Szybkie testy kolorymetryczne

Transkrypt

1 Szybkie testy kolorymetryczne Często zamiast wykonywania dokładnych pomiarów zawartości wybranych substancji szkodliwych za pomocą mniej lub bardziej skomplikowanych metod analitycznych, istnieje konieczność wykonania szybkich analiz ilościowych w terenie. W takim wypadku klasyczne metody analityczne (analiza wagowa, objętościowa, pomiary spektrofotometryczne, potencjometryczne i inne) są zbyt pracochłonne, wymagają specjalistycznego sprzętu i odpowiednio wyposażonego laboratorium. Jeśli wynik ma być dokładny wymagają także pewnej wiedzy praktycznej osób wykonujących analizę. Fakty te uniemożliwiają wykonanie dokładnych analiz w warunkach terenowych (np. na polach uprawnych, w lesie, czy w jeziorach lub strumieniach). Wychodząc naprzeciw tym trudnościom liczne firmy wyprodukowały zestawy testów pozwalające na podstawie prostej instrukcji dość dokładne oznaczenie wybranych jonów lub innych parametrów wody. Testy takie są najczęściej oparte na metodach kolorymetrycznych. Odpowiednio dobrane odczynniki dodane do wody powodują powstanie reakcji barwnej, jeśli w wodzie znajdują się wykrywane danym testem jony. Dołączona do testu skala barwna pozwala na wykonywanie pomiarów ilościowych, wykorzystuje się tu fakt, że ludzkie oko jest bardzo czułe na nawet drobne różnice w barwie bądź nasyceniu koloru dwóch znajdujących się obok siebie próbek. Najprostszym przykładem prostych testów kolorymetrycznych jest pomiar ph za pomocą papierków wskaźnikowych. Tego typu zestawy testów rzadko służą do wykrywania szczególnie niebezpiecznych substancji (jak np. metale ciężkie). Znacznie częściej są wykorzystywane do wykrywania substancji, które same w sobie nie są bardzo toksyczne, ale ich obecność, zwłaszcza w środowisku wodnym, może mieć znaczący wpływ na prawidłową równowagę biologiczną szczególnie w małych zbiornikach wodnych (strumienie, małe jeziora). Dobrze znają takie zestawy testów akwaryści, i to za równo Ci, którzy wybierają akwarystykę słodkowodną, jak i Ci, których bardziej fascynuje akwarystyka morska. Mały zbiornik wodny jakim jest akwarium jest szczególnie wrażliwy na zmiany parametrów wody od których zależy zdrowie, a często i życie, hodowanych

2 organizmów. Stąd istnieje konieczność wykonywania szybkich, prostych testów pozwalających oznaczać wybrane, ważne kationy i aniony. W tym ćwiczeniu studenci zapoznają się z działaniem profesjonalnych zestawów testów (do oznaczania jonów chlorkowych, azotanowych(v), fosforanowych(v), amonowych i żelaza: Fe 2+ i Fe 3+ ), i porównają je z testami akwarystycznymi. Dlaczego akurat te jony? Przecież nie wydają się one szczególnie niebezpieczne dla środowiska naturalnego? Zastanówmy się zatem nad wpływem tych jonów na środowisko słodkowodne. Jony chlorkowe. Są zawsze obecne w wodzie, i ich niewielkie stężenie nie jest szkodliwe. Jednak w przypadku większej zawartości chlorków w wodzie słodkiej zaburzeniu może ulec równowaga osmotyczna organizmów wodnych. Również rośliny rosnące na glebie o zwiększonej zawartości chlorków (głównie w postaci chlorku sodu) nie będą się prawidłowo rozwijać, a bardziej wrażliwe gatunki mogą całkiem obumrzeć. Skąd bierze się nadmiar jonów chlorkowych w wodach gruntowych i ciekach wodnych? Największe ich stężenie występuje po zimie, zwłaszcza długiej, śnieżnej i mroźnej, szczególnie w okolicach dróg. Posypywanie dróg solą powoduje wprawdzie zwiększenie bezpieczeństwa podróżujących, ale prowadzi do znacznego zasolenia wód gruntowych i obumierania wielu roślin rosnących przy drogach, może mieć także wpływ na pobliskie naturalne i sztuczne zbiorniki wodne jeśli ukształtowanie terenu sprzyja spływaniu wód opadowych z dróg do tych zbiorników. Amoniak i kationy amonowe. Głównym naturalnym źródłem amoniaku i kationów amonowych są biologiczne procesy rozkładu substancji naturalnych zawierających azot, przede wszystkim białek. Ostatecznym produktem rozkładu tych substancji przez bakterie gnilne jest właśnie amoniak. Jony amonowe pojawiają się również w przypadku nawożenia saletrą amonową (NH 4 NO 3 ), lub stosowania innych soli amonowych do zakwaszenia zbyt zasadowej gleby sole amonowe hydrolizują z odczynem kwasowym. Jeśli woda w której można wykryć amoniak ma odczyn kwasowy (a taki odczyn ma większość

3 naturalnych wód słodkich, w przeciwieństwie do lekko zasadowej wody morskiej) występuje on w niej głównie w postaci mało szkodliwych kationów amonowych. O ile obecność amoniaku nie jest bardzo szkodliwa dla mikroorganizmów a także roślin, jest ona bardzo niebezpieczna dla zwierząt wodnych, szczególnie ryb. Niebezpieczeństwo jest szczególnie duże jeśli woda ma odczyn zasadowy, kiedy to zwiększa się w wodzie zawartość wolnego amoniaku. Już zawartość rzędu 0,2-0,5 ppm jest niebezpieczna dla narybku i młodych ryb, przy stężeniu wyższym niż 1 ppm jest już śmiertelna dla większości dorosłych ryb. Na szczęście występujące powszechnie wodach słodkich i gruntowych bakterie z rodzaju Nitrosomonas szybko utleniają amoniak do azotanów(iii), które są z kolei utleniane do azotanów(v) przez bakterie Nitrobacter. Stosowane testy kolorymetryczne zazwyczaj oznaczają sumaryczną zawartość amoniaku w postaci wolnej i w postaci jonów amonowych, a rzeczywisty stosunek jednych do drugich zależy od ph wody. Aniony azotanowe(v). Jak wspominano wcześniej głównym naturalnym źródłem azotanów(v) są procesy bakteryjnego utleniania amoniaku. Azotany(V) nie są bardzo toksyczne dla ryb, za szkodliwe uważa się stężenia większe niż 80 ppm, dawki śmiertelne są jeszcze większe. Są one również bardzo przydatne roślinom będąc głównym źródłem łatwo przyswajalnego azotu znacznie przyspieszają one wzrost roślin. Wiedzą o tym dobrze rolnicy stosują znaczne ilości nawozów azotowych, szczególnie saletry potasowej (KNO 3 ), która jednocześnie wprowadza ważny dla wzrostu roślin potas. Niestety azotan(v) potasu jest w wodzie doskonale rozpuszczalny i przez to szybko wypłukiwany z gleby, co powoduje konieczność znacznego przenawożenia. Nadmiar azotanów(v) trafia do wód gruntowych a z nimi do lokalnych zbiorników wodnych. Duża zawartość azotanów(v) przyspiesza wprawdzie wzrost roślin wodnych równie skutecznie jak lądowych, ale powoduje również silny rozwój glonów. Duża ilość glonów gromadzi się na powierzchni wody, co utrudnia docieranie promieni słonecznych w głąb zbiornika. Powoduje to zamieranie i gnicie roślinności wodnej a także utrudnia wymianę gazową pomiędzy wodą a atmosferą. Ponieważ rośliny (w tym również glony) w nocy pobierają z wody tlen, także gnicie roślin na dnie zbiornika zużywa znaczne ilości tlenu a wymiana gazowa jest utrudniona przez warstwę

4 glonów na powierzchni, dochodzi do masowego śnięcia ryb. Gnicie ich ciał prowadzi do dalszego ograniczenia ilości tlenu i śmierci większości organizmów zamieszkujących dany zbiornik wodny. W celu uniknięcia takich sytuacji należy na bieżąco kontrolować zawartość azotanów(v) w zbiornikach wodnych w okresach intensywnego nawożenia. Aniony fosforanowe(v). Głównym naturalnym źródłem fosforanów(v) są procesy bakteryjnego rozkładu związków organicznych zawierających fosfor, takich jak kwasy nukleinowe czy ATP. Fosforany(V) są wykorzystywane przez rośliny, które tym samym wprowadzają nieorganiczne aniony fosforanowe do materii organicznej, w przypadku ich braku wzrost roślin może być zahamowany. Nawozy fosforanowe (np. superfosfat) są także wykorzystywane przez rolników, choć ze względu na gorszą rozpuszczalność fosforanów(v) nie stanowią one takiego zagrożenia jak nawozy azotowe. Niewielkie stężenia fosforanów(v) nie są dla zwierząt wodnych groźne, jednak nawet przy stężeniach rzędu 1 ppm powodują one gwałtowny wzrost glonów. Fosforany(V) są szczególnie niebezpieczne dla bezkręgowców morskich. Żelazo. Związki żelaza występują w wodzie bądź w postaci kationów żelaza(ii), bądź jako kationy żelaza(iii). Kationy żelaza(ii) są potrzebne roślinom, które wykorzystują je w procesach syntezy chlorofilu, jest to pierwiastek ważny także dla wyższych organizmów zwierzęcych będąc ważnym składnikiem hemoglobiny. Kationy żelaza(ii) występują też w licznych enzymach. Żelazo(II) jest łatwo utleniane przez tlen atmosferyczny do żelaza(iii), znacznie gorzej przyswajalnego. Obecność dużej ilości związków żelaza(iii) powoduje żółto-brunatne zabarwienie wody i powstawanie charakterystycznych brunatnych zacieków na armaturze łazienkowej. Związki żelaza występują naturalnie w glebie, czasem w znacznych skupiskach (np. rudy darniowe). Także duże ich ilości powstają w wyników procesów rdzewienia konstrukcji stalowych i żelaznych. Obecność większych ilości soli żelaza w wodzie, zwłaszcza w postaci kationów Fe 3+, jest szkodliwa dla ryb powodując między innymi wydzielanie tych związków na skrzelach ryb w postaci brunatnego osadu sklejającego skrzela

5 i utrudniającego rybom oddychanie. Wykonanie testów kolorymetrycznych Wszystkie przeprowadzane w tych ćwiczeniach testy kolorymetryczne wykonuje się dokładnie na podstawie zamieszczonej poniżej instrukcji. Każda grupa studentów otrzymuje od prowadzących specjalnie w tym celu spreparowaną próbkę wody. Wszystkie potrzebne elementy wyposażenia laboratorium znajdują się na stołach przy poszczególnych zestawach pomiarowych i nie wolno ich przekładać. Każda grupa studentów wykonujących ćwiczenie powinna zaopatrzyć się w małą zlewkę lub kolbkę stożkową i jednorazowy, plastikowy zakraplacz. Ponadto każda grupa będzie potrzebowała stopera (wystarczy taki jak w większości telefonów komórkowych) w celu pomiaru czasu. Uwaga: naczynia zawierające roztwory porównawcze i badane umieszczamy w odpowiednio skonstruowanym komparatorze przeznaczonym do porównywania kolorów roztworów (holderze) po dokładnym wytarciu bibułą tak by nie zamoczyć skal barwnych. Jony chlorkowe test profesjonalny. badanej wody. Następnie do obydwu naczyń nalać po 5 cm 3 badanej wody (do wysokości kreski zaznaczonej na buteleczce). Otwarte naczynie A umieścić w czarnym, plastikowym holderze zgodnie z załączonym rysunkiem. 2. Do naczynia B dodać 10 kropli odczynnika Cl-1, naczynie zamknąć i dokładnie wymieszać. 3. Następnie do naczynia B dodać 10 kropli odczynnika Cl-2, naczynie zamknąć i dokładnie wymieszać, po czym zostawić zamknięte na 1 minutę. 4. Po tym czasie naczynie B otworzyć i umieścić w holderze zgodnie z załączonym rysunkiem. Holder przesuwać po skali tak by barwa widoczna od góry w obydwu naczyniach (A i B) była identyczna. Zapisać uzyskaną zawartość

6 jonów chlorkowych. 5. Zawartość naczynia A wylać do zlewu, naczynia B zaś do pojemnika na odpady związków rtęci, a naczynie wypłukać kilkakrotnie wodą z kranu. Następnie obydwa naczynia przepłukać trzykrotnie wodą destylowaną i pozostawić dla następnych studentów wykonujących Jony azotanowe(v) test profesjonalny. badanej wody. Następnie do obydwu naczyń nalać po 5 cm 3 badanej wody (do wysokości kreski zaznaczonej na buteleczce). Otwarte naczynie A umieścić w czarnym, plastikowym holderze zgodnie załączonym rysunkiem. 2. Do naczynia B dodać 5 kropli odczynnika NO 3-1, naczynie zamknąć i dokładnie wymieszać. 3. Następnie do naczynia B dodać 1 płaską łyżeczkę (dołączoną do zestawu) odczynnika NO 3-2, naczynie zamknąć i dokładnie wytrząsać przez 1 minutę. Następnie pozostawić zamknięte na 5 minut. 4. Po tym czasie naczynie B otworzyć i umieścić w holderze zgodnie z załączonym rysunkiem. Holder przesuwać po skali tak by barwa widoczna od góry w obydwu naczyniach (A i B) była identyczna. Zapisać uzyskaną zawartość jonów azotanowych(v). 5. Zawartość obydwu naczyń można wylać do zlewu, a naczynia wypłukać Jony azotanowe(v) test akwarystyczny. 1. Naczynie pomiarowe przepłukać trzykrotnie niewielkimi ilościami badanej wody. Następnie do naczynia nalać 5 cm 3 badanej wody (za pomocą dołączonej strzykawki). 2. Do naczynia dodać 7 kropli odczynnika NO 3-1, naczynie zamknąć i dokładnie

7 wymieszać. 3. Następnie do naczynia dodać 1 płaską łyżeczkę (dołączoną do zestawu) odczynnika NO 3-2, naczynie zamknąć i dokładnie wytrząsać przez 20 sekund. Następnie pozostawić zamknięte na 1 minutę. 4. Następnie do naczynia dodać 7 kropli odczynnika NO 3-3, naczynie zamknąć i dokładnie wymieszać. Pozostawić zamknięte na 5 minut. 5. Po tym czasie naczynie otworzyć i przesuwając ponad skalą na wysokości ok. 2 cm ustawić tak, by barwa widoczna od góry w naczyniu i na skali była identyczna. Zapisać uzyskaną zawartość jonów azotanowych(v). 6. Zawartość naczynia można wylać do zlewu, a naczynie wypłukać kilkakrotnie wodą z kranu. Następnie naczynie przepłukać trzykrotnie wodą destylowaną i pozostawić dla następnych studentów wykonujących Jony fosforanowe(v) test profesjonalny. badanej wody. Następnie do obydwu naczyń nalać badanej wody do wysokości kreski zaznaczonej na buteleczce. Otwarte naczynie A umieścić w szarym, styropianowym holderze ponad skalą barwną (niebieskie kółka). 2. Do naczynia B dodać 1 płaską łyżeczkę odczynnika PO 4-1, naczynie zamknąć i dokładnie wytrząsać aż do rozpuszczenia odczynnika. 3. Następnie do naczynia B dodać 15 kropli odczynnika PO 4-2, naczynie zamknąć i dokładnie wymieszać. Pozostawić zamknięte na 5 minut. 4. Następnie naczynie B otworzyć i umieścić w holderze ponad białym paskiem. Obracać skalą barw tak by barwa widoczna od góry w obydwu naczyniach (A i B) była identyczna. Zapisać uzyskaną zawartość jonów fosforanowych(v). 5. Zawartość obydwu naczyń można wylać do zlewu, a naczynia wypłukać

8 Jony fosforanowe(v) test akwarystyczny. badanej wody. Następnie do obydwu naczyń nalać 10 cm 3 badanej wody (za pomocą załączonej strzykawki). Otwarte naczynie A umieścić w czarnym, plastikowym holderze ponad skalą barwną (zielone i niebieskie kółka). 2. Do naczynia B dodać 10 kropli odczynnika PO 4-1, naczynie zamknąć i dokładnie wymieszać. 3. Następnie do naczynia B dodać 1 płaską łyżeczkę (dołączoną do zestawu) odczynnika PO 4-2, naczynie zamknąć i dokładnie wytrząsać aż do rozpuszczenia odczynnika. Pozostawić zamknięte na 10 minut. 4. Następnie naczynie B otworzyć i umieścić w holderze ponad białymi kółkami. Przesuwać holder ponad skalą barw tak by barwa widoczna od góry w obydwu naczyniach (A i B) była identyczna. Zapisać uzyskaną zawartość jonów fosforanowych(v). 5. Zawartość obydwu naczyń można wylać do zlewu, a naczynia wypłukać Jony amonowe (amoniak) test profesjonalny. badanej wody. Następnie do obydwu naczyń nalać badanej wody do wysokości kreski zaznaczonej na buteleczce. Otwarte naczynie A umieścić w szarym, styropianowym holderze ponad skalą barwną (żółte i zielone kółka). 2. Do naczynia B dodać 10 kropli odczynnika NH 4-1, naczynie zamknąć i dokładnie wymieszać. 3. Następnie do naczynia B dodać 1 płaską łyżeczkę (dołączoną do zestawu) odczynnika NH 4-2, naczynie zamknąć i dokładnie wytrząsać aż do rozpuszczenia odczynnika. Pozostawić zamknięte na 15 minut.

9 4. Następnie naczynie B otworzyć i umieścić w holderze ponad białym paskiem. Obracać skalą barw tak by barwa widoczna od góry w obydwu naczyniach (A i B) była identyczna. Zapisać uzyskaną zawartość jonów amonowych. 5. Zawartość obydwu naczyń można wylać do zlewu, a naczynia wypłukać Jony amonowe (amoniak) test akwarystyczny. 1. Naczynie pomiarowe przepłukać trzykrotnie niewielkimi ilościami badanej wody. Następnie do naczynia nalać 5 cm 3 badanej wody (za pomocą dołączonej strzykawki). 2. Do naczynia dodać 10 kropli odczynnika NH 3-1, naczynie zamknąć i dokładnie wymieszać. 3. Następnie do naczynia dodać 7 kropli odczynnika NH 3-2, naczynie zamknąć i dokładnie wymieszać. 4. Następnie do naczynia dodać 7 kropli odczynnika NH 3-3, naczynie zamknąć i dokładnie wymieszać. Pozostawić zamknięte na 5 minut. 5. Po tym czasie zamknięte naczynie przesuwać przed ustawioną pionowo skalą tak by barwa widoczna w naczyniu i na skali była identyczna. Zapisać uzyskaną zawartość jonów amonowych. 6. Zawartość naczynia można wylać do zlewu, a naczynie wypłukać kilkakrotnie wodą z kranu. Następnie naczynie przepłukać trzykrotnie wodą destylowaną i pozostawić dla następnych studentów wykonujących Kationy żelaza(ii) i żelaza(iii) test profesjonalny. badanej wody. Następnie do obydwu naczyń nalać badanej wody do wysokości kreski zaznaczonej na buteleczce. Otwarte naczynie A umieścić w szarym, styropianowym holderze ponad skalą barwną (żółte, pomarańczowe i różowe

10 kółka). 2. Do naczynia B dodać 10 kropli odczynnika Fe-1, naczynie zamknąć i dokładnie wymieszać. 3. Następnie naczynie B otworzyć i umieścić w holderze ponad żółtym paskiem. Obracać skalą barw tak by barwa widoczna od góry w obydwu naczyniach (A i B) była identyczna. Zapisać uzyskaną zawartość jonów żelaza(ii). 4. Następnie naczynie B wyjąć z holderu, otworzyć i dodać do niego 1 płaską łyżeczkę (dołączoną do zestawu) odczynnika Fe-2, naczynie zamknąć i dokładnie wytrząsać aż do rozpuszczenia odczynnika. Pozostawić zamknięte na 3 minuty. 5. Następnie naczynie B ponownie otworzyć i umieścić w ponad żółtym paskiem. Obracać skalą barw tak by barwa widoczna od góry w obydwu naczyniach (A i B) była identyczna. Zapisać uzyskaną zawartość jonów sumy jonów Fe 2+ i Fe Zawartość obydwu naczyń można wylać do zlewu, a naczynia wypłukać Kationy żelaza(ii) test akwarystyczny. badanej wody. Następnie do obydwu naczyń nalać 15 cm 3 badanej wody (za pomocą załączonej strzykawki). Otwarte naczynie A umieścić w czarnym, plastikowym holderze ponad skalą barwną (różowe kółka). 2. Do naczynia B dodać 1 płaską łyżeczkę odczynnika Fe, naczynie zamknąć i dokładnie wytrząsać aż do rozpuszczenia odczynnika. Pozostawić zamknięte na 10 minut. 3. Następnie naczynie B otworzyć i umieścić w holderze ponad białymi kółkami. Przesuwać holder ponad skalą barw tak by barwa widoczna od góry w obydwu naczyniach (A i B) była identyczna. Zapisać uzyskaną zawartość jonów

11 żelaza(ii). 4. Zawartość obydwu naczyń można wylać do zlewu, a naczynia wypłukać W sprawozdaniu należy zebrać wszystkie uzyskane wyniki (np. w formie tabeli). Nie ma konieczności przepisywania dokładnych procedur wg których były wykonywane poszczególne testy, należy jednak podać ogólny sposób wykonywania takich testów. Następnie porównać wyniki uzyskane na podstawie testów profesjonalnych i akwarystycznych. Podać również informację czy stwierdzona w badanej próbce zawartość poszczególnych jonów może być szkodliwa dla zbiornika wodnego i jakich skutków zawyżonej zawartości poszczególnych jonów można by oczekiwać.