zink og målingen uden.

Uden zink er det kun nitrit, der bliver til farvestof.

Til spørgsmål c: Træk absorbansen uden zink fra absorbansen med zink.

Til spørgsmål e: Brug forskellen fra spørgsmål c, og divider den med 0,0450 µM−1.

Til spørgsmål f kan du begynde sådan: “Springer man målingen uden zink over, ved man ikke, om noget af farven …”

  1. Uden zink kommer farven fra nitrit alene. Med zink kommer den fra både nitrat og nitrit.

  2. Prøve A. Absorbansen uden zink er 0,000.

  3. Nitratens del er absorbansen med zink minus absorbansen uden zink:

    \[ \begin{aligned} A_\text{nitrat}(\text{prøve A}) &= 0{,}135 - 0{,}000 = 0{,}135 \\ A_\text{nitrat}(\text{prøve B}) &= 0{,}200 - 0{,}020 = 0{,}180 \\ A_\text{nitrat}(\text{prøve C}) &= 0{,}150 - 0{,}150 = 0{,}000 \end{aligned} \]

  4. Prøve C. De to målinger er ens, så hele farven kommer fra nitrit. Det passer med et nyt akvarium, hvor de bakterier, der oxiderer nitrit til nitrat, ikke er kommet endnu.

  5. Den del af absorbansen, der skyldes nitrat, er 0,180.

\[ c = \frac{A}{0{,}0450\ \text{µM}^{-1}} = \frac{0{,}180}{0{,}0450\ \text{µM}^{-1}} = 4{,}00\ \text{µM} \]

  1. For at være sikker. Springer man målingen uden zink over, ved man ikke, om noget af farven kommer fra nitrit. Så ville nitritten blive regnet med som nitrat. Nitrit er også langt farligere end nitrat, så det er vigtigt at opdage det.

Opgave T3.5.4: Aflæs standardkurven

En standardkurve for nitrat. Fem målepunkter ved 2, 4, 6, 8 og 10 mikromolær ligger på en ret linje gennem nulpunktet. Ved 10 mikromolær er absorbansen 0,45.

Figuren viser en standardkurve for nitrat. Standardopløsningerne er lavet af kaliumnitrat, og de har fået zink og reagenser ligesom prøven. Kurven og vandprøven er et eksempel.

  1. Hvad er absorbansen af standardopløsningen på 4 µM?
  2. En fortyndet vandprøve har absorbansen 0,27. Aflæs koncentrationen af nitrat i den.
  3. Vandprøven kom fra en sø. Den blev fortyndet fra 2,00 mL til 100,0 mL, før den blev målt. Beregn koncentrationen af nitrat i søvandet.
  4. Regn koncentrationen i søvandet om til mg/L. Molarmassen for nitrat er 62,01 g/mol.
  5. Find standardkurvens hældning ud fra punktet ved 10 µM.
  6. Standardkurven for nitrit på siden T3.4 har hældningen 0,0500 µM−1. Hvorfor er hældningen mindre for nitrat?
  7. Hvorfor skal standardopløsningerne have zink ligesom prøven?

Til spørgsmål b: Find 0,27 på den lodrette akse. Gå vandret ud til linjen og derfra lodret ned til den vandrette akse. De lodrette linjer i nettet står for hver 1 µM, og de vandrette for hver 0,1.

Absorbansen 0,27 ligger lidt under den vandrette linje ved 0,3. Dér går linjen gennem et af de fem punkter.

Til spørgsmål c: Regn tilbage med cfør = cefter · Vefter / Vfør.

Til spørgsmål e: Hældningen er a = A / c. Det står i afsnit B5.4.

Til spørgsmål f og g: Læs afsnittet Standardkurven laves med nitrat på siden T3.5. Du kan begynde dine sætninger sådan:

  • Zinken når ikke altid at …, så lidt af nitraten …
  • Når standardopløsninger og prøve behandles ens, har fejlen …

  1. 0,18

  2. Omkring 6,0 µM

  3. Koncentrationen i søvandet er

\[ c_{\text{før}} = \frac{c_{\text{efter}} \cdot V_{\text{efter}}}{V_{\text{før}}} = \frac{6{,}0\ \text{µM} \cdot 100{,}0\ \mathrm{mL}}{2{,}00\ \mathrm{mL}} = 300\ \text{µM} \]

  1. 300 µM er 3,0 · 10−4 mol/L.

\[ \text{indhold af nitrat} = 3{,}0 \cdot 10^{-4}\ \dfrac{\mathrm{mol}}{\mathrm{L}} \cdot 62{,}01\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}} = 0{,}019\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{L}} = 19\ \dfrac{\mathrm{mg}}{\mathrm{L}} \]

Søvandet indeholder omkring 19 mg nitrat pr. liter.

  1. Linjen går gennem punktet (10 µM; 0,45).

\[ a = \frac{A}{c} = \frac{0{,}45}{10\ \text{µM}} = 0{,}045\ \text{µM}^{-1} \]

  1. Zinken når ikke altid at omdanne al nitraten til nitrit. Lidt af nitraten bliver derfor ikke til farvestof, og absorbansen bliver lidt mindre, end den samme koncentration af nitrit ville give.

  2. Når standardopløsninger og prøve behandles på præcis samme måde, har fejlen i reduktionen samme størrelse i begge. Så går den ud i beregningen.

Opgave T3.5.5: Nitrat eller nitrat-N?

Tabellen viser tre målinger af nitrat. Tallene er et eksempel.

Vandet kommer fra Målingen er oplyst som
en boring 20 mg nitrat pr. liter
et dræn 15 mg nitrat-N pr. liter
en å 5,0 mg nitrat-N pr. liter

Molarmassen er 62,01 g/mol for nitrat og 14,01 g/mol for nitrogen.

  1. Hvor mange nitrogenatomer er der i én nitration?
  2. Vis med de to molarmasser, at tallet for nitrat er 4,43 gange så stort som tallet for nitrat-N.
  3. Regn tallet for boringen om til mg nitrat-N pr. liter.
  4. Regn tallene for drænet og åen om til mg nitrat pr. liter.
  5. Hvilke af de tre slags vand holder grænsen for drikkevand på 50 mg nitrat pr. liter?
  6. I en avis står der, at vandet i en brønd indeholder “12 mg/L”. Hvorfor er det vigtigt at vide, om tallet er nitrat eller nitrat-N?

Læs afsnittet Nitrat eller nitrat-nitrogen på siden T3.5. Stofmængden af nitrogen er den samme som stofmængden af nitrat. Det er kun molarmassen, der er forskellig.

Til spørgsmål b: Divider molarmassen for nitrat med molarmassen for nitrogen.

Fra nitrat til nitrat-N divideres der med 4,43. Fra nitrat-N til nitrat ganges der med 4,43.

Til spørgsmål f: Regn 12 mg nitrat-N pr. liter om til nitrat, og sammenlign begge tal med grænsen.

  1. Ét.

  2. Der er lige mange mol nitrogen og nitrat, så masserne forholder sig som molarmasserne:

\[ \frac{M(\mathrm{NO_3^-})}{M(\mathrm{N})} = \frac{62{,}01\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}}}{14{,}01\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}}} = 4{,}43 \]

  1. Vandet fra boringen indeholder

\[ \text{nitrat-N} =\frac{20\ \dfrac{\mathrm{mg}}{\mathrm{L}}}{4{,}43} = 4{,}5\ \dfrac{\mathrm{mg}}{\mathrm{L}} \]

Det er 4,5 mg nitrat-N pr. liter.

  1. Vandet fra drænet indeholder

\[ \text{indhold af nitrat} = 15\ \dfrac{\mathrm{mg}}{\mathrm{L}} \cdot 4{,}43 = 66\ \dfrac{\mathrm{mg}}{\mathrm{L}} \]

Vandet fra åen indeholder

\[ \text{indhold af nitrat} = 5{,}0\ \dfrac{\mathrm{mg}}{\mathrm{L}} \cdot 4{,}43 = 22\ \dfrac{\mathrm{mg}}{\mathrm{L}} \]

Det er 66 mg nitrat pr. liter i drænet og 22 mg nitrat pr. liter i åen.

  1. Vandet fra boringen og vandet fra åen. De indeholder 20 og 22 mg nitrat pr. liter. Vandet fra drænet indeholder 66 mg nitrat pr. liter, og det er over grænsen.

  2. De to tal er meget forskellige. Er de 12 mg/L nitrat, ligger vandet langt under grænsen på 50 mg/L. Er de 12 mg/L nitrat-N, svarer det til

\[ \text{indhold af nitrat} = 12\ \dfrac{\mathrm{mg}}{\mathrm{L}} \cdot 4{,}43 = 53\ \dfrac{\mathrm{mg}}{\mathrm{L}} \]

Så indeholder vandet 53 mg nitrat pr. liter, og det er over grænsen.

Opgave T3.5.6: Tre teststrimler

Farveskalaen til en teststrimmel for nitrat med felterne 0, 10, 25, 50, 100, 250 og 500 milligram pr. liter. Grænsen for drikkevand er 50. Under skalaen er der tre strimler: prøve A med et næsten hvidt felt, prøve B med et lyst rødt felt og prøve C med et mørkt rødviolet felt.

Tre vandprøver er målt med teststrimler for nitrat. Figuren viser farveskalaen på pakken og de tre strimler. Strimlerne er et tegnet eksempel.

  1. Aflæs indholdet af nitrat i prøve A, prøve B og prøve C.
  2. Hvilke af de tre prøver holder grænsen for drikkevand?
  3. Hvor mange gange større end grænsen er indholdet i prøve C?
  4. Feltet på strimlen indeholder de to reagenser og et reduktionsmiddel. Hvorfor skal der et reduktionsmiddel i en strimmel til nitrat?
  5. Vandet i de tre prøver skal bruges som drikkevand. Hvilken af prøverne er det vigtigst at måle igen med et spektrofotometer? Begrund dit svar.
  6. En fjerde strimmel får en farve midt mellem felterne 25 og 50. Kan strimlen afgøre, om det vand holder grænsen?

Sammenlign farven i feltet på hver strimmel med felterne på farveskalaen. Grænsen for drikkevand er 50 mg/L.

Feltet på prøve A er næsten hvidt ligesom feltet ved 0.

Til spørgsmål d: Tænk på, hvilket stof de to reagenser virker på.

Til spørgsmål e og f: Læs afsnittet Teststrimler på siden T3.5. Du kan begynde dine sætninger sådan:

  • En teststrimmel viser kun, hvilket trin på skalaen …
  • Prøve … ligger tættest på grænsen, så …
  1. Prøve A: 0 mg/L. Prøve B: 25 mg/L. Prøve C: 250 mg/L.
  2. Prøve A og prøve B. De ligger under 50 mg/L.
  3. 5 gange. 250 mg/L divideret med 50 mg/L er 5.
  4. Reagenserne virker kun på nitrit. Reduktionsmidlet reducerer først nitraten til nitrit, ligesom zinkpulveret gør i laboratoriet.
  5. Prøve B. En teststrimmel viser kun, hvilket trin på skalaen prøven ligger nærmest, og feltet 25 er nabo til feltet 50. Prøve B ligger altså tættest på grænsen. Prøve A er langt under grænsen, og prøve C er langt over, så dér er der ingen tvivl.
  6. Nej, ikke sikkert. Farven tyder på, at vandet ligger et sted mellem 25 og 50 mg/L, altså tæt på grænsen. Men en farve kan ikke aflæses så præcist. Strimlen kan ikke vise, om det er 43 eller 52 mg/L. Skal man afgøre, om vandet holder grænsen, skal der en måling med spektrofotometer til.

Opgave T3.5.7: Nitrat i vand fra et dræn

Et dræn leder vand fra en mark ud i en å. Der tages en prøve af vandet fra drænet. 1,00 mL vand overføres til en målekolbe på 250,0 mL, behandles med zink og reagenser og fyldes op til mærket. Opløsningen har absorbansen 0,225 ved 540 nm. En måling uden zink giver absorbansen 0,000. Standardkurven for nitrat har ligningen A = 0,0450 µM−1 · c. Tallene er et eksempel.

  1. Hvad fortæller målingen uden zink?
  2. Beregn koncentrationen af nitrat i målekolben.
  3. Beregn koncentrationen af nitrat i vandet fra drænet.
  4. Regn koncentrationen om til mg nitrat pr. liter. Molarmassen for nitrat er 62,01 g/mol.
  5. Er der mere eller mindre nitrat i vandet end grænsen for drikkevand på 50 mg/L?
  6. Regn resultatet om til mg nitrat-N pr. liter. Molarmassen for nitrogen er 14,01 g/mol.
  7. Hvorfor blev vandet fortyndet så meget, før det blev målt?

Opgaven ligner eksemplet nitrat i vand fra en boring på siden T3.5. Regn i de samme tre trin. Omregningen til nitrat-N står lige efter eksemplet.

Standardkurven giver koncentrationen i målekolben: cefter = A / 0,0450 µM−1.

Regn tilbage med cfør = cefter · Vefter / Vfør. Her er Vfør = 1,00 mL og Vefter = 250,0 mL.

1 µM er 10−6 mol/L. Gang med molarmassen for nitrat, og regn fra gram til milligram.

Til spørgsmål f: Brug den samme koncentration i mol/L, men gang med molarmassen for nitrogen.

Til spørgsmål g: Sæt koncentrationen i drænvandet ind på c’s plads i standardkurvens ligning. Hvor stor ville absorbansen være uden fortynding?

  1. At der ikke er nitrit i vandet. Hele farven i målingen med zink kommer derfor fra nitrat.

  2. Koncentrationen i målekolben er

\[ c_{\text{efter}} = \frac{A}{0{,}0450\ \text{µM}^{-1}} = \frac{0{,}225}{0{,}0450\ \text{µM}^{-1}} = 5{,}00\ \text{µM} \]

  1. Vandet blev fortyndet fra 1,00 mL til 250,0 mL.

\[ c_{\text{før}} = \frac{c_{\text{efter}} \cdot V_{\text{efter}}}{V_{\text{før}}} = \frac{5{,}00\ \text{µM} \cdot 250{,}0\ \mathrm{mL}}{1{,}00\ \mathrm{mL}} = 1250\ \text{µM} \]

  1. 1250 µM er 1,25 · 10−3 mol/L.

\[ \text{indhold af nitrat} = 1{,}25 \cdot 10^{-3}\ \dfrac{\mathrm{mol}}{\mathrm{L}} \cdot 62{,}01\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}} = 0{,}0775\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{L}} = 77{,}5\ \dfrac{\mathrm{mg}}{\mathrm{L}} \]

Vandet fra drænet indeholder 77,5 mg nitrat pr. liter.

  1. Mere. 77,5 mg/L er omkring halvanden gang så meget som grænsen på 50 mg/L.

  2. Stofmængden af nitrogen er den samme som stofmængden af nitrat.

\[ \text{nitrat-N} =1{,}25 \cdot 10^{-3}\ \dfrac{\mathrm{mol}}{\mathrm{L}} \cdot 14{,}01\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}} = 0{,}0175\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{L}} = 17{,}5\ \dfrac{\mathrm{mg}}{\mathrm{L}} \]

Vandet indeholder 17,5 mg nitrat-N pr. liter. Grænsen svarer til 11,3 mg nitrat-N pr. liter, så vandet er også over grænsen, når der regnes i nitrat-N.

  1. Uden fortynding ville absorbansen være

\[ A = 0{,}0450\ \text{µM}^{-1} \cdot 1250\ \text{µM} = 56 \]

Det er alt for højt. Standardkurven er kun en ret linje op til en absorbans på omkring 1, så vandet skal fortyndes meget, før det kan måles.