Ćwiczenie nr 6. Przygotowanie próbki do analizy: Ekstrakcja jednokrotna i wielokrotna. Wysalanie.

Transkrypt

1 Ćwiczenie nr 6 Przygotowanie próbki do analizy: Ekstrakcja jednokrotna i wielokrotna. Wysalanie. Zanieczyszczenie środowiska węglowodorami Rozwój cywilizacji ludzkiej w ciągu ostatnich dziesiątków lat był możliwy dzięki wykorzystaniu na dużą skalę paliw kopalnych, z których chyba najważniejszym do dziś pozostaje ropa naftowa. Niestety, postęp techniczny przyniósł ze sobą także zanieczyszczenie środowiska tak ropą naftową, jak i produktami jej przeróbki. O jakich substancjach my właściwie mówimy? O resztkach paliw, smarów, olejów, lakierów, rozpuszczalników, a zatem o węglowodorach. Wśród węglowodorów wyróżniamy węglowodory alifatyczne (łańcuchowe) i aromatyczne. W ropie naftowej i produktach jej przeróbki węglowodory aromatyczne zwykle stanowią mniejszość czy wręcz domieszkę, jednak to one są przedmiotem ścisłej kontroli, ze względu na ich znacznie większą (w porównaniu z węglowodorami alifatycznymi) toksyczność, a często także rakotwórczość i mutagenność. Z kolei węglowodory aromatyczne można podzielić na jednopierścieniowe (zwane BTEX od: benzen, toluen, etylobenzen i ksylen) oraz wielopierścieniowe (WWA Wielopierścieniowe Węglowodory Aromatyczne, takie jak: benzo(α)piren, chryzen, perylen, fluoranten). Dopuszczalny próg stężeń w wodzie w Polsce dla tych związków jest bardzo niski i wynosi 1µg/L wody pitnej dla benzenu i 0,01µg/L dla benzo(α)pirenu (0,1µg/L dla wszystkich WWA łącznie). Oba te związki mają udowodnione działanie rakotwórcze, z czego ten drugi bardzo silne. Toluen, etylobenzen i ksyleny nie są już tak toksyczne i ich dopuszczalne stężenia ustalono na poziomach odpowiednio 50, 20 i 20 µg/l wody pitnej. W niniejszym ćwiczeniu będziemy oznaczać najmniej szkodliwy z nich, czyli toluen. Problemem wymagającym szczególnej troski jest zjawisko przedostawania się tych zanieczyszczeń do wód, z których czerpana jest woda na potrzeby komunalne. Węglowodory aromatyczne nie tylko nadają wodzie nieprzyjemny smak i zapach, ale przede wszystkim stanowią zagrożenie dla zdrowia i są trudne do usunięcia z wody. Ekstrakcja wielokrotna W trakcie procesu ekstrakcji ustala się równowaga stężeń substancji ekstrahowanej między fazą wodną i fazą organiczną, opisywana współczynnikiem podziału K D. Jeśli np. współczynnik ten wynosi 10, to oznacza to, że w stanie równowagi (czyli po odpowiednim do danej analizy mieszaniu i wytrząsaniu) stężenie analitu w fazie organicznej będzie 10x wyższe niż w fazie wodnej. Im wyższy współczynnik podziału, tym związek lepiej się ekstrahuje do fazy organicznej. Oczywiście, stopień ekstrakcji zależy także od stosunku objętości obu faz: trudno oczekiwać przecież, że 1ml rozpuszczalnika wyekstrahuje z 1L wody tyle samo substancji ekstrahowanej co 50ml rozpuszczalnika (o ile współczynnik K D nie będzie bardzo wysoki). Zależność ta jest opisana następującym równaniem: %E 100 K D K D V V W O Gdzie %E stopień ekstrakcji (w %), K D współczynnik podziału, Vw objętość fazy wodnej, a Vo-objętość fazy organicznej.

2 Najlepszym wyjaśnieniem istoty ekstrakcji wielokrotnej będzie demonstracja na przykładach. Przykład 1: Załóżmy, że stężenie analitu w fazie wodnej to 1mol/L, a K D =10, a także że mamy 1L fazy wodnej i 0,1L rozpuszczalnika organicznego. Podstawiamy do równania: %E = /(10+ 1L/0,1L) = /(10+10) = 100 (1/2) = 50% Czyli do fazy organicznej przeszło 50% analitu, czyli 0,5mola. Przykład 2: Parametry takie same jak w przykładzie 1, ale użyjemy 2 porcji po 50ml (0,05L) rozpuszczalnika: %E1 = 100 (10/(10+ 1L/0,05L)) = 100 (10/10+20) = 100 (1/3) = 33%. W pierwszej ekstrakcji przeszło do fazy organicznej 33% z 1 mola analitu, czyli 0,33 mola. Ekstrahujemy ponownie roztwór, w którym pozostało 1-0,33 = 0,67mol analitu: Dane się nie zmieniają, więc ponownie wyekstrahujemy 33% analitu. A 33% z 0,67mol = 0,22mol Jeśli połączymy ekstrakty, będziemy w nich łącznie mieli 0,33+0,22 = 0,55mol analitu. Porównanie przykładów 1 i 2: Jak widać z tych prostych obliczeń, w tym wypadku dwukrotna ekstrakcja dała nam 10% (0,50 i 0,55mol) wzrost wydajności ekstrakcji. Ta różnica jest już bardzo znacząca, i w wypadku niewielkich współczynników podziału ekstrakcja wielokrotna jest wręcz niezbędna. Jednak w wypadku dużych współczynników ekstrakcji (rzędu 1000 lub więcej), już po pierwszej ekstrakcji wyekstrahujemy niemal cały analit i druga ekstrakcja jest bezcelowa. Z drugiej strony, przy małych współczynnikach (5 lub mniej) nawet wielokrotna ekstrakcja niewiele pomoże; wówczas konieczne jest stosowanie ekstrakcji ciągłej, technik zatężania, lub innego rozpuszczalnika, dla którego współczynnik podziału jest wyższy. Przy doborze rozpuszczalnika do ekstrakcji należy kierować się zasadą podobne rozpuszcza podobne to znaczy, że cząsteczki o danych właściwościach (chodzi głównie o polarność) najlepiej będą rozpuszczać się w rozpuszczalniku o zbliżonej polarności: węglowodory czy tłuszcze dobrze się będą rozpuszczać w węglowodorach (np. heksan, benzen, eter naftowy), ale słabo w alkoholach niskocząsteczkowych i w wodzie. Z kolei cząsteczki polarne (kwasy organiczne i aminy o krótkich łańcuchach węglowych, cukry) lepiej rozpuszczać się będą w wodzie i alkoholach, niż w węglowodorach. Na polarność cząsteczki znaczny wpływ ma ph roztworu wodnego. Na przykład, w ph kwaśnym aminy występują jako kationy (R-NH 3 + ) i są lepiej rozpuszczalne niż w formie obojętnej (R-NH 2 ). Kwasy organiczne natomiast w środowisku kwaśnym występują jako cząsteczki niezdysocjowane (R-COOH), a dopiero w zasadowym tworzą aniony (R-COO - ), które są znacznie lepiej rozpuszczalne. ph graniczne między dwiema formami dla danego związku jest równe wartości jego pk a. Wysalanie Zjawisko wysalania polega na zmniejszeniu rozpuszczalności analitu w matrycy (w naszym wypadku toluenu w wodzie), co ułatwia jego ekstrakcję do fazy organicznej. To zmniejszenie rozpuszczalności wywołujemy rozpuszczeniem w fazie wodnej dużej, zbliżonej do maksymalnej możliwej do rozpuszczenia, ilości soli nieorganicznych (najczęściej chlorki lub siarczany sodu lub potasu),

3 nierozpuszczalnych w fazie organicznej, której używamy do ekstrakcji. Proces ten zachodzi następująco: Analit (toluen) jest trudno rozpuszczalny w wodzie, więc w określonej objętości wody rozpuści się tylko określona ilość analitu (np. 0,5ml toluenu w 1L wody). Wyobraźmy sobie, że w jakiś sposób zmniejszymy ilość wody dostępnej dla toluenu jako rozpuszczalnik. Co się stanie? Toluen oddzieli się od wody, bo będzie jej zbyt mało, by go rozpuścić (a oddzielając się od wody, łatwo rozpuści się w np. pentanie czy heksanie). Co ma wspólnego dodanie soli ze zmniejszeniem ilości wody? Okazuje się, że bardzo wiele. Sól, rozpuszczając się w wodzie, dysocjuje na jony. Wokół każdego jonu tworzy się wielowarstwowa powłoka cząsteczek wody, zwana otoczką hydratacyjną. Jeśli damy dużą ilość soli, powstanie duża ilość jonów, których hydratacja wymagać będzie znacznej ilości cząsteczek wody. W ten sposób zmniejsza się ilość wolnych cząsteczek wody, które stanowią matrycę dla toluenu i w konsekwencji mamy w roztworze nadmiar toluenu w stosunku do wody, co skutkuje wypadnięciem toluenu z fazy wodnej, co z kolei spowoduje przejście nadmiarowego toluenu do fazy organicznej. Jeszcze wyraźniejszy efekt wysalania jest widoczny dla analitów, których cząsteczki są polarne, a więc same mają otoczki hydratacyjne: Dodanie soli odziera cząsteczki analitu z ich otoczek (cząsteczki wody z otoczek hydratacyjnych analitu są przejmowane do otoczek hydratacyjnych jonów powstałych z dysocjacji soli), powodując radykalne zmniejszenie ich rozpuszczalności, i tym bardziej ułatwia ekstrakcję analitu. Znając opisane wyżej zależności możemy wręcz projektować sposób wydobywania analitu z matrycy. Przykład 3 Mamy próbkę wody, w której są kwas benzoesowy oraz anilina (fenyloamina). Załóżmy, że nasza analiza wymaga otrzymania 2 oddzielnych organicznych ekstraktów, jednego zawierającego anilinę i drugiego, zawierającego kwas benzoesowy. Krok 1: Zakwaszamy roztwór, w efekcie powstaje dobrze rozpuszczalna sól aminy i słabo rozpuszczalny kwas benzoesowy. Krok 2: Ekstrahujemy próbkę np. eterem dietylowym, przenosząc do fazy organicznej kwas benzoesowy. Krok 3: dodajemy do próbki zasady, np. sodowej, co powoduje przejście aminy w formę słabo rozpuszczalna w wodzie. Krok 4: ekstrahujemy anilinę rozpuszczalnikiem organicznym. Warto wspomóc się wysalaniem próbki. Można oczywiście zacząć od zalkalizowania próbki i najpierw wyekstrahować anilinę, a dopiero później kwas benzoesowy. Wykonanie ćwiczenia: Odczynniki: Roztwór toluenu w wodzie wzorcowy (0,5ml toluenu/1l roztworu) Roztwór toluenu w wodzie roboczy (50ml roztworu wzorcowego + 450ml wody) Heksan cz.d.a. chlorek sodu cz.d.a. Sprzęt laboratoryjny: Cylinder miarowy 100ml 2szt. naczynko wagowe lejek z szeroką szyjką Rozdzielacz 200ml lub 250ml 2szt.

4 Spektrofotometr UV i kuweta kwarcowa 1cm pipeta 5ml + nasadka (2 zestawy) Fiolki z nakrętką 10ml 4szt, ponumerowane od 1 do 4 Rozdzielacz 1: Do rozdzielacza nalać 60ml roztworu roboczego toluenu, a następnie 6ml heksanu. Wytrząsać 3 min., odstawić do rozdzielenia warstw. Warstwę dolną (wodną) odrzucić, warstwę górną (heksanową) przenieść do fiolki nr 1. Następnie do rozdzielacza nalać kolejne 60ml roztworu roboczego. Dodać 2ml heksanu, wytrząsać 1 min., rozdzielić obie fazy, zachowując fazę wodną (można ją zlać z rozdzielacza do cylindra miarowego, którym była odmierzana), a fazę heksanową przenieść do fiolki nr 2. Fazę wodną wlać z powrotem do rozdzielacza, dodać kolejne 2ml heksanu, wytrząsać 1min. i rozdzielić. Powtórzyć procedurę jeszcze raz, by w sumie w fiolce nr 2 było 6ml ekstraktu. Rozdzielacz 2: W naczynku wagowym odważyć 12g NaCl. Do rozdzielacza nalać 60ml roztworu roboczego, i wsypać (najlepiej przez lejek z szeroką szyjką) odważoną sól. Wymieszać do całkowitego rozpuszczenia soli. Dodać 6ml heksanu. Wytrząsać 3 min., odstawić do rozdzielenia warstw. Warstwę dolną (wodną) odrzucić, warstwę górną (heksanową) przenieść do fiolki nr 3. Następnie odważyć kolejne 12g NaCl, do rozdzielacza nalać kolejne 60ml roztworu toluenu, wsypać do niego sól i wymieszać do całkowitego rozpuszczenia. Dodać 2ml heksanu, wytrząsać 1 min., rozdzielić obie fazy, zachowując fazę wodną (można ją zlać z rozdzielacza do cylindra miarowego, którym była odmierzana), a fazę heksanową przenieść do fiolki nr 4. Fazę wodną wlać z powrotem do rozdzielacza, dodać kolejne 2ml heksanu, wytrząsać 1min. i rozdzielić. Powtórzyć procedurę jeszcze raz, by w sumie w fiolce nr 4 było 6ml ekstraktu. Po wykonaniu ekstrakcji zmierzyć absorbancję ekstraktów 1-4, w kuwecie kwarcowej 1cm, przy długości fali 254nm (zerować na czysty heksan), wyniki umieścić w tabeli i zinterpretować wyniki. Zagadnienia: ekstrakcja ciecz-ciecz, szczególnie wysalanie i ekstrakcja wielokrotna.

5 Sprawozdanie z ćwiczenia Ćwiczenie wykonali: Data:.. Wyniki: Nr fiolki Absorbancja 1 (ekstrakcja 1x6ml) 2 (ekstrakcja 3x2ml) 3 (wysalanie + ekstrakcja 1x6ml) 4 (wysalanie+ ekstrakcja 3x2ml) Różnica (% absorbancji) między ekstrakcją 1x6ml a 3x2ml: Różnica między ekstrakcją z wysalaniem i bez wysalania: Różnica (% absorbancji) dla sumy efektów (wysalanie + wielokrotna ekstrakcja): Interpretacja wyników (kilka zdań): Podpis prowadzącego zajęcia:

6